基于煩惱改善程度優(yōu)選噪聲控制方案

史小凡,林秦豪,KIM Jong-hyok,2,翟國慶*

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基于煩惱改善程度優(yōu)選噪聲控制方案

史小凡1,林秦豪1,KIM Jong-hyok1,2,翟國慶1*

(1.浙江大學環(huán)境與資源學院環(huán)境科學系,浙江 杭州 310058；2.Department of Physics, University of Natural Science, Pyongyang, North Korea)

影響噪聲煩惱的聲學參量較多,然而在傳統(tǒng)噪聲控制工程中,往往僅根據(jù)A計權聲壓級所需降低量進行控制方案設計,未能從煩惱改善程度優(yōu)選方案.為此,本研究提出一種基于煩惱改善程度優(yōu)選噪聲控制方案的方法,并將該方法應用于變電站聲屏障噪聲控制方案的比選.結果表明,同一聲屏障方案對不同關心點噪聲煩惱的改善程度差異較大,A計權聲壓級降低量最大的聲屏障方案對噪聲煩惱的改善效果未必最好.因此,噪聲控制工程設計中,宜根據(jù)所關心的聲環(huán)境保護目標與噪聲源的相對位置,選取對保護目標處噪聲煩惱改善程度較大的方案.

噪聲控制；噪聲煩惱；方案優(yōu)選；A計權聲壓級；仿真

聲品質可綜合評價人對聲音的主觀感受[1],且通常用煩惱度[2-3]、舒適度[4]、干擾度[5]和可接受度[6]等評價指標加以量化描述,環(huán)境噪聲領域常用的評價指標為煩惱度.影響噪聲煩惱的聲學參量較多,除A計權聲壓級(簡稱A聲級)外,還包括響度、音調度、尖銳度、抖晃度和粗糙度等聲學參量[7].

傳統(tǒng)噪聲控制工程中,往往根據(jù)A聲級所需降低量進行控制方案設計.然而,在A聲級達標的同時,公眾往往關注控制方案實施后噪聲煩惱的實際改善程度.不同噪聲控制方案,A聲級降低量相同時,對噪聲煩惱的改善程度仍可能存在較大差異.

為此,本研究提出一種基于煩惱改善程度優(yōu)選噪聲控制方案的方法,并以變電站聲屏障噪聲控制方案為例,根據(jù)所提出的仿真計算方法,在預測不同方案對關心點A聲級降低量基礎上,進一步預測噪聲煩惱的改善程度,據(jù)此優(yōu)選確定最佳噪聲控制方案.

1 基于煩惱改善程度優(yōu)選噪聲控制方案的方法

基于煩惱改善程度優(yōu)選噪聲控制方案的具體技術路線見圖1.其具體步驟為:在聲源噪聲影響范圍內選取關心點,采集關心點噪聲得到噪聲控制前聲樣本;采用專業(yè)軟件建立聲學仿真模型,預測噪聲控制方案實施前、后關心點噪聲,計算噪聲控制方案對關心點噪聲的1/n頻A聲級降低量;將噪聲控制前聲樣本按1/n頻帶A聲級降低量進行濾波得到噪聲控制后聲樣本;采用煩惱度預測模型計算噪聲控制前、后聲樣本的煩惱度,將兩者的差值視為噪聲控制方案對關心點噪聲煩惱的改善程度;根據(jù)煩惱改善程度優(yōu)選噪聲控制方案.

圖1 基于煩惱改善程度優(yōu)選噪聲控制方案的技術路線

1.1 噪聲控制方案對關心點1/n頻帶A聲級降低量計算方法

根據(jù)調查得到的噪聲源參數(shù)(如聲源源強、位置、幾何尺寸等)、聲源與接收點(關心點)之間影響聲傳播的參數(shù)(如構筑物位置、幾何尺寸等),采用LMS Virtual.lab軟件建立聲學仿真模型,包括結合實際將各噪聲源等效為點聲源、線聲源或面聲源,設置構筑物隔聲量及其表面吸聲系數(shù),在構筑物未封閉的邊緣處設置衍射邊界等.采用聲線追蹤法預測噪聲控制方案實施前、后關心點噪聲的1/n頻帶A聲級,計算得到噪聲控制方案對關心點噪聲的1/n頻帶A聲級降低量.

1.2 噪聲控制方案對關心點煩惱改善程度計算方法

對采集的噪聲控制前聲樣本進行濾波,使濾波前后各1/n頻帶A聲級差與仿真計算得到的1/n頻帶A聲級降低量相同,得到噪聲控制后聲樣本.選取合適的煩惱度預測模型(如Zwicker心理聲學模型[8])確定噪聲控制前、后聲樣本的煩惱度,兩者差值即為噪聲控制前后關心點處噪聲煩惱的改善程度.

與Zwicker心理聲學模型相比,改進后的Zwicker心理聲學模型[9]可更好地估計各類噪聲煩惱度的相對大小,該模型具體計算方法如下:

式中:PA′為改進后Zwicker心理聲學煩惱度;5為噪聲的累計百分響度;為尖銳度;為抖晃度;為粗糙度;為音調度;5、、、、均可采用ArtemiS 10.0軟件分析噪聲樣本得到.

2 仿真分析案例

以某變電站主變壓器噪聲聲屏障控制方案為例,在聲屏障位置、高度、長度已確定情況下,對結構材質、聲學性能各異的成品聲屏障,基于關心點噪聲煩惱改善程度仿真計算結果,優(yōu)選最佳聲屏障方案.

2.1 變電站主變壓器噪聲聲屏障控制方案

某變電站內主要噪聲源為兩組規(guī)格相同的主變壓器,每組主變壓器分為A、B、C3相,各相尺寸均為長6m′寬4m′高4.8m.各相間設有防火墻,尺寸為長13m′寬0.35m′高8.2m.為取得較好降噪效果,擬在主變壓器四周設置聲屏障(圖2),高度與防火墻相同.供比選的5種成品聲屏障分別為聲陷阱式聲屏障、微孔巖吸隔聲板聲屏障、FZP型聲屏障、GYB型聲屏障和SHP-W型微穿孔聲屏障,5種聲屏障構件的1/3倍頻帶的隔聲量和吸聲系數(shù)見圖3.由圖3可知,5種聲屏障中,低頻段吸隔聲性能較優(yōu)的為FZP型聲屏障,中高頻段吸隔聲性能較優(yōu)的為聲陷阱式聲屏障.

圖2 聲源與關心點位置關系示意

2.2 關心點噪聲控制前聲樣本采集

關心點共有3個,其中1號關心點為位于西側主變壓器B相軸線上距離其北側15m的變電站內辦公樓;2號關心點為距離其南側30m的居民點;3號關心點為位于東側主變壓器B相軸線上距離其南側47m的居民點.采集各關心點處噪聲,得到噪聲控制前聲樣本,各聲樣本1/3倍頻帶A聲級見圖4.由圖4可知,主變壓器噪聲在100Hz及其諧波頻率所在1/3倍頻帶上聲能較為顯著.

圖3 各聲屏障構件1/3倍頻帶的隔聲量和吸聲系數(shù)

圖4 各關心點噪聲控制前聲樣本1/3倍頻帶A聲級

2.3 聲屏障對關心點噪聲1/3倍頻帶A聲級降低量計算

采用LMS Virtual.lab軟件建立聲學仿真模型.將主變壓器各相4個側面及頂面設為面聲源,現(xiàn)場采用聲強法實測得到的單相主變壓器每個面(含4個側面及頂面)的1/3倍頻帶聲功率級見表1.防火墻隔聲量取50dB,表面吸聲系數(shù)取0.06.聲屏障隔聲量及其表面吸聲系數(shù)按圖3設置.在主變壓器、防火墻和聲屏障未封閉的邊緣處均設置為衍射邊界.氣象參數(shù)設置為溫度25℃,濕度60%,氣壓1007hPa.基于上述模型采用聲線追蹤法預測聲屏障設置前、后關心點噪聲,計算得到各聲屏障對關心點噪聲的1/3倍頻帶A聲級降低量,結果見圖5.由圖5可知,不同關心點處,5種聲屏障對高頻段噪聲的降噪量均相對較高,其中,聲陷阱式聲屏障在中高頻段降噪效果最好,FZP型聲屏障在低頻段降噪效果最好,總體上FZP型聲屏障降噪效果優(yōu)于聲陷阱式聲屏障.

表1 單相主變壓器每個面1/3倍頻帶A計權聲功率級

2.4 聲屏障對關心點噪聲煩惱改善程度計算

根據(jù)圖5給出的1/3倍頻帶A聲級降低量,采用Adobe Audition軟件對各關心點噪聲控制前聲樣本進行濾波得到噪聲控制后聲樣本,采用ArtemiS 10.0軟件分析噪聲控制前、后聲樣本的響度、粗糙度、尖銳度、抖晃度和音調度,采用改進后的Zwicker心理聲學模型計算噪聲控制前、后聲樣本煩惱度,將兩者差值視為各聲屏障對關心點噪聲的煩惱改善程度,結果見圖6.由圖6可知, 5種聲屏障對關心點處主變壓器噪聲的煩惱度均有一定改善效果,同一聲屏障對不同關心點噪聲煩惱的改善程度差異較大,關心點與主變壓器相對距離越遠,5種聲屏障對關心點處噪聲煩惱的改善程度均越低,且5種聲屏障對不同關心點處噪聲煩惱改善程度排序不盡相同.

圖6 各聲屏障煩惱改善程度

2.5 結果分析

由圖6可知,對于1號關心點噪聲,煩惱改善程度最佳的為FZP型聲屏障,然而,對于2號、3號關心點噪聲,煩惱改善程度最佳的為聲陷阱式聲屏障.同時由圖5可知,不同關心點處A聲級降低量最大的均為FZP型聲屏障.可見,關心點處A聲級降低量最大的聲屏障對噪聲煩惱的改善效果未必最好,其原因是除A聲級外,噪聲煩惱度還與噪聲的頻譜特性等有關.不同的聲屏障結構,其各頻帶上隔聲量和吸聲系數(shù)不同,經屏障衰減后同一關心點處噪聲的頻譜特性也會有所不同,若其對煩惱度的影響大于A聲級降低量,就會出現(xiàn)上述情況.

本文中,根據(jù)《環(huán)境影響評價技術導則聲環(huán)境》[10],變電站內自身辦公樓(1號關心點)不屬于聲環(huán)境保護目標,基于變電站外2處聲環(huán)境保護目標(2號、3號關心點)的煩惱改善程度仿真計算結果,最終選取聲陷阱式聲屏障.

3 結論

本研究提出了一種基于煩惱改善程度優(yōu)選噪聲控制方案的方法,并將該方法應用于某變電站主變壓器聲屏障噪聲控制方案的比選,結果表明:

3.1 同一聲屏障方案對不同關心點噪聲煩惱的改善程度差異較大,關心點與主變壓器相對距離越遠,5種聲屏障對關心點處噪聲煩惱的改善程度均越低,且5種聲屏障對不同關心點處噪聲煩惱改善程度排序不盡相同.

3.2 A聲級降低量最大的聲屏障方案對煩惱的改善效果未必最佳,其原因是除A聲級外,噪聲煩惱度還與噪聲的頻譜特性等有關.

3.3 噪聲控制工程設計中,宜根據(jù)所關心的聲環(huán)境保護目標與噪聲源的相對位置,選取對保護目標處煩惱改善程度較大的方案.

[1] Blauert J, Jekosch U. Sound quality evaluation-A multilayered problem [J]. Acustica, 1997,83(5):747-753.

[2] 賈 麗,盧向明,翟國慶,等.用社會聲學調查方法研究居住區(qū)噪聲煩惱閾值 [J]. 中國環(huán)境科學, 2008,28(10):995-960. Jia L, Lu X M, Di G Q, et al. Investigation on the noise annoyance threshold in residential areas by socio-acoustic surveys [J]. China Environmental Science, 2008,28(10):995-960.

[3] Di G Q, Liu X Y, Lin Q L, et al. The relationship between urban combined traffic noise and annoyance: An investigation in Dalian, north of China [J]. Science of the total environment, 2012,432:189- 194.

[4] Nakamura N, Inukai Y. Proposal of models which indicate unpleasantness of low frequency noise using exploratory factor analysis and structural covariance analysis [J]. Journal of low frequency noise, vibration and active control, 1998,17(3):31-127.

[5] Kurra S, Morimoto M, Maekawa Z. Transportation noise annoyance— a simulated-environment study for road, railway and aircraft noises, Part 2: activity disturbance and combined results [J]. Journal of sound and vibration, 1999,220(2):95-279.

[6] Inukai Y, Nakamura N, Taya H. Unpleasantness and acceptable limits of low frequency sound [J]. Low Frequency Noise, Vibration and Active Control, 2000,19(3):40-135.

[7] 毛東興.聲品質研究與應用進展 [J]. 聲學技術, 2007,26(1):159- 164. Mao D X. Progress in sound quality research and application [J]. Technical Acoustics, 2007,26(1):159-164.

[8] Fastl H, Zwicker E. Psychoacoustics: Facts and models [M]. Springer Science & Business Media, 2007.324-327.

[9] Di G Q, Chen X W, Song K, et al. Improvement of Zwicker’s psychoacoustic annoyance model aiming at tonal noises [J]. Applied Acoustics, 2016,105:164-170.

[10] HJ2.4-2009 環(huán)境影響評價技術導則聲環(huán)境[S]. HJ2.4-2009 Technical guidelines for noise impact assessment [S].

Optimization of noise control schemes based on improvement of annoyance.

SHI Xiao-fan1, LIN Qin-hao1, KIM Jong-hyok2, DI Guo-qing1*

(1.Department of Environmental Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；2.Department of Physics, University of Natural Science, Pyongyang, North Korea)., 2019,39(1)：397~401

A lots of acoustic factors affect noise annoyance. However, in traditional noise control engineering, design of control scheme is usually based on the required reduction of A-weighted sound pressure level rather than the improvement of noise annoyance. In this study, based on the improvement of noise annoyance, a method optimizing noise control schemes was proposed, and this method was applied to the optimization of sound barriers for a substation. Results showed that the same sound barrier had a great different effect on improving noise annoyance of different interested points, and the sound barrier having a better reduction of A-weighted sound pressure level maybe was not the best for improving noise annoyance. Therefore, design of noise control scheme should consider the relative location between noise source and interested sound environmental protection target, and select the best one for improving noise annoyance.

noise control；noise annoyance；schemes optimization；A-weighted sound pressure level；simulation

X827

A

1000-6923(2019)01-0397-05

史小凡(1995-),男,浙江東陽人,浙江大學碩士研究生,主要從事噪聲效應及其控制方面的研究.發(fā)表論文1篇.

2018-06-13

南方電網公司科學技術項目(GDKJQQ20152037)

* 責任作者, 副教授, dgq@zju.edu.cn