陣列式消聲器性能曲線在地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

胡自林，方慶川

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.深圳中雅機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司，廣東 深圳 518000)

我國(guó)的地鐵建設(shè)取得了輝煌成就[1]，城市公共交通越來越便利，但是如果地鐵建設(shè)忽略車輛運(yùn)行和各種與地鐵運(yùn)行配合的機(jī)電設(shè)備的噪聲控制，地鐵就會(huì)給國(guó)民生活環(huán)境帶來額外的噪聲[2?4]。地鐵噪聲主要包括輪軌相互作用的噪聲、輪軌相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)生成的二次結(jié)構(gòu)噪聲、隧道通風(fēng)機(jī)噪聲和地下站通風(fēng)機(jī)噪聲。除了二次結(jié)構(gòu)噪聲外，上述噪聲都是通過風(fēng)道從風(fēng)亭風(fēng)口排放到外環(huán)境中。目前，絕大多數(shù)市民感覺不到風(fēng)亭排放的噪聲，是因?yàn)樵诘罔F建設(shè)時(shí)，已經(jīng)充分考慮了該環(huán)節(jié)的降噪措施，也就是在風(fēng)道中設(shè)置了消聲器[5?8]。然而，目前在風(fēng)道中設(shè)置的消聲器，仍然有繼續(xù)優(yōu)化的空間[9]，即減少消聲的代價(jià)。這個(gè)代價(jià)主要包括通風(fēng)的能耗、占用的風(fēng)道空間和消聲器的投資。然而，不同的項(xiàng)目，因其條件不同，上述3個(gè)代價(jià)的權(quán)重會(huì)有所不同，所以在優(yōu)化的時(shí)候，不同項(xiàng)目的取舍優(yōu)先順序應(yīng)有所不同。在傳統(tǒng)的噪聲計(jì)算中，方案的任何細(xì)節(jié)調(diào)整，都要完成一個(gè)大量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表格，計(jì)算工作量大，目標(biāo)不突出，不利于針對(duì)不同的項(xiàng)目對(duì)方案進(jìn)行取舍。本文介紹了消聲器性能曲線[10]的應(yīng)用方法，可以讓暖通工程師通過一個(gè)曲線圖直觀地掌握各種方案的消聲效果、空間占用和通風(fēng)阻力，使取舍決斷變得更加容易。

1 陣列式消聲器的性能曲線

目前，地鐵環(huán)控系統(tǒng)應(yīng)用較為成功的是陣列式消聲器[11]和片式消聲器。這2種消聲器均屬于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36079—2018[12]定義的單元并排式阻性消聲器，其性能關(guān)系均可用曲線表達(dá)。以圖1為例，對(duì)安裝在地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道內(nèi)的消聲器進(jìn)行分析、解析及論證。

圖1 地下站及隧道通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Tunnel ventilation system of underground station

1.1 傳聲損失、全壓損失系數(shù)與長(zhǎng)度的關(guān)系曲線

當(dāng)聲源的頻率特性確定不變時(shí)，可以只考慮A計(jì)權(quán)[13]單值傳聲損失。圖2是某陣列式消聲器基于某型號(hào)隧道通風(fēng)機(jī)聲源特性的傳聲損失和全壓損失系數(shù)與長(zhǎng)度和通流比的關(guān)系曲線。根據(jù)圖2，可以獲得如下信息：1)同樣長(zhǎng)度的消聲器，其消聲效果與全壓損失系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，即相同長(zhǎng)度的消聲器，消聲效果越大，全壓損失系數(shù)也越大；2)當(dāng)全壓損失系數(shù)不能增加的時(shí)候，若需要進(jìn)一步增加消聲效果，同時(shí)又不允許增大消聲器橫截面外形尺寸，則可以通過加長(zhǎng)消聲器長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)；3)在明確了消聲效果的要求后，如果要以更短的消聲器實(shí)現(xiàn)，必定要付出更大的通風(fēng)阻力(全壓損失系數(shù)增大)的代價(jià)，如果要以更小的通風(fēng)阻力實(shí)現(xiàn)相同的消聲效果，則需要更長(zhǎng)的消聲器。

上述3個(gè)信息成立的前提是消聲器的外形尺寸確定不變。如圖2所示，當(dāng)消聲量需要25 dB的時(shí)候，有很多選項(xiàng)，當(dāng)選擇消聲器總長(zhǎng)度為1.8 m話全壓損失系數(shù)為3.8；當(dāng)選擇消聲器總長(zhǎng)度為3.0 m，全壓損失系數(shù)為1.6。

圖2 典型消聲器性能曲線Fig.2 Typical muffler performance curves

1.2 性能曲線與聲源頻譜相關(guān)

工程上應(yīng)用消聲器的最終效果是單值A(chǔ)計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。因此，對(duì)于聲源的不同頻譜，應(yīng)用同一消聲器時(shí)，其單值A(chǔ)計(jì)權(quán)傳聲損失是不同的。圖2是某型號(hào)隧道通風(fēng)機(jī)應(yīng)用某系列消聲器的性能曲線。該系列消聲器應(yīng)用在不同頻率特性的聲源時(shí)，其性能曲線是有區(qū)別的，如圖3～圖5。當(dāng)聲源頻譜為紅噪聲時(shí)，其性能曲線如圖3；當(dāng)聲源為粉紅噪聲[14]時(shí)，其性能曲線如圖4；當(dāng)聲源為白噪聲[14]時(shí)，其性能曲線如圖5。

圖3 聲源為紅噪聲時(shí)的性能曲線Fig.3 Performance curves when the sound source is red noise

圖4 聲源為粉紅噪聲時(shí)的性能曲線Fig.4 Performance curves when the sound source is pink noise

圖5 聲源為白噪聲時(shí)的性能曲線Fig.5 Performance curves when the sound source is white noise

紅噪聲、粉紅噪聲和白噪聲是聲頻信號(hào)的幾種典型頻譜特性噪聲。紅噪聲的頻率特性是聲能量隨著頻率的增加而遞減，其遞減率與頻率比的二次方相等；粉紅噪聲也是隨著頻率的增加，聲能量遞減，其遞減率與頻率比的一次方相等；白噪聲的聲能量在所有頻率上都相等。大自然的背景環(huán)境聲具有紅噪聲特征，大部分空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備噪聲傳遞到房間內(nèi)的殘余噪聲也呈紅噪聲特征，很多離心風(fēng)機(jī)的噪聲同樣呈紅噪聲特征。下大暴雨的時(shí)候，水面或樹葉上的雨聲呈白噪聲特征。粉紅噪聲如果用倍頻程來描述，或者頻率為橫坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)時(shí)，其幅值呈一條平行于橫坐標(biāo)的水平線。與白噪聲相比，粉紅噪聲具有較強(qiáng)的低頻聲，紅噪聲具有更強(qiáng)的低頻聲。

因此，對(duì)比圖3～圖5，該系列消聲器對(duì)于紅噪聲的衰減效果，遠(yuǎn)不如對(duì)于白噪聲和粉紅噪聲的衰減效果好，其低頻的消聲性能不如中高頻的消聲性能好。再對(duì)比圖2可知，該系列消聲器針對(duì)某型隧道通風(fēng)機(jī)的頻譜進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 消聲器性能曲線的應(yīng)用

針對(duì)聲源的頻譜特性設(shè)計(jì)消聲器(或?qū)Ω鞣N候選消聲器進(jìn)行選型)是非常必要的。但是，除了聲源的頻譜特性以外，整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的消聲配置還要考慮聲源的總強(qiáng)度(總聲功率級(jí))，以及噪聲從聲源傳播到廠界或敏感點(diǎn)的過程。這個(gè)過程本身會(huì)衰減掉一部分噪聲，但每個(gè)聲源到廠界或敏感點(diǎn)的過程是千變?nèi)f化的，廠界或敏感點(diǎn)的噪聲達(dá)標(biāo)要求也所有不同。因此，消聲器的配置工作仍需進(jìn)一步優(yōu)化，其目的是以最小的代價(jià)配置廠界或敏感點(diǎn)達(dá)標(biāo)的消聲器。

圖3～圖5所示消聲器性能曲線，正是快速優(yōu)化配置消聲器的利器。對(duì)比聲源為紅噪聲、粉紅噪聲和白噪聲的性能曲線，消聲器單值的消聲量隨聲源頻譜的不同而不同。目前應(yīng)用的消聲器，大部分對(duì)于白噪聲和粉紅噪聲的衰減效果較好，對(duì)于紅噪聲的衰減效果較差。因此，對(duì)于低頻噪聲特別大的聲源，應(yīng)調(diào)整消聲器的選型，或?qū)ΜF(xiàn)有消聲器進(jìn)行針對(duì)性改型設(shè)計(jì)。

2.1 應(yīng)用舉例1滿足敏感點(diǎn)達(dá)標(biāo)要求的選項(xiàng)

某隧道通風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)量160 m3/s，經(jīng)計(jì)算，如果不采取消聲措施，風(fēng)亭外敏感點(diǎn)將超標(biāo)約20 dBA，根據(jù)性能曲線(圖6)可知，至少有若干個(gè)選項(xiàng)可以滿足要求，這些選項(xiàng)的消聲效果均可達(dá)到20 dBA，但其長(zhǎng)度、全壓損失系數(shù)和通流比有所不同，部分選項(xiàng)分 別 為：3.9/0.6/0.72，3.3/0.8/0.67，3.0/0.9/0.65，2.7/1.1/0.62，2.4/1.4/0.58/，2.1/1.6/0.55，1.8/2.2/0.5，1.5/3.0/0.45和1.2/4.6/0.39?？紤]到風(fēng)道斷面尺寸約為5.15 m2，吸聲體斷面尺寸為0.383 m2，合適可行的選項(xiàng)為：3.0/0.9/0.65，2.1/1.6/0.55和1.5/3.0/0.45這3項(xiàng)。因此，在這個(gè)斷面上，陣列取10行10列時(shí)的通流比是0.45(圖7)，取9行9列時(shí)的通流比是0.55(圖8)，取8行8列時(shí)的通流比是0.65(圖9)。當(dāng)然，選擇8行9列、9行8列、10行9列或9行10列，也是可行的。

圖6 舉例1Fig.6 For example 1

圖7 10行10列的通流比是0.45Fig.7 Through flow ratio of 10 rows and 10 columns is 0.45

圖8 9行9列的通流比是0.55Fig.8 Through flow ratio of 9 rows and 9 columns is 0.55

圖9 8行8列的通流比是0.65Fig.9 Through flow ratio of 8 rows and 8 columns is 0.65

2.2 應(yīng)用舉例2滿足廠界達(dá)標(biāo)的選項(xiàng)

在應(yīng)用舉例1中，如果要求執(zhí)行廠界排放標(biāo)準(zhǔn)[15?16]，那么需要采取消聲效果大于33 dBA的措施。根據(jù)性能曲線(圖10)可知，至少有：3.9/2.5/0.53，3.6/2.8/0.51，3.3/3.2/0.48，3.0/3.8/0.46和2.7/4.6/0.43等5個(gè)選項(xiàng)可選。考慮前述通流比的配合，宜調(diào)整選項(xiàng)為：3.0/4.0/0.45(略有消聲余量)或3.9/2.1/0.55(消聲預(yù)測(cè)有1 dB的差距)。

圖10 舉例2Fig.10 For example 2

2.3 應(yīng)用舉例3滿足廠界達(dá)標(biāo)的另一選項(xiàng)

考慮到該隧道風(fēng)機(jī)只在早晚各開啟大約0.5 h，并不是在晝間或夜間持續(xù)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以認(rèn)為，就廠界而言，是有規(guī)律的頻發(fā)噪聲，按其運(yùn)行的0.5 h內(nèi)最大聲級(jí)考核限值，可以放寬10 dBA，同時(shí)考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行的噪聲強(qiáng)度比較穩(wěn)定，快檔的最大聲級(jí)不會(huì)超過等效聲級(jí)4 dBA，在這種情況下，配置消聲器的要求可以降為27 dBA。根據(jù)性能曲線(圖11)可知，至少有：3.9/1.3/0.62，3.6/1.5/0.6，3.3/1.7/0.57，3.0/1.9/0.55，2.7/2.5/0.52，2.4/2.9/0.48，2.1/3.6/0.44和1.8/4.9/0.39等8個(gè)選項(xiàng)可選?？紤]前述通流比的配合，合理的選項(xiàng)為3.0/1.9/0.55。

圖11 舉例3Fig.11 For example 3

2.4 應(yīng)用舉例4綜合考慮的選項(xiàng)

綜合考慮上述多種情況，可以得出采用3 m長(zhǎng)的消聲器配置是最靈活的。當(dāng)只需要滿足敏感點(diǎn)達(dá)標(biāo)的時(shí)候，安裝8行8列共64個(gè)3 m長(zhǎng)的吸聲體，通風(fēng)阻力是20 Pa；當(dāng)需要滿足廠界排放最大聲級(jí)限值的時(shí)候，安裝9行9列共81個(gè)吸聲體，通風(fēng)阻力是41 Pa；當(dāng)需要滿足廠界等效聲壓級(jí)的排放限值時(shí)(風(fēng)機(jī)持續(xù)開啟的時(shí)候)，安裝10行10列共100個(gè)吸聲體，通風(fēng)阻力是84 Pa。以上3種情況，安裝的位置和空間都一樣，所需的吸聲體構(gòu)件也完全相同，只是數(shù)量不同。

3 結(jié)論

1)將不同長(zhǎng)度和片密度的陣列式消聲器的性能繪制成關(guān)聯(lián)曲線，將消聲器設(shè)置長(zhǎng)度與消聲量、全壓損失系數(shù)和流通比等參數(shù)直接關(guān)聯(lián)起來，可直接進(jìn)行消聲設(shè)計(jì)。

2)應(yīng)用陣列式消聲器的性能曲線，地鐵環(huán)控系統(tǒng)的消聲設(shè)計(jì)可進(jìn)行多方案比選，選擇方便工程實(shí)施的最佳方案，更加清晰簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。