Quiet roads ahead

Quiet roads ahead

The roar of passing vehicles could soon be a thing of the past

A  – The noise produced by busy roads is a growing problem. While vehicle designers have worked hard to quieten engines, they have been less successful elsewhere. The sound created by the tyres on the surface of the road now accounts for more than half the noise that vehicles create, and as road building and car sales continue to boom – particularly in Asia and the US – this is turning into a global issue.

B  –  According to the World Health Organization, exposure to noise from road traffic over long periods can lead to stress-related health problems. And where traffic noise exceeds a certain threshold, road builders have to spend money erecting sound barriers and installing double glazing in blighted homes. Houses become harder to sell where environmental noise is high, and people are not as efficient or productive at work.

C  –  Already, researchers in the Netherlands – one of the most densely populated countries in the world – are working to develop techniques for silencing the roads. In the next five years the Dutch government aims to have reduced noise levels from the country’s road surfaces by six decibels overall. Dutch mechanical engineer Ard Kuijpers has come up with one of the most promising, and radical, ideas. He set out to tackle the three most important factors: surface texture, hardness and ability to absorb sound.

D  –  The rougher the surface, the more likely it is that a tyre will vibrate and create noise. Road builders usually eliminate bumps on freshly laid asphalt with heavy rollers, but Kuijpers has developed a method of road building that he thinks can create the ultimate quiet road. His secret is a special mould 3 metres wide and 50 metres long. Hot asphalt, mixed with small stones, is spread into the mould by a railmounted machine which flattens the asphalt mix with a roller. When it sets, the 10-millimetre-thick sheet has a surface smoother than anything that can be achieved by conventional methods.

E  –  To optimise the performance of his road surface – to make it hard wearing yet soft enough to snuff out vibrations – he then adds another layer below the asphalt. This consists of a 30-millimetre-thick layer of rubber, mixed with stones which are larger than those in the layer above. ‘It’s like a giant mouse mat, making the road softer,’ says Kuijpers.

F  –  The size of the stones used in the two layers is important, since they create pores of a specific size in the road surface. Those used in the top layer are just 4 or 5 millimetres across, while the ones below are approximately twice that size – about 9 millimetres. Kuijpers says the surface can absorb any air that is passing through a tyre’s tread (the indentations or ridges on the surface of a tyre), damping oscillations that would otherwise create noise. And in addition they make it easier for the water to drain away, which can make the road safer in wet weather.

G  –  Compared with the complex manufacturing process, laying the surface is quite simple. It emerges from the factory rolled, like a carpet, onto a drum 1.5 metres in diameter. On site, it is unrolled and stuck onto its foundation with bitumen. Even the white lines are applied in the factory.

H  –  The foundation itself uses an even more sophisticated technique to reduce noise further. It consists of a sound-absorbing concrete base containing flask-shaped slots up to 10 millimetres wide and 30 millimetres deep that are open at the top and sealed at the lower end. These cavities act like Helmholtz resonators – when sound waves of specific frequencies enter the top of a flask, they set up resonances inside and the energy of the sound dissipates into the concrete as heat. The cavities play another important role: they help to drain water that seeps through from the upper surface. This flow will help flush out waste material and keep the pores in the outer layers clear.

I  –  Kuijpers can even control the sounds that his resonators absorb, simply by altering their dimensions. This could prove especially useful since different vehicles produce noise at different frequencies. Car tyres peak at around 1000 hertz, for example, but trucks generate lower-frequency noise at around 600 hertz. By varying the size of the Kuijpers resonators, it is possible to control which frequencies the concrete absorbs. On large highways, trucks tend to use the inside lane, so resonators here could be tuned to absorb sounds at around 600 hertz while those in other lanes could deal with higher frequency noise from cars.

J  –  Kuijpers believes he can cut noise by five decibels compared to the quietest of today’s roads. He has already tested a l00-metre-long section of his road on a motorway near Apeldoorn, and Dutch construction company Heijmans is discussing the location of the next roll-out road with the country’s government. The success of Kuijpers’ design will depend on how much it eventually costs. But for those affected by traffic noise there is hope of quieter times ahead.

Những con đường yên tĩnh phía trước

Tiếng gầm rú của những phương tiện qua lại có thể sớm trở thành dĩ vãng

A  – Tiếng ồn do những con đường đông đúc tạo ra là một vấn đề ngày càng gia tăng. Trong khi các nhà thiết kế xe đã làm việc chăm chỉ để giảm tiếng ồn của động cơ, nhưng họ lại kém thành công hơn ở những bộ phận khác. Âm thanh do lốp xe tạo ra trên bề mặt đường hiện chiếm hơn một nửa tiếng ồn mà các phương tiện giao thông sinh ra, và khi việc xây dựng đường bộ và doanh số bán xe hơi tiếp tục bùng nổ – đặc biệt là ở châu Á và Mỹ – điều này đang trở thành một vấn đề toàn cầu.

B  – Theo Tổ chức Y tế Thế giới, việc tiếp xúc với tiếng ồn từ giao thông đường bộ trong thời gian dài có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe liên quan đến sự căng thẳng. Và ở những nơi tiếng ồn giao thông vượt quá ngưỡng nhất định, các nhà xây dựng đường phải chi tiền để dựng hàng rào âm thanh và lắp kính hai lớp trong những ngôi nhà cũ kỹ. Những ngôi nhà trở nên khó bán hơn ở những nơi có tiếng ồn môi trường cao, và mọi người thì làm việc không hiệu quả hoặc kém năng suất.

C  – Hiện tại, các nhà nghiên cứu ở Hà Lan – một trong những quốc gia đông dân nhất trên thế giới – đang nỗ lực phát triển các kỹ thuật để giảm âm thanh trên đường. Trong 5 năm tới, chính phủ Hà Lan đặt mục tiêu giảm mức ồn từ các mặt đường của đất nước này xuống tổng thể là 6 decibel. Kỹ sư cơ khí người Hà Lan Ard Kuijpers đã đưa ra một trong những ý tưởng có triển vọng và cấp tiến nhất. Ông đặt ra ba yếu tố quan trọng nhất: kết cấu bề mặt, độ cứng và khả năng hấp thụ âm thanh.

D  – Bề mặt càng gồ ghề, lốp xe càng dễ bị rung và tạo ra tiếng ồn. Những người làm đường thường loại bỏ những chỗ lồi trên lớp nhựa đường mới rải bằng những chiếc xe lu, nhưng Kuijpers đã phát triển một phương pháp làm đường mà ông cho rằng có thể tạo ra một con đường yên tĩnh tối đa. Bí quyết của ông là một chiếc khuôn đặc biệt rộng 3 mét và dài 50 mét. Nhựa đường nóng, trộn với đá nhỏ, được rải vào khuôn bằng máy có gắn ray để làm phẳng hỗn hợp nhựa đường bằng một máy cán. Khi nó đông lại, sẽ tạo ra một lớp dày 10 mm có bề mặt mịn hơn bất cứ thứ gì có thể đạt được bằng các phương pháp thông thường.

E  – Để tối ưu hóa khả năng vận hành của mặt đường – để làm cho mặt đường cứng nhưng đủ mềm để loại bỏ rung động – do đó, anh ấy thêm một lớp khác bên dưới lớp nhựa đường. Nó bao gồm một lớp cao su dày 30 mm, được trộn với những viên đá lớn hơn những viên ở lớp trên. Kuijpers nói: ‘Nó giống như một tấm thảm lót chuột khổng lồ, khiến con đường trở nên mềm mại hơn.’

F  – Kích thước của đá được sử dụng trong hai lớp rất quan trọng, vì chúng tạo ra các lỗ rỗng có kích thước nhất định trong mặt đường. Những viên đá được sử dụng ở lớp trên cùng chỉ có chiều ngang 4 hoặc 5 mm, trong khi những viên bên dưới có kích thước xấp xỉ gấp đôi – khoảng 9 mm. Kuijpers cho biết bề mặt này có thể hấp thụ bất kỳ không khí nào đi qua lốp xe (các vết lõm hoặc đường gờ trên bề mặt của lốp), các dao động giảm xóc có thể tạo ra tiếng ồn. Ngoài ra, chúng còn giúp nước thoát đi dễ dàng hơn, giúp đường an toàn hơn trong điều kiện thời tiết ẩm ướt.

G  – So với quá trình sản xuất phức tạp, việc bố trí bề mặt này khá đơn giản. Nó được sản xuất trong nhà máy dưới dạng cuộn, giống như một tấm thảm, được cuộn lên một trụ có đường kính 1,5 mét. Khi sử dụng, nó được tháo ra và được đính chặt vào nền bằng nhựa đường. Ngay cả những đường kẻ màu trắng cũng được sản xuất trong nhà máy theo cách này.

H  – Bản thân việc xây nền móng cũng được sử dụng một kỹ thuật thậm chí còn phức tạp hơn để giảm tiếng ồn. Nó bao gồm một đế bê tông hấp thụ âm có chứa các rãnh có hình phễu với chiều rộng lên đến 10 mm và sâu 30 mm được mở ở đầu và bịt kín ở đuôi. Các khoang này hoạt động giống như các bộ cộng hưởng Helmholtz – khi sóng âm thanh có tần số cụ thể đi vào đỉnh của phễu, chúng tạo ra các cộng hưởng bên trong và năng lượng của âm thanh sẽ tiêu tán vào bê tông dưới dạng nhiệt. Các khoang này đóng một vai trò quan trọng khác: chúng giúp thoát nước thấm từ bề mặt bên trên. Dòng chảy này sẽ giúp đẩy chất thải ra ngoài và giữ cho các lỗ ở các lớp bên ngoài được thông thoáng.

I  – Kuijpers thậm chí có thể kiểm soát tiếng ồn mà bộ cộng hưởng của anh ta hấp thụ, chỉ đơn giản bằng cách thay đổi kích thước của chúng. Điều này có thể đặc biệt hữu ích vì các phương tiện khác nhau tạo ra tiếng ồn ở các tần số khác nhau. Ví dụ, lốp xe ô tô tạo ra tiếng ồn đạt đỉnh khoảng 1000 hertz, nhưng xe tải tạo ra tiếng ồn với tần số thấp hơn khoảng 600 hertz. Bằng cách thay đổi kích thước của bộ cộng hưởng Kuijpers, ta có thể kiểm soát tần số âm thanh mà bê tông có thể hấp thụ. Trên các đường cao tốc lớn, xe tải có xu hướng sử dụng làn đường bên trong, vì vậy các bộ cộng hưởng ở đây có thể được điều chỉnh để hấp thụ âm thanh ở khoảng 600 hertz trong khi các bộ cộng hưởng ở các làn đường khác có thể giải quyết tiếng ồn có tần số cao hơn đến từ ô tô.

J  – Kuijpers tin rằng anh ta có thể giảm tiếng ồn xuống 5 decibel ở những con đường yên tĩnh nhất hiện nay. Anh ấy đã thử nghiệm đoạn đường dài 100 mét của mình trên đường cao tốc gần Apeldoorn và công ty xây dựng Hà Lan Heijmans đang thảo luận về vị trí triển khai của con đường tiếp theo với chính phủ nước này. Thành công của thiết kế của Kuijpers sẽ phụ thuộc vào giá cuối cùng của nó. Nhưng đối với những người bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn giao thông, sẽ có hy vọng về khoảng thời gian yên tĩnh hơn ở phía trước.