三角形聲屏障的聲學特性仿真分析

張琛良，陶 猛

(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

由于工業(yè)和道路交通的飛速發(fā)展，許多國家已經(jīng)認識到噪聲污染的嚴重危害，它與水污染、大氣污染、固體廢棄物污染并稱為當今四大環(huán)境污染[1]。據(jù)全國的環(huán)境監(jiān)測報告顯示：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。同時據(jù)世界衛(wèi)生組織報告，美國每年由于噪聲的影響帶來的損失接近40億美元[2]。采用聲屏障是降低道路交通對周邊環(huán)境噪聲污染的有效途徑。國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，國外在城市道路交通規(guī)劃對環(huán)境影響的研究與實踐較多，在進行城市道路交通規(guī)劃的時候，美國更加注重土地的利用率和經(jīng)濟情況分析，對道路交通環(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)達國家在道路和鐵路的鋪設階段，采用了大規(guī)模的聲屏障來降低噪聲對壞境的污染。聲屏障可以阻止聲波的直達、隔離透射聲，并且可以有效阻礙衍射聲的傳播，對于聲影區(qū)的噪聲有明顯的降噪效果[6]。PIRINCHIEVA等[7]通過點聲源試驗說明，在屏障長度遠小于高度的情況下，由于不同部位繞射聲波的干涉作用，可以當屏障為無限長模型進行研究；FAHY等[8]認為若不考慮不利反射的情況下安裝的聲屏障的造價昂貴，提出了將模塊化吸聲器加入屏障的新型結構，通過測試表明，此種結構具有優(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)屏障更加簡便和高效；梁李斯等[9]順應工程應用要求，設計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)工程應用的屏障，在低頻段效果尤為顯著；趙陽等[10]利用傳遞函數(shù)法研究了不同參數(shù)對于微穿孔板吸聲特性的影響，并通過實驗進行驗證，為微穿孔板與聲屏障的結合使用提供了參考；劉萍等首先對廠房內(nèi)的噪聲傳播和造成聲衰減的因素進行分析，然后提出在廠房內(nèi)使用雙層隔聲、隔聲罩等多種方法治理廠房聲污染[11]。聲屏障的結構形式對于降噪效果的影響巨大，我國在聲屏障結構形式方面以直立型，折壁型以及其他直立型改進形成的變形形式為主，對于屏障的結構形式缺乏深度研究[12]。本文基于有限元軟件COMSOL建立帶有三角形聲擴散體的聲屏障，分析在不同參數(shù)條件下聲擴散體對于降噪效果的影響。

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

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

(1)聲源及幾何參數(shù)設置。為了方便計算，本次研究采用二維模型代替三維模型進行計算處理，聲源頻率為250 Hz。根據(jù)公路噪聲聲源假設條件，聲源采用無限長線聲源，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，一般來說網(wǎng)格的最大剖分尺寸不能大于波長的1/4～1/6。根據(jù)聲源頻率250 Hz和空氣中的聲速計算得出，網(wǎng)格最大單元尺寸為0.136 m，采用自由三角形網(wǎng)格。

(3)邊界條件設置。因考慮到聲波向外部空間無限傳播的特性，為計算更加精確，在模型外側設置厚度為2 m的完美匹配層。為消除地面和屏障吸聲對計算結果的影響，均設置為硬聲場邊界條件。

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

圖1 COMSOL仿真的方法驗證對比Fig.1 COMSOL simulation method verification comparison

由圖1可見，COMSOL仿真的插入損失曲線與原文獻計算結果曲線型式基本相同，說明用COMSOL進行仿真聲屏障插入損失的方法是驗證可靠的。

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構。聲波在傳播過程遇到屏障面的時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，稱為擴散現(xiàn)象。為了使聲能得到充分擴散，擴散體尺寸由式(1)—(3)來確定[14]：

(1)

(2)

λ≤g≤3λ。

(3)

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

圖2 三角形聲屏障尺寸參數(shù)Fig.2 Triangle sound barrier size parameters

2.1 寬度對插入損失的影響

研究三角形尖劈的寬度a對降噪效果的影響。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，分別研究當擴散體寬度a分別為0.28、0.38和0.48 m時，與之對應的高度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的聲壓級云圖，圖中還給出了直立型聲屏障的聲壓級云圖?？梢钥闯?，在聲源的左側，由于聲反射的原因，直立板和三角形擴散體的聲壓級分布呈現(xiàn)出不同的發(fā)散形式。對于直立屏障而言，在距地面高度1.5 m處的水平測定線上聲壓級為140 dB左右；而對于三角形聲擴散體聲屏障，由于擴散體形狀和參數(shù)造成的聲壓級分布不同，測定線上的聲壓級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，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。在屏障右側的聲影區(qū)，插入損失數(shù)值呈相同的變化趨勢，在10～21 m范圍內(nèi)遞增，達到峰值后，在21～50 m范圍內(nèi)遞減；在21～50 m范圍內(nèi)，擴散體寬度為0.28 m的聲屏障比直立型聲屏障降噪量高1～3 dB；而且隨著擴散體寬度的減小，降噪量有不同程度的增加。因此對于三角形尖劈屏障，在一定范圍內(nèi)減小三角尖劈的寬度，可以提高隔聲效果。

圖3 不同寬度的聲壓級云圖(250 Hz)Fig.3 Sound pressure level cloud map with different width(250 Hz)

圖4 不同寬度插入損失曲線(250 Hz)Fig.4 Different width insertion loss curve(250 Hz)

2.2 間距對插入損失的影響

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

圖5 擴散體不同間距插入損失曲線圖(250 Hz)Fig.5 Insertion loss curve of diffuser at different pitches(250 Hz)

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，總體來說，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，所以改變擴散體間距對聲屏障的降噪效果影響不大。

2.3 角度對插入損失的影響

擴散體寬度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)設置，仿真計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，在整個測定范圍內(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20 m處內(nèi)，插入損失達到峰值，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，在應用三角形聲擴散體 形聲屏障時，可以考慮通過增大擴散體的角度來提高降噪效果。

圖6 不同角度插入損失曲線圖(250 Hz)Fig.6 Insertion loss curve at different angles (250 Hz)

3 結論

(1)按照理論文獻的結構建模，得到了與原文采用數(shù)值計算方法結果相同的插入損失曲線圖，從而驗證說明了使用COMSOL軟件進行有限元仿真來研究聲屏障的降噪效果的的可行性。

(2)對帶有三角形尖劈結構的聲屏障進行仿真研究，從不同的寬度，間距和角度三個方面進行了研究對比。發(fā)現(xiàn)對于三角形聲屏障而言，尖劈的角度對降噪效果影響最大，可以通過增大聲擴散體角度的方法提高降噪效果。