城市軌道交通環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)噪聲控制環(huán)節(jié)分析

李琨

（天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津 300000）

1 引言

隨著地鐵大規(guī)模的建設(shè)和投入使用，地鐵運(yùn)營時(shí)產(chǎn)生的噪聲也給人們的生活帶來了一定影響。其噪聲源主要來自：1）隧道通風(fēng)系統(tǒng)；2）大系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備；3）小系統(tǒng)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備；4）其他設(shè)備。目前市場上的降噪措施主要是通過在地鐵各車站的隧道通風(fēng)系統(tǒng)及車站、車輛段、停車場的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道和風(fēng)管上安裝消聲器，以此承擔(dān)不同工況下通風(fēng)系統(tǒng)的消聲功能。

目前，在地鐵工程中，對于降噪的處理過于簡單粗放，只是簡單的考慮噪聲源的噪聲與控制點(diǎn)的指標(biāo)要求來布置消聲器，而未對通風(fēng)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)進(jìn)行考慮，造成工程量過大、消聲器不合理使用、浪費(fèi)資金等問題。本文根據(jù)工程實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，分析活塞風(fēng)量、聲源到風(fēng)亭中的聲衰減、風(fēng)亭到控制點(diǎn)的距離對噪聲的影響、屏蔽門的隔聲量、百葉風(fēng)口斷面風(fēng)速限值與控制點(diǎn)距離的關(guān)系等因素對噪聲的影響，并給出相關(guān)因素的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)對消聲器的合理設(shè)計(jì)與布置，降低工程開支。

2 地鐵站噪聲源分析

地鐵站內(nèi)的噪聲源主要有：為改善地鐵內(nèi)部空氣環(huán)境而設(shè)置的各類風(fēng)機(jī)，對內(nèi)主要通過風(fēng)管風(fēng)口傳遞噪聲至站廳站臺，對外通過機(jī)械風(fēng)亭、活塞風(fēng)亭、排風(fēng)亭和新風(fēng)亭傳遞噪聲至地面，從而影響風(fēng)亭周邊環(huán)境。不同類型風(fēng)機(jī)，其噪聲倍頻帶聲功率級是不同的，即使相同類型的風(fēng)機(jī)，由于通風(fēng)量和風(fēng)機(jī)壓頭的不同，其倍頻帶聲功率級也不盡相同。地鐵隧道通風(fēng)機(jī)風(fēng)量為60m3/s，全壓在1000Pa時(shí)，噪聲聲功率級在120dB（A）左右。其次是列車噪聲，主要通過活塞風(fēng)井傳至地面來影響周邊環(huán)境，并在列車進(jìn)站時(shí)，改變站臺聲環(huán)境。雖然不是連續(xù)聲源，但列車以80km/h運(yùn)行時(shí)，其對活塞風(fēng)道輻射的噪聲聲功率級約為109dB（A），對活塞風(fēng)亭周邊聲環(huán)境的影響不亞于通風(fēng)機(jī)。

3 通風(fēng)系統(tǒng)噪聲分析

在通風(fēng)系統(tǒng)噪聲分析中，一般會在風(fēng)機(jī)聲功率級的確定、列車噪聲聲功率級、活塞風(fēng)量、消聲器動態(tài)插入損失、消聲器氣流再生噪聲、消聲器的壓力損失、聲能量分配衰減、面聲源聲功率級聲壓級轉(zhuǎn)換、管道內(nèi)聲功率級聲壓級轉(zhuǎn)換、室內(nèi)聲功率級聲壓級轉(zhuǎn)換、風(fēng)室的聲衰減、聲源到風(fēng)亭的傳播途徑上的聲衰減、風(fēng)亭到控制點(diǎn)（區(qū)域）的距離及其風(fēng)口形式對噪聲的影響、末端反射、屏蔽門的隔聲量、A計(jì)權(quán)特性、算術(shù)疊加、對數(shù)疊加、百葉風(fēng)口斷面風(fēng)速限值與控制點(diǎn)距離的關(guān)系等環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮。而在大量工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，活塞風(fēng)量、聲源到風(fēng)亭中的聲衰減、風(fēng)亭到控制點(diǎn)的距離、屏蔽門的隔聲量、百葉風(fēng)口斷面風(fēng)速限值與控制點(diǎn)距離的關(guān)系對噪聲的影響等環(huán)節(jié)，對于通風(fēng)系統(tǒng)降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著不可忽視的影響。本文將對以上環(huán)節(jié)提出計(jì)算方法。

3.1 活塞風(fēng)量

列車在隧道內(nèi)高速運(yùn)行時(shí)，會產(chǎn)生活塞效應(yīng)，形成活塞風(fēng)，促使空氣流動。這些流動的空氣通過預(yù)先設(shè)置的活塞風(fēng)閥、活塞風(fēng)道、活塞風(fēng)亭等傳播途徑完成與地面的空氣交換，從而保證地鐵內(nèi)部環(huán)境空氣質(zhì)量、溫濕度等指標(biāo)均能滿足要求。同時(shí)，列車輪軌沖擊、振動噪聲、列車動力源產(chǎn)生噪聲以及空氣動力噪聲也同樣經(jīng)過上述傳播途徑傳至風(fēng)亭外部，對其周圍環(huán)境造成負(fù)面影響。如果這種影響超過了相關(guān)規(guī)范要求，就需要采取相應(yīng)的消聲降噪措施。

活塞風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量大小會直接影響隧道內(nèi)的氣溫?；钊L(fēng)量的大小受行車間隔、行車速度、車輛外形、隧道形狀、線路特征、運(yùn)行時(shí)間等諸多因素的影響。由于列車噪聲傳至風(fēng)亭外部會對其周圍環(huán)境產(chǎn)生噪聲影響，需在活塞風(fēng)道內(nèi)設(shè)置消聲器，設(shè)置消聲器產(chǎn)生的阻力大小亦將影響活塞風(fēng)量的大小。因此，需對活塞風(fēng)道的通風(fēng)系統(tǒng)消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足活塞風(fēng)亭外聲環(huán)境控制要求的同時(shí)，要盡量減小其對活塞風(fēng)量和隧道內(nèi)溫度的影響，這就對消聲器的阻力系數(shù)提出了嚴(yán)格的要求。

根據(jù)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，提出以下兩種不同消聲方案。圖1、圖2為同一活塞風(fēng)道系統(tǒng)的2種不同消聲方案，顯然，在滿足噪聲控制要求的前提下，方案一相對于方案二，更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢（設(shè)備的選購、安裝、維護(hù)等費(fèi)用）。因此，當(dāng)活塞風(fēng)與機(jī)械風(fēng)共用的水平風(fēng)道足夠長時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮方案一；若活塞風(fēng)與機(jī)械風(fēng)共用的水平風(fēng)道長度不足或沒有共用風(fēng)道時(shí)，可考慮方案二。

圖1 方案一

圖2 方案二

根據(jù)某地鐵一期工程的設(shè)計(jì)資料，對列車正常運(yùn)行模式用SES4.1軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，針對活塞風(fēng)道的溫度和風(fēng)量的影響進(jìn)行分析。為了保證活塞風(fēng)道的溫度和風(fēng)量滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50517—2013）的規(guī)定，且列車噪聲對活塞風(fēng)亭外周圍環(huán)境的噪聲影響達(dá)到《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096—2008）的要求，設(shè)置在活塞風(fēng)道（或風(fēng)井）內(nèi)的消聲措施的阻力系數(shù)要求控制在0.9以內(nèi)。因此，還需要通過調(diào)整設(shè)置在活塞風(fēng)道內(nèi)的消聲器長度、片間距，使其阻力系數(shù)滿足“不大于0.9”的要求。

消聲器阻力系數(shù)：

由上式可知，在消聲片結(jié)構(gòu)形式不變的情況下，消聲器的出、入口局部阻力系數(shù)和沿程表面摩擦阻力系數(shù)保持不變，通過調(diào)整消聲器的凈流通面積（斷面結(jié)構(gòu)）、長度及消聲器阻塞面積，在保證消聲器消聲量P×L/S不變的同時(shí)，可改變消聲器的阻力系數(shù)，即：在保證消聲量不變的前提下，消聲器加長，阻力系數(shù)會下降。

由此可知，在保證消音量的前提下，活塞風(fēng)量對消聲器的設(shè)計(jì)有著不可忽視的影響。合理計(jì)算和優(yōu)化活塞風(fēng)量將會對消聲器的應(yīng)用產(chǎn)生影響。

3.2 聲源到風(fēng)亭的傳播途徑上的聲衰減

（1）沿風(fēng)道長度的聲衰減

假設(shè)建筑風(fēng)道和建筑風(fēng)室的內(nèi)表面為光滑的混凝土表面，噪聲沿風(fēng)道長度的衰減，將風(fēng)道看成阻性直管式消聲器。根據(jù)阻性直管式消聲器消聲量計(jì)算式，計(jì)算出沿風(fēng)道長度的衰減量。

如從風(fēng)機(jī)出口到室外風(fēng)亭口的風(fēng)道長度為20m，風(fēng)道的斷面尺寸為4000mm×4000mm，則沿風(fēng)道長度的聲衰減量為1dB（A），各倍頻帶的聲衰減量如表1。而在實(shí)踐中，風(fēng)道的長度往往達(dá)到40～50m，甚至達(dá)到100m，由此可見，風(fēng)道自身的降噪效果也很明顯，如果在工程中考慮這一環(huán)節(jié)，將會減少消聲器的布設(shè)量。

表1 倍頻帶中心頻率

（2）風(fēng)道其他環(huán)節(jié)的聲衰減

根據(jù)噪聲資料和地鐵經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)聲源到風(fēng)亭的距離較短時(shí)，建筑風(fēng)道彎頭、風(fēng)道斷面變化以及風(fēng)閥的聲衰減很小，可將其忽略，作為保險(xiǎn)系數(shù)。如果實(shí)際風(fēng)道（室）是粗糙的混凝土表面，或者有其他的吸聲建材，效果會比計(jì)算預(yù)計(jì)的更好，可以減少消聲器的負(fù)擔(dān)。

3.3 風(fēng)亭到控制點(diǎn)（區(qū)域）的距離及其風(fēng)口形式對噪聲的影響

在進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要考慮氣流在風(fēng)亭風(fēng)口處產(chǎn)生的氣流再生噪聲、風(fēng)亭形狀尺寸位置的指向性系數(shù)、周邊環(huán)境的聲反射等對風(fēng)口處噪聲的貢獻(xiàn)，還要考慮風(fēng)亭到控制點(diǎn)（區(qū)域）的距離對控制點(diǎn)噪聲的貢獻(xiàn)。

聲源通過風(fēng)亭風(fēng)口對外輻射噪聲，風(fēng)亭風(fēng)口的形式和風(fēng)口處到控制點(diǎn)（區(qū)域）的距離都會對風(fēng)口到控制點(diǎn)（區(qū)域）的直達(dá)聲壓級產(chǎn)生影響。

式中：Q為指向性系數(shù)，與風(fēng)亭風(fēng)口形式相關(guān)；r為風(fēng)口到控制點(diǎn)（區(qū)域）的距離，m。

（1）風(fēng)亭風(fēng)口形式對控制點(diǎn)（區(qū)域）噪聲的影響

風(fēng)亭形式分為傳統(tǒng)風(fēng)亭（帶百葉的風(fēng)亭）和低矮風(fēng)亭（敞口風(fēng)亭）兩種。風(fēng)亭形式不同，其指向性系數(shù)Q也不同。傳統(tǒng)風(fēng)亭又視風(fēng)口開口的朝向組合而具有不同的指向性系數(shù)Q。

（2）風(fēng)亭與控制點(diǎn)（區(qū)域）的距離對噪聲的影響

根據(jù)上述直達(dá)聲壓級的計(jì)算公式，風(fēng)口到控制點(diǎn)（區(qū)域）的距離也是聲學(xué)計(jì)算中需要考慮的聲衰減環(huán)節(jié)。由該公式可看出，在指向性系數(shù)Q不變的情況下，距離r的平方與直達(dá)聲壓級成反比，控制點(diǎn)（區(qū)域）離風(fēng)亭風(fēng)口越遠(yuǎn)，其聲衰減越大，到控制點(diǎn)（區(qū)域）處的聲壓級越?。环粗?，則越大。

3.4 屏蔽門的隔聲量

由玻璃和金屬板材制成的屏蔽門，其權(quán)隔聲量Rw＞36，見表2。

表2 屏蔽門理想狀態(tài)下的隔聲量

考慮到屏蔽門頻繁開關(guān)，日久后會導(dǎo)致密封程度有所下降，按孔隙率1%調(diào)整隔聲量見表3。

表3 屏蔽門縫隙狀態(tài)下的隔聲量

根據(jù)《地下鐵道車站站臺噪聲限值》（GB 14227—1993）表2對混響時(shí)間的限值規(guī)定，混響時(shí)間（T60）應(yīng)≤1.5s。而一個(gè)典型地鐵站的站臺長度為120m，寬度約10m，屏蔽門高度約2m。根據(jù)賽賓公式，站臺的吸聲量：

隧道與站臺的最大聲壓級差：

（S=120×2×2=480m3，站臺兩側(cè)都有屏蔽門）因此，屏蔽門的現(xiàn)場聲壓級差隔聲量如表4所示。

表4 屏蔽門縫隙狀態(tài)下的聲壓級差

3.5 風(fēng)口斷面風(fēng)速限值與控制點(diǎn)距離的關(guān)系

圖3是噪聲控制點(diǎn)到風(fēng)亭口部距離與地鐵風(fēng)亭特制低噪聲百葉的斷面風(fēng)速限值關(guān)系圖。如果控制點(diǎn)（區(qū)域）距離風(fēng)亭為5m，氣流在風(fēng)亭風(fēng)口處產(chǎn)生的氣流再生噪聲，要特別引起重視。若距離小于5m，則更加需要重視氣流在風(fēng)亭風(fēng)口處產(chǎn)生的氣流再生噪聲。由于風(fēng)亭風(fēng)口的氣流再生噪聲由斷面風(fēng)速（風(fēng)量/斷面積）和風(fēng)口形式?jīng)Q定，建議地鐵公司在確定風(fēng)口形式和斷面風(fēng)速時(shí)，按圖3的推薦值實(shí)施。

圖3 斷面風(fēng)速限值關(guān)系圖

4 結(jié)語

在降噪設(shè)計(jì)中，活塞風(fēng)量、聲源到風(fēng)亭的傳播途徑上的聲衰減、風(fēng)亭到控制點(diǎn)（區(qū)域）的距離及風(fēng)口形式、屏蔽門、風(fēng)口斷面風(fēng)速限值與控制點(diǎn)距離的關(guān)系等因素都不容忽視。

通過計(jì)算驗(yàn)證了相關(guān)因素對噪聲的影響，充分合理考慮以上環(huán)節(jié)，可以更加科學(xué)地優(yōu)化噪聲控制方案，減少消聲器的使用量，減少工程投入。