地铁环控通风系统消声降噪设备的分析与选择
摘 要：在对地铁环控通风系统噪声的特征和产生原因进行研究分析的基础上，对地铁环控通风系统消声降噪设备的选择做简要分析。
关键词：地铁通风；噪声控制
1 引言
随着地铁大规模的建设和投入使用，地铁运营时所产生的噪声也给人们的生活带来了一定影响。地铁的噪声主要来自两个方面：一是地铁列车的运行噪声，二是地铁环控通风设备的噪声。本文主要针对地铁环控通风系统，对其噪声的产生以及控制进行分析和研究。
2 环控通风系统噪声的产生与特性分析
地铁环控通风系统一般是由隧道通风系统、车站通风空调系统以及空调水系统构成的，系统功能主要是通过各种不同类型的风机、空调机组、冷水机组、水泵、冷却塔等设备（图 1）的运行来实现和完成，这些设备运行时产生的振动与噪声就成为地铁环控通风系统的主要噪声源。空调通风设备运行产生的噪声会通过不同的途径传播到地铁车站公共区、设备管理用房以及地面区域从而形成噪声污染。地铁环控通风系统中通风空调设备正常运行时产生的噪声主要包括机械振动噪声、电机运转噪声及空气动力性噪声等。
(1) 通风空调设备的机械振动噪声和电机运转噪声。一方面是从设备本体表面辐射，另一方面是以弹性波的形式通过基础、吊架等沿结构向外传播。据现场测试数据显示其噪声值达到 80～110 dB（A），对设备机房及周边相邻的区域造成很大影响。《地铁设计规范》中明确规定：“通风与空调机房内的噪声不得超过 90 dB（A）；通风、空调设备传至各房间内的噪声不得超过60 dB（A）”，因此，在地铁车站建筑平面设计及通风空调系统布置方案中应尽可能将产生噪声的设备集中设置，设立独立的通风空调机房且远离车站公共区和管理用房，同时采取相应措施对噪声进行控制。例如，机房墙体采用混凝土浇注结构或采用实心砖砌筑，保证机房围护结构隔声指数 Ia＞50 dB（A），机房安装隔声量大于 30 dB（A）的密闭隔声门，机房内墙根据实际需要设置吸声材料或做吸声处理，设备与管道之间采用软性连接，减少设备的振动通过管路向外传播，设备与基础及吊架之间配置减振弹簧或橡胶等弹性材料，有效地控制设备振动，降低噪声（图2）。
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(2) 空气动力性噪声主要是气体流动过程中所产生的噪声，它主要是由于气体非稳定流动，即气流的扰动、气体与气体以及气体与物体的相互作用而产生的噪声。从噪声产生的机理来看，它主要由旋转噪声和涡流噪声组成。地铁环控通风系统的空气动力性噪声主要是从风机（图3）的进出口两端辐射出来，并通过所连接的风道或风管等向内、外扩散传播。一方面对车站的站厅、站台内部区域产生影响，另一方面对与风亭相邻的地面外界环境形成噪声污染。《地铁设计规范》中规定：“地铁的通风与空调系统设备传至站厅、站台的噪声不得超过 70 dB（A）；风亭（图4）出口的噪声应符合现行国家标准《城市区域环境噪声标准》的规定”。由于隧道通风系统中的隧道风机根据系统功能要求在不同的工况条件下应能够正转或反转运行，另外车站站台范围内轨行区的排热风机在列车运营期间始终保持开启运转，因此，上述风机的运行所产生的气流噪声对地铁内外环境的影响最大，是地铁环控通风系统中最突出的，在消声降噪设计中必须重点考虑解决。
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由于地铁隧道风机为可逆式正反转双向风机，通过与风道、风井连接一端通向地面风亭，一端通向区间隧道，所以在风机前后设置消声器是比较有效合理的消声降噪措施和方法。另外地铁通风空调系统中所使用的风机基本上都是轴流通风机，其特点是风量大、再生噪声高、自然衰减小，总的剩余噪声相对较高，而且噪声频带较宽，一般在63～8 000 Hz范围内均有较高的噪声值。因此，在消声设备的选择上要有针对性和适用性，才能保证对噪声进行有效地控制和消除。
3 消声降噪设备的分析与选择
根据对国内已运营地铁调研情况的分析总结，地铁环控通风系统消声降噪设备一般分为两类：减振设备和消声设备。减振设备包括各种减振弹簧、隔振垫、软接头等，此类设备均有成熟定型产品可供设计配置选用。消声设备包括各种形式的消声器、消声部件（如风口、百叶）等。民用及工业建筑空调通风系统中选用的消声器、消声部件均有标准通用的产品，可根据设备样本或标准图集进行选配。但对于地铁环控通风系统来说，其消声降噪设备特别是消声器受各种因素的制约和影响，目前尚无定型通用的产品，各个生产制造厂家产品的技术性能参数标准也各不相同，给设计带来一定的难度。
消声器是一种既允许气流通过，同时又使气流中的噪声得到有效降低的消声设备。对于消声器的基本要求：一是声学要求，要求具备较好的消声频率特性，也就是说要求在所需要的消声频率范围内有足够大的消声量 ；二是空气动力性能要求，要求消声器阻力要小；三是结构、加工方面的要求，要求体积小，加工经济、简单，使用寿命长等。目前国内地铁环控通风系统中选用的消声设备一般以消除中、低频噪声的阻性消声器为主，但由于系统中风机频谱特性或系统噪声的自然衰减量小等原因而造成采用阻性消声器无法满足设计要求时，通常也会采用阻抗复合式消声器。
阻性消声器是利用敷设在气流通道内的多孔吸声材料（常称阻性材料）吸收声能、降低噪声。阻性消声器是各类消声器中形式最多、应用最广的一种消声器。阻性片式消声器是阻性消声器的一种，具有结构简单，中、高频消声性能优良，气流阻力较小等特点，因此，其适用范围非常广。地铁环控通风系统通常选用的是金属外壳片式消声器和结构片式消声器（图5），前者多安装于通风机进出口两端，直接与风机前后渐扩管 / 渐缩管相连接；后者多安装于进、排风土建结构风道内以及活塞风道、风井内。同时根据地铁工程的特殊要求，消声片内部应采用不燃性吸声材料，并符合150℃ 或250℃烟气每小时通过的运行要求。
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通过对北京、深圳、南京、广州、重庆、天津 6 座城市 10 个典型地铁车站的声学测试，以及对各城市地铁环控通风系统消声降噪设计的分析研究，对目前地铁环控通风系统中所选阻性片式消声器的结构和性能归纳如下。
（1）消声器面板一般采用厚度大于或等于0.5 mm的穿孔镀锌（喷塑）钢板，以防止锈蚀，并应保证一定的穿孔率，穿孔率大于20%，孔径为 4～6 mm。消声器的消声片厚度宜与气流通道宽度相等，即进风面积百分比为 50%，消声器片间的风速一般控制在 10～12 m/s。消声片内填充容重为 3 2 k g / m 3 （或48 kg/m3）的超细玻璃棉（外包无碱玻璃布）。
（2）因隧道风机为可逆转运行，气流双向流动，消声片两端都可能是迎风面，所以消声片体两端均采用尖劈型或圆弧型，以减小阻力。阻性片式消声器的片体厚度一般为 150、200、250、300 mm，两侧壁面使用 1/2 片体厚度消声片，气流通道宽度为 150、200、250、300 mm，即进风面积比为 50%，此时阻力最小。对于金属外壳片式消声器，消声器的外壳由于隔声需要采用厚度大于 1.5 mm 的优质钢板，四面联接采用密封条加密封胶密封。
由于地铁车站复杂独特的地下结构决定了其与地上民用及公共建筑有很大的区别，同时地铁特殊的系统功能要求也决定了地铁环控通风系统与常规建筑的通风空调系统有所不同，所以其消声设计（包括系统消声量的计算、消声器形式和种类的选择、消声器长度的确定等）需针对系统的实际构成进行全面分析，确定具体可靠的消声降噪方案，并通过详细的消声降噪设计计算选配空气动力性能、声学性能最佳的消声器。同时，消声设备的选择还应根据防火、防腐、净化、安装、工程造价等各方面因素综合考虑。
4 结束语
地铁环控通风系统的噪声控制与分析涉及到声学、空气动力学、材料学等多个方面，是一项复杂的系统工程。在消声设计中应注意声源、传声途径和接收者三方面的关系。因此，就需要各个方面根据地铁系统的不同功能特点，分析其具体构成及设备组成；明确产生噪声的各种因素和对象；了解噪声的传播途径；确定影响（控制）点的噪声源及噪声控制标准；采用相关的计算方法和手段针对系统的噪声及传播进行预测分析。由此制定和采取相应的技术措施和方案，选择适用的消声辅助设施及设备。同时，利用有效的检测手段和计算方法对既有工程中各种噪声产生的规律与噪声控制的实际效果进行现场实测、模拟计算、分析研究，总结归纳以往工程中成功的经验及失败的教训，相互借鉴交流提高，才能不断地提出可靠准确的计算分析方法和手段，研制开发出更有效的消声降噪产品及设备，有针对性地设计合理可行的地铁消声降噪方案，以满足地铁内外各种环境对噪声的控制要求。
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