城市軌道交通近軌吸聲矮墻降噪量數(shù)值仿真分析

周紅梅，卜炬鵬，朱萬旭，2，高逸豪，羅 濤

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545006；2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；3.湖南省建筑科學(xué)研究院，長沙 410011)

近年來城市軌道交通在我國發(fā)展迅猛，截止至2017年12月31日，中國內(nèi)地累計(jì)有34個(gè)城市建成投運(yùn)城軌線路5 021.7 km；2017年新增石家莊、珠海、貴陽、廈門4個(gè)運(yùn)營城市；新增33條運(yùn)營線路，868.9 km運(yùn)營線路長度新增線路再創(chuàng)歷史新高，比2016 年新增線路534.8 km增加334.1 km，增幅達(dá)62.5%[1]。

城市軌道交通的迅猛發(fā)展不可避免地帶來了嚴(yán)重的噪聲污染。軌道交通列車行駛引起的噪聲是重污染源，對沿線居民和行人都有很大干擾。世界健康組織(WHO)的報(bào)告指出[2-4]，長期生活和工作在噪聲源環(huán)境下，比如生活在工廠、軌道交通樞紐附近，雖然人的感官感受可能會(huì)逐漸適應(yīng)這種長期的噪聲環(huán)境，但人體自身并不會(huì)對這種日常的噪聲環(huán)境產(chǎn)生適應(yīng)。相反，日積月累暴露在噪聲中，對于人體會(huì)造成更大的損傷。

目前的軌道交通降噪措施(圖1)按其基本原理可以大致劃分為兩類。一是主動(dòng)降噪，即降低輪軌振動(dòng)，減少噪聲源產(chǎn)生的噪聲；二是被動(dòng)降噪，即在噪聲傳播的途徑和接受處對噪聲進(jìn)行削弱[5]。雖然我國在主動(dòng)降噪方面的研究也日益成熟，但以被動(dòng)降噪來降低軌道交通噪聲在我國仍是十分經(jīng)濟(jì)有效的方式，其中聲屏障(圖1(a))技術(shù)在我國被廣泛應(yīng)用。聲屏障是控制傳聲途徑的重要措施，其主要功能是阻擋和吸收噪聲，僅留部分噪聲繞射過去，而在屏障后形成聲影區(qū)，從而降低噪聲。我國目前使用的聲屏障通常高度大于3 m，雖然能有效地降低列車通過時(shí)產(chǎn)生的噪聲，但是同樣帶來了一些不便。例如，聲屏障體積過大，不論是車內(nèi)乘客還是沿線兩側(cè)的居民，其視線均被高大的聲屏障所遮擋，產(chǎn)生不必要的壓抑感；由于其體積過大，需要更多的安全距離，通常安裝在距離軌道中心4 m的水平距離外，浪費(fèi)了寶貴的城市空間；聲屏障過大的體積，在生產(chǎn)運(yùn)輸過程中需要使用較多的材料，產(chǎn)生較大的生產(chǎn)以及運(yùn)輸成本；軌道沿線的聲屏障，在列車出現(xiàn)事故，需要緊急停車疏散車內(nèi)乘客時(shí)，有可能成為乘客逃生的巨大阻礙[6]。

我國迫切需要一款輕巧、體積小的近軌吸聲矮墻(圖1(b))聲屏障填補(bǔ)這一領(lǐng)域的市場空白。為此筆者通過檢索大量相關(guān)文獻(xiàn)，分析了我國軌道噪聲的主要組成部分以及頻率特性，在此基礎(chǔ)上，參考國外設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[7]，對近軌吸聲矮墻進(jìn)行設(shè)計(jì)。以我國目前城軌交通中最寬的A型車作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于限界的規(guī)定，以及隔聲量質(zhì)量定律，依次推導(dǎo)出了近軌吸聲矮墻的安裝位置、高度以及厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并以此設(shè)計(jì)了一種近軌吸聲矮墻。

圖1 降噪措施

本次設(shè)計(jì)采用復(fù)合形式，所設(shè)計(jì)的近軌吸聲矮墻表面為150 mm 厚的陶?；炷廖晫樱趁鏋?0 mm 厚的自研高性能混凝土隔聲層，如圖2所示[8]。本文借助Virtual.Lab平臺(tái)，用聲學(xué)間接邊界元法計(jì)算不同頂部形式近軌吸聲矮墻，在不同受聲點(diǎn)處的降噪能力，為今后在實(shí)際工程中的吸聲矮墻優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

圖2 近軌吸聲矮墻單元模型(單位：mm)

1 Virtual.Lab軟件簡介

為解決振動(dòng)噪聲方面的問題，比利時(shí)LMS公司早年開發(fā)的Sysnoise軟件被廣大工程技術(shù)人員接受并應(yīng)用。隨后LMS公司以CATIA V5平臺(tái)為基礎(chǔ)，研發(fā)了CAE軟件Virtual. Lab，其中包括Acoustic、Motion、Vibration、Durability等模塊，可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)建幾何模型、有限元前處理、有限元分析、結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征分析、結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲學(xué)分析等一系列仿真運(yùn)算。

聲學(xué)模塊Virtual. Lab Acoustic基于Sysnoise軟件發(fā)展而來，它不僅完全繼承了Sysnoise的強(qiáng)大功能，并且在其基礎(chǔ)上衍生出包括FEM完美匹配層、快速多極BEM、FEM、BEM流體聲學(xué)等技術(shù)。

本文使用的為Virtual. Lab12版本，用到以下幾個(gè)模塊。

(1)幾何建模(Geometry)：該模塊基于法國達(dá)索公司的CATIA V5開發(fā)，在軟件界面以及使用方法上與CATIA V5保持一致，無需額外安裝CATIA軟件。

(2)網(wǎng)格劃分(Meshing)：網(wǎng)格劃分工具具有強(qiáng)大的功能，結(jié)合基本的和先進(jìn)的自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能，以及基于線框、曲面及幾何實(shí)體生成有限元模型。

(3)聲學(xué)分析(Acoustic)：在本文中，聲學(xué)有限元(Acoustic Harmonic FEM)以及聲學(xué)邊界元(Acoustic Harmonic BEM)這兩個(gè)模塊將被使用到。

2 不同頂部結(jié)構(gòu)的近軌吸聲矮墻的降噪量計(jì)算

2.1 近軌吸聲矮墻降噪量仿真介紹

近軌吸聲矮墻的降噪效果用插入損失IL來評價(jià)，即聲場內(nèi)一受聲點(diǎn)處，在有近軌吸聲矮墻時(shí)和沒有近軌吸聲矮墻時(shí)，二者聲壓級之差，其表達(dá)式如下

IL=ΔLd-ΔLt-ΔLr-(ΔLs，ΔLG)max

(1)

式中，ΔLd為吸聲矮墻的繞射聲損失，dB(A)；ΔLt為吸聲矮墻的透射聲損失，dB(A)；ΔLr為吸聲矮墻的反射聲損失，dB(A)；ΔLs為地面障礙物衰減損失，dB(A)；ΔLG為地面吸收衰減損失，dB(A)。

目前國外除了直板式近軌吸聲矮墻外，還有少量其他具有不同頂端結(jié)構(gòu)的吸聲矮墻。利用Virtual. Lab分析不同的頂部結(jié)構(gòu)近軌吸聲矮墻的降噪量(插入損失)，該問題屬于外聲場問題。利用FEM法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將需要分析的聲場進(jìn)行離散化，對于外聲場問題而言，這增大了前期建模劃分網(wǎng)格的工作量，也增加了計(jì)算所需的時(shí)間。而間接邊界元法(Acoustic Indirect BEM)在分析外聲場問題只要在所需的位置建立劃分聲學(xué)面網(wǎng)格，并施與其對應(yīng)的邊界條件，故本文采取該方法來對此問題進(jìn)行仿真分析。

2.2 仿真模型的建立

(1)聲學(xué)場點(diǎn)的建立

在現(xiàn)場實(shí)測近軌吸聲矮墻插入損失時(shí)，需要利用麥克風(fēng)傳聲器記錄受聲點(diǎn)在安裝矮墻前后的聲壓級值。在仿真分析中，利用劃分場點(diǎn)的方式來記錄不同位置的聲壓級值，每一個(gè)場點(diǎn)節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)麥克風(fēng)傳聲器。

以城市軌道交通的軌道為中心的水平半徑30 m范圍為研究對象，以兩根軌道中心為對稱軸，取軌道一側(cè)作為分析區(qū)域。如圖3所示，為了同時(shí)得到水平方向和豎直方向上不同點(diǎn)的聲壓級值，在水平方向上，取34 m×10 m的平面，分別在長寬的方向上以0.5 m為單位長度劃分網(wǎng)格，得到1 449個(gè)場點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，該場點(diǎn)代表軌道頂部所在水平面；同時(shí)在豎直方向上，也建立34 m×10 m場點(diǎn)，以同樣的單位長度劃分網(wǎng)格。

圖3 場點(diǎn)網(wǎng)格劃分示意

(2)聲源的選取

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，在水平場點(diǎn)上，距離預(yù)定放置近軌吸聲矮墻聲學(xué)模型945 mm處，插入沿場點(diǎn)寬方向上的柱面聲源。綜合考慮參考相關(guān)文獻(xiàn)[9-10]中所測得的我國軌道交通噪聲源強(qiáng)參數(shù)，對該聲源激勵(lì)進(jìn)行賦值定義，聲源參數(shù)如圖4所示。

圖4 聲源源強(qiáng)參數(shù)

(3)近軌吸聲矮墻聲學(xué)模型的建立

以平面場點(diǎn)寬度為參照，取所研究的近軌吸聲矮墻總長度為10 m；參考聲屏障目前幾種較常見的頂部結(jié)構(gòu)，分別建立直板式、“倒L”式、“T”式、折板式、“Y”式、圓弧頂式6種不同形式的近軌吸聲矮墻模型，其中6種矮墻在豎直方向上的高度均為824 mm，即為前章節(jié)所設(shè)計(jì)的有效高度，模型如圖5所示。

圖5 不同頂部形式的近軌吸聲矮墻

由于所研究的頻域上限為3 150 Hz，分別對所建立的不同矮墻模型進(jìn)行自由面網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元長度設(shè)為17 mm，將所劃分網(wǎng)格類型定義為聲學(xué)網(wǎng)格。并對其進(jìn)行聲學(xué)前處理，賦予其流體材料屬性。

最后，在水平面場點(diǎn)下插入對稱平面(Symmetry Plane)代表剛性地面(圖6中綠色部分)。以直板式近軌吸聲矮墻為例，所建立聲學(xué)計(jì)算模型如圖6所示。插入Acoustic Response Case求解器，設(shè)置計(jì)算區(qū)間為100～3 150 Hz，計(jì)算步長設(shè)置為區(qū)間上16個(gè)1/3倍頻程中心頻率。

圖6 BEM插入損失聲學(xué)仿真模型

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果

(1)不同近軌吸聲矮墻在不同受聲點(diǎn)處的插入損失

取2組受聲點(diǎn)作為研究對象，其中第一組受聲點(diǎn)根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO3095選擇。該標(biāo)準(zhǔn)指出： 如果被測車輛的上部存在重要聲源，則第二網(wǎng)格推薦置于軌道頂部以上3.5 m的高度處距軌道中心線7.5 m處。列車頂部的受電弓在列車行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲，是一個(gè)重要聲源。除7.5 m處受聲點(diǎn)外，分別再取大于和小于7.5 m的受聲點(diǎn)各1個(gè)。該組有3個(gè)受聲點(diǎn)，高度均為高出軌道面3.5 m，其中第一個(gè)點(diǎn)A距離軌道中心3.5 m，第二個(gè)點(diǎn)B距離軌道中心7.5 m，第三個(gè)點(diǎn)C距離軌道中心25 m。

第二組取路邊行人為研究對象，該組有3個(gè)受聲點(diǎn)，高度選取為高出軌面0.5 m。其中第一個(gè)點(diǎn)A′距離軌道中心3.5 m、第二個(gè)點(diǎn)B′距離軌道中心7.5 m，第三個(gè)點(diǎn)C′距離軌道中心25 m。

分別提取第一組和第二組節(jié)點(diǎn)在不同情況下的聲壓級值，代入EXCEL進(jìn)行計(jì)算后，分別得到A、B和C三點(diǎn)處不同的降噪量(插入損失)，進(jìn)行下一小節(jié)的結(jié)果分析。

(2)針對受聲點(diǎn)A、B和C的結(jié)果分析

通過分析近場距離受聲點(diǎn)A，發(fā)現(xiàn)在A受聲點(diǎn)處，幾種形式近軌吸聲矮墻的插入損失值都不太理想，造成這種現(xiàn)象的原因主要是：對于離軌道中心3.5 m時(shí)，A點(diǎn)3.5 m的高度已經(jīng)高出近軌吸聲矮墻聲影區(qū)范圍2.35 m以上，極大削弱了近軌吸聲矮墻在這個(gè)受聲點(diǎn)處的降噪能力。針對城市軌道交通噪聲峰值頻域500～800 Hz，“Y”式近軌吸聲矮墻在A點(diǎn)擁有更好的插入損失值。

通過分析中距離場受聲點(diǎn)B，發(fā)現(xiàn)在B受聲點(diǎn)處，近軌吸聲矮墻的插入損失有顯著提高。且在低頻段內(nèi)的160 Hz處，所有吸聲矮墻都有較好的插入損失值。對于直板式近軌吸聲矮墻，除了在400，500 Hz處出現(xiàn)較小插入損失值，其余頻段波動(dòng)不大，基本符合插入損失值隨頻率上升而上升的趨勢，且在噪聲峰值頻率800 Hz處達(dá)到了10.28 dB(A)；“倒L”式的矮墻插入損失整體波動(dòng)同樣不大，對于目標(biāo)頻域的降噪能力比直板式有一定的提升，其中800 Hz處達(dá)到13.01 dB(A)；折板式矮墻降噪能力隨頻率波動(dòng)較大，有一定的頻率選擇性，其插入損失峰值位于1 250 Hz，達(dá)到24.18 dB(A)，次峰位于800 Hz，達(dá)到18.32 dB(A)；“Y”式矮墻在500 Hz以及800～2 000 Hz擁有較強(qiáng)的降噪能力，僅次于折板式；而對于“T”式和圓弧頂式矮墻，其綜合頻段降噪能力與直板式吸聲矮墻相差無幾。針對城市軌道交通噪聲峰值頻域500～800 Hz，“倒L”式近軌吸聲矮墻在此處擁有更好的插入損失值。

通過分析遠(yuǎn)場受聲點(diǎn)C，所有近軌吸聲矮墻在低頻段100～315 Hz的降噪能力極弱。但是對于遠(yuǎn)聲場而言，當(dāng)沒有設(shè)置吸聲矮墻時(shí)，所有頻段下該點(diǎn)的聲壓級已經(jīng)衰減到70 dB(A)以下。

所有形式的吸聲矮墻在該受聲點(diǎn)的插入損失波動(dòng)形式基本保持一致，且峰值均在2 000 Hz處，此時(shí)倒“L”式矮墻的插入損失最大，為29.61 dB(A)。針對城市軌道交通噪聲峰值頻域500～800 Hz，所有形式的矮墻降噪量均達(dá)到10 dB(A)以上，其中 “Y”式近軌吸聲矮墻在此處擁有更好的插入損失值。

(3)針對受聲點(diǎn)A′、B′和C′的結(jié)果分析

通過分析近場受聲點(diǎn)A′，可以發(fā)現(xiàn)所有近軌吸聲矮墻的降噪效果相對于在A點(diǎn)有顯著提升。對于噪聲峰值頻率800 Hz處，最低的插入損失值為直板式，為13.28 dB(A)，其他形式的近軌吸聲矮墻在該處的插入損失均有5 dB(A)以上的提升，且圓弧頂式在該處達(dá)到峰值28.05 dB(A)；對于低頻部分，“T”式和“Y”式近軌吸聲矮墻擁有更大的插入損失值。針對城市軌道交通噪聲峰值頻域500～800 Hz，圓弧頂式近軌吸聲矮墻在此處擁有更好的插入損失值。

通過分析中距離場受聲點(diǎn)B′，可以發(fā)現(xiàn)所有近軌吸聲矮墻的降噪效果相對于在B點(diǎn)有所提升，所有吸聲矮墻在160，400，630，1 600 Hz處均有明顯的插入損失峰值，其中“倒L”式矮墻在這幾個(gè)頻率擁有最高的插入損失值。對于直板式，除了500 Hz處出現(xiàn)了較低的插入損失值，在400 Hz后基本隨頻率增加而增加，其在800 Hz的插入損失值為12.926 dB(A)；“倒L”式矮墻的降噪能力具有最強(qiáng)的頻率選擇特性，該類型在800 Hz處插入損失為11.92 dB(A)，峰值為1 600 Hz處的26.68 dB(A)；“T”式與折板式在全頻段與直板式矮墻的降噪能力波動(dòng)方式基本保持一致，但在大部分頻率相比直板式都有提高，且折板式的提高量更多；“Y”式吸聲矮墻在2 500 Hz處降噪效果不佳，但其在該處的插入損失值波動(dòng)最為平緩，在315～2 000 Hz基本保持逐漸上升，該區(qū)間內(nèi)最低插入損失值為10 dB(A)，且“Y”式近軌吸聲矮墻在800 Hz擁有最好的降噪能力16.70 dB(A)；圓弧頂式吸聲矮墻插入損失值波動(dòng)模式與直板式類似，在2 500 Hz處獲得了峰值48.43 dB(A)，但是在800 Hz處僅有9.65 dB(A) 針對城市軌道交通噪聲峰值頻域500～800 Hz，“倒L”式近軌吸聲矮墻在此處擁有更好的插入損失值。

通過分析遠(yuǎn)場受聲點(diǎn)C′，可以發(fā)現(xiàn)與C處相比，所有近軌吸聲矮墻在低頻段的插入損失值同樣不理想，但在250 Hz之后的區(qū)間基本都明顯有所提高。直板式吸聲矮墻在500～800 Hz擁有較好的降噪能力，其中800 Hz處達(dá)到17.29 dB(A)；倒“L”式矮墻在此處的降噪能力整體不佳，其降噪量峰值在2 000 Hz處，為29.65 dB (A)，且在該頻率遠(yuǎn)大于其他形式矮墻；“T”式在500～800 Hz擁有最好的整體降噪能力，且800 Hz處達(dá)到18.97 dB(A)，大于其他形式矮墻，且在2 500 Hz以后其降噪能力也大于其他形式矮墻；折板式矮墻在500～800 Hz降噪能力與直板式相差無幾，其插入損失峰值為21.77 dB(A)，位于1 250 Hz；“Y”式近軌吸聲矮墻在630 Hz和1 250 Hz處有較高的插入損失值，均大于21 dB(A)，但在其他頻率上的插入損失值較低；圓弧頂式近軌吸聲矮墻插入損失值波動(dòng)平緩，基本隨頻率增大而增大，其在500～800 Hz處的插入損失值平均在10 dB(A)左右。針對城市軌道交通噪聲峰值頻域500～800 Hz，“T”式近軌吸聲矮墻在此處擁有更好的插入損失值。

3 仿真計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果對比

如圖7所述工況，即受聲點(diǎn)位于軌道附近，利用經(jīng)驗(yàn)公式(2)，計(jì)算得到所設(shè)計(jì)直板式近軌吸聲矮墻的插入損失，見表1。

式中，δ為聲程差，δ=A+B-C，m，其中A為噪聲源距離障礙物頂部的直線距離，B為障礙物頂部距離受聲點(diǎn)的直線距離，C為噪聲源與受聲點(diǎn)之間的直線距離，見圖7；f為噪聲頻率，Hz；c為聲速，通常取340 m/s。

圖7 聲程差示意

表1 受聲點(diǎn)距離軌道中心7.5 m時(shí)的繞射聲損失

如圖8所示，在全頻段上，所設(shè)計(jì)的近軌吸聲矮墻降噪量(插入損失)仿真計(jì)算結(jié)果基本符合隨頻率上升而上升的趨勢。其中在400 Hz頻率以上區(qū)間，仿真計(jì)算結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果吻合度較好，可以認(rèn)為，利用經(jīng)驗(yàn)公式法和仿真分析法預(yù)測近軌吸聲矮墻的降噪量時(shí)，在相對較高的頻段區(qū)域均擁有較高的準(zhǔn)確率。

圖8 公式計(jì)算與仿真計(jì)算的結(jié)果對比

但在頻率低于400 Hz區(qū)間，仿真計(jì)算結(jié)果波動(dòng)較大，與公式計(jì)算結(jié)果吻合度較差。造成這種現(xiàn)象的可能原因如下：本次仿真模型將地面作為全反射面處理；而在低頻段，噪聲波長較長，與地面發(fā)生較強(qiáng)的反射現(xiàn)象。在利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算插入損失時(shí)，通常對于較高頻段的降噪量預(yù)測更為準(zhǔn)確。可以認(rèn)為，針對低頻段區(qū)域的降噪量預(yù)測，還需要經(jīng)過后期的實(shí)際實(shí)驗(yàn)來與公式及仿真結(jié)果進(jìn)行對比，更進(jìn)一步優(yōu)化仿真的參數(shù)可靠度來獲得更加可靠的預(yù)測值。

4 結(jié)論

(1)對Virtual. Lab軟件進(jìn)行簡單介紹，指明本次模擬需要使用到的功能和模塊；并系統(tǒng)闡述聲學(xué)數(shù)值仿真的基本原理，即求解Helmholtz方程，以及如何推導(dǎo)該方程，求解該方程所需要的方法和相應(yīng)的邊界條件，以及內(nèi)外聲場、耦合與非耦合問題的分類。

(2)使用聲學(xué)邊界元法計(jì)算了所設(shè)計(jì)的直板式以及5種不同頂部形式的近軌吸聲矮墻的插入損失值，分別取6個(gè)受聲點(diǎn)作為研究對象。結(jié)果表明，近軌吸聲矮墻對于軌道兩側(cè)垂直距離較低的區(qū)域，比如行人，擁有更好的保護(hù)效果。總的來說，增加頂部形式可以改變近軌吸聲矮墻的降噪特性，提升近軌吸聲矮墻的降噪能力，且可以增強(qiáng)其降噪的頻率針對性。在后期的研究和設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)所保護(hù)對象不同、線路的噪聲頻率特點(diǎn)，有針對性地選擇不同的頂部形式。

(3)采用邊界元法仿真計(jì)算近軌吸聲矮墻降噪效果時(shí)，對于前文所設(shè)計(jì)的直板式近軌吸聲矮墻，對比其仿真計(jì)算結(jié)果與前文經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果。發(fā)現(xiàn)，在400 Hz以下頻率段吻合較差，而在高于400 Hz頻率段，兩種方法的計(jì)算結(jié)果基本吻合。可以認(rèn)為在相對較高的頻段，比如400 Hz以上頻域，利用經(jīng)驗(yàn)公式法和仿真計(jì)算方法來計(jì)算近軌吸聲矮墻降噪效果(插入損失)其結(jié)果均較為可靠；而在較低頻域，比如400 Hz以下，噪聲的波長較長，與地面不可避免地發(fā)生較為復(fù)雜的反射吸收等現(xiàn)象。此時(shí)還需進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，得到較為可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，來完善仿真計(jì)算的參數(shù)可靠性，以獲得更為可靠的預(yù)測模型。