城市軌道交通地下車站新型消聲器研制

魏軍，周穎，楊秀英，李曉東，劉昊旻

（1.寧波市軌道交通集團有限公司建設(shè)分公司，浙江 寧波 315000；2.中海環(huán)境科技（上海）股份有限公司，上海 200135）

近年來，軌道交通在我國各大城市不斷建設(shè)和發(fā)展。截至2019年底，國家發(fā)改委已批復(fù)軌道交通建設(shè)城市已達40個，運營線路總里程達6 736.2 km，車站3 982座，涉及投資規(guī)模達數(shù)萬億元。軌道交通主要服務(wù)于城市，在城市區(qū)或規(guī)劃人口密集區(qū)都以地下鋪設(shè)方式為主，而在地下車站中，風(fēng)亭是實現(xiàn)地下空間通風(fēng)的重要環(huán)控設(shè)施。根據(jù)目前城市軌道交通地下車站建設(shè)的環(huán)控模式，通常每個地鐵車站設(shè)置兩組共8個風(fēng)亭，每組分別包括1個新風(fēng)亭、1個排風(fēng)亭、2個活塞風(fēng)亭。由于地鐵車站一般位于城市區(qū)域，車站內(nèi)各類風(fēng)機通過風(fēng)亭對外長期輻射低頻噪聲，對周邊人群的煩擾度較高，需要特別考慮并提出有效的防護措施。

消聲器是控制空氣動力性噪聲的重要裝置，在確保氣流順利通過的同時又能有效阻止或減弱空氣動力噪聲向外傳播。消聲器的種類繁多，根據(jù)消聲原理，可分為以下3類：阻性、抗性和復(fù)合式消聲器[1]。

由于通過風(fēng)亭對外產(chǎn)生噪聲的風(fēng)機體量均較大，消聲器也多設(shè)置在風(fēng)機進口及風(fēng)道處，單個消聲器的截面積較大，小的在2 m2左右，大的甚至可達30 m2以上。根據(jù)實際情況，實際工程中多采用阻性消聲器，目前常用的主要有片式消聲器和陣列式消聲器。

目前國內(nèi)外針對地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)的消聲降噪方面做了大量的研究工作，文獻[2-5]針對地鐵環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生的原因特征、周邊環(huán)境影響、消聲降噪系統(tǒng)設(shè)計和控制手段選用進行了分析與探究。文獻[6-7]對地鐵車站風(fēng)亭在多工況下的噪聲典型特性進行了測試，并對風(fēng)亭噪聲超標治理進行了研究。文獻[8-9]針對環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)所用大型通風(fēng)消聲器進行了優(yōu)化設(shè)計，并提出一些對風(fēng)道、風(fēng)亭消聲合理設(shè)計的理論與實用技術(shù)。文獻[10-11]介紹了插入損失與阻力系數(shù)兩個通風(fēng)消聲器性能評價指標在評價過程中存在的問題，并提出了改進建議，設(shè)計了類似于風(fēng)機性能曲線的消聲器性能曲線組/圖。文獻[12]對陣列式消聲器與片式消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能進行了理論分析與對比，通過CFD計算機模擬、實驗室測試驗證、技術(shù)分析及工程應(yīng)用，對陣列式消聲器和片式消聲器消聲量和阻力損失進行對比，結(jié)果表明陣列式消聲器性能及降噪效果優(yōu)于片式消聲器。

盡管應(yīng)用于城市軌道交通的大中型消聲器設(shè)備已有了長足的發(fā)展，但在結(jié)構(gòu)性能、降噪效果等方面仍有進一步完善優(yōu)化的空間。筆者通過對國內(nèi)部分城市的軌交風(fēng)亭進行噪聲測試發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的消聲器降噪效果仍不夠理想，風(fēng)亭運行時居民噪聲投訴仍時有發(fā)生。基于此，本文針對城市軌道交通地下車站環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)中所使用的消聲器進行了研究，研制出一種結(jié)合了片式消聲器和陣列式消聲器結(jié)構(gòu)特性的新型消聲器。新型消聲器以插片消聲單元為基礎(chǔ)組合形成消聲模組，消聲模組之間采用陣列式排列，該種結(jié)構(gòu)型式同時結(jié)合了片式消聲器與陣列消聲器的優(yōu)點。

1 新型消聲器研制流程

消聲器的設(shè)計研制需要根據(jù)其應(yīng)用場合及噪聲源特性的不同確定消聲量需求，以選定所屬類型、使用材料和結(jié)構(gòu)形式，并在設(shè)計完成時進行實驗室效果驗證測試。新型消聲器的研制過程主要有以下幾個步驟，如圖1所示。

圖1 新型消聲器研制技術(shù)路線

2 新型消聲器設(shè)計

2.1 噪聲源基本分析

地鐵噪聲來源較為復(fù)雜，在城市軌道交通環(huán)控通風(fēng)系統(tǒng)中的噪聲源主要是以風(fēng)機噪聲和活塞風(fēng)噪聲（包括列車噪聲）為主，主要噪聲源設(shè)備為區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)的活塞風(fēng)機、排熱風(fēng)機以及地下車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備等。如圖2所示。

圖2 車站風(fēng)道處隧道風(fēng)機及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲頻譜

隧道風(fēng)機噪聲與車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲具有較高的聲壓級，且具有寬頻特性，在500 Hz～1 000 Hz頻帶范圍內(nèi)聲級相對較高。此外，在列車進出站時會產(chǎn)生車輛噪聲以及運行時拖拽和推動隧道空氣產(chǎn)生的活塞風(fēng)氣流噪聲。列車進出站時車速較低，噪聲成分主要分布在250 Hz～2 000 Hz頻域內(nèi)，在站臺處的噪聲峰值可達90 dB(A)左右[13-14]，此類噪聲源位于站臺層，主要通過活塞風(fēng)井向外環(huán)境傳播。因此在消聲器的設(shè)計上，需要在63 Hz～4 000 Hz的寬頻范圍內(nèi)有具有一定的消聲量。

2.2 消聲器的聲學(xué)設(shè)計

(1)聲學(xué)計算原理

阻性消聲器是將吸聲材料固定在氣流通道的周邊壁面或按照一定方式在氣流通道中排列組合進行消聲的一類消聲器。計算阻性消聲器消聲量的公式較多，但由于聲波在消聲器通道中傳播的情況較為復(fù)雜，不同氣流工況對消聲性能影響也存在不同，很難用簡單數(shù)學(xué)方程進行精確計算。在工程實踐中對于一些特定形式的阻性消聲器，可采用近似計算公式進行估算，準確性不高，但可作為消聲器消聲量初步設(shè)計的參考。

對于阻性消聲器而言，單通道直管式是最基礎(chǔ)的消聲單元，其消聲量可分別用洛夫公式或賽賓公式進行估算。

別洛夫公式：

賽賓公式：

式中：ΔL——消聲量；

P——吸聲層通道橫截面周長；

S——吸聲通道橫截面積；

L——消聲通道長度；

ψ(α0)——消聲系數(shù)，與正入射吸聲系數(shù)α0有關(guān)；

——混響室法吸聲系數(shù)。

由上述理論計算公式可知，在采用吸聲材料吸聲系數(shù)相差較小的情況下，消聲器的消聲量主要取決于吸聲通道橫截面積、吸聲層周長及消聲器長度。在實際工程中，由于消聲長度受到限制，因此進行合理的消聲器橫截面設(shè)計是增加消聲器消聲量的主要手段之一。

(2)聲學(xué)結(jié)構(gòu)選型

目前在城市軌道交通車站通風(fēng)系統(tǒng)噪聲控制工程實踐中，應(yīng)用最多的是金屬外殼或土建結(jié)構(gòu)形式的片式與陣列式消聲器。對于片式消聲器而言，片間距寬度越小，消聲量越大，但風(fēng)速增加，導(dǎo)致阻力損失上升。一般吸聲片厚為150 mm～300 mm，片間距為100 mm～200 mm，加大吸聲片厚度可增加對中低頻噪聲的吸聲量。對于陣列式消聲器而言，陣列式消聲器在片式消聲器的基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化增加了周長/面積比，吸聲體橫截面尺寸通常選在200 mm～400 mm，片間距通常在100 mm～300 mm之間，如圖3所示。消聲插片所采用吸聲材料的特性及厚度影響消聲器的優(yōu)勢消聲頻率。常見陣列式消聲器的消聲插片有效吸聲厚度在各方向上較為均一，其優(yōu)勢頻率會隨橫截面布置的不同整體傾向于中高頻或低頻。

圖3 常見陣列式消聲器吸聲體布置示意圖

基于以上所述，本文在片式與陣列式消聲器結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種新型截面形式的阻性消聲器，采用橫截面為長寬比a:b在1:2～1:3之間的矩形吸聲體，內(nèi)部填充吸聲材料，為保證吸聲材料吸聲系數(shù)的有效性，吸聲體在各面的法線方向有效厚度均應(yīng)在75 mm以上，即a邊厚度取150 mm～200 mm，b邊厚度取300 mm～600 mm，具體尺寸可依據(jù)噪聲源的特性進行具體調(diào)整，3～4個數(shù)目吸聲體通過縱橫向交叉布置可形成一個消聲模組，在不同吸聲面方向上具有不同的吸聲材料厚度，有利于拓寬吸聲體在中低頻的消聲效果。吸聲體在橫截面上呈橫/縱交叉布置，將連續(xù)的消聲橫截面打斷，相當(dāng)于減少了消聲通道橫截面的當(dāng)量直徑，有利于提高消聲器的高頻失效頻率，如圖4所示。在截面占比相同的情況下，具有新型截面形式的消聲器較陣列式消聲器的吸聲面積提升50%左右。

圖4 新型消聲器橫截面布置示意圖

(3)吸聲材料選型

吸聲體是由外殼及內(nèi)部填充的吸聲材料組成，可用于消聲器吸聲體的吸聲材料主要為多孔吸聲材料。從吸聲效果、加工工藝與經(jīng)濟成本等方面綜合分析，新型消聲器選用玻璃棉作為吸聲體的填充材料，為保證較高的吸聲系數(shù)，玻璃棉選用容重宜控制在32 kg/m3～48 kg/m3之間。

2.3 消聲器的結(jié)構(gòu)及外形設(shè)計

消聲器在保證具備良好消聲性能的基礎(chǔ)上，還需具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能。消聲器基本結(jié)構(gòu)具體包括消聲單元、安裝導(dǎo)軌或支架、以及外殼。其中消聲單元由吸聲體（消聲插片）組合構(gòu)成。吸聲體為有一定規(guī)格的標準件，主要由面板（即吸聲殼體）、填充吸聲材料、護面材料、導(dǎo)流罩構(gòu)成。外殼可視用途分為適用于風(fēng)機的金屬外殼和適用于風(fēng)道的土建結(jié)構(gòu)。普通陣列式消聲器為保證結(jié)構(gòu)強度，通常在豎向安裝導(dǎo)軌上加裝橫向連接桿。新型消聲器可通過橫向消聲單元與安裝導(dǎo)軌構(gòu)成的“工”字結(jié)構(gòu)，省去橫向連接桿。具體結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)現(xiàn)場工程實際情況進行調(diào)整，新型消聲器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新型消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

3 有限元仿真

3.1 模型建立

如圖6所示。針對新型消聲器進行聲學(xué)有限元仿真計算，對消聲器的消聲效果進行了研究分析，有限元模型的邊界計算條件設(shè)定為

圖6 新型消聲器三維聲學(xué)有限元模型

（1）消聲器的進出口邊界，設(shè)定為平面波輻射邊界。

式中：pt=p+pb，pb為背景聲壓；p為聲壓波動量。

當(dāng)給定入射聲壓pi時有：

（2）消聲器的內(nèi)部穿孔區(qū)域，設(shè)定為內(nèi)部多孔板邊界。

式中：“1”、“2”——代表穿孔板的兩側(cè)；

μ——為動力黏度系數(shù)；

σ——孔隙率；

tp——板厚；

dh——孔洞直徑；

δh——端部修正；

θf——流阻。

其基本的模型材料參數(shù)設(shè)置如下：分別建立消聲單元截面占比設(shè)置為25%與30%的有限元模型；消聲器有效長度均為l=1m；消聲單元的穿孔板孔隙率σ=30 %、孔洞直徑dh=0.004 m、板厚tp=0.0015 m；吸聲材料密度ρ=32 kg/m3、流阻θf=1 424.2 Pa·s/m2。

3.2 計算結(jié)果及分析

如圖7所示，新型消聲器在消聲單元等效長度為1 m時，消聲單元截面占比分別設(shè)置為25 %與30%的聲學(xué)仿真計算云圖。如圖8所示，當(dāng)頻率大約在500 Hz～1 000 Hz范圍區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生了明顯的消聲峰值，截面占比設(shè)置為25%消聲效果大約在平均8 dB左右，截面占比設(shè)置為30%消聲效果大約在平均9 dB左右。

圖7 有限元仿真計算云圖

圖8 新型消聲器仿真計算插入損失聲壓級

4 實驗室測試

4.1 測量方法和試驗裝置

將消聲器通道比與接管尺寸相同的新型消聲器和陣列式消聲器進行實驗室效果對比測試，如圖9所示，為測試樣品截面示意圖，其中圖9（a）與圖9（b）的截面占比為25%，圖9（c）與圖9（d）的截面占比為30%。

圖9 測試樣品截面示意圖

檢測方法遵守GB/T4760－1995《聲學(xué)消聲器測量方法》中的規(guī)定[15]進行。實驗室基本測量設(shè)備包括主管道、噪聲源、低噪聲氣流源、接收室及測量儀器等，如圖10所示。為實驗室消聲量測量系統(tǒng)示意圖。

圖10 實驗室測量系統(tǒng)示意圖

在實驗室試驗過程中，噪聲源向主管道敷設(shè)的倍頻程聲壓級應(yīng)不低于90 dB，聲壓級保持穩(wěn)定，隨時間變化的范圍應(yīng)不大于±0.5 dB。由于測試實驗室的接收室為半消聲室，主管道出口平面應(yīng)與剛性墻面對齊，使室內(nèi)聲場能嚴格滿足半自由場條件，如圖11所示。

圖11 實驗室消聲器效果測試

4.2 試驗結(jié)果及分析

在保證消聲器截面占比相同的情況下，采用壓力測量儀測試了陣列式消聲器與新式消聲器兩端管路上等通徑處在7 m/s、10 m/s、14 m/s工況下的壓力損失。測試結(jié)果如圖12所示。同樣測試條件下，陣列式消聲器與新式消聲器的空氣動力性能差距基本在5%以內(nèi)。

圖12 新型消聲器與陣列式消聲器空氣動力性能對比

如圖13所示。通過對截面占比為25%與30%的新型消聲器的有限元仿真值與實測值對比可知，針對新型消聲器建立的有限元仿真模型可較為準確地模擬出新型消聲器消聲效果的頻譜特性，并對消聲效果給出較準確的預(yù)測，預(yù)測準確率在85 %左右，基本可保證理論分析與實際工程設(shè)計的需要。在保證消聲器截面占比與等效長度相同的情況下，測試條件相同的新型消聲器相比傳統(tǒng)陣列式消聲器的各頻率下消聲效果均有所提升，平均提升2 dB～4 dB。

圖13 新型消聲器與陣列式消聲器消聲性能對比

5 結(jié)語

在城市軌道交通地下線路中，風(fēng)亭是實現(xiàn)地下空間通風(fēng)的重要環(huán)控設(shè)施。為減小風(fēng)亭噪聲對站廳及地面周邊環(huán)境的噪聲影響，風(fēng)量大、噪聲值高的排風(fēng)機和活塞風(fēng)機等風(fēng)道內(nèi)均會安裝大型消聲器。本文以城市軌道交通地下車站所使用的消聲器為研究對象，通過現(xiàn)狀調(diào)研、聲學(xué)理論設(shè)計、模型計算、實驗測試驗證等技術(shù)手段，研究設(shè)計出一種新型消聲器，得到主要研究結(jié)論如下：

(1)采用橫截面長寬比a:b在1:2～1:3之間的矩形吸聲體，以3～4個數(shù)目吸聲體通過縱橫向交叉布置形成一個消聲模組，在不同吸聲面方向上具有不同吸聲材料厚度，既有利于拓寬消聲器在中低頻的消聲效果，也有利于提高消聲器的高頻失效頻率。

(2)建立的聲學(xué)有限元仿真模型可較準確地模擬出新型消聲器消聲效果的頻譜特性，并對消聲效果給出較為準確的預(yù)測，預(yù)測準確率在85%左右，基本可保證理論分析與實際工程設(shè)計的需要。

(3)在保證消聲器截面占比與有效長度均相同的情況下，陣列式消聲器與新式消聲器在7 m/s、10 m/s、14 m/s等實驗室測試工況下，陣列式消聲器與新式消聲器的壓力損失與阻力系數(shù)最大相差在5%左右，兩者空氣動力性能方面基本保持一致。

(4)在保證消聲器消聲單元截面占比與有效長度相同的情況下，新型消聲器較傳統(tǒng)的陣列式消聲器的各頻率下的消聲效果均有不同程度提升，平均提升大約2 dB～4 dB，同時具有良好的穩(wěn)定性，能較好地滿足城市軌道交通地下車站工程的實際需要。