廊道懸浮聲屏障噪聲預(yù)測(cè)及控制方案研究

阮學(xué)云，魏 玥，高 艷，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.中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

廊道作為電廠(chǎng)燃煤、水泥廠(chǎng)石灰石等輸送的主要通道，往往距離地面一定高度且布置于企業(yè)廠(chǎng)界外。由于其工作時(shí)間長(zhǎng)、噪聲范圍廣、中低頻段傳播距離遠(yuǎn)，對(duì)附近居民生活影響較大，是主要的投訴對(duì)象。廊道噪聲以托輥[1]、帶式輸送機(jī)[2]等噪聲源為主，治理方案主要是針對(duì)廊道整體進(jìn)行聲屏障包圍[3-4]或整體更換低噪聲托輥。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定控制方案，無(wú)科學(xué)依據(jù)。目前Cadna/A 等噪聲預(yù)測(cè)工程軟件模擬懸浮聲屏障只考慮上方繞射路徑，對(duì)廊道底部增加聲屏障等各組合方案無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的噪聲預(yù)測(cè)，影響了模型預(yù)測(cè)計(jì)算準(zhǔn)確性，從而無(wú)法得到科學(xué)的噪聲控制方案。

國(guó)外對(duì)聲屏障降噪的研究自20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)對(duì)聲屏障降噪的研究起步相對(duì)較晚。Mackawa[3]研究出二維聲屏障的插入損失計(jì)算公式；Zaplaic 等[4]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評(píng)估時(shí)的背景噪聲干擾；徐圣輝等[5]利用邊界元對(duì)近軌不同型式上挑檐進(jìn)行對(duì)比研究；王金瑞等[6]運(yùn)用ISO9613-2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩種類(lèi)型的道路聲屏障消聲效果進(jìn)行計(jì)算與對(duì)比；郭萍等[7]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。以上研究均針對(duì)廊道上挑檐運(yùn)用有限元或邊界元算法[8-10]，計(jì)算復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，不適合工程應(yīng)用。基于Cadna/A 等工程預(yù)測(cè)軟件對(duì)聲屏障效果的預(yù)測(cè)多針對(duì)道路等交通噪聲[11-13]，較少有針對(duì)懸浮聲源下挑檐繞射聲進(jìn)行相關(guān)研究。

針對(duì)以上情況，基于Cadna/A 預(yù)測(cè)軟件為建模工具，通過(guò)聲學(xué)元素幾何變化方式，實(shí)現(xiàn)廊道各類(lèi)型懸浮聲屏障噪聲控制方案計(jì)算，為科學(xué)選擇噪聲控制方案提供理論依據(jù)。

1 實(shí)現(xiàn)廊道下挑檐繞射聲計(jì)算方法

1.1 當(dāng)前Cadna/A 軟件下挑檐計(jì)算

Cadna/A 軟件依據(jù)ISO9613-2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行模擬與預(yù)測(cè)，并獲得國(guó)家認(rèn)證[14]。根據(jù)廊道聲源特性，以點(diǎn)聲源為例建立測(cè)試模型，驗(yàn)證目前噪聲預(yù)測(cè)模型針對(duì)懸浮屏障下挑檐的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性。其中：聲源聲功率級(jí)80 dB，聲源高度10 m，聲屏障寬度均為3 m，在垂直聲屏障豎面建立高20 m 的垂直聲場(chǎng)，觀(guān)察單側(cè)聲屏障與下挑檐聲屏障的聲場(chǎng)分布，如圖1 所示。

圖1 單側(cè)及下挑檐聲屏障聲場(chǎng)分布圖

測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)置下挑檐模型與單側(cè)聲屏障聲影區(qū)聲場(chǎng)分布一致，并經(jīng)過(guò)單點(diǎn)計(jì)算，計(jì)算聲源水平距離20 m、30 m、50 m 及高1.5 m 處噪聲值，整理結(jié)果如表1 所示。

表1 Cadna/A 軟件計(jì)算受聲點(diǎn)噪聲值 （單位：dB/A）

由圖1 和表1 可知，Cadna/A 軟件計(jì)算中，雖可以設(shè)置下挑檐型式，但因其軟件計(jì)算模塊對(duì)下方繞射聲忽略考慮，聲影區(qū)受聲點(diǎn)的數(shù)值均沒(méi)有發(fā)生變化，其下挑檐實(shí)際不起作用。因此，Cadna/A 預(yù)測(cè)軟件對(duì)下挑檐繞射聲計(jì)算不精確。

1.2 實(shí)現(xiàn)聲屏障下挑檐繞射聲模型建立及驗(yàn)證

考慮預(yù)測(cè)軟件可計(jì)算上挑檐繞射聲，為將下挑檐計(jì)算轉(zhuǎn)化為上挑檐計(jì)算，建模時(shí)可通過(guò)保證聲源與受聲點(diǎn)聲程差不變的情況下轉(zhuǎn)換繞射聲路徑。根據(jù)幾何關(guān)系，可轉(zhuǎn)換為上繞射進(jìn)行等效計(jì)算，示意圖如圖2 所示。

圖2 下挑檐路徑轉(zhuǎn)換示意圖

以聲源與受聲點(diǎn)的水平連線(xiàn)設(shè)置為X 軸，垂直于地面的單側(cè)聲屏障為Z 軸建立坐標(biāo)系，聲源S（sx，sy，sz），受聲點(diǎn)R（rx，ry，rz），聲屏障下挑檐繞射點(diǎn)a（ax，0，az），保持S 和R 的位置不變，在XOZ坐標(biāo)面經(jīng)過(guò)幾何關(guān)系轉(zhuǎn)換成上挑檐后，保證幾何變換后聲程差z 不變：

式中：b 為 聲源與受聲點(diǎn)之間的距離平行于屏障上邊界的分量，m；

dSa為聲源至下挑檐繞射路程，m；

daR為受聲點(diǎn)至下挑檐繞射路程，m；

dSR為聲源至受聲點(diǎn)的路程，m。

聲屏障繞射路徑之和：

經(jīng)過(guò)路徑的距離計(jì)算得出：

根據(jù)公式（3）及S，R 和a 點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出新的繞射點(diǎn)a0（ax0，0，az0）。

根據(jù)ISO9613-2 標(biāo)準(zhǔn)[10]，屏障繞射聲衰減計(jì)算公式為：

式中：C2=40 不考慮地面反射影響；

對(duì)于單繞射：C3=1 ；

λ為標(biāo)稱(chēng)頻帶中心頻率的聲波波長(zhǎng)；

Kmet為氣象影響修正因子：

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；

z 為聲程差；

增設(shè)聲屏障后受聲點(diǎn)聲壓級(jí)：

LW為聲源產(chǎn)生的聲功率級(jí)；

DC為指向性校正；

A 為聲源至接收點(diǎn)倍頻帶衰減；

其中：

Ad為幾何發(fā)散引起的衰減；

Aa為大氣吸收引起的衰減；

Ag為地面效應(yīng)引起的衰減；

Ab為加屏障引起的衰減；

為其他多方面效應(yīng)引起的衰減；根據(jù)上述式（1）-（7）計(jì)算出聲波經(jīng)過(guò)下挑檐后受聲點(diǎn)處聲壓級(jí)，并利用幾何關(guān)系通過(guò)Cadna/A進(jìn)行等效計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 下挑檐軟件計(jì)算與理論計(jì)算 （單位：dB/A）

根據(jù)上述理論計(jì)算與軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比，誤差均在0.5 dB 以?xún)?nèi)，因此該等效建模方法可實(shí)現(xiàn)Cadna/A 軟件中下挑檐繞射聲的預(yù)測(cè)計(jì)算。

2 廊道噪聲治理前預(yù)測(cè)模型

根據(jù)前節(jié)提供的方法，對(duì)安徽某電廠(chǎng)廊道進(jìn)行噪聲計(jì)算，并根據(jù)常見(jiàn)的噪聲控制方案進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)分析，給出科學(xué)治理方案。該廊道沿途經(jīng)過(guò)一處居民區(qū)，如圖3 所示，受影響居民較多，為了改善該居民區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量，通過(guò)新的幾何建模方法，基于Cadna/A 建立廊道周邊區(qū)域的噪聲預(yù)測(cè)模型，分別計(jì)算廊道聲屏障的上、下繞射路徑，預(yù)測(cè)聲屏障及低噪聲托輥對(duì)居民區(qū)的降噪效果，給出合理可行的降噪措施。

圖3 廊道衛(wèi)星地圖

2.1 建立廊道噪聲預(yù)測(cè)模型

廊道的主要噪聲來(lái)源皮帶輸送機(jī)呈圓柱形，距地面高度11 m，橫截面直徑約1 m；居民區(qū)距聲源水平距離約100 m，在此例中將廊道噪聲源等效為線(xiàn)聲源。廊道全程2 200 m，居民區(qū)受聲點(diǎn)高度1.5 m。廊道聲源頻譜采用廊道近距離實(shí)測(cè)頻譜。

2.2 治理前模型計(jì)算與對(duì)比

以廊道西邊居民區(qū)為研究對(duì)象，使用Cadna/A軟件對(duì)該區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，治理前噪聲網(wǎng)格示意圖如圖4 所示。

圖4 廊道及居民區(qū)治理前噪聲網(wǎng)格地圖

根據(jù)噪聲網(wǎng)格地圖整理出各敏感點(diǎn)噪聲值如表3。

表3 治理前各位置噪聲值 （單位：dB/A）

治理前選擇居民區(qū)距離廊道最近的兩處敏感點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，誤差均在1 dB 之內(nèi)，表明了該預(yù)測(cè)模型的可靠性。

根據(jù)治理前預(yù)測(cè)結(jié)果，顯示小區(qū)內(nèi)部噪聲值基本達(dá)標(biāo)，小區(qū)東北角區(qū)域噪聲值最大可達(dá)到59.5（dB/A），根據(jù)聲環(huán)境質(zhì)量執(zhí)行《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB12348-2008）2 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[15]，夜間要求限值50（dB/A），該處敏感點(diǎn)超標(biāo)。

3 降噪措施及效果

根據(jù)治理前Cadna/A 軟件預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，對(duì)敏感點(diǎn)進(jìn)行治理，建立預(yù)測(cè)模型，分析三種治理方案的效果及經(jīng)濟(jì)性。

3.1 各控制方案

方案1：上下挑檐聲屏障

設(shè)置聲屏障寬度、上挑檐聲屏障寬度、下挑檐聲屏障寬度，均取3 m。根據(jù)上文方法選擇式（2）和（3）計(jì)算出下挑檐幾何變化后的聲屏障高度，建立模型如圖5 所示。

圖5 上下挑檐聲屏障幾何模型建立

在選擇設(shè)置聲屏障區(qū)域利用Cadna/A 分別計(jì)算出無(wú)聲屏障、帶上挑檐聲屏障、下挑檐聲屏障在敏感點(diǎn)處聲壓級(jí)Lp1、Lp2、Lp3，根據(jù)式（6）和（7）可知：

其中：

Ab1為上挑檐引起的衰減；

Ab2為下挑檐引起的衰減；

根據(jù)式（8）-（11）得出上下挑檐聲屏障在敏感點(diǎn)處的總聲壓級(jí) Lp為：

方案2：更換低噪聲托輥

低噪聲托輥直徑較普通托輥更大，且托輥支架厚度更厚，低噪聲托輥的壽命是普通托輥的兩倍。根據(jù)低噪聲托輥廠(chǎng)家提供參數(shù)，低噪聲托輥較普通托輥降低10-15 dB 左右，降噪量按照12 dB 進(jìn)行設(shè)置，更換低噪聲托輥。幾何示意圖如圖6 所示。

圖6 更換低噪聲托輥二維模型

方案3：低噪聲托輥配合上下挑檐聲屏障

為進(jìn)一步探究低噪聲托輥及上下挑檐聲屏障治理效果，運(yùn)用上文計(jì)算方法，對(duì)更換低噪聲托輥區(qū)域增設(shè)上下挑檐聲屏障，計(jì)算其治理效果。幾何示意圖如圖7 所示。

圖7 聲屏障搭配低噪聲托輥二維模型

3.2 各方案對(duì)比分析

根據(jù)以上三種治理方案進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)用Cadna/A 進(jìn)行計(jì)算，整理結(jié)果如表4 所示。

表4 三種方案治理效果 （單位：dB/A）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知三種方案均可在一定范圍內(nèi)使敏感點(diǎn)達(dá)到治理標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 工程量對(duì)比計(jì)算

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查靜音低噪聲托輥的價(jià)格大約300 元，每100 m 更換低噪聲托輥的價(jià)格大約20萬(wàn)元，安裝費(fèi)大約1 萬(wàn)元，共計(jì)21 萬(wàn)元每百米；增加聲屏障每100 米材料費(fèi)約45 萬(wàn)元，安裝費(fèi)約1萬(wàn)元，共計(jì)46 萬(wàn)元每百米。結(jié)合治理達(dá)標(biāo)工程整理出預(yù)計(jì)達(dá)標(biāo)成本，如表5 所示。

表5 廊道噪聲治理預(yù)計(jì)達(dá)標(biāo)成本 （單位：萬(wàn)元）

根據(jù)達(dá)標(biāo)成本結(jié)果顯示，更換低噪聲托輥治理廊道噪聲，在達(dá)標(biāo)的情況下，其成本最低，噪聲預(yù)測(cè)地圖如圖8 所示，可作為推薦方案。

圖8 更換低噪聲托混后噪聲網(wǎng)格地圖

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)安徽某電廠(chǎng)廊道噪聲對(duì)周?chē)用駞^(qū)影響較大，應(yīng)用上述方法對(duì)該居民區(qū)進(jìn)行噪聲治理，實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)如圖9 所示。

圖9 更換低噪聲托輥實(shí)物圖

根據(jù)上述方案分析，更換1 000 m 靜音托輥后對(duì)敏感點(diǎn)進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)采集，測(cè)試結(jié)果如下表6。

表6 治理后各位置噪聲值 （單位：dB/A）

根據(jù)表6 可以看出，治理效果達(dá)到預(yù)期值，說(shuō)明輸送廊道噪聲治理方案選擇合理。

4 結(jié)論與建議

利用幾何關(guān)系將聲屏障下挑檐繞射聲進(jìn)行幾何轉(zhuǎn)化，通過(guò)新的幾何建模方法，實(shí)現(xiàn)了Cadna/A準(zhǔn)確計(jì)算各類(lèi)型屏障繞射聲計(jì)算。應(yīng)用該方法對(duì)某電廠(chǎng)廊道建立噪聲預(yù)測(cè)模型，對(duì)各方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，并給出了相關(guān)結(jié)論，為廊道噪聲方案提供了科學(xué)依據(jù)，其結(jié)論也可為同類(lèi)型輸送廊道噪聲方案提供參考。