地鐵車輛段冷卻塔聲學建模方法研究

王紹興

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 510000）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，各大中城市的土地得到高度利用開發(fā)，地鐵周邊的土地綜合利用即“地鐵+上蓋物業(yè)”模式已成為社會發(fā)展的趨勢。隨之而來的地鐵車輛段噪聲也成為困擾周邊居民生活的嚴峻問題。如某地鐵車輛段建設運營時沒有上蓋物業(yè)，降噪廠界完全滿足國家要求限值，但此后又在車輛段上加蓋建造了安居房，導致噪聲控制的敏感點和控制標準發(fā)生變化。敏感點從廠界變成上蓋物業(yè)的安居房，原來達標的設備不得不采取降噪措施，以解決居民投訴的問題。該地鐵車輛段為快速解決噪聲問題，未進行聲源分析及聲場模擬，導致治理效果有限，為使上蓋物業(yè)的冷卻塔噪聲得到徹底解決，需要進行二次治理。本文對該車輛段的冷卻塔進行了分析，并嘗試進行針對性的聲源建模，對聲源及其聲場分布進行仿真，進而提出合適的解決方案。

1 某地鐵車輛段冷卻塔治理現(xiàn)狀

某地鐵車輛段冷卻塔位于維務大樓的3樓，冷卻塔已進行過噪聲處理，冷卻塔的處理措施為西面進風口采用消聲百葉進行消聲處理，東面墻體安裝了砂巖吸聲板。雖然已采取了降噪措施，但還是不斷受到附近小區(qū)投訴，噪聲的影響較大。

通過現(xiàn)場對冷卻塔以及受冷卻塔干擾的居民樓進行噪聲測試，在夜間（測試時間為夜間10點以后）小區(qū)的背景噪聲及冷卻塔在正常工況下的噪聲數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 受干擾小區(qū)背景噪聲測試

表2 受干擾小區(qū)陽臺處測試的噪聲值

從現(xiàn)場測試的噪聲值可知，居民樓內(nèi)的噪聲大于小區(qū)內(nèi)測試的背景噪聲，故居民樓受到的噪聲影響以冷卻塔噪聲為主。5F的噪聲值為56dB（A），8B的噪聲值最高為58dB（A），樓層越高噪聲值越低。導致這一結果的主要原因是冷卻塔噪聲指向性較強。

噪聲控制目標：地鐵維務大樓的冷卻塔按照《聲環(huán)境質量標準》（GB 3096—2008）2類區(qū)噪聲控制標準治理（見表3）。

表3 噪聲控制標準

分析現(xiàn)場測試噪聲值，小區(qū)內(nèi)的噪聲超標。在冷卻塔的主要噪聲源排風口、進風口以及居民樓8B陽臺的處測試的噪聲頻譜數(shù)據(jù)見表4。

表4 測點噪聲頻譜數(shù)據(jù)

根據(jù)進風口、排風口以及8B陽臺測試的噪聲數(shù)據(jù)進行頻譜分析，確定噪聲影響的聲源設備及噪聲貢獻值（圖1）。

圖1 噪聲頻譜分析

通過頻譜分析，認為居民樓8B陽臺處在全頻帶都受到冷卻塔進風口及排風口的噪聲影響，且排風口的噪聲影響更大。該車輛段冷卻塔在一次治理時，只對冷卻塔的進風口進行了治理，而對噪聲最大的排風口未采取降噪措施，這是一次治理幾乎無效的主要原因。

冷卻塔降噪的主要難點是冷卻塔的設備尺寸大、噪聲指向性強和風機余壓低。在處理冷卻塔噪聲時，需要合理使用聲學仿真軟件進行評估及預測，使冷卻塔噪聲得到有效解決。因此，對排風口的建模研究是必要的。

2 冷卻塔建模條件

2.1 聲學仿真

對于體積不大，指向性較均勻的聲源，可視其為點聲源，其擴散聲場為均勻球面或半球面，可用點聲源的噪聲傳播公式計算任意一點的聲壓級。對于體積較大的聲源，控制點較近，可用近似包絡面的方式計算噪聲值。而像冷卻塔這類聲源體積較大，指向性又較強，不適合用近似公式計算，應用聲學仿真軟件獲得聲場分布，再考慮降噪措施，繼而得到治理后的聲場分布圖，評估冷卻塔噪聲影響區(qū)域的降噪效果，全面控制廠界及城市區(qū)域的噪聲。

目前市場上分析噪聲的軟件較多，本次聲學仿真采用SoundPLAN聲學模擬軟件進行計算和分析。SoundPLAN軟件計算原理源于《戶外聲傳播的衰減的計算方法》（ISO 9613—2:1996）。軟件中對噪聲原理的描述、聲源條件的界定、噪聲傳播過程中影響因素以及噪聲計算模式等方面與ISO的有關規(guī)定完全相同。我國公布的《聲學戶外聲傳播的衰減第2部分：一般計算方法》（GB/T 17247.2—1998），等效采用了ISO 9613—2:1996標準。

2.2 聲學建模

2.2.1 建模范圍

進行聲學建模時，需要根據(jù)聲源所處的地理環(huán)境及周邊建筑物的排布，將現(xiàn)場的真實情況全部反映在模型中。圖2是該地鐵車輛段冷卻塔與上蓋物業(yè)的排布圖。受到冷卻塔噪聲影響較為嚴重的區(qū)域為圖2左側陰影處的居民樓，此處的噪聲得到控制，其余居民樓的噪聲也將達到國家標準的要求限值。為了簡化仿真模型的設置，在軟件中只設置了兩個陰影區(qū)域的建筑物。

圖2 現(xiàn)場建筑物分布位置圖

2.2.2 建筑物

在模型中設置建筑物時，由于建筑物的高度、距離都會影響噪聲的預測結果，所以需要根據(jù)現(xiàn)場實測的距離及高度進行模型設置。建筑物表面的反射系數(shù)也會影響噪聲結果，普通建筑物的表面為光滑的反射面、工業(yè)建筑物應在表面設置面聲源。該地鐵車輛段冷卻塔噪聲預測模型及設置見表5。

表5 模型中建筑物設置

2.2.3 聲源

仿真模型中，需要對冷卻塔的聲源進行賦值。描述聲源時，只能通過聲源的聲功率級來描述。由于聲功率級是測試不出來的，只能測試聲壓級，所以需要采用現(xiàn)場在包絡面上測試的聲壓級來反算聲源的聲功率級（表6）。

在冷卻塔噪聲中還存在冷卻塔殼體的漏聲，由于冷卻塔的進排風口的噪聲值較大，殼體的漏聲很難測試出來。因此在測試時和模型中需要設置校核點，模型中的校核點的預測值與實際測試的噪聲值相差在1dB（A）以內(nèi)，模型成立。

表6 模型中聲源參數(shù)設置

3 建模方法評估及效果評估

3.1 冷卻塔噪聲傳播特性

冷卻塔的噪聲主要是排風風扇噪聲、電機噪聲以及淋水噪聲。冷卻塔的噪聲傳播路徑分為：1）風扇及電機噪聲直接通過排風口向外傳播；2）風扇及電機噪聲向下傳播，一部分通過冷卻塔進風口向外傳播，另一部分在冷卻塔內(nèi)發(fā)生折射及反射后通過進風口和排風口向外傳播；3）冷卻塔內(nèi)部噪聲通過殼體漏聲向外傳播。

3.2 聲源建模構思

冷卻塔對外輻射的噪聲源主要是兩個進風口和一個排風口，在仿真軟件中，對于冷卻塔的進風口的聲源設置，一般是在工業(yè)建筑物進風口位置設置與實際冷卻塔進風口尺寸大小的面聲源。根據(jù)冷卻塔排風口噪聲源的不同特性，在仿真軟件中設置排風口聲源的幾種模型。

第一種模型是根據(jù)冷卻塔排風口噪聲散射及反射的特性，在模型中將排風口聲源設置為距離冷卻塔頂面一定距離的面聲源（圖3）；第二種是根據(jù)冷卻塔排風口的透射以及反射進行的風口建模處理（圖4）；第三種冷卻塔排風口模型假設是根據(jù)排風口聲源的強指向性，在排風口的四周采用圍蔽結構對聲源進行圍蔽符合冷卻塔的排風口的實際形狀（圖5）。

圖3 排風口模型設置圖

圖4 排風口模型設置圖

圖5 排風口模型設置圖

3.3 仿真結果

在受冷卻塔噪聲影響的居民樓取三個不同的測點，分別為9棟5F、9棟8B、9棟10D。控制點與冷卻塔的相對位置見圖6。分析對比三種不同模型，三個控制點的計算結果與實測數(shù)據(jù)對比見表7～表9。

圖6 測點及聲源分布圖

表8 第二種模型預測點差值

表9 第三種模型預測點差值

3.4 評價及分析

對比三種不同模型的噪聲差值，在聲源設置及模型設置相同的情況下，其中第三種模型中噪聲預測值與實際測試的噪聲值在近點及遠點的噪聲值都較接近。理論上模型中的噪聲預測值是比實際的噪聲值要大，因為在實際場所中，存在其余的阻擋物，也會導致噪聲傳播衰減。故認為第三種模型更加符合冷卻塔的噪聲傳播特性。

將現(xiàn)場測試的噪聲數(shù)據(jù)輸入到第三種模型中，得到的測點噪聲值與實際測點差值在1dB（A）內(nèi)，認為模型成立，可以用于噪聲控制。降噪前的聲場噪聲預測圖如圖7所示。

圖7 降噪前平面30m聲場分布圖

4 基于建模的治理措施及效果預測

將模型進行校核后，降噪措施擬在冷卻塔的進風口及排風口增加消聲器，冷卻塔的頂部增加隔聲板，方案圖如圖8。采取降噪措施后，敏感點的噪聲預測值及聲場模擬圖見圖9。測點噪聲預測值見表10。

圖8 降噪方案示意圖

圖9 降噪后平面34m聲場分布圖

表10 測點噪聲預測值

5 結語

本文主要闡述了在“地鐵+上蓋物業(yè)”模式下，地鐵車輛段冷卻塔應該如何進行噪聲控制，通過得到一個符合現(xiàn)場條件的仿真聲學模型進行噪聲預測及治理，保證受冷卻塔噪聲影響的上蓋物業(yè)居民樓的噪聲值達到國家要求的噪聲限值，避免進行二次治理。