輕軌專線聲屏障的數(shù)值仿真研究
摘 要:以武漢市輕軌專線聲屏障為研究對象,應(yīng)用幾何聲學(xué)軟件Raynoise對不同結(jié)構(gòu)形式的聲屏障降噪效果進(jìn)行數(shù)值仿真,并通過文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析得出結(jié)論:同等高度Y形式聲屏障整體降噪效果最好。
關(guān)鍵詞:聲屏障 軌道噪聲 數(shù)值仿真
隨著城市交通事業(yè)的迅速發(fā)展,道路交通噪聲污染的問題日益嚴(yán)重,以武漢市軌道交通一號線一期工程為例,其線路全長10余km,采用全高架橋梁形式貫穿武漢市鬧市區(qū),沿線環(huán)境敏感點(diǎn)眾多。輕軌專線運(yùn)營后,不可避免地對沿線環(huán)境造成不同程度的影響,沿線高層建筑的部分樓層噪聲超標(biāo)。目前,設(shè)置聲屏障是道路交通噪聲控制中最常用也是比較有效的一種方法,但不少聲屏障的降噪效果不明顯;有的聲屏障的建設(shè)費(fèi)用很高,但未達(dá)到理想的降噪目標(biāo);聲屏障的設(shè)計(jì)、制造及降噪效果的預(yù)測分析還不夠規(guī)范等。
武漢市軌道交通聲屏障于2003年底完成并投入運(yùn)營,全線設(shè)置1.7 m高T形和倒L式聲屏障及3 m直立式聲屏障。本文在原有已使用的屏障形式之外,再附加一種目前研究較多且新穎的Y形聲屏障進(jìn)行研究,運(yùn)用仿真軟件對這幾種不同結(jié)構(gòu)型式的聲屏障降噪效果進(jìn)行預(yù)測。
1 射線跟蹤法的基本原理
Raynoise軟件基礎(chǔ)是幾何聲學(xué)(ceometricalacoustics)[1],而射線跟蹤法是其算法的核心之一,基本原理是把聲源向四周所發(fā)散的能量假想成一些聲射線,聲源的能量平均分配給這些射線,認(rèn)為聲波的傳播可以解釋為一條條的聲射線(sound rays),聲射線在以聲速向四周發(fā)散,當(dāng)與界面或者障礙物發(fā)生作用時(shí)也遵循直達(dá)聲、反射聲和衍射聲原理。
雖然工程中邊界元方法(BEM)的使用較為廣泛,但BEM的精度決定于相對于波長的邊界離散程度,即相對頻率越高計(jì)算量越大、結(jié)果精確度越不穩(wěn)定;而Raynoise則相反,計(jì)算量和頻率無關(guān),且有相對頻率越高越準(zhǔn)確的趨勢。因此Raynoise則更適合于大尺度、復(fù)雜邊界(地形)、全頻域的聲學(xué)問題預(yù)測與評估,即建筑聲學(xué)、環(huán)境聲學(xué)(如交通噪聲、社區(qū)噪聲等)領(lǐng)域[2]。
2 模型建立
軌道交通噪聲主要有輪軌噪聲、集電噪聲、空氣動(dòng)力噪聲及橋梁振動(dòng)噪聲(見圖1)。其中列車在100 km/h以下輪軌噪聲為主要噪聲源[3],因此在數(shù)值仿真過程中只考慮輪軌噪聲。
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國內(nèi)現(xiàn)有軌道交通運(yùn)行至距離軌道中心線7.5 m處測得噪聲源特性結(jié)果見表1所列。
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根據(jù)CJ/T5021-1995《輕軌交通車輛通用技術(shù)條件》中的規(guī)定,車輛以70 km/h速度運(yùn)行時(shí),距軌道中心線7.5 m處,車輛噪聲不得超過82 dBA。但從上述資料可以看出,車輛距離軌道中心線7.5 m處,車輛噪聲均超過或接近90dBA,峰值出現(xiàn)在500~600 Hz處,63~ 4 000 Hz頻譜范圍內(nèi)聲級均超過75 dBA,所以武漢市城市軌道交通噪聲控制工程的設(shè)防值選擇為90 dBA。
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為實(shí)現(xiàn)軌道噪聲預(yù)報(bào)及聲屏障降噪效果評估的可靠性,運(yùn)用Raynoise軟件建立實(shí)際的軌道交通模型,模型長度100 m,以2條無限長線聲源模擬輪軌噪聲,設(shè)置30 m×120 m面聲場,建立圖2、3兩種軌道交通模型,比較無、有聲屏障前后的效果,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究反射型屏障及吸聲型屏障的降噪效果差異。
定義材料屬性:定義高架路面及地面的吸聲率,高架路面為混凝土材料,地面為瀝青材料。表2是各材料倍頻程下的吸聲率[2]。
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3 數(shù)值仿真結(jié)果及分析
3.1 無聲屏障時(shí)輕軌專線噪聲預(yù)報(bào)
從圖4中觀察仿真值與文獻(xiàn)[5]中實(shí)測值的噪聲頻譜,2條曲線基本吻合,說明該模型對輪軌噪聲仿真基本吻合,通過圖5也可以觀察無聲屏障時(shí)30 m×120 m面聲場的聲壓級分布情況。
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3.2 有3 m高直立型聲屏障插入損失預(yù)報(bào)
建立反射型無限長屏障(所謂無限長的聲屏障指的是聲屏障的長度與高度的比例不小于20)。定義其表面為剛性,高度為3 m,高架路面及地面吸聲率定義都與無聲屏障模型一致。
圖6為場點(diǎn)29的噪聲頻譜曲線,可以得到插入損失隨著頻率的增加而增加,由曲線對比得到3 m高直立聲屏障的插入損失為1~9.4 dB。與文獻(xiàn)[3]中的實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)值1~8 dB的插入損失有較好的吻合,但也存在1.4 dB的誤差,產(chǎn)生誤差的主要原因是:模型考慮在理想狀態(tài)下,聲波經(jīng)過衍射反射后到達(dá)測聲點(diǎn),而沒有考慮實(shí)際中的背景噪聲及空氣動(dòng)力噪聲、建筑物振動(dòng)噪聲對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。通過圖7也可以觀察有聲屏障時(shí)的聲壓級分布情況。
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3.3 不同結(jié)構(gòu)形式聲屏障數(shù)值仿真
運(yùn)用Raynoise軟件建立高1.7 m的T形、倒L形、Y形聲屏障數(shù)值計(jì)算模型并對其計(jì)算仿真。仿真值與實(shí)測插入損失結(jié)果見表3。
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與參考文獻(xiàn)[3]中的實(shí)測結(jié)果比較,仿真值較為接近實(shí)測值,說明該模型能較好地對武漢市輕軌聲屏障的降噪效果作出預(yù)測,可滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求。從表3可以看出,Y形聲屏障對中低頻的降噪效果較為明顯,這與文獻(xiàn)[4]中的結(jié)論一致,從仿真結(jié)果來看,Y形分別比目前常使用的T型和倒L形聲屏障低頻降噪效果高出1.4、1.6dB,具有良好的整體降噪效果。
3.4 吸聲型聲屏障數(shù)值仿真
在工程應(yīng)用中,吸聲材料也是提高降噪效果的重要手段,在聲屏障的建造中使用吸聲材料是十分廣泛的,本文選用一種常用的PB吸聲板為研究對象,該材料的吸聲率見表4。
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選用PB吸聲板作為材料的各種形式聲屏障插入損失見表5。由表5可以看出,采用PB吸聲板作為材料的吸聲型聲屏障的整體降噪效果有所提高,但在低頻域內(nèi)表現(xiàn)不明顯。
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4 結(jié)論
(1)本文運(yùn)用Raynoise軟件對武漢市軌道交通聲屏障降噪效果進(jìn)行數(shù)值仿真,采用幾何聲學(xué)原理,解決了大型聲場預(yù)測問題,模擬較為真實(shí)的軌道交通環(huán)境,并可計(jì)算得到軌道噪聲場中低高頻域內(nèi)的主要聲學(xué)量頻域結(jié)果。
(2)由數(shù)值仿真表明,在現(xiàn)已投入使用的聲屏障中,Y形聲屏障模型對于中低頻的降噪效果比較理想,在低頻域內(nèi)比T形、倒L形屏障降噪效果高出1.4~1.6 dB。在使用PB吸聲板后各不同形式的屏障的插入損失提高1~5 dB,并且主要表現(xiàn)在500~2 000 Hz頻域內(nèi),但在低頻域降噪效果不明顯。
參考文獻(xiàn)
[1]van Haaren E, van ToL P H.Validation of ray a-coustics applied for the modeling of noise barriers[J]. Journal of Sound and Vibration, 2000 (3):681-688.
[2]林文清,王偉輝.道路鋪面吸聲率測量及交通噪聲預(yù)估[C].第十七屆聲學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì),1993.
[3]雷 彬.武漢市軌道交通聲屏障研究與設(shè)計(jì)[J].都市快軌交通,2007(2):97-100.
[4]蔡 俊,林 瓊,蔡偉民.用邊界元法研究不同頂端聲屏障的性能[J].噪聲與振動(dòng)控制,2006(3):89-91
文章來源： 《交通科技》原作者：趙 焜 吳衛(wèi)國
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