多種吸聲型聲屏障降噪效果比較*

羅文俊 李恒斌 陳 靖 袁 釬

(1.華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌; 2.廣州地鐵集團有限公司運營事業總部,510310,廣州∥第一作者,副教授)

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多種吸聲型聲屏障降噪效果比較*

羅文俊1李恒斌2陳 靖1袁 釬2

(1.華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌; 2.廣州地鐵集團有限公司運營事業總部,510310,廣州∥第一作者,副教授)

高速鐵路所輻射噪聲對周圍環境的危害通常采用吸聲型聲屏障來降低。吸聲型聲屏障降噪效果與吸聲材料特性有關。為此選取了3種不同的聲屏障吸聲材料,利用繞射聲衰減的理論計算方法和統計能量法,對比分析不同吸聲型聲屏障的降噪效果。研究結果表明:不同吸聲材料的加入對于聲屏障降噪的效果均有一定的影響,相互之間的差值約為5～6 dB。

高速鐵路; 吸聲型聲屏障; 降噪效果; 統計能量法(SEA)

First-author′s address State Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise,East China Jiaotong University,330013,Nanchang,China

在工程上,為了減小聲屏障對反射聲波的影響,往往會把反射式聲屏障替換成吸聲型聲屏障。加入吸聲材料的聲屏障是進一步降低路旁輻射噪聲的有效方式。盧洋等[1]用邊界元的方法分析比較了吸聲型聲屏障與全反射聲屏障的插入損失。張新華等[2]用RAYNOISE軟件仿真分析以探究聲屏障在不同區域的降噪效果與裝設吸聲材料位置的關系。從上述研究來看,對吸聲型聲屏障降噪研究采用的仿真方法較為單一,不能很好地解決高頻問題,同時對聲屏障吸聲特性方面也缺少相關的研究。

邊界元方法在高頻段求解大尺寸模型時并不經濟。統計能量法則是把研究對象劃分成子系統,忽略具體細節參數,不考慮各子系統在某個位置的響應,只關心各個子系統的平均響應值,計算速度比其他模態分析法快[3]。目前統計能量方法已廣泛應用于導彈、衛星、船艦、汽車以及其他動力設備及建筑等工程上,但在鐵道方面應用甚少。本文將采用統計能量法,結合理論計算公式,對這方面進行應用研究,為今后的聲屏障降噪研究提供參考。

1 吸聲材料的吸聲系數

聲屏障吸聲材料通常采用多孔吸聲材料制作。其中吸聲系數是作為表征吸聲材料吸聲能力大小的參數。本文計算采用超細玻璃棉、阻抗復合板、微穿孔板的吸聲系數,如圖1所示。

圖1 吸聲材料的吸聲系數

2 吸聲型聲屏障降噪效果計算方法

2.1 吸聲屏障繞射聲衰減量的理論計算公式

在工程上,當線聲源長度大于三分之一線聲源至受聲點的距離時,認為是無限長線聲源,對長度L遠遠大于高度H的聲屏障(一般取L>20H),認為是無限長聲屏障[4]。在我國,一般認為列車噪聲源是無限長線聲源,鐵路聲屏障為無限長聲屏障。 無限長線聲源無限長吸聲屏障的繞射聲衰減計算公式為[5]:

(1)

式中:

ΔLp——聲壓級衰減量，dB;

Δdbt——吸聲降噪量，dB;

f——各頻程中心頻率，Hz;

δ0——聲程差，m，且δ0=(A+B-C);

A+B——設置聲屏障后聲波最短的繞射距離，m;

C——原來聲源到受聲點直接傳播距離,聲源與受聲點在同一水平線,可通過簡單的三角幾何關系求得，m;

c——空氣中的聲速,c=340 m/s。

吸聲降噪量Δdbt計算公式為:

(2)

式中:

αi——各個頻段下的吸聲系數;

Li——各個頻段吸聲前的聲壓級,dB;

Lt——吸聲前的總聲壓級,dB。

Di=100.1(Li-Lt)

(3)

通過計算可得:

(4)

由式(4)的推導結果可知,Di的累加和為1。

本文用式(1)計算比較不同吸聲材料的聲屏障降噪效果,選取列車速度在250 km/h時的輪軌噪聲譜進行計算。觀測點距軌道中心4.2 m。

2.2 吸聲型聲屏障的統計能量分析模型

統計能量分析法中子系統之間的能量流動關系如圖2所示。

圖2 子系統之間的統計能量分析模型圖

圖2中,各個子系統的能量E可以用振動速度和聲壓來表示:

E=M〈v2〉

(5)

式中:

M——子系統質量;

〈v2〉——速度均方值。

通過公式(5)可以計算得到各子系統的能量。本文根據統計能量分析(SEA)的基本原理,建立聲空間-吸聲型聲屏障統計能量模型[6],如圖3所示。式(6)為功率流平衡方程,聲屏障計算長度為200 m。

圖3 鐵路吸聲型聲屏障噪聲預測SEA模型

(6)

代入各參數,有:

式中:

η1——聲空間的內損耗因子;

η2——吸聲型聲屏障的內損耗因子;

η12——聲空間對吸聲型聲屏障的耦合損耗因子;

η21——吸聲型聲屏障對聲空間的耦合損耗因子;

ρa——空氣的密度，kg/m3;

Ca——空氣中的聲速,m/s;

ρ——聲屏障的密度，kg/m3;

ω——圓頻率,rad/s;

E1——子系統1(聲空間)的能量,J;

E2——子系統2(吸聲型聲屏障)的能量,J;

P1,in——聲空間的輸入功率,J;

P2,rad——吸聲型聲屏障的輻射功率,J;

P1,diss——聲空間的損耗功率,J;

P2,diss——吸聲型聲屏障的損耗功率,J;

P12——聲空間對吸聲型聲屏障的耦合損耗功率,J。

模型中將聲空間近似為閉合空間,能量全部參與聲屏障耦合,在進行SEA參數估計時,把聲空間處理成一維聲場,并且將聲屏障輻射作為一個能量流出途徑來處理[6],內損耗因子通過穩定能量流試驗求得,其他SEA參數通過文獻[3]的公式求得。在聲場計算時,不考慮各種地形和氣候等環境影響。在計算中,通過施加不同吸聲材料,來比較吸聲材料對聲屏障的吸聲特性的影響。聲源選取現有的250 km/h行車速度下的輪軌噪聲譜作為輸入,未考慮其他噪聲源的影響,計算得到距軌道中心4.2 m處超細玻璃棉吸聲屏障的降噪效果,并與式(1)計算得到的降噪效果進行對比,如圖4所示。

從圖4可以看出,兩種方法計算得到的結果基本吻合,其誤差不超過2 dB。故可將此模型作為吸聲型聲屏障的鐵路噪聲預測模型。

3 計算結果分析

3.1 吸聲屏障繞射聲衰減量的計算結果分析

通過式(1),計算得到不同吸聲型聲屏障與全反射聲屏障情況下距軌道中心線4.2 m處的聲壓級差值,如圖5所示。

從圖5可以看出,不同吸聲材料的聲屏障均有明顯的降噪效果。阻抗復合板與微穿孔板在中低頻段降噪效果較為明顯;在高頻段,超細玻璃棉降噪效果較明顯。本文以輪軌噪聲源頻譜值為參數利用公式(3)作出的貢獻分布圖,如圖6所示。

圖4 兩種方法計算得到的降噪效果對比圖

圖5 不同吸聲型聲屏障的聲壓級結果

圖6 Di貢獻分布圖

由圖6可以看出,低頻段(125～500 Hz)在貢獻圖中所占比例較大，所以在低頻段提高吸聲系數能夠顯著提高降噪量。而從圖5可知，在低頻段(125～500 Hz)，阻抗復合板、微穿孔板相比超細玻璃棉聲壓級結果更大，即降噪效果更好。

3.2 統計能量分析計算結果分析

根據統計能量分析法計算得到相關SEA參數,再在頻段范圍內,計算得到不同吸聲材料聲屏障與全反射聲屏障情況下距軌道中心線4.2 m處的聲壓級差值,如圖7所示。

從統計能量分析法的計算結果可以看出,各類吸聲型聲屏障相比全反射聲屏障都有較為明顯的降噪效果,且相對于理論計算公式來說,得到的結果為某一點的計算值,而統計能量分析法所得到的結果則是某一空間范圍內聲壓級的平均值,兩者略有不同,但吸聲型聲屏障降噪規律基本接近。總體來說,吸聲材料對聲屏障降噪效果有一定的影響,聲壓級差值結果比全反射聲屏障大9～10 dB。

4 結論

本文利用理論計算公式和統計能量分析兩種方法,評價了不同吸聲型聲屏障的降噪效果,得到如下結論:

(1) 在吸聲型聲屏障降噪措施中,吸聲材料的加入對聲屏障的降噪效果均有一定的影響,相互之間的差值在5～6 dB左右。

(2) 在250 km/h行車速度下,提高低頻段吸聲系數能夠顯著地提高降噪量,阻抗復合板、微穿孔板相比超細玻璃棉而言低頻吸聲性能更好,故降噪效果比超細玻璃棉要好。

(3) 采用統計能量分析法進行降噪預測,其誤差不超過2 dB。可將此模型作為吸聲型聲屏障的鐵路噪聲預測模型。

[1] 盧洋,蔣中銳.屏體吸聲性能對道路聲屏障插入損失的影響[J].環境影響評價,2015,37(1):92-96.

[2] 張新華,王典雍,宋雷鳴.聲屏障裝設吸聲材料位置與降噪效果之間關系數值仿真分析[C]∥中國鐵道學會環保委員會振動噪聲學組年會學術交流會論文集.青島：中國鐵道學會環保委員會,2008:65-72.

[3] 姚德源,王其政.統計能量分析原理及其應用[M].北京:北京理工大學出版社,1995.

[4] 高莉萍,劉達德.鐵路聲屏障插入損失的研究[J].噪聲與振動控制,1998(4):28-31.

[5] 張英,周敬宣,夏鍇.聲屏障吸聲作用對繞射降噪量貢獻的分析[J].噪聲與振動控制,2007(3):100-102.

[6] 王紹笳,高淑英.統計能量法預測鐵路聲屏障的降噪效果[J].噪聲與振動控制,2001(6):645-647.

Comparative Study of Noise Reduction Effects of Different Sound Absorption Barriers

LUO Wenjun, LI Hengbin, CHEN Jing, YUAN Qian

The radiation noise of high-speed railway is a harm to surrounding areas, which is often reduced by sound absorption barriers, and the reduction effect of noise barrier is related to the characteristics of sound absorption materials. In this paper, three different sound absorption barriers are selected, their noise reduction effects are compared and analyzed by using diffraction attenuation theory calculation method and statistical energy analysis method. The results show that the adding component of different sound absorption materials will directly influence the noise reduction effects of sound barriers, the difference between them is about 5～6 dB.

high-speed railway; sound absorption barrier; noise reduction effect; statistical energy analysis(SEA)

*國家自然科學基金項目(51468021);江西省杰出青年人才計劃(20162BCB23048);江西省自然科學基金項目(20161BAB206160)

TU 112.59∶U 238

10.16037/j.1007-869x.2017.05.022

2015-12-08)