基于LMS Virtual.Lab的聲屏障結(jié)構(gòu)對其聲學(xué)特性影響分析

胡 薇，孫鳳英，馮 霞

(東北林業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，哈爾濱 150040)

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，汽車越來越成為人們出行必不可少的代步工具，隨之而來的噪聲問題也開始引起人們的關(guān)注。根據(jù)全國的環(huán)境監(jiān)測結(jié)果表明：目前全國城市噪聲超標(biāo)路段平均達(dá)60％以上，受交通噪聲污染的面積已超過30％[1-4]。如何有效的降低城市交通噪聲污染，為居民創(chuàng)造更好的生活環(huán)境，已成為當(dāng)代社會迫切需要解決的問題之一。

在降低噪聲傳播三條途徑中，切斷傳播途徑是最可行有效的方法之一。為了降低接收點(diǎn)的聲壓級，在聲源和接收點(diǎn)之間插入一個使聲波在傳播過程中產(chǎn)生顯著附加衰減的隔聲設(shè)施，即聲屏障，從而降低一定范圍內(nèi)的噪聲影響。因此，聲屏障作為一種實(shí)用并且有效的降噪措施廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的道路上。

LMS Virtual.Lab Acoustics軟件是全球領(lǐng)先的專門用于噪聲分析的CAE軟件，它建立在CATIA V5平臺上，不僅完全繼承了SYSNOISE的強(qiáng)大功能，還極大發(fā)展了最先進(jìn)新技術(shù)。本文以Virtual.Lab Acoustics為平臺進(jìn)行聲屏障的仿真，通過不同結(jié)構(gòu)聲屏障插入后聲場的變化以及插入損失的變化規(guī)律，分析不同結(jié)構(gòu)聲屏障的降噪性能。

1 聲屏障降噪原理

惠更斯——菲涅耳理論[5](Huygens-Fresnel principle)是聲屏障降噪理論的基礎(chǔ)，當(dāng)聲波在傳播過程中遇到障礙物(聲屏障)時，會分成三個部分，一部分聲波發(fā)生了反射，一部分聲波繞過聲屏障到達(dá)接收點(diǎn)，一部分聲波則透過聲屏障到達(dá)接收點(diǎn)，因此，在聲屏障降噪就是要阻擋直達(dá)和透射聲波，并使繞射聲得到足夠的衰減，從而降低接收者(受聲點(diǎn))的聲壓級。插入損失就是在保持噪聲源、地形、地貌、地面和氣象條件不變情況下，同一噪聲源在聲屏障安裝前后在同一受聲點(diǎn)先后測定的噪聲聲壓級之差，因此聲屏障降噪效果的評價一般采用插入損失來衡量。

2 聲屏障的插入損失計(jì)算

聲屏障插入損失IL的計(jì)算式為：

IL=ΔLd-ΔLt-ΔLr-max(ΔLs，ΔLG)。

(1)

式中：IL為插入損失；ΔLd為繞射聲衰減；ΔLt為透射聲修正量；ΔLr為反向聲修正量；ΔLs為地面吸收聲衰減；ΔLG為障礙物聲衰減

因?yàn)檎系K物和地面效應(yīng)是相互影響相互制約的，若有障礙物，地面效應(yīng)就會失效，所以ΔLs和ΔLG一般不會同時存在，則公式(1)選取兩者中最大的。建立聲屏障以后，原有的障礙物和地面的吸收的能量就可以忽略不計(jì)，所以公式(1)要減去max(ΔLs，ΔLG)，則公式可變?yōu)椋?/p>

IL=ΔLd-ΔLtΔLr。

(2)

2.1 繞射衰減的計(jì)算

2.1.1 點(diǎn)聲源

若線聲源的長度小于聲源到受聲點(diǎn)之間的距離的1/3時，即聲源到受聲點(diǎn)的距離遠(yuǎn)大于線聲源長度時，線聲源可看做點(diǎn)聲源，則其繞射衰減可由公式(3)計(jì)算：

(3)

2.1.2 線聲源

當(dāng)聲源為一無限長不相干線聲源時，其繞射聲衰減為：

(4)

式中：f為聲波頻率，Hz；δ=A+B-d為聲程差，m；c為聲速，m/s。

2.2 透射聲修正量ΔLt的確定

透射聲修正量ΔLt，的大小主要取決于聲屏障的傳聲損失，ΔLt可由下列公式計(jì)算：

ΔLt=ΔLd+101g(10-ΔLd/10+10TL/10)。

(5)

其中TL為聲屏障傳聲損失，計(jì)算公式為：

TL=101g(Ei/Et)。

(6)

式中：Ei為聲波的入射聲能；Et為聲波的透射聲能。

2.3 反射聲修正量ΔLr的確定

決定反射聲修正量ΔLr的因素很多，比如聲屏障、受聲點(diǎn)和聲源的位置高度，聲屏障是否是單側(cè)安裝，如果是單側(cè)安裝，ΔLr可忽略不計(jì)，如果是兩側(cè)安裝，則要考慮兩者之間的距離，還有聲屏障的降噪系數(shù)NRC。一般情況下，ΔLr為0.5～6dB(A)之間，若NRC>0.5使得ΔLr<1dB(A)時，ΔLr可以忽略不計(jì)。

因此，不同的結(jié)構(gòu)型式對聲波的繞射和反射都有較大的影響，即對聲屏障的插入損失具有一定的影響。

3 建立模型

3.1 聲屏障結(jié)構(gòu)模型

在Virtual.Lab的幾何建模模塊(Geometry)直接建立4種常見結(jié)構(gòu)型式的聲屏障，如圖1所示。

3.2 劃分網(wǎng)格

在Virtual.Lab的網(wǎng)格劃分模塊(Meshing)中，選擇CAD Meshing，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因?yàn)榱骟w網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格不影響此次仿真計(jì)算的結(jié)果，為計(jì)算簡便，采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小根據(jù)小于最小波長的1/6確定。

3.3 設(shè)置相關(guān)參數(shù)

(1)聲屏障材料統(tǒng)一選用PMMA板，材料參數(shù)見表1。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

表1材料設(shè)置參數(shù)

Tab.1 Material parameters

材料密度/kg·m-3楊氏模量/N·m-2泊松比厚度/mmPMMA1 1805.35e+0100.3512

(2)研究車輛噪聲頻譜可以為聲屏障設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，是聲屏障設(shè)計(jì)時重要影響因素。根據(jù)對車輛行駛噪聲的頻譜分析得出，頻率在250～2 000Hz時聲壓級較大。因此提交計(jì)算時，頻率范圍設(shè)為：100～2 000Hz，步長為100Hz。

(3)因?yàn)榻煌鲗儆谶B續(xù)性聲源，按線聲源設(shè)置。

4 仿真分析

4.1 插入損失分析

通過 Virtual.Lab Acoustics軟件直接得出各頻率下4種結(jié)構(gòu)的插入損失(Insertion Loss)如圖2所示。

圖2 插入損失頻譜分析圖

根據(jù)圖2可以看出，隨著頻率增加，插入損失各結(jié)構(gòu)聲屏障呈增長趨勢，總體來看，低頻區(qū)的降噪效果不太理想，因?yàn)榈皖l區(qū)的波長較長，聲波更加容易產(chǎn)生繞射，仿真結(jié)果符合噪聲繞射衰減規(guī)律。當(dāng)計(jì)算頻率為200Hz時，聲波在傳播過程中受聲屏障的干擾逐漸明顯，說明了聲屏障的降噪作用隨著頻率的增加逐步增強(qiáng)。在低頻區(qū)200Hz時，圓弧型聲屏障降噪效果最好，傾斜板和T板次之，直板型最差；在等效聲能量主要集中的400Hz時，圓弧和T板都能起到很好的降噪效果。當(dāng)頻率進(jìn)入中高頻區(qū)時，各結(jié)構(gòu)聲屏障插入損失陸續(xù)達(dá)到峰值見表2。

表2 插入損失峰值表

插入損失峰值各結(jié)構(gòu)聲屏障差距不大，并且集中在800～1 000Hz出現(xiàn)。根據(jù)圖2可以看出，各聲屏障在700～1 300Hz都能起到很好的降噪效果。因此在選取聲屏障結(jié)構(gòu)時，應(yīng)根據(jù)道路車型及相關(guān)頻率進(jìn)行選擇。

4.2 位移幅值分析

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)噪聲能量主要集中在400Hz左右[6]，因此，可以認(rèn)為聲屏障對城市道路交通噪聲的衰減是對400Hz左右聲波的衰減，圖3為400Hz時各結(jié)構(gòu)聲屏障的位移幅值。

根據(jù)圖3可看出，直板型聲屏障的最大位移幅值集中在板中部，在進(jìn)行聲屏障設(shè)計(jì)中，可在中部采用吸聲材料或結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)中部的吸聲性能達(dá)到提高插入損失的目的。

傾斜板的最大位移幅值集中在中部偏下，可在聲屏障設(shè)計(jì)時，下方采用微孔結(jié)構(gòu)，T板和圓弧型板的最大位移幅值均集中在頂部，為防止頂部質(zhì)量太大而降低應(yīng)對惡劣氣候環(huán)境和抗風(fēng)能力下降，可將頂部采用吸聲材料來加強(qiáng)聲屏障的吸聲性能。

5 結(jié) 論

(1)聲屏障是降低交通噪聲的有效方法之一。

圖3 400Hz位移幅值圖

(2)聲屏障的降噪效果高頻噪聲高于低頻噪聲。

(3)在低頻噪聲區(qū)，采用圓弧型和T型聲屏障的降噪效果略高于直板型和傾斜型。

(4)在進(jìn)行聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，直板型和傾斜型可在位移幅值最大中部和中下部采用微孔等吸聲結(jié)構(gòu)，圓弧型和T型可在頂部選用吸聲材料來達(dá)到更好的降噪效果。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]彭立新，胡衛(wèi)保.道路聲屏障設(shè)計(jì)探討[J].冶金礦山設(shè)計(jì)與建設(shè)，2001，33(5)：39-41.

[2]苗齊壯，孫鳳英，張梅美.基于TransModeler軟件的公交信號優(yōu)先模型研究[J].森林工程，2012，28(3)：47-50.

[3]劉 瑛，劉國民.公交優(yōu)先仿真系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)[J].公路工程，2012，37(1)：120-122+127.

[4]葉 穎，王志瑞，翟云波，等.高速公路聲敏感點(diǎn)聲場分布模擬與仿真[J].公路工程，2013，38(2)：71-74.

[5]Webb J D.Noise control in Industry(Third edition)[M].England：Sound Research Laboratories Ltd，1991.

[6]盧向明.道路聲屏障聲學(xué)特性與聲學(xué)設(shè)計(jì)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2004.