地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)消聲設(shè)計

楊禮楨

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地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)消聲設(shè)計

楊禮楨

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

通過對隧道通風(fēng)系統(tǒng)噪聲源的分析，用不同的噪聲評價標(biāo)準(zhǔn)對隧道風(fēng)機(jī)的消聲設(shè)計開展討論，分析了噪聲的衰減，并給出了某地鐵車站的計算實例，同時對隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中消聲器的選用和布置原則進(jìn)行了總結(jié)。

地鐵車站；隧道通風(fēng)系統(tǒng)；消聲設(shè)計

0 引言

地鐵通風(fēng)系統(tǒng)消聲設(shè)計是暖通專業(yè)的一個分支，也是環(huán)境工程中一個十分敏感問題。由于地鐵車站一般位于城市繁華區(qū)域，若消聲設(shè)計不當(dāng)，會引起噪聲擾民，特別是居民住宅，學(xué)校、醫(yī)院等對噪聲要求較高的區(qū)域，還會造成較惡劣的影響，因此必須在車站設(shè)計階段重視消聲設(shè)計。

目前，在設(shè)計過程中，車站的消聲設(shè)計一般分為兩個階段，第一階段為設(shè)計階段，暖通工程師根據(jù)線路《工程技術(shù)要求》及工程經(jīng)驗，結(jié)合車站建筑特點選擇布置消聲設(shè)備。第二階段為產(chǎn)品深化階段，設(shè)備招標(biāo)后，設(shè)備供貨商對車站設(shè)置的消聲設(shè)備進(jìn)行深化或優(yōu)化，由暖通工程師校核確認(rèn)后實施。但部分暖通工程師對消聲設(shè)計并未給予足夠的重視，往往導(dǎo)致兩個設(shè)計階段出現(xiàn)較大的偏差，導(dǎo)致設(shè)計圖紙的變更。另根據(jù)現(xiàn)階段地鐵運營反饋來看，風(fēng)亭周邊噪聲超標(biāo)主要是由隧道風(fēng)機(jī)及列車噪聲引起，因此本文僅圍繞隧道通風(fēng)系統(tǒng)消聲設(shè)計展開。

1 隧道通風(fēng)系統(tǒng)噪聲源的分析

對隧道通風(fēng)系統(tǒng)，噪聲主要來自地鐵列車和隧道風(fēng)機(jī)。

1.1 地鐵列車噪聲分析

地鐵列車運行是一種非穩(wěn)態(tài)噪聲，主要來源于列車運行時拖拽和推動隧道空氣而產(chǎn)生的活塞風(fēng)氣流噪聲。列車運行時因車輪不可避免的偏心，路軌不平整等原因引起的整車振動，振動又激發(fā)了結(jié)構(gòu)或隧床等傳播了固體聲，因固體聲隨距離衰減相對緩慢，其激起的頻率又在很低頻域內(nèi)，故其影響范圍相對比空氣聲更為寬廣。此外，還有制動懸掛連接件之間在運行中相互撞擊產(chǎn)生的噪聲；牽引系統(tǒng)設(shè)備運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲；列車空調(diào)器等設(shè)備的運轉(zhuǎn)噪聲等。

列車在進(jìn)出車站時速度較低，低速運行時具有聲級高，頻帶寬，傳播距離遠(yuǎn)等特點，噪聲成分主要分布在250Hz～2000Hz頻域內(nèi)?，F(xiàn)場實測結(jié)果顯示，當(dāng)列車進(jìn)站時站臺的噪聲峰值可達(dá)90 dB(A)左右[1]。

1.2 風(fēng)機(jī)噪聲分析

風(fēng)機(jī)噪聲主要來源于空氣動力性噪聲、機(jī)械噪聲以及電動機(jī)噪聲。其中空氣動力噪聲主要有旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲。當(dāng)風(fēng)機(jī)的葉輪在旋轉(zhuǎn)時，葉片沿周向的氣流速度和壓力是不均勻的，從而在殼體上產(chǎn)生壓力脈動，形成旋轉(zhuǎn)噪聲；葉輪在旋轉(zhuǎn)時，使其周圍形成渦流，由于空氣的黏稠性，渦流又分解成一系列小渦流，擾動了周圍的空氣，因而又產(chǎn)生了渦流噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲以中低頻聲為主；渦流噪聲為連續(xù)性噪聲譜，以中高頻成份較突出[2]。隧道風(fēng)機(jī)的噪聲一般達(dá)90～110dB(A)。以武漢3號線某車站隧道風(fēng)機(jī)（風(fēng)量60m3/s，功率90kW，全壓900Pa）為例，其八倍頻帶聲功率級分布參數(shù)如表1。

表1 某隧道風(fēng)機(jī)八倍頻帶聲功率級

從上面分析可知，隧道風(fēng)機(jī)的噪聲聲功率級一般都大于地鐵列車進(jìn)站和出站噪聲峰值，因此地鐵車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)消聲主要是針對隧道風(fēng)機(jī)來設(shè)計。

2 噪聲評價標(biāo)準(zhǔn)

2.1 規(guī)范要求

《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157-2013）規(guī)定“風(fēng)亭出口的噪聲應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3096的有關(guān)規(guī)定”[3]。

現(xiàn)行《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096-2008）將聲環(huán)境功能區(qū)類別分為0、1、2、3、4（4a和4b），并對不同類別晝間夜間的噪聲限值作了規(guī)定，在噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)中采用了A計權(quán)聲級評價方法，但A聲級較適合連續(xù)的穩(wěn)態(tài)噪聲評價，其不能反映被測噪聲的具體頻譜特性。

A聲級是單一的數(shù)值，是噪聲的所有成分的綜合反映，如果我們要比較細(xì)致地評價各頻程的噪聲，就應(yīng)該采用噪聲評價曲線。NR曲線就是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出和推薦的，它是各國最常用的標(biāo)準(zhǔn)曲線[4]。NR曲線能夠表示噪聲級強(qiáng)度和頻率兩個主要因素。而噪聲對環(huán)境的影響不僅與聲級強(qiáng)度，而且與頻率特性有關(guān)。NR曲線評價數(shù)的特點是強(qiáng)調(diào)了噪聲的高頻成分比低頻成分更為煩擾人的特性。因此在地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)噪聲控制設(shè)計中，還應(yīng)采用NR曲線評價數(shù)作為達(dá)標(biāo)依據(jù)。即計算時不但對A聲級有要求，而且應(yīng)對八個倍頻帶聲壓級也提出要求[5]。

2.2 NR噪聲評價曲線

噪聲評價數(shù)（Noise Rating Number，簡寫NR），是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）推薦的一組曲線，即NR噪聲評價曲線，詳見圖1。

圖1 NR噪聲評價曲線

在其每一條曲線上，中心頻率為1000Hz的倍頻帶聲壓級等于噪聲評價數(shù)，其它63Hz-8000Hz倍頻帶的聲壓級和的關(guān)系也可由下式計算[6]：

式中，L為倍頻帶聲壓級；NR為對應(yīng)的NR數(shù)；，為常數(shù)，與各頻帶中心頻率的關(guān)系見表2。

噪聲評價曲線是用聲壓級來表示，但一般風(fēng)機(jī)頻譜噪聲是以聲功率級來表示的，聲壓級與聲功率級的換算關(guān)系式為[5]：

式中，L為聲壓級；L為聲功率級；為根據(jù)風(fēng)機(jī)安裝位置及場地的修正數(shù)值，一般為5～7dB。

表2 不同中心頻率的a和b取值

2.3 A聲級與NR噪聲評價曲線的關(guān)系

國內(nèi)很多著作對A聲級與NR噪聲評價曲線的關(guān)系進(jìn)行了描述，盧慶普、翁儀壁等通過驗證分析，得出63～8000Hz倍頻程頻帶寬度的A聲級與數(shù)的關(guān)系可近似用下式表示[6]：

（1）當(dāng)A聲級小于或等于50dB（A）時：

（2）當(dāng)A聲級大于50dB（A）時：

式中，L為A聲級；為NR數(shù)。

由式（1）、（3）、（4）可求出幾個常用NR曲線評價數(shù)倍頻聲壓級值及對應(yīng)的A聲級值，見表3。

表3 常用NR曲線評價數(shù)倍頻聲壓級值及對應(yīng)的A聲級值

3 隧道風(fēng)機(jī)噪聲衰減分析

3.1 漸擴(kuò)管的衰減

管道截面積的突然擴(kuò)大或縮小處，可將部分聲波反射回聲源方向或產(chǎn)生聲干涉，從而使聲能衰減，噪聲衰減量可由下式計算[7]：

式中，=2/1，2、1分別為變徑后及變徑前的管道截面積，m2；噪聲衰減量對各個頻率都相同。

地鐵隧道風(fēng)機(jī)前端和末端一般通過1.7～2.2m長漸擴(kuò)管和消聲器相連接，其擴(kuò)張比通常為3～4倍，其降噪量在2dB左右。

3.2 矩形直管道的衰減

直管的自然衰減與管道斷面周長、管段長度、管壁的吸聲系數(shù)有關(guān)。對金屬管道，當(dāng)管內(nèi)流速≤8m/s時，直管噪聲衰減可忽略不計。隧道通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)道為混凝土結(jié)構(gòu)，雖然氣流速較?。s3～4m/s），但四周的粗糙的掛漿壁面仍有一定的衰減量，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，當(dāng)頻率低于250Hz，可按0.4～0.6dB/m估算；當(dāng)頻率在250～500Hz頻段內(nèi)，可按0.3～0.4dB/m估算；當(dāng)頻率大于1000Hz時，可按0.2～0.3dB/m估算[2]。

3.3 直角彎頭的衰減

對于矩形或方形無吸聲襯貼的彎頭，當(dāng)頻率在低于250Hz的低頻段內(nèi)，可衰減5～7dB；當(dāng)頻率大于250Hz，則一般可衰減3～5dB[2]。

3.4 氣流擴(kuò)散至大氣的聲衰減

隧道通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道出地面風(fēng)亭時，因氣流突然擴(kuò)容至大氣時，流速將隨之下降，從而使噪聲隨之下降。當(dāng)風(fēng)口投影面積在12-20m2范圍內(nèi)，風(fēng)井為低朝天開口井，可作為半自由聲場擴(kuò)散，通?？伤p2～3dB(A)，若為高風(fēng)井則通?？伤p3～5dB(A)[2]。

3.5 風(fēng)道內(nèi)吸聲貼面的聲衰減

若需進(jìn)一步提高消聲量，可在風(fēng)道道內(nèi)壁四周，包括水平和垂直部分可貼吸聲壁面，工程實踐表明，用密度為32kg/m3，厚度為50mm的玻璃纖維棉板襯于壁面，面層復(fù)蓋穿孔率為25％的金屬穿孔薄板，當(dāng)風(fēng)道寬度在5m以下，高度在4.5m以下時，可按Δ＝1.2～1.5dB/m的估算，當(dāng)風(fēng)道寬度超過5m，高度仍為4.5m以下時，可按Δ＝1.0～1.2dB/m的估算[8]。

4 氣流再生噪聲分析

在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，氣流通過直管道、彎頭、三通、變徑管、閥門等部件時，均會產(chǎn)生氣流再生噪聲，應(yīng)分析管路各部件所產(chǎn)生的氣流噪聲是否會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但在隧道通風(fēng)系統(tǒng)中，氣流速度較低，一般約3～4m/s，可忽略此影響。需要注意的是因消聲器內(nèi)風(fēng)速較高，需校核消聲器本身產(chǎn)生的氣流噪聲，如果氣流速度過高，產(chǎn)生的再生噪聲級大于入口噪聲，這時消聲器的消聲量就變成負(fù)值，增加消聲器的長度也無濟(jì)于事。

消聲器氣流再生噪聲可由以下經(jīng)驗公式計算得出[7]：

再=+60lg+10lg（6）

式中，為消聲器通道內(nèi)的流速，m/s；為消聲器截面積，ｍ2；為與消聲器結(jié)構(gòu)形式有關(guān)的比Ａ聲功率級，對于片式消聲器，=-5～5dB(A)。

目前，地鐵工程中隧道風(fēng)機(jī)前后消聲器設(shè)計片間流速一般≤12m/s，截面積10～12m2，由公式（6）可知其再生噪聲約為66～76dB，小于入口處風(fēng)機(jī)的噪聲。因此，設(shè)計中應(yīng)控制好消聲器片間流速。

5 消聲計算實例

以武漢地鐵3號線某車站隧道風(fēng)機(jī)消聲計算為例，該站右線小里程端隧道風(fēng)機(jī)布置剖面圖如圖2，活塞風(fēng)井出地面為低風(fēng)亭，室外為3類環(huán)境功能區(qū)，依據(jù)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096-2008），夜間噪聲不應(yīng)超過55dB(A)[9]，計算流程及結(jié)果詳見表4。

圖2 某地鐵車站隧道風(fēng)機(jī)布置圖

表4 某地鐵車站隧道風(fēng)機(jī)消聲計算列表

續(xù)表4 某地鐵車站隧道風(fēng)機(jī)消聲計算列表

Table 4 Calculation process in noise elimination design of tunnel fan in a subway station

6 消聲器的選用及布置

6.1 消聲器的選用

消聲器從聲學(xué)原理上分，可分為阻性、抗性、阻抗復(fù)合式、微穿孔式等；從內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式上分，可分為直片式、折板式、管道式、彎頭式、百葉式等；從與外部接口的形式上分，可分為金屬外殼片式、結(jié)構(gòu)片式、管道式。目前，隧道通風(fēng)系統(tǒng)一采用的金屬外殼片式或結(jié)構(gòu)片式的阻性消聲器，工程應(yīng)用成熟，選用時主要遵循下列原則：

（1）按照計算的所需降噪值，確定所選用消聲器的消聲量“插入損失”，“插入損失”可按下式計算[2]：

式中，a為吸聲材料正入射吸聲系數(shù)；為消聲器通道截面周邊長，m；為消聲器通道的截面積，m2；為消聲器的有效長度，m。

（2）所選消聲器的壓力損失應(yīng)符合管道系統(tǒng)所允許的壓力損失，片式消聲器壓力損失值可用下式計算[7]：

式中：為消聲器的阻力系數(shù)，片式≈0.6～0.8；為空氣密度，近似為1.225kg/m3；為消聲器內(nèi)平均氣流速度，m/s；為重力加速度，m/s2。

（3）消聲器的氣流再生噪聲應(yīng)與聲源及消聲性能相匹配，使消聲器的消聲量能充分發(fā)揮，當(dāng)氣流噪聲級大于消聲器入口聲級時，此時消聲器不僅不能消聲，反而變成了一個噪聲放大器。

（4）消聲器的外形尺寸及其長度在滿足消聲要求的同時應(yīng)與實際工程中可安裝的尺寸相適應(yīng)。

（5）所選用消聲器的材質(zhì)必須能滿足防火，防潮，防塵，防腐蝕等工藝要求。

6.2 消聲器的布置

消聲器的布置遵循下列原則：

（1）消聲器應(yīng)盡可能設(shè)置在氣流比較穩(wěn)定的風(fēng)道段。

（2）若要求消聲較高，可以分段布置消聲器而不宜集中布置或無限增加其消聲段長度。

（3）當(dāng)消聲器的長度受限，難以達(dá)到消聲要求時，可采用風(fēng)道內(nèi)部貼附吸聲貼面、風(fēng)井內(nèi)增加防雨消聲掛片、高風(fēng)亭出風(fēng)口采用消聲百葉等輔助措施。

（4）對于安裝在土建風(fēng)道內(nèi)水平安裝的結(jié)構(gòu)片式消聲器，由于設(shè)備標(biāo)高設(shè)計需考慮安裝條件的限制、管線、電纜橋架及其它設(shè)施等，如果將消聲片充滿風(fēng)道，在消聲效果沒有優(yōu)化的情況下反面增加了工程的造價，造成了不必要的經(jīng)濟(jì)浪費，對存在的消聲盲區(qū)，在設(shè)備安裝后必須采取封堵措施。

根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，建議消聲封堵方案如下：在消聲器頂部可以裝置輕質(zhì)吸聲隔聲板并且在與管道相貫穿部分預(yù)留孔洞，在孔洞和接管之間嵌入彈性墊層材料。軟質(zhì)吸聲隔聲板可以用厚度80～100mm的夾芯彩鋼板作基板，內(nèi)滿貼厚度50mm，密度32kg/m3的離心棉外覆玻璃布和厚度0.8mm的熱鍍鋅穿孔板，面板穿孔率25%。

（5）為了消除“側(cè)向傳聲”現(xiàn)象，應(yīng)對機(jī)殼和變徑管外壁作阻尼隔聲包扎。原因如下：以風(fēng)機(jī)前配3m長消聲器為例，消聲器的消聲量大于35dB(A)，而在風(fēng)機(jī)側(cè)邊的噪聲因風(fēng)機(jī)機(jī)殼及擴(kuò)壓管的隔聲量僅為風(fēng)機(jī)的噪聲級減小25dB(A)，從風(fēng)道傳出至室外的噪聲并非是消聲后的聲壓級，消聲器就不能充分發(fā)揮其消聲量。

7 結(jié)語

本文從對隧道通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲源進(jìn)行了分析得出其最大噪聲來自于隧道風(fēng)機(jī)，提出噪聲評價宜采用更全面的NR噪聲評價曲線，并從噪聲衰減、計算實例等各方面對地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)的消聲設(shè)計進(jìn)行了梳理，對目前地鐵工程設(shè)計中消聲器選用及布置總結(jié)了一些實踐經(jīng)驗，供工程設(shè)計參考。

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Noise Elimination Design for Tunnel Ventilation System in Subway Station

Yang Lizhen

( China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan, 430063 )

In this paper, based on the noise source analysis of Tunnel ventilation system, noise elimination design is discussed in different noise assessment. And Throughanalyzing of noise attenuation, a calculation example of noise elimination design is presented. The principle of selection and arrangement of silencer is also summarized in the design of Tunnel ventilation system.

Subway station; Tunnel ventilation system; Noise elimination design

1671-6612（2016）06-690-06

TU96

A

楊禮楨（1985-），男，碩士，工程師，E-mail：65781996@qq.com

2016-04-14