不同頂端結(jié)構(gòu)聲屏障繞射聲衰減量模擬分析

王金瑞，李舜酩，韓寶坤

（1.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210000 2.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

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不同頂端結(jié)構(gòu)聲屏障繞射聲衰減量模擬分析

王金瑞1，李舜酩1，韓寶坤2

（1.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210000 2.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

摘要：針對(duì)不同頂端結(jié)構(gòu)的聲屏障對(duì)繞射聲衰減量的影響，對(duì)四種常見(jiàn)的頂端結(jié)構(gòu)利用國(guó)標(biāo)GB/T17247.2-1998中規(guī)定的繞射聲衰減量公式進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)0-5 000 Hz頻域段內(nèi)四種結(jié)構(gòu)的繞射量變化曲線選擇出最佳構(gòu)型，結(jié)果表明Y形和T形結(jié)構(gòu)繞射聲衰減量最多，且?guī)缀跸嗟?；然后通過(guò)聲學(xué)軟件Virtual Lab對(duì)Y形和T形結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲效果仿真分析，根據(jù)聲影區(qū)內(nèi)聲壓級(jí)分布情況判斷降噪效果，結(jié)果顯示Y形結(jié)構(gòu)的聲壓級(jí)較T形降低覆蓋面積更廣，并計(jì)算這兩種結(jié)構(gòu)的插入損失，結(jié)果顯示Y形結(jié)構(gòu)較T形障板的降噪效果更好。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；聲屏障；頂端結(jié)構(gòu)；繞射量；仿真分析；插入損失

面對(duì)日益嚴(yán)重的交通噪聲擾民現(xiàn)象，聲屏障在道路交通噪聲的控制上所表現(xiàn)出來(lái)有效的吸聲隔聲性能及其廣闊的發(fā)展前景引起了越來(lái)越多學(xué)者和機(jī)構(gòu)的關(guān)注。國(guó)外對(duì)聲屏障研究主要是針對(duì)其聲學(xué)特性和幾何形狀研究了聲波的傳播規(guī)律和聲屏障的插入損失，Van Leeuwen[1]測(cè)試了14種不同的聲屏障模型，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)都有各自突出的聲學(xué)性能。Salomons[2]研究了在空氣折射的情況下聲屏障插入損失模型，比較聲波經(jīng)過(guò)聲屏障時(shí)的傳播，經(jīng)由類(lèi)比法得到模型的精度。國(guó)內(nèi)研究主要針對(duì)噪聲的聲源和聲屏障的聲學(xué)結(jié)構(gòu)研究，張?jiān)龊3]根據(jù)國(guó)標(biāo)(GB/ T27347.4-2009)中規(guī)定的聲屏障對(duì)點(diǎn)聲源插入損失的計(jì)算公式[4]，將列車(chē)噪聲設(shè)置為線聲源，設(shè)鐵路兩側(cè)聲屏障的長(zhǎng)度為無(wú)限長(zhǎng)，運(yùn)用Matlab編程計(jì)算，計(jì)算與測(cè)量及理論分析結(jié)果對(duì)比，表明該模型能達(dá)到預(yù)期效果。高莉萍[5]等結(jié)合鐵路聲屏障聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)涉及到的問(wèn)題，研究了聲屏障聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和幾種不同繞射聲衰減量的理論計(jì)算方法。

聲屏障不同頂端結(jié)構(gòu)對(duì)繞射聲會(huì)產(chǎn)生不同的影響，所以通過(guò)研究不同頂端結(jié)構(gòu)繞射聲衰減量的分布情況[6]可以適當(dāng)選擇出應(yīng)用在城市居民區(qū)附近的最佳構(gòu)型，居民區(qū)一般都為高層建筑，因此對(duì)聲屏障在相對(duì)較高位置的降噪性能有一定要求。

本文以聲屏障頂端結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，探究聲波在遇到聲屏障時(shí)的繞射聲衰減，通過(guò)對(duì)不同頂端結(jié)構(gòu)的分析選擇出最佳結(jié)構(gòu)，也對(duì)聲屏障的研究應(yīng)用提供一些理論依據(jù)和數(shù)據(jù)。

1聲屏障構(gòu)型選擇

聲屏障高度設(shè)計(jì)一般在3 m～5 m，過(guò)高的聲屏障會(huì)對(duì)人們視覺(jué)產(chǎn)生壓迫感，相對(duì)較低的障板上添加不同頂端繞射結(jié)已構(gòu)成為當(dāng)今聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要發(fā)展趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)以3 m為基本高度[7]，對(duì)不同繞射結(jié)構(gòu)進(jìn)行繞射聲衰減量分析。

選取聲源的位置在聲屏障內(nèi)側(cè)距障板水平距離為4 m處，接收點(diǎn)在障板背側(cè)后20 m處，高度均在水平地面上，根據(jù)我國(guó)交通噪聲頻譜特點(diǎn)設(shè)置聲波頻率范圍為100 Hz～5 000 Hz[8]。當(dāng)聲源為點(diǎn)聲源時(shí)，聲屏障可視為無(wú)限長(zhǎng)聲屏障。根據(jù)GBT 17247.2-1998[9]中規(guī)定其繞射聲衰減計(jì)算公式為：DS=10lg[3+(C2/λ)C3zKmet]dB。式中：C2等于40，不考慮地面反射影響，C3等于1，單繞射；

λ——聲波波長(zhǎng)為聲速，f為頻率；

z——聲程差，m；

Kmet——?dú)庀笥绊懶拚蜃?，等?。

1.1直立型聲屏障

由圖1得，A=5 m，B=20.2 m，d=24 m得

z=A+B-d=5+20.2-24=1.2 m

圖1　直立型聲波繞射路徑

1.2內(nèi)傾型聲屏障

由 圖 2得 ，A=4.615 m ，B=20.715 m ，d=24 m得

z=A+B-d=4.615+20.715-24=1.33 m

圖2　內(nèi)傾型聲波繞射路徑

1.3 Y形聲屏障

由 圖 1.3得 ，A=4.814 m ，B=20.585 m ， d=24 m得

z=A+B-d=4.814+20.585-24=1.399 m

圖3　Y形聲波繞射路徑

1.4 T形聲屏障

由 圖 4得 ，A=4.811 m ，B=20.582 m ，d=24 m得

z=A+B-d=4.811+20.582-24=1.393 m

圖4　T形聲波繞射路徑

將菲涅爾數(shù)代入繞射聲的衰減量的計(jì)算公式DS=10lg[3+(C2/λ)C3zKmet]dB

經(jīng)Matlab計(jì)算得如圖5。

圖5　四種聲波繞射衰減量結(jié)果對(duì)比

由圖1.5可知，在聲屏障后水平距離20 m處隨著頻率的增加，四種不同頂端結(jié)構(gòu)的聲屏障的繞射聲衰減量都呈上升趨勢(shì)，在低頻區(qū)域上升趨勢(shì)很快，到高頻區(qū)域上升趨勢(shì)減緩，到5 000 Hz處都能達(dá)到28 dB以上。其中Y形和T形的繞射聲衰減最多且?guī)缀跸嗟?，因此在下文中主要?duì)Y形和T形結(jié)構(gòu)聲屏障進(jìn)行仿真分析并確定結(jié)構(gòu)選形。

2　聲屏障聲學(xué)結(jié)構(gòu)仿真

采用聲學(xué)軟件Virtual Lab對(duì)Y形和T形結(jié)構(gòu)的聲屏障進(jìn)行仿真分析，觀察聲屏障背后區(qū)域的聲場(chǎng)分布情況，根據(jù)結(jié)果選擇出適合用于城市道路兩側(cè)的聲屏障頂端結(jié)構(gòu)。

2.1聲屏障仿真條件設(shè)定

（1）噪聲源條件設(shè)置

將道路交通噪聲假設(shè)成一條線聲源，根據(jù)交通噪聲頻率段特點(diǎn)，線聲源的頻率取500 Hz[10]，障板離線聲源的水平距離是4 m。

（2）聲屏障布置

假定聲屏障水平長(zhǎng)度是200 m，計(jì)算在中間位置100 m處剖面的聲影區(qū)，這是為了消除障板兩端的側(cè)向聲繞射影響。聲影區(qū)的范圍為障板后水平距離50 m高度30 m內(nèi)，研究在此范圍內(nèi)的聲壓級(jí)的分布情況，符合交通噪聲對(duì)兩側(cè)居民區(qū)噪聲波及范圍的實(shí)際狀況。本文在研究聲屏障的聲壓級(jí)分布上是選取與聲屏障垂直的立面進(jìn)行研究，布置情況如圖6，線聲源距離障板的水平距離為4 m，豎直網(wǎng)格是要分析的聲影區(qū)的聲壓分布剖面。同障板的豎面垂直，寬為50 m，高為30 m。

圖6　聲屏障降噪模擬分析布置圖

2.2屏障背后聲場(chǎng)分布仿真結(jié)果

（1）無(wú)聲屏障時(shí)噪聲傳播

圖7是在未布置聲屏障時(shí)的聲壓分布情況，以此為基礎(chǔ)對(duì)比布置了聲屏障之后的聲場(chǎng)分布情況。

圖7　未設(shè)置聲屏障時(shí)交通噪聲聲壓級(jí)分布

（2）Y形聲屏障仿真結(jié)果

由圖8可以看出，相比于未布置聲屏障的情況，聲壓分布在大范圍內(nèi)都有所降低，并且表示低聲壓級(jí)的深黑色區(qū)域在50 m處要高出聲屏障的高度。

圖8　Y形聲屏障降噪效果模擬聲壓級(jí)分布

（3）T形聲屏障仿真結(jié)果

由圖9可以看出，相比于Y形聲屏障，表示低聲壓級(jí)的深黑色區(qū)域分布比較緊湊，而且都集中在小于3 m高的區(qū)域內(nèi)，即都沒(méi)有超出T形聲屏障的高度。

圖9　T形聲屏障降噪效果模擬聲壓級(jí)分布

3降噪仿真結(jié)果分析

由圖7、圖8、圖9可以看出，在聲屏障后水平距離20 m處Y形和T形聲屏障降噪量都能達(dá)到17 dB以上，隨著水平距離的不斷增加降噪量逐步增加。對(duì)比這兩種不同的聲屏障頂部結(jié)構(gòu)，可以看出其后面形成的聲壓分布也有很大差異，Y形形成的聲壓級(jí)分布的層次相比T形更清晰明顯，而T形聲壓級(jí)的分布相對(duì)比較集中，且在高度3 m以下的聲壓級(jí)分布都相對(duì)較低，而在3 m以上降噪效果則不明顯，所以T形聲屏障適合用于高速公路兩側(cè)，瀕臨城鎮(zhèn)農(nóng)村建筑周?chē)?。而Y形聲屏障在較高的高度也有較好的降噪效果，即其聲壓級(jí)降低的覆蓋面積更廣，所以適用于城市道路兩側(cè)，瀕臨高層建筑的地區(qū)。

3.1插入損失計(jì)算

為更直觀地觀察聲壓級(jí)的分布情況，引入插入損失的計(jì)算。插入損失（IL）是指保持噪聲源、地形和氣候條件不變的情況下安裝聲屏障前后受聲點(diǎn)處測(cè)得聲壓級(jí)之差，如下式所示[11]

ΔLd——繞射聲衰減；

ΔLt——透射聲衰減；

ΔLr——反射聲衰減；

ΔLs——障礙物聲衰減；

ΔLG——地面吸收聲衰減。

表1列出Y形和T形聲屏障在10 m、20 m、30 m、40 m、50 m等不同距離，高度2 m～20 m范圍內(nèi)插入損失。列出的插入損失為聲影區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)，對(duì)比這兩種不同頂端結(jié)構(gòu)聲屏障的降噪效果。

由表1可知，在高度低于障板高度的位置，不同距離隔聲降噪效果較好的是T形結(jié)構(gòu)。如在高度2m，距離30 m時(shí)，T形結(jié)構(gòu)插入損失為14.10 dB，比Y形結(jié)構(gòu)高0.65 dB。隨著高度增加到2 m以上，降噪性能顯著下降，如距離30 m時(shí)，高度2 m降噪量為14.10 dB，而高度8 m時(shí)，降噪量降為6.35 dB，插入損失下降量達(dá)到7.75 dB。而Y形聲屏障在距離30 m，高度從2 m增加到8 m時(shí)，插入損失降低量為4.10 dB。因此T形結(jié)構(gòu)適用于低位置降噪。

表1　兩種結(jié)構(gòu)插入損失比較/dB

而Y形聲屏障在較高高度仍有較好的降噪效果，隨高度增高，插入損失下降比T形少。如在50 m距離，高度20 m的位置，插入損失比T形聲屏障高1.09 dB，測(cè)點(diǎn)高度由2 m升高到20 m時(shí)，Y形聲屏障插入損失變化量為9.31 dB，T形聲屏障插入損失變化量為11.04 dB。因此Y形聲屏障在高度增加時(shí)插入損失降低量較小，比較適用于道路兩邊較高的建筑，即在較高的位置仍然有較好的降噪效果。

究其原因，因?yàn)閅形聲屏障的頂部分叉結(jié)構(gòu)，可以使聲波在分叉處發(fā)生衍射，同時(shí)在分叉處又可經(jīng)歷多次反射，聲能得到消耗，所以在較高位置有較好降噪效果。而T形的頂部結(jié)構(gòu)向兩端延伸，在較低位置對(duì)聲波繞射遮蔽較多，因此有較好隔聲效果，隨著高度上升，頂端遮蔽功能越來(lái)越弱，所以在較高位置隔聲效果較差。

3.2仿真結(jié)果對(duì)比

表2列出了文獻(xiàn)[12]使用聲學(xué)仿真軟件Raynoise得出的數(shù)據(jù)。

由表2可知，各組仿真數(shù)據(jù)均比表1數(shù)據(jù)略低，隨水平距離和高度的變化趨勢(shì)與表1相同。如在距離為30 m，高度從2 m增加到8 m時(shí)，Y形和T形的插入損失降低量分別為3.3 dB和7.1 dB，與表1的4.10 dB和7.75 dB數(shù)值近似。同樣在距離50 m處，測(cè)點(diǎn)高度由2 m升高到20 m時(shí)，Y形聲屏障插入損失變化量為7.9 dB，T形聲屏障插入損失變化量為10.2 dB。與表1的9.31 dB和11.04 dB數(shù)值近似。因此結(jié)論相同，即T形結(jié)構(gòu)適用于低位置降噪，Y形結(jié)構(gòu)適用于高位置降噪。

表2　文獻(xiàn)[12]的兩種結(jié)構(gòu)插入損失比較/dB

文獻(xiàn)[12]中的仿真數(shù)據(jù)都略低于本文的仿真計(jì)算數(shù)據(jù)，原因可能是與Raynoise降噪原理的局限有關(guān)。Raynoise在低頻或小尺度空間的模擬效果比較差，這必然會(huì)大大縮小其應(yīng)用范圍。同時(shí)，它只能給出簡(jiǎn)單聲源在給定點(diǎn)的模擬結(jié)果，而對(duì)于運(yùn)動(dòng)聲源、分布式聲源、指向性聲源以及更為復(fù)雜的情況則有局限。

綜上所述，城市道路兩側(cè)的聲屏障對(duì)較高建筑的降噪效果要求高，所以更適合采用頂端結(jié)構(gòu)為Y形的聲屏障。

4結(jié)　語(yǔ)

（1）聲屏障的不同頂端結(jié)構(gòu)對(duì)繞射聲衰減量有較大影響，計(jì)算聲屏障后一固定點(diǎn)的繞射聲衰減量隨聲波頻率的變化情況，可以選擇出最佳構(gòu)型；

（2）利用聲學(xué)軟件Virtuallab可仿真得到聲屏障背后聲影區(qū)的聲壓分布情況，對(duì)比分析可得不同構(gòu)型在不同水平位置和不同高度處的降噪效果；

（3）通過(guò)插入損失的計(jì)算驗(yàn)證了T形結(jié)構(gòu)適用于低位置降噪，Y形結(jié)構(gòu)適用于高位置降噪。

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要研究方向：車(chē)輛振動(dòng)與噪聲控制。

E-mail:smli@nuaa.edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：O422

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.027

文章編號(hào)：1006-1355(2016)01-0125-04+132

收稿日期：2015-09-21

作者簡(jiǎn)介：王金瑞（1989-），男，山東省滕州市人，博士生，主

通訊作者：李舜酩，男，博士生導(dǎo)師。

SimulationAnalysis of Sound DiffractionAttenuation of Different Sound Barrier’s Top Structures

WANG Jin-rui1,LI Shun-ming1,HAN Bao-kun2

（1.College of Energy and Power Engineering,Nanjing University ofAeronautics andAstronautics, Nanjing 210000,China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590,Shandong China）

Abstract:In order to study the influence of different top structures of the sound barriers on the effect of sound diffraction attenuation,the attenuation formula in GB/T17247.2-1998 standard was used to analyze and calculate the diffraction attenuation of four kinds of common apex structures.The optimal configuration was selected according to the curve of diffraction attenuation change in 0-5 000 Hz frequency range.The results show that the Y-type and T-type structure’s diffraction attenuations are the largest and nearly the same.Then,using the acoustic software Virtual Lab,the sound insulation simulation was done for the Y-type and T-type structures.And their noise-reduction effects were determined according to the distribution of sound pressure level in the acoustic shadow.The results show that the sound pressure level’s reduction area of the Y-type structure is wider than that of the T-type.Then,the insertion losses of the two structures were calculated.The results show that the noise reduction effect of the Y-type structure is better than that of the T-type.

Key words:acoustics;noise barrier;top structure;diffraction attenuation;simulation analysis;insertion loss