基于Virtual Lab的交通噪聲聲屏障降噪效果研究

閻春利，金　鑫，申　晨

(1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

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基于Virtual Lab的交通噪聲聲屏障降噪效果研究

閻春利1，金鑫2，申晨1

(1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

摘要：經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和機(jī)動車的增加，導(dǎo)致交通噪聲成為目前城市中的重要污染。為了減小交通噪聲對人體的危害，聲屏障成為主要的降噪手段之一。如何設(shè)計聲屏障的結(jié)構(gòu)使其插入損失最大是本文研究的重點。論文設(shè)計了直立型、倒L型、頂部弧型以及45度斜頂型4種聲屏障結(jié)構(gòu)方案。利用聲學(xué)測試分析軟件LMS Virtual Lab直接進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)置參數(shù)以及進(jìn)行聲學(xué)性能分析，在剛性表面情況下對聲壓圖、頻率響應(yīng)曲線和插入損失進(jìn)行比較，結(jié)果顯示：4種不同的聲屏障結(jié)構(gòu)方案都在中低頻率范圍內(nèi)降噪效果最好，通過對不同聲屏障降噪效果的比較，可以很好的根據(jù)實際需要控制交通噪聲污染狀況，達(dá)到改善交通噪聲污染的效果。

關(guān)鍵詞：交通噪聲；聲屏障；插入損失；頻率響應(yīng)

0引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，機(jī)動車和非機(jī)動車的數(shù)量急劇增加，交通擁堵和噪聲污染問題日益增加，道路交通噪聲也成為城市噪聲的主要來源[1]。道路交通噪聲污染不僅危害人們的健康，而且對國家的經(jīng)濟(jì)也造成了巨大損失，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計結(jié)果表明，每年的經(jīng)濟(jì)損失大約有216億人民幣，而人口密度最大的北京市就占到了6.94%～9.3%。因此，降低城市道路交通噪聲是改善人們居住環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量的當(dāng)務(wù)之急。

控制交通噪聲的方式主要包括：①種植降噪綠化林帶，該方法可以綠化環(huán)境、使生態(tài)環(huán)境越來越好。其缺點是：占地較多，栽種植物綠化帶的初期產(chǎn)生的降噪效果不明顯；②采用低噪聲路面，該方法的優(yōu)點是可以有效的控制道路交通噪聲，使路面的排水性能有所提高，增加雨天駕車行駛的安全性，缺點是壽命較短；③利用聲屏障[2-5]，采用聲屏障技術(shù)不僅可以控制道路交通噪聲，而且對這些路段周圍的環(huán)境也起到了一定的防護(hù)作用[6-8]。

聲屏障的結(jié)構(gòu)形式很多，不同結(jié)構(gòu)形式其降噪效果不同，當(dāng)然制造成本也不同。論文通過對不同頂部結(jié)構(gòu)聲屏障降噪效果的比較分析，為其應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1聲屏障降噪原理

1.1聲屏障干擾下的聲波傳播路徑

聲屏障技術(shù)是通過設(shè)計制造具有特殊結(jié)構(gòu)的有足夠面密度和密室材料墻或板的隔聲和吸聲等材料，能夠使聲波得到足夠的衰減[9-11]。聲屏障是一種通過控制汽車產(chǎn)生噪聲的傳播途徑來達(dá)到降噪效果的有效措施，已經(jīng)成為人們優(yōu)先考慮的一種降噪手段[12]。

當(dāng)噪聲源發(fā)出的聲波在遇到聲屏障時，它會在聲屏障的干擾下通過3種不同的途徑繼續(xù)進(jìn)行傳播(如圖1所示)：一部分為透射波，即聲波穿透聲屏障并繼續(xù)傳播到達(dá)受聲點(d路徑)；一部分為繞射波，即聲波在越過聲屏障頂端后，繞射到達(dá)受聲點(B路徑)；還有一部分為反射波(A路徑)，即聲波在聲屏障壁面上產(chǎn)生反射而不能到達(dá)受聲點。聲屏障的插入損失取決于聲波在遇到聲屏障后沿著這三條不同路徑傳播時聲能的分配[13-14]。

圖1　聲波的三種不同傳播路徑Fig.1 Three propagation paths of sound wave

1.2聲屏障降噪效果

聲屏障降噪效果用插入損失來評價。插入損失是指當(dāng)氣候條件、地面、地形和噪聲源不變的條件下受聲點處安裝聲屏障前后所測得的聲壓級之差[15-17]。

考慮到地面吸聲和其它障礙物的影響，聲屏障實際插入損失為：

IL=△L繞+△L透+△L反+(△LS，△LG)max。

(1)

式中：IL為實際插入損失，dB；△L繞為繞射聲衰減，dB；△L透為透射聲衰減，dB；△L反為反射聲衰減，dB；△LS為地面吸收聲衰減，dB；△LG為障礙物吸收衰減，dB。

2聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮駕駛員對道路兩側(cè)視線通透性的要求以及道路景觀對整體環(huán)境美化的需求，聲屏障采用反射——吸聲——透光的結(jié)構(gòu)形式[13-14]。

聲屏障底部為普通吸聲材料，由普通吸聲板和共振吸聲腔兩部分組成，整體尺寸(高×寬×厚)為2 000 mm×5 000 mm×100 mm，吸聲板厚度為20 mm，共振腔體厚度為80 mm。朝向道路內(nèi)側(cè)的是吸聲板，在道路外側(cè)的是共振腔體，共振腔體內(nèi)安裝加強(qiáng)肋板，加強(qiáng)吸聲板的強(qiáng)度，減小由于外力造成破壞的可能性，在聲屏障側(cè)面和中間肋板留出一些孔洞，目的是排雨水和清灰土。聲屏障的中間部分結(jié)構(gòu)是雙層PMMA塑料板，內(nèi)中空，透光，單板尺寸為1 000 mm×5 000 mm×40 mm。聲屏障的頂部是鋁薄板結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為1 000 mm×5 000 mm×100 mm，不同頂部的聲屏障在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上加裝不同的結(jié)構(gòu)。聲屏障兩側(cè)用鋼柱支撐并且用長螺栓固定，下面部分由水泥澆灌并埋于地下，形狀呈工字型，為聲屏障提供支撐作用，材料為45號鋼。聲屏障各部件質(zhì)量見表1。

表1　設(shè)計方案各部件質(zhì)量Tab.1 Mass of the parts in the design case

設(shè)計方案包含4種材料相同，結(jié)構(gòu)不同的聲屏障。4種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案下部結(jié)構(gòu)和高度都相同，高度為4m，主要區(qū)別在于頂部結(jié)構(gòu)。普通直立式(如圖2(a)所示)頂部結(jié)構(gòu)為1 000 mm直立板；倒L式(如圖2(b)所示)是將普通直立式的頂部加長度為500 mm(與頂部材料完全相同)并與聲屏障垂直的直板；頂部弧形(如圖2(c)所示)即加半徑為500 mm的弧形板；頂部45度斜立式(如圖2(d)所示)即加707 mm的45度斜板。

(a)普通直立式

(b)倒L式

(c)頂部弧形式

(d)頂部45度斜立式圖2　聲屏障結(jié)構(gòu)方案Fig.2 Structure schemes of noise barrier

3聲屏障降噪效果分析

3.1仿真參數(shù)設(shè)置

針對普通直立式、倒L式、頂部弧形式、頂部45度斜立式4種聲屏障結(jié)構(gòu)，在Virtual.Lab進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行實體建模和網(wǎng)格劃分，最后設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行聲學(xué)仿真分析計算，本設(shè)計方案設(shè)置的頻率范圍100～3 000 Hz；包含了一般道路交通噪聲頻率(200～2 500 Hz)，并對4種聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的降噪性能進(jìn)行了仿真分析實驗。所用材料的參數(shù)設(shè)置為：鋁板：楊氏模量為7.17×1011Pa，泊松比為0.33，密度為2 700 kg/m3，聲速為6 400 m/s；PMMA板：楊氏模量為3.16×109Pa，泊松比為0.32，密度為1 190 kg/m3，聲速為2 718 m/s；45鋼：楊氏模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，聲速為5 790 m/s。

在參數(shù)設(shè)置中幾點說明：①統(tǒng)一大小相同，聲源位置固定，聲音傳播過程中大氣是均勻的，聲音的傳播速度為v=340 m/s，溫度為20℃，空氣密度為1.225 kg/m3，此外還統(tǒng)一受聲點的位置[18]；②吸聲板模型都是通過加載阻抗邊界條件來進(jìn)行模擬的。

3.2不同結(jié)構(gòu)方案的聲壓圖

聲壓圖是受聲點在不同頻率下的聲壓大小，可以根據(jù)設(shè)定的頻率范圍和頻率范圍間隔查看不同頻率下的聲壓大小。例如：設(shè)定的頻率范圍是100～3 000 Hz，間隔10 Hz，則可以查看在100～3 000 Hz之間的任一頻率范圍下受聲點的聲壓值。圖3為不同結(jié)構(gòu)聲屏障的聲壓圖，普通直立式如圖3(a)所示，倒L式如圖3(b)所示，頂部弧形如圖3(c)所示，頂部45度斜立式如圖3(d)所示。聲壓圖中顏色代表該受聲點的聲壓的大小，顏色越深聲壓越大。

(b)普通直立式

(b)倒L式

(c)頂部弧形式

(d)頂部45度斜立式圖3　聲壓圖Fig.3 Diagram of sound pressure

3.3頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)曲線是由受聲點在不同頻率下聲壓值構(gòu)成的曲線，反應(yīng)出受聲點在100～3000Hz頻率范圍內(nèi)聲壓值的趨勢。圖4為4種聲屏障的聲壓頻率響應(yīng)曲線，曲線的橫軸為頻率，單位為Hz，縱軸為聲壓，單位為dB。普通直立式如圖4(a)所示，倒L式如圖4(b)所示，頂部弧形如圖4(c)所示，頂部45度斜立式如圖4(d)所示。

(a)普通直立式

(b)倒L式

(c)頂部弧形式

(d)頂部45度斜立式圖4　頻率響應(yīng)曲線Fig.4 Curve of frequency response

從頻率響應(yīng)特性曲線中可以看出，各個聲屏障結(jié)構(gòu)方案的降噪效果峰值都不完全一樣，但是總體都趨近于1 000 Hz，可知聲屏障對較低頻率的噪聲波的降噪效果最好。

3.4插入損失

聲屏障降噪效果用插入損失來評價。插入損失曲線如圖5所示，其中普通直立式為(a)圖，倒L式為(b)圖，頂部弧形式為(c)圖，頂部45度斜立式為(d)圖。圖中橫坐標(biāo)為頻率，單位Hz，縱坐標(biāo)為插入損失，單位dB。

由圖5可以看出，在低頻250 Hz以下時，各種結(jié)構(gòu)聲屏障的最大插入損失分別為：普通直立式約為2.5 dB，倒L型約為5 dB，頂部45度斜立式約為4 dB，頂部弧形式約為6 dB。

(d)普通直立式

(b)倒L式

(c)頂部弧形式

(d)頂部45度斜立式圖5　插入損失曲線Fig.5 Curve of insertion loss

在中頻250～1 000 Hz時，各種結(jié)構(gòu)聲屏障的最大插入損失分別為：普通直立式約為6.5 dB，倒L型約為10 dB，頂部45度斜立式約為14 dB，頂部弧形式約為15 dB。

在高頻1 000～2 000 Hz時，各種結(jié)構(gòu)聲屏障的最大插入損失分別為：普通直立式約為12 dB，倒L型約為15 dB，頂部45度斜立式約為9 dB，頂部弧型式約為18 dB。

4結(jié)論

通過對各類道路噪聲頻率特性下不同結(jié)構(gòu)型式聲屏障降噪效果分析，得出以下的結(jié)論：

(1)從仿真結(jié)果分析，各種結(jié)構(gòu)聲屏障的插入損失峰值不同，但是總體都趨近于1 000 Hz，而城市道路車輛的行駛速度平均處在60 km/h，此時所產(chǎn)生的噪聲頻率范圍在800～1 200 Hz，所以聲屏障對城市道路交通噪聲的降噪效果最好。

(2)從插入損失曲線可以看出不同頂部結(jié)構(gòu)聲屏障降噪效果不同，其插入損失由大到小分別為：頂部弧形式、倒L式、頂部45度斜立式、普通直立式。在實際應(yīng)用中考慮到安裝和使用成本，在不同區(qū)域可以采用不同的結(jié)構(gòu)形式。

論文僅僅研究了單側(cè)設(shè)立聲屏障的降噪效果，實際應(yīng)用中往往采用道路兩側(cè)均設(shè)立聲屏障模式，另外對于不同材質(zhì)的降噪效果研究也很必要，這些將在后續(xù)工作中進(jìn)行研究。

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收稿日期：2016-02-24

基金項目：哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)(青年科技創(chuàng)新人才)項目(2013RFQXJ130)；東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練項目(KY2015037)

第一作者簡介：閻春利，博士，副教授。研究方向：車輛系統(tǒng)動力學(xué)和交通運(yùn)輸安全技術(shù)。E-mail：yclzxd@126.com

中圖分類號：U 491.91；TB 535

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)04-0056-05

Research on Reduction Effect of Noise Barriers forTraffic Noise Based on Virtual Lab

Yan Chunli1，Jin Xin2，Shen Chen1

(1.Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040；2.Mechanical and Vehicle College，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081)

Abstract：Currently，traffic noise has become one of the important pollutions with the development of economy and the increase of vehicles.In order to mitigate the traffic noise on the human body，the noise barrier has become one of the main means of noise reduction.How to design the structure of noise barrier so as to maximize the insertion loss is the focus of this paper.In this paper，four kinds of noise barrier structure scheme were designed，including the ordinary upright type，inverted L type，arc top type and 45 degree slope top type.Test analysis was conducted by modeling，meshing and setting parameters in LMS Virtual Lab software.The sound pressure diagram，the frequency response curve and insertion loss under the condition of rigid surface were compared and the results showed that the best noise reduction effect of the four different schemes were within the scope of the low frequency.According to the actual needs the road traffic noise can be controlled by applying different noise barrier structure in order to achieve the purpose of traffic noise reduction.

Keywords：traffic noise；noise barrier；insertion loss；frequency response

引文格式：閻春利，金鑫，申晨.基于Virtual Lab的交通噪聲聲屏障降噪效果研究[J].森林工程，2016，32(4)：56-60.