廊道声屏障绕射声衰减量研究

阮学云,魏 玥,张永斌,李 达,王 相

(1.安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009)

廊道作为电厂燃煤输送的主要通道，往往距离地面有一定高度且布置于电厂厂界外，由于其噪声涉及范围广，中低频段传播距离较远，且工作时间较长，对附近居民生活影响较大，已成为主要的噪声投诉来源。廊道噪声以托辊[1]、带式输送机[2]等噪声源组成，目前廊道噪声治理方案中声屏障的结构型式大多根据工程经验进行设置，治理无依据，容易造成治理不足或治理过度，不能产生最大的经济效益。而目前的部分噪声预测软件，无法针对带下挑檐的悬浮声屏障进行准确计算，影响其工程应用。

国外对声屏障降噪的研究自20世纪60年代开始，国内对声屏障降噪的研究起步相对较晚。文献[3]研究出二维声屏障的插入损失计算公式；文献[4]通过实验模型与声压计算得到声屏障的插入损失；文献[5]运用等比结构模拟不同布局声屏障进行分析；文献[6]根据数值方法及类推法计算声屏障的插入损失在大气折射影响下的模型；文献[7]提出一种计算模型避免对运送水泥原料的传送带附近噪声水平评估时的高残留噪声；文献[8-9]研究了铁路声屏障多种绕射衰减量的运算方法及不同类型交通声屏障的插入损失；文献[10]计算无限长铁路交通声屏障的插入损失并分析了影响声屏障消声效果的因素；文献[11]在二维声屏障声压计算方法的基础上给出了三维有限长声屏障声压简化算法；文献[12]运用ISO9613-2对两种类型的道路声屏障消声效果进行计算与对比。目前的研究主要针对声屏障的插入损失[13]及简化算法[14]，而对悬浮屏障不同结构型式的衰减量计算及选型研究较少。

1 廊道声屏障结构型式衰减量计算

由于廊道声屏障长度相对于居民区较长，本文不考虑两侧绕射声及透射声，因此通过计算分析各种布局型式的声屏障的衰减量在不同区域的噪声分布规律，得出针对居民所处廊道不同区域下的声屏障最佳结构型式。

由图1(a)可知，廊道内部有皮带输送机、托辊等机械设备，其需要经常检修，四面屏障封闭会影响廊道内部机械结构散热，通风性差且光线不足，影响工人正常巡检。由图1(b)可知廊道噪声中以500Hz频率段为主要优势频率。因此本文根据工程实际情况，选择5种常见的声屏障结构型式并针对500Hz频率段进行分析，分别是单侧声屏障、上挑檐单侧声屏障、下挑檐单侧声屏障、上下挑檐单侧声屏障及U型声屏障(声源两侧设置平行的单侧声屏障，底部设置声屏障)衰减量计算。本文以发电厂常见廊道为例，对以上5种声屏障布局型式进行上下边绕射声衰减量的计算与分析。

(a)廊道内部结构图 (b)噪声源倍频程图1 治理前廊道内部实物图及噪声频谱图

1.1 计算方法

廊道噪声虽然是线声源，但在实际噪声预测计算时按分割多个点声源累加得到。因此，为便于研究，选择点声源进行计算与分析，此时声屏障看作无限长声屏障。根据ISO9613-2标准[15]，绕射声衰减计算公式为

(1)

式中：C2=40，不考虑地面反射影响。

对于单绕射：C3=1

对于双绕射：

(2)

式中：λ为频带中心频率的声波波长；z为声程差；Kmet为气象影响修正因子;e为双绕射情况下两个绕射边界之间的距离。

其中，廊道在实际应用中距离地面高度一般约在5～20m，利用声屏障进行噪声治理时，声屏障通常以廊道底部建立，此时在不考虑反射及透射的情况下声屏障有上下两条绕射路径，在插入损失计算中，下绕射路径衰减量不能被忽视。因此，当受声点高度低于声屏障下沿时，下边沿单绕射声程差为

(3)

当受声点高度高于声屏障下沿时，下边沿双绕射声程差为

(4)

式中：dss为声源到第一绕射边的距离；dsr为第二绕射边到接收点的距离；d为声源到受声点的距离；a为声源和受声点之间的距离在平行于声屏障上边界的分量。

经过上式(1)～式(4)以500Hz为例计算受声点处廊道声屏障衰减量。

1.2 5种类型声屏障布局

1)单侧声屏障 图2为廊道单侧声屏障绕射路径及尺寸示意图。

图2 单侧声屏障绕射路径及尺寸示意图

s为声源，r为受声点，路径s1r，s2r为声源经过单侧声屏障传播至受声点的最短路径。

2)上挑檐单侧声屏障及下挑檐声屏障 图3～图4分别为上挑檐单侧声屏障及下挑檐单侧声屏障的绕射路径及尺寸图。

图3 上挑檐单侧声屏障绕射路径及尺寸示意图

图4 下挑檐单侧声屏障绕射路径及尺寸示意图

图3路径s41r，s2r为声源经过上挑檐单侧声屏障传播至受声点的最短路径。

图4路径s1r，s3r为声源经过下挑檐单侧声屏障传播至受声点的最短路径。

3)上下挑檐单侧声屏障及U型声屏障 图5～图6分别为上下挑檐单侧声屏障及U型声屏障的绕射路径及尺寸图。

图5 上下挑檐单侧声屏障绕射路径及尺寸示意图

图6 U型声屏障绕射路径及尺寸示意图

图5路径s41r，s3r为声源经过上下挑檐单侧声屏障传播至受声点的最短路径。

图6路径s1r，s43r为声源经过U型声屏障传播至受声点的最短路径。

4)声屏障衰减量计算 根据廊道现场情况设定：

a-廊道声屏障长，取300m；

b-声源位于廊道正中心距廊道声屏障内侧的水平距离，取1.5m；

c-廊道声屏障宽度，取3m；

d-声源距地面的距离，取11.5m；

e-廊道底端距地面的距离，取10m；

f-受声点在垂直于声屏障方向的分量，取50m；

h-受声点高度，取1.5m；

i-上下挑檐声屏障宽度为3m。

2 计算结果与分析

2.1 5种类型声屏障衰减量计算

根据上节理论计算，依次计算5种结构型式声屏障在受声点处0～2 000Hz频率段的衰减量并进行对比与分析，如图7所示。

图7 五种声屏障的衰减量

在0～2 000Hz范围内声屏障绕射声衰减量都在增加，0～1 000Hz区域衰减量增长速度较快,1 000Hz后的频率段衰减量增长速度放缓。单侧声屏障、上挑檐、下挑檐衰减量为11.8dB，上下挑檐单侧声屏障及U型声屏障衰减量都可以达到18dB以上，整体效果较好。因此，下文针对上下挑檐单侧声屏障及U型声屏障进行区域噪声网格计算并选型。

2.2 两种声屏障在不同区域噪声计算与分析

为进一步评估廊道不同区域受声点消声效果，本文针对U型声屏及上下挑檐单侧声屏障进行进一步区域噪声计算与分析。采用virtuallab对上述两种型式声屏障在不同区域内的网格噪声进行计算，为进一步选型提供理论依据。

1)计算参数设置 为了消除声屏障两端绕射声的影响。设定声屏障长度为300m，屏障厚度设置为100mm，廊道声屏障高度设置为2.5m，声源距地11.25m，计算区域选择屏障声影区侧垂直截面，区域长100m， 距地面高度1.5～30m， 研究500Hz时声压级分布情况，布置情况如图8所示。

图8 廊道声屏障布置模拟图

2)计算结果与分析 上下挑檐单侧声屏障及U型声屏障计算结果分别如图9(a)、9(b)所示。高度1.5m时，U型声屏障低声压级区域面积多于下挑檐单侧声屏障；高度11m时，距离声源较近处两种类型声压级值接近，距离较远处U型声屏障声压级下降更明显；高度30m时，距离声源较近处两上下挑檐单侧声屏障低声压级区域面积更多，距离较远处U型声屏障声压级更低。

(a)上下挑檐单侧声屏障声压级分布 (b)U型声屏障声压级分布图9 两种类型声屏障声压级分布

由图9数据整理出不同距离及高度两种型式声屏障的插入损失数据,如表1所示。

表1 两种型式声屏障不同区域插入损失(dB)对比

由表1及图9可知当高度为1.5m， 距离15m和30m时， U型声屏障较上下挑檐单侧声屏障插入损失分别增加1.5dB、 3.1dB；距离50m时，U型声屏障较上下挑檐单侧声屏障插入损失增加2.5dB； 距离增加到100m时， 两种型式声屏障插入损失相差0.7dB。

当高度为11m， 距离15m和30m时，上下挑檐单侧声屏障较U型声屏障插入损失分别增加1.3dB、2.2dB；距离50m时，上下挑檐单侧声屏障较U型声屏障插入损失分别增加2.6dB、3.2dB；距离为100m时，U型声屏障较上下挑檐单侧声屏障插入损失增加1.2dB。

高度30m时，距离15m及30m时，上下挑檐单侧声屏障较U型声屏障插入损失增加2.6dB及3.2dB；距离100m时，U型声屏障较上下挑檐单侧声屏障增加0.7dB。

因此，居民区高度较低(1.5m)时，U型声屏障消声效果好，居民区高度与噪声源高度相近时或居民区高度较高(30m)时，距离噪声源较近(50m)上下挑檐单侧声屏障消声效果较好；距离噪声源较远(100m)时U型声屏障消声效果好。

3 实际应用与测试结果

针对安徽某电厂廊道噪声对周围居民区影响较大，需要治理，应用上述方法对该居民区进行计算分析并选型。该居民区经测量距廊道噪声源50m，廊道噪声源高度11.25m，根据前文分析，选择U型声屏障对该居民区进行噪声治理，实施现场及受声点治理前后倍频程如图10、图11所示。

图10 U型声屏障现场图

(a)受声点治理前倍频程

表2 U型声屏障500Hz插入损失实测数据

根据表2可以看出，实测值与理论计算值误差2dB以内，达到预期效果，说明U型声屏障选型合理。

4 结论

(1)上下挑檐单侧声屏障及U型声屏障可作为优先声屏障选择型式。

(2)居民区高度较矮(1.5m)时，U型声屏障消声效果好；居民区高度与噪声源高度相近或居民区高度较高时，距离声源较近上下挑檐单侧声屏障消声效果较好；距离噪声源较远(100m)时，U型声屏障消声效果好。

(3)根据某电厂居民点区域选取U型声屏障进行实际测试，达到预期治理目标。