轻轨专线声屏障的数值仿真研究
摘 要:以武汉市轻轨专线声屏障为研究对象,应用几何声学软件Raynoise对不同结构形式的声屏障降噪效果进行数值仿真,并通过文献中实验数据对比分析得出结论:同等高度Y形式声屏障整体降噪效果最好。
关键词:声屏障 轨道噪声 数值仿真
随着城市交通事业的迅速发展,道路交通噪声污染的问题日益严重,以武汉市轨道交通一号线一期工程为例,其线路全长10余km,采用全高架桥梁形式贯穿武汉市闹市区,沿线环境敏感点众多。轻轨专线运营后,不可避免地对沿线环境造成不同程度的影响,沿线高层建筑的部分楼层噪声超标。目前,设置声屏障是道路交通噪声控制中最常用也是比较有效的一种方法,但不少声屏障的降噪效果不明显;有的声屏障的建设费用很高,但未达到理想的降噪目标;声屏障的设计、制造及降噪效果的预测分析还不够规范等。
武汉市轨道交通声屏障于2003年底完成并投入运营,全线设置1.7 m高T形和倒L式声屏障及3 m直立式声屏障。本文在原有已使用的屏障形式之外,再附加一种目前研究较多且新颖的Y形声屏障进行研究,运用仿真软件对这几种不同结构型式的声屏障降噪效果进行预测。
1 射线跟踪法的基本原理
Raynoise软件基础是几何声学(ceometricalacoustics)[1],而射线跟踪法是其算法的核心之一,基本原理是把声源向四周所发散的能量假想成一些声射线,声源的能量平均分配给这些射线,认为声波的传播可以解释为一条条的声射线(sound rays),声射线在以声速向四周发散,当与界面或者障碍物发生作用时也遵循直达声、反射声和衍射声原理。
虽然工程中边界元方法(BEM)的使用较为广泛,但BEM的精度决定于相对于波长的边界离散程度,即相对频率越高计算量越大、结果精确度越不稳定;而Raynoise则相反,计算量和频率无关,且有相对频率越高越准确的趋势。因此Raynoise则更适合于大尺度、复杂边界(地形)、全频域的声学问题预测与评估,即建筑声学、环境声学(如交通噪声、社区噪声等)领域[2]。
2 模型建立
轨道交通噪声主要有轮轨噪声、集电噪声、空气动力噪声及桥梁振动噪声(见图1)。其中列车在100 km/h以下轮轨噪声为主要噪声源[3],因此在数值仿真过程中只考虑轮轨噪声。
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国内现有轨道交通运行至距离轨道中心线7.5 m处测得噪声源特性结果见表1所列。
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根据CJ/T5021-1995《轻轨交通车辆通用技术条件》中的规定,车辆以70 km/h速度运行时,距轨道中心线7.5 m处,车辆噪声不得超过82 dBA。但从上述资料可以看出,车辆距离轨道中心线7.5 m处,车辆噪声均超过或接近90dBA,峰值出现在500~600 Hz处,63~ 4 000 Hz频谱范围内声级均超过75 dBA,所以武汉市城市轨道交通噪声控制工程的设防值选择为90 dBA。
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为实现轨道噪声预报及声屏障降噪效果评估的可靠性,运用Raynoise软件建立实际的轨道交通模型,模型长度100 m,以2条无限长线声源模拟轮轨噪声,设置30 m×120 m面声场,建立图2、3两种轨道交通模型,比较无、有声屏障前后的效果,并在此基础上进一步研究反射型屏障及吸声型屏障的降噪效果差异。
定义材料属性:定义高架路面及地面的吸声率,高架路面为混凝土材料,地面为沥青材料。表2是各材料倍频程下的吸声率[2]。
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3 数值仿真结果及分析
3.1 无声屏障时轻轨专线噪声预报
从图4中观察仿真值与文献[5]中实测值的噪声频谱,2条曲线基本吻合,说明该模型对轮轨噪声仿真基本吻合,通过图5也可以观察无声屏障时30 m×120 m面声场的声压级分布情况。
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3.2 有3 m高直立型声屏障插入损失预报
建立反射型无限长屏障(所谓无限长的声屏障指的是声屏障的长度与高度的比例不小于20)。定义其表面为刚性,高度为3 m,高架路面及地面吸声率定义都与无声屏障模型一致。
图6为场点29的噪声频谱曲线,可以得到插入损失随着频率的增加而增加,由曲线对比得到3 m高直立声屏障的插入损失为1~9.4 dB。与文献[3]中的实验测量的数值1~8 dB的插入损失有较好的吻合,但也存在1.4 dB的误差,产生误差的主要原因是:模型考虑在理想状态下,声波经过衍射反射后到达测声点,而没有考虑实际中的背景噪声及空气动力噪声、建筑物振动噪声对实验数据的影响。通过图7也可以观察有声屏障时的声压级分布情况。
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3.3 不同结构形式声屏障数值仿真
运用Raynoise软件建立高1.7 m的T形、倒L形、Y形声屏障数值计算模型并对其计算仿真。仿真值与实测插入损失结果见表3。
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与参考文献[3]中的实测结果比较,仿真值较为接近实测值,说明该模型能较好地对武汉市轻轨声屏障的降噪效果作出预测,可满足实际工程应用要求。从表3可以看出,Y形声屏障对中低频的降噪效果较为明显,这与文献[4]中的结论一致,从仿真结果来看,Y形分别比目前常使用的T型和倒L形声屏障低频降噪效果高出1.4、1.6dB,具有良好的整体降噪效果。
3.4 吸声型声屏障数值仿真
在工程应用中,吸声材料也是提高降噪效果的重要手段,在声屏障的建造中使用吸声材料是十分广泛的,本文选用一种常用的PB吸声板为研究对象,该材料的吸声率见表4。
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选用PB吸声板作为材料的各种形式声屏障插入损失见表5。由表5可以看出,采用PB吸声板作为材料的吸声型声屏障的整体降噪效果有所提高,但在低频域内表现不明显。
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4 结论
(1)本文运用Raynoise软件对武汉市轨道交通声屏障降噪效果进行数值仿真,采用几何声学原理,解决了大型声场预测问题,模拟较为真实的轨道交通环境,并可计算得到轨道噪声场中低高频域内的主要声学量频域结果。
(2)由数值仿真表明,在现已投入使用的声屏障中,Y形声屏障模型对于中低频的降噪效果比较理想,在低频域内比T形、倒L形屏障降噪效果高出1.4~1.6 dB。在使用PB吸声板后各不同形式的屏障的插入损失提高1~5 dB,并且主要表现在500~2 000 Hz频域内,但在低频域降噪效果不明显。
参考文献
[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,王伟辉.道路铺面吸声率测量及交通噪声预估[C].第十七届声学学术讨论会,1993.
[3]雷 彬.武汉市轨道交通声屏障研究与设计[J].都市快轨交通,2007(2):97-100.
[4]蔡 俊,林 琼,蔡伟民.用边界元法研究不同顶端声屏障的性能[J].噪声与振动控制,2006(3):89-91
文章来源： 《交通科技》原作者：赵 焜 吴卫国
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