廊道聲屏障繞射聲衰減量研究

阮學(xué)云,魏 玥,張永斌,李 達(dá),王 相

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

廊道作為電廠燃煤輸送的主要通道，往往距離地面有一定高度且布置于電廠廠界外，由于其噪聲涉及范圍廣，中低頻段傳播距離較遠(yuǎn)，且工作時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)附近居民生活影響較大，已成為主要的噪聲投訴來(lái)源。廊道噪聲以托輥[1]、帶式輸送機(jī)[2]等噪聲源組成，目前廊道噪聲治理方案中聲屏障的結(jié)構(gòu)型式大多根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，治理無(wú)依據(jù)，容易造成治理不足或治理過(guò)度，不能產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。而目前的部分噪聲預(yù)測(cè)軟件，無(wú)法針對(duì)帶下挑檐的懸浮聲屏障進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，影響其工程應(yīng)用。

國(guó)外對(duì)聲屏障降噪的研究自20世紀(jì)60年代開始，國(guó)內(nèi)對(duì)聲屏障降噪的研究起步相對(duì)較晚。文獻(xiàn)[3]研究出二維聲屏障的插入損失計(jì)算公式；文獻(xiàn)[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c聲壓計(jì)算得到聲屏障的插入損失；文獻(xiàn)[5]運(yùn)用等比結(jié)構(gòu)模擬不同布局聲屏障進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[6]根據(jù)數(shù)值方法及類推法計(jì)算聲屏障的插入損失在大氣折射影響下的模型；文獻(xiàn)[7]提出一種計(jì)算模型避免對(duì)運(yùn)送水泥原料的傳送帶附近噪聲水平評(píng)估時(shí)的高殘留噪聲；文獻(xiàn)[8-9]研究了鐵路聲屏障多種繞射衰減量的運(yùn)算方法及不同類型交通聲屏障的插入損失；文獻(xiàn)[10]計(jì)算無(wú)限長(zhǎng)鐵路交通聲屏障的插入損失并分析了影響聲屏障消聲效果的因素；文獻(xiàn)[11]在二維聲屏障聲壓計(jì)算方法的基礎(chǔ)上給出了三維有限長(zhǎng)聲屏障聲壓簡(jiǎn)化算法；文獻(xiàn)[12]運(yùn)用ISO9613-2對(duì)兩種類型的道路聲屏障消聲效果進(jìn)行計(jì)算與對(duì)比。目前的研究主要針對(duì)聲屏障的插入損失[13]及簡(jiǎn)化算法[14]，而對(duì)懸浮屏障不同結(jié)構(gòu)型式的衰減量計(jì)算及選型研究較少。

1 廊道聲屏障結(jié)構(gòu)型式衰減量計(jì)算

由于廊道聲屏障長(zhǎng)度相對(duì)于居民區(qū)較長(zhǎng)，本文不考慮兩側(cè)繞射聲及透射聲，因此通過(guò)計(jì)算分析各種布局型式的聲屏障的衰減量在不同區(qū)域的噪聲分布規(guī)律，得出針對(duì)居民所處廊道不同區(qū)域下的聲屏障最佳結(jié)構(gòu)型式。

由圖1(a)可知，廊道內(nèi)部有皮帶輸送機(jī)、托輥等機(jī)械設(shè)備，其需要經(jīng)常檢修，四面屏障封閉會(huì)影響廊道內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)散熱，通風(fēng)性差且光線不足，影響工人正常巡檢。由圖1(b)可知廊道噪聲中以500Hz頻率段為主要優(yōu)勢(shì)頻率。因此本文根據(jù)工程實(shí)際情況，選擇5種常見的聲屏障結(jié)構(gòu)型式并針對(duì)500Hz頻率段進(jìn)行分析，分別是單側(cè)聲屏障、上挑檐單側(cè)聲屏障、下挑檐單側(cè)聲屏障、上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障(聲源兩側(cè)設(shè)置平行的單側(cè)聲屏障，底部設(shè)置聲屏障)衰減量計(jì)算。本文以發(fā)電廠常見廊道為例，對(duì)以上5種聲屏障布局型式進(jìn)行上下邊繞射聲衰減量的計(jì)算與分析。

(a)廊道內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 (b)噪聲源倍頻程圖1 治理前廊道內(nèi)部實(shí)物圖及噪聲頻譜圖

1.1 計(jì)算方法

廊道噪聲雖然是線聲源，但在實(shí)際噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算時(shí)按分割多個(gè)點(diǎn)聲源累加得到。因此，為便于研究，選擇點(diǎn)聲源進(jìn)行計(jì)算與分析，此時(shí)聲屏障看作無(wú)限長(zhǎng)聲屏障。根據(jù)ISO9613-2標(biāo)準(zhǔn)[15]，繞射聲衰減計(jì)算公式為

(1)

式中：C2=40，不考慮地面反射影響。

對(duì)于單繞射：C3=1

對(duì)于雙繞射：

(2)

式中：λ為頻帶中心頻率的聲波波長(zhǎng)；z為聲程差；Kmet為氣象影響修正因子;e為雙繞射情況下兩個(gè)繞射邊界之間的距離。

其中，廊道在實(shí)際應(yīng)用中距離地面高度一般約在5～20m，利用聲屏障進(jìn)行噪聲治理時(shí)，聲屏障通常以廊道底部建立，此時(shí)在不考慮反射及透射的情況下聲屏障有上下兩條繞射路徑，在插入損失計(jì)算中，下繞射路徑衰減量不能被忽視。因此，當(dāng)受聲點(diǎn)高度低于聲屏障下沿時(shí)，下邊沿單繞射聲程差為

(3)

當(dāng)受聲點(diǎn)高度高于聲屏障下沿時(shí)，下邊沿雙繞射聲程差為

(4)

式中：dss為聲源到第一繞射邊的距離；dsr為第二繞射邊到接收點(diǎn)的距離；d為聲源到受聲點(diǎn)的距離；a為聲源和受聲點(diǎn)之間的距離在平行于聲屏障上邊界的分量。

經(jīng)過(guò)上式(1)～式(4)以500Hz為例計(jì)算受聲點(diǎn)處廊道聲屏障衰減量。

1.2 5種類型聲屏障布局

1)單側(cè)聲屏障 圖2為廊道單側(cè)聲屏障繞射路徑及尺寸示意圖。

圖2 單側(cè)聲屏障繞射路徑及尺寸示意圖

s為聲源，r為受聲點(diǎn)，路徑s1r，s2r為聲源經(jīng)過(guò)單側(cè)聲屏障傳播至受聲點(diǎn)的最短路徑。

2)上挑檐單側(cè)聲屏障及下挑檐聲屏障 圖3～圖4分別為上挑檐單側(cè)聲屏障及下挑檐單側(cè)聲屏障的繞射路徑及尺寸圖。

圖3 上挑檐單側(cè)聲屏障繞射路徑及尺寸示意圖

圖4 下挑檐單側(cè)聲屏障繞射路徑及尺寸示意圖

圖3路徑s41r，s2r為聲源經(jīng)過(guò)上挑檐單側(cè)聲屏障傳播至受聲點(diǎn)的最短路徑。

圖4路徑s1r，s3r為聲源經(jīng)過(guò)下挑檐單側(cè)聲屏障傳播至受聲點(diǎn)的最短路徑。

3)上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障 圖5～圖6分別為上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障的繞射路徑及尺寸圖。

圖5 上下挑檐單側(cè)聲屏障繞射路徑及尺寸示意圖

圖6 U型聲屏障繞射路徑及尺寸示意圖

圖5路徑s41r，s3r為聲源經(jīng)過(guò)上下挑檐單側(cè)聲屏障傳播至受聲點(diǎn)的最短路徑。

圖6路徑s1r，s43r為聲源經(jīng)過(guò)U型聲屏障傳播至受聲點(diǎn)的最短路徑。

4)聲屏障衰減量計(jì)算 根據(jù)廊道現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定：

a-廊道聲屏障長(zhǎng)，取300m；

b-聲源位于廊道正中心距廊道聲屏障內(nèi)側(cè)的水平距離，取1.5m；

c-廊道聲屏障寬度，取3m；

d-聲源距地面的距離，取11.5m；

e-廊道底端距地面的距離，取10m；

f-受聲點(diǎn)在垂直于聲屏障方向的分量，取50m；

h-受聲點(diǎn)高度，取1.5m；

i-上下挑檐聲屏障寬度為3m。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 5種類型聲屏障衰減量計(jì)算

根據(jù)上節(jié)理論計(jì)算，依次計(jì)算5種結(jié)構(gòu)型式聲屏障在受聲點(diǎn)處0～2 000Hz頻率段的衰減量并進(jìn)行對(duì)比與分析，如圖7所示。

圖7 五種聲屏障的衰減量

在0～2 000Hz范圍內(nèi)聲屏障繞射聲衰減量都在增加，0～1 000Hz區(qū)域衰減量增長(zhǎng)速度較快,1 000Hz后的頻率段衰減量增長(zhǎng)速度放緩。單側(cè)聲屏障、上挑檐、下挑檐衰減量為11.8dB，上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障衰減量都可以達(dá)到18dB以上，整體效果較好。因此，下文針對(duì)上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障進(jìn)行區(qū)域噪聲網(wǎng)格計(jì)算并選型。

2.2 兩種聲屏障在不同區(qū)域噪聲計(jì)算與分析

為進(jìn)一步評(píng)估廊道不同區(qū)域受聲點(diǎn)消聲效果，本文針對(duì)U型聲屏及上下挑檐單側(cè)聲屏障進(jìn)行進(jìn)一步區(qū)域噪聲計(jì)算與分析。采用virtuallab對(duì)上述兩種型式聲屏障在不同區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格噪聲進(jìn)行計(jì)算，為進(jìn)一步選型提供理論依據(jù)。

1)計(jì)算參數(shù)設(shè)置 為了消除聲屏障兩端繞射聲的影響。設(shè)定聲屏障長(zhǎng)度為300m，屏障厚度設(shè)置為100mm，廊道聲屏障高度設(shè)置為2.5m，聲源距地11.25m，計(jì)算區(qū)域選擇屏障聲影區(qū)側(cè)垂直截面，區(qū)域長(zhǎng)100m， 距地面高度1.5～30m， 研究500Hz時(shí)聲壓級(jí)分布情況，布置情況如圖8所示。

圖8 廊道聲屏障布置模擬圖

2)計(jì)算結(jié)果與分析 上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障計(jì)算結(jié)果分別如圖9(a)、9(b)所示。高度1.5m時(shí)，U型聲屏障低聲壓級(jí)區(qū)域面積多于下挑檐單側(cè)聲屏障；高度11m時(shí)，距離聲源較近處兩種類型聲壓級(jí)值接近，距離較遠(yuǎn)處U型聲屏障聲壓級(jí)下降更明顯；高度30m時(shí)，距離聲源較近處兩上下挑檐單側(cè)聲屏障低聲壓級(jí)區(qū)域面積更多，距離較遠(yuǎn)處U型聲屏障聲壓級(jí)更低。

(a)上下挑檐單側(cè)聲屏障聲壓級(jí)分布 (b)U型聲屏障聲壓級(jí)分布圖9 兩種類型聲屏障聲壓級(jí)分布

由圖9數(shù)據(jù)整理出不同距離及高度兩種型式聲屏障的插入損失數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 兩種型式聲屏障不同區(qū)域插入損失(dB)對(duì)比

由表1及圖9可知當(dāng)高度為1.5m， 距離15m和30m時(shí)， U型聲屏障較上下挑檐單側(cè)聲屏障插入損失分別增加1.5dB、 3.1dB；距離50m時(shí)，U型聲屏障較上下挑檐單側(cè)聲屏障插入損失增加2.5dB； 距離增加到100m時(shí)， 兩種型式聲屏障插入損失相差0.7dB。

當(dāng)高度為11m， 距離15m和30m時(shí)，上下挑檐單側(cè)聲屏障較U型聲屏障插入損失分別增加1.3dB、2.2dB；距離50m時(shí)，上下挑檐單側(cè)聲屏障較U型聲屏障插入損失分別增加2.6dB、3.2dB；距離為100m時(shí)，U型聲屏障較上下挑檐單側(cè)聲屏障插入損失增加1.2dB。

高度30m時(shí)，距離15m及30m時(shí)，上下挑檐單側(cè)聲屏障較U型聲屏障插入損失增加2.6dB及3.2dB；距離100m時(shí)，U型聲屏障較上下挑檐單側(cè)聲屏障增加0.7dB。

因此，居民區(qū)高度較低(1.5m)時(shí)，U型聲屏障消聲效果好，居民區(qū)高度與噪聲源高度相近時(shí)或居民區(qū)高度較高(30m)時(shí)，距離噪聲源較近(50m)上下挑檐單側(cè)聲屏障消聲效果較好；距離噪聲源較遠(yuǎn)(100m)時(shí)U型聲屏障消聲效果好。

3 實(shí)際應(yīng)用與測(cè)試結(jié)果

針對(duì)安徽某電廠廊道噪聲對(duì)周圍居民區(qū)影響較大，需要治理，應(yīng)用上述方法對(duì)該居民區(qū)進(jìn)行計(jì)算分析并選型。該居民區(qū)經(jīng)測(cè)量距廊道噪聲源50m，廊道噪聲源高度11.25m，根據(jù)前文分析，選擇U型聲屏障對(duì)該居民區(qū)進(jìn)行噪聲治理，實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)及受聲點(diǎn)治理前后倍頻程如圖10、圖11所示。

圖10 U型聲屏障現(xiàn)場(chǎng)圖

(a)受聲點(diǎn)治理前倍頻程

表2 U型聲屏障500Hz插入損失實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2可以看出，實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值誤差2dB以內(nèi)，達(dá)到預(yù)期效果，說(shuō)明U型聲屏障選型合理。

4 結(jié)論

(1)上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障可作為優(yōu)先聲屏障選擇型式。

(2)居民區(qū)高度較矮(1.5m)時(shí)，U型聲屏障消聲效果好；居民區(qū)高度與噪聲源高度相近或居民區(qū)高度較高時(shí)，距離聲源較近上下挑檐單側(cè)聲屏障消聲效果較好；距離噪聲源較遠(yuǎn)(100m)時(shí)，U型聲屏障消聲效果好。

(3)根據(jù)某電廠居民點(diǎn)區(qū)域選取U型聲屏障進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，達(dá)到預(yù)期治理目標(biāo)。