三角形聲屏障的聲學(xué)特性仿真分析

摘 要：利用COMSOL軟件建立并驗(yàn)證了聲屏障隔聲降噪的仿真分析模型。以表面帶有三角形擴(kuò)散體的聲屏障作為研究對(duì)象，分別研究了聲屏障不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（聲擴(kuò)散體的寬度、間隔和角度）對(duì)于插入損失的影響。研究結(jié)果表明：對(duì)于帶三角形凸起的聲屏障而言，擴(kuò)散體的角度對(duì)于插入損失的影響較大，寬度和間隔等參數(shù)影響不明顯，為以后聲屏障結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究提供了一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：有限元仿真;插入損失;聲屏障;三角形尖劈

中圖分類號(hào)：TB56"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

由于工業(yè)和道路交通的飛速發(fā)展，許多國(guó)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到噪聲污染的嚴(yán)重危害，它與水污染、大氣污染、固體廢棄物污染并稱為當(dāng)今四大環(huán)境污染[1]。據(jù)全國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)報(bào)告顯示：約有 17%的城市道路交通噪聲屬于中度污染、49%的城市內(nèi)交通噪聲屬于輕度污染。同時(shí)據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)告，美國(guó)每年由于噪聲的影響帶來(lái)的損失接近40億美元[2]。采用聲屏障是降低道路交通對(duì)周邊環(huán)境噪聲污染的有效途徑。國(guó)外在交通污染防治方面的研究，主要集中在汽車尾氣污染物排放對(duì)于城市道路環(huán)境的影響，以及道路擁擠引起的環(huán)境影響方面，國(guó)外在城市道路交通規(guī)劃對(duì)環(huán)境影響的研究與實(shí)踐較多，在進(jìn)行城市道路交通規(guī)劃的時(shí)候，美國(guó)更加注重土地的利用率和經(jīng)濟(jì)情況分析，對(duì)道路交通環(huán)境污染因素及城市道路環(huán)境空氣質(zhì)量的研究較少[3-5]。

歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家在道路和鐵路的鋪設(shè)階段，采用了大規(guī)模的聲屏障來(lái)降低噪聲對(duì)壞境的污染。聲屏障可以阻止聲波的直達(dá)、隔離透射聲，并且可以有效阻礙衍射聲的傳播，對(duì)于聲影區(qū)的噪聲有明顯的降噪效果[6]。PIRINCHIEVA等[7]通過(guò)點(diǎn)聲源試驗(yàn)說(shuō)明，在屏障長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于高度的情況下，由于不同部位繞射聲波的干涉作用，可以當(dāng)屏障為無(wú)限長(zhǎng)模型進(jìn)行研究;FAHY等[8]認(rèn)為若不考慮不利反射的情況下安裝的聲屏障的造價(jià)昂貴，提出了將模塊化吸聲器加入屏障的新型結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)試表明，此種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的降噪性能，并且具有一定程度的吸濕功能，相比傳統(tǒng)屏障更加簡(jiǎn)便和高效;梁李斯等[9]順應(yīng)工程應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)出一種附加閉孔泡沫鋁材料的聲屏障，降噪效果優(yōu)于傳統(tǒng)工程應(yīng)用的屏障，在低頻段效果尤為顯著;趙陽(yáng)等[10]利用傳遞函數(shù)法研究了不同參數(shù)對(duì)于微穿孔板吸聲特性的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為微穿孔板與聲屏障的結(jié)合使用提供了參考;劉萍等首先對(duì)廠房?jī)?nèi)的噪聲傳播和造成聲衰減的因素進(jìn)行分析，然后提出在廠房?jī)?nèi)使用雙層隔聲、隔聲罩等多種方法治理廠房聲污染[11]。聲屏障的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于降噪效果的影響巨大，我國(guó)在聲屏障結(jié)構(gòu)形式方面以直立型，折壁型以及其他直立型改進(jìn)形成的變形形式為主，對(duì)于屏障的結(jié)構(gòu)形式缺乏深度研究[12]。本文基于有限元軟件COMSOL建立帶有三角形聲擴(kuò)散體的聲屏障，分析在不同參數(shù)條件下聲擴(kuò)散體對(duì)于降噪效果的影響。

1 基于COMSOL的聲屏障有限元方法的可靠性分析

利用有限元仿真方法，對(duì)聲源輻射噪聲進(jìn)行分析是現(xiàn)階段比較普遍的方法。本文基于有限元方法并利用COMSOL軟件對(duì)聲屏障的降噪效果進(jìn)行分析。

圖1對(duì)比了有限元仿真所得和原文理論解的插入損失[13]。根據(jù)文獻(xiàn)中的模型參數(shù)，設(shè)定聲源距地面高0.5 m，屏障高3 m，與聲源距離7.5 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取在聲源左右各50 m，高度1.5 m的取值線。地面與屏障壁均設(shè)置為硬聲場(chǎng)邊界。詳細(xì)的仿真環(huán)境設(shè)定如下：

（1）聲源及幾何參數(shù)設(shè)置。為了方便計(jì)算，本次研究采用二維模型代替三維模型進(jìn)行計(jì)算處理，聲源頻率為250 Hz。根據(jù)公路噪聲聲源假設(shè)條件，聲源采用無(wú)限長(zhǎng)線聲源，方向垂直于屏幕方向。聲源高度距地面0.5 m。聲屏障高度為3 m，距離聲源7.5 m。

（2）網(wǎng)格劃分。根據(jù)網(wǎng)格劃分經(jīng)驗(yàn)，一般來(lái)說(shuō)網(wǎng)格的最大剖分尺寸不能大于波長(zhǎng)的1/4～1/6。根據(jù)聲源頻率250 Hz和空氣中的聲速計(jì)算得出，網(wǎng)格最大單元尺寸為0.136 m，采用自由三角形網(wǎng)格。

貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第37卷

第4期張琛良 等：三角形聲屏障的聲學(xué)特性仿真分析

（3）邊界條件設(shè)置。因考慮到聲波向外部空間無(wú)限傳播的特性，為計(jì)算更加精確，在模型外側(cè)設(shè)置厚度為2 m的完美匹配層。為消除地面和屏障吸聲對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，均設(shè)置為硬聲場(chǎng)邊界條件。

（4）測(cè)定線。選取距離地面高度1.5 m的平行線作為插入損失計(jì)算的取值線。范圍以聲源為中心，左右各取50 m。

由圖1可見，COMSOL仿真的插入損失曲線與原文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果曲線型式基本相同，說(shuō)明用COMSOL進(jìn)行仿真聲屏障插入損失的方法是驗(yàn)證可靠的。

2 帶三角尖劈形聲屏障的參數(shù)分析

圖2展示了帶有三角形尖劈屏障的基本結(jié)構(gòu)。聲波在傳播過(guò)程遇到屏障面的時(shí)候主要分為平面和凸面兩種反射類型，而聲波在碰到凸形面從而分散成為很多弱的反射聲波的現(xiàn)象，稱為擴(kuò)散現(xiàn)象。為了使聲能得到充分?jǐn)U散，擴(kuò)散體尺寸由式（1）—（3）來(lái)確定[14]：

2πfac≥4;（1）

ba≥0.15;（2）

λ≤g≤3λ。（3）

式中：a為擴(kuò)散體寬度;b為為擴(kuò)散體高度;f為入射頻率;c為聲速;λ為聲波波長(zhǎng);g為擴(kuò)散體間距。

2.1 寬度對(duì)插入損失的影響

研究三角形尖劈的寬度a對(duì)降噪效果的影響。具體尺寸參數(shù)如下：三角尖劈間距g為0.5 m保持不變，在保證角度不改變的情況下，分別研究當(dāng)擴(kuò)散體寬度a分別為0.28、0.38和0.48 m時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的高度b各為0.28、0.38和0.48 m。

圖3為250 Hz三角形尖劈寬度不同時(shí)的聲壓級(jí)云圖，圖中還給出了直立型聲屏障的聲壓級(jí)云圖。可以看出，在聲源的左側(cè)，由于聲反射的原因，直立板和三角形擴(kuò)散體的聲壓級(jí)分布呈現(xiàn)出不同的發(fā)散形式。對(duì)于直立屏障而言，在距地面高度15 m處的水平測(cè)定線上聲壓級(jí)為140 dB左右;而對(duì)于三角形聲擴(kuò)散體聲屏障，由于擴(kuò)散體形狀和參數(shù)造成的聲壓級(jí)分布不同，測(cè)定線上的聲壓級(jí)比直立形聲屏障有明顯減少，數(shù)值在115 dB至125 dB之間，所以在聲源左側(cè)，如圖4所示，三角形尖劈形聲屏障的插入損失明顯高于直立型聲屏障的插入損失。在屏障右側(cè)的聲影區(qū)，插入損失數(shù)值呈相同的變化趨勢(shì)，在10～21 m范圍內(nèi)遞增，達(dá)到峰值后，在21～50 m范圍內(nèi)遞減;在21～50 m范圍內(nèi)，擴(kuò)散體寬度為0.28 m的聲屏障比直立型聲屏障降噪量高1～3 dB;而且隨著擴(kuò)散體寬度的減小，降噪量有不同程度的增加。因此對(duì)于三角形尖劈屏障，在一定范圍內(nèi)減小三角尖劈的寬度，可以提高隔聲效果。

2.2 間距對(duì)插入損失的影響

擴(kuò)散體寬度a和高度b相等為0.28 m，選取四個(gè)不同的擴(kuò)散體間距分別為g1=1.0 m，g2=0.75 m，g3=0.6 m，g4=0.5 m。由此參數(shù)設(shè)置，仿真計(jì)算得到插入損失數(shù)據(jù)如圖5所示。

因間距不同而造成的不同插入損失如圖5所示，在屏障右側(cè)的聲影區(qū)，隨著間距的變化，不同間距的屏障保持相似的變化規(guī)律，在21 m處插入損失到達(dá)峰值至50 m范圍內(nèi)，間距g2和g3的插入損失基本相同，且隔聲效果最好，直立型效果最差。在最右端50 m處，間距為g2的聲屏障比直立型插入損失高2 dB左右，總體來(lái)說(shuō)，隨著三角形間距的改變，降噪效果呈現(xiàn)出一致性的變化規(guī)律，但不同間距之間插入損失變化較小，所以改變擴(kuò)散體間距對(duì)聲屏障的降噪效果影響不大。

2.3 角度對(duì)插入損失的影響

擴(kuò)散體寬度a為0.28 m，間距g為0.5 m保持恒定，隨著突出高度的變化，角度α1=30°，α2=45°，α3=60°，α4=75°。由此參數(shù)設(shè)置，仿真計(jì)算得到插入損失如圖6所示。

圖6是不同角度的插入損失曲線圖，在整個(gè)測(cè)定范圍內(nèi)，不同角度的聲屏障隨著距離的變化，插入損失的變化規(guī)律和趨勢(shì)基本相同，在7～20 m范圍內(nèi)，隨著距離的增加，插入損失也在不斷增加，降噪效果提升，在距屏障右側(cè)20 m處內(nèi)，插入損失達(dá)到峰值，降噪效果最好，20 m之后，隨著距離增加，降噪效果持續(xù)下降。在20 ～50 m的范圍內(nèi)，角度為75°的擴(kuò)散體屏障插入損失最大，比插入損失最小的直立型聲屏障降噪效果好1～5 dbA，在聲源右側(cè)為50 m處的差值最大，降噪效果較為明顯。由此可以看出，在應(yīng)用三角形聲擴(kuò)散體 形聲屏障時(shí)，可以考慮通過(guò)增大擴(kuò)散體的角度來(lái)提高降噪效果。

3 結(jié)論

（1）按照理論文獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)建模，得到了與原文采用數(shù)值計(jì)算方法結(jié)果相同的插入損失曲線圖，從而驗(yàn)證說(shuō)明了使用COMSOL軟件進(jìn)行有限元仿真來(lái)研究聲屏障的降噪效果的的可行性。

（2）對(duì)帶有三角形尖劈結(jié)構(gòu)的聲屏障進(jìn)行仿真研究，從不同的寬度，間距和角度三個(gè)方面進(jìn)行了研究對(duì)比。發(fā)現(xiàn)對(duì)于三角形聲屏障而言，尖劈的角度對(duì)降噪效果影響最大，可以通過(guò)增大聲擴(kuò)散體角度的方法提高降噪效果。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Simulation Analysis of Acoustic Characteristics

of Triangular Sound Barrier

ZHANG Chenliang， TAO Meng*

（School of Mechanical Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract：

The simulation analysis model of sound barrier noise reduction is established and verified by COMSOL software. The acoustic barrier with a triangular diffuser on the surface was used as the research object. The effects of different structural parameters of the sound barrier （width， spacing and angle of the sound diffuser） on the insertion loss were studied. The results show that for the sound barrier with triangular protrusions， the angle of the diffuser has a great influence on the insertion loss， and the influence of parameters such as width and spacing is not obvious， which provides a certain reference for the design of the sound barrier structure.

Key words：

finite element simulation; insertion loss; noise barrier; triangular bulge

收稿日期：2020-02-15

基金項(xiàng)目：貴州省高層次創(chuàng)新型人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目（黔科合人[2016]4033）

作者簡(jiǎn)介：張琛良（1995-），男，在讀碩士，研究方向：機(jī)械振動(dòng)與噪聲控制，Email：420424806@qq.com.

通訊作者：陶 猛，Email：tomn_in@163.com.