輕軌專線聲屏障的數值仿真研究
摘 要:以武漢市輕軌專線聲屏障為研究對象,應用幾何聲學軟件Raynoise對不同結構形式的聲屏障降噪效果進行數值仿真,并通過文獻中實驗數據對比分析得出結論:同等高度Y形式聲屏障整體降噪效果最好。
關鍵詞:聲屏障 軌道噪聲 數值仿真
隨著城市交通事業的迅速發展,道路交通噪聲污染的問題日益嚴重,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,沿線環境敏感點眾多。輕軌專線運營后,不可避免地對沿線環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。目前,設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;有的聲屏障的建設費用很高,但未達到理想的降噪目標;聲屏障的設計、制造及降噪效果的預測分析還不夠規范等。
武漢市軌道交通聲屏障于2003年底完成并投入運營,全線設置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形聲屏障進行研究,運用仿真軟件對這幾種不同結構型式的聲屏障降噪效果進行預測。
1 射線跟蹤法的基本原理
Raynoise軟件基礎是幾何聲學(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散,當與界面或者障礙物發生作用時也遵循直達聲、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,即相對頻率越高計算量越大、結果精確度越不穩定;而Raynoise則相反,計算量和頻率無關,且有相對頻率越高越準確的趨勢。因此Raynoise則更適合于大尺度、復雜邊界(地形)、全頻域的聲學問題預測與評估,即建筑聲學、環境聲學(如交通噪聲、社區噪聲等)領域[2]。
2 模型建立
軌道交通噪聲主要有輪軌噪聲、集電噪聲、空氣動力噪聲及橋梁振動噪聲(見圖1)。其中列車在100 km/h以下輪軌噪聲為主要噪聲源[3],因此在數值仿真過程中只考慮輪軌噪聲。
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國內現有軌道交通運行至距離軌道中心線7.5 m處測得噪聲源特性結果見表1所列。
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根據CJ/T5021-1995《輕軌交通車輛通用技術條件》中的規定,車輛以70 km/h速度運行時,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,峰值出現在500~600 Hz處,63~ 4 000 Hz頻譜范圍內聲級均超過75 dBA,所以武漢市城市軌道交通噪聲控制工程的設防值選擇為90 dBA。
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為實現軌道噪聲預報及聲屏障降噪效果評估的可靠性,運用Raynoise軟件建立實際的軌道交通模型,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,并在此基礎上進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 數值仿真結果及分析
3.1 無聲屏障時輕軌專線噪聲預報
從圖4中觀察仿真值與文獻[5]中實測值的噪聲頻譜,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報
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[3]中的實驗測量的數值1~8 dB的插入損失有較好的吻合,但也存在1.4 dB的誤差,產生誤差的主要原因是:模型考慮在理想狀態下,聲波經過衍射反射后到達測聲點,而沒有考慮實際中的背景噪聲及空氣動力噪聲、建筑物振動噪聲對實驗數據的影響。通過圖7也可以觀察有聲屏障時的聲壓級分布情況。
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3.3 不同結構形式聲屏障數值仿真
運用Raynoise軟件建立高1.7 m的T形、倒L形、Y形聲屏障數值計算模型并對其計算仿真。仿真值與實測插入損失結果見表3。
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與參考文獻[3]中的實測結果比較,仿真值較為接近實測值,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測,可滿足實際工程應用要求。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[4]中的結論一致,從仿真結果來看,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 吸聲型聲屏障數值仿真
在工程應用中,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,但在低頻域內表現不明顯。
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4 結論
(1)本文運用Raynoise軟件對武漢市軌道交通聲屏障降噪效果進行數值仿真,采用幾何聲學原理,解決了大型聲場預測問題,模擬較為真實的軌道交通環境,并可計算得到軌道噪聲場中低高頻域內的主要聲學量頻域結果。
(2)由數值仿真表明,在現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,并且主要表現在500~2 000 Hz頻域內,但在低頻域降噪效果不明顯。
參考文獻
[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估[C].第十七屆聲學學術討論會,1993.
[3]雷 彬.武漢市軌道交通聲屏障研究與設計[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].噪聲與振動控制,2006(3):89-91
文章來源： 《交通科技》原作者：趙 焜 吳衛國
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