阮學(xué)云，魏 玥，高 艷，李 達(dá)，王 相

（1.安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所噪聲與振動重點實驗室，北京 100190）

廊道作為電廠燃煤、水泥廠石灰石等輸送的主要通道，往往距離地面一定高度且布置于企業(yè)廠界外。由于其工作時間長、噪聲范圍廣、中低頻段傳播距離遠(yuǎn)，對附近居民生活影響較大，是主要的投訴對象。廊道噪聲以托輥[1]、帶式輸送機[2]等噪聲源為主，治理方案主要是針對廊道整體進(jìn)行聲屏障包圍[3-4]或整體更換低噪聲托輥。根據(jù)經(jīng)驗確定控制方案，無科學(xué)依據(jù)。目前Cadna/A 等噪聲預(yù)測工程軟件模擬懸浮聲屏障只考慮上方繞射路徑，對廊道底部增加聲屏障等各組合方案無法進(jìn)行準(zhǔn)確的噪聲預(yù)測，影響了模型預(yù)測計算準(zhǔn)確性，從而無法得到科學(xué)的噪聲控制方案。

國外對聲屏障降噪的研究自20 世紀(jì)60 年代開始，國內(nèi)對聲屏障降噪的研究起步相對較晚。Mackawa[3]研究出二維聲屏障的插入損失計算公式；Zaplaic 等[4]提出一種計算模型避免對運送水泥原料的傳送帶附近噪聲評估時的背景噪聲干擾；徐圣輝等[5]利用邊界元對近軌不同型式上挑檐進(jìn)行對比研究；王金瑞等[6]運用ISO9613-2 標(biāo)準(zhǔn)對兩種類型的道路聲屏障消聲效果進(jìn)行計算與對比；郭萍等[7]在二維聲屏障聲壓計算方法的基礎(chǔ)上給出了三維有限長聲屏障聲壓簡化算法。以上研究均針對廊道上挑檐運用有限元或邊界元算法[8-10]，計算復(fù)雜、耗時長，不適合工程應(yīng)用?；贑adna/A 等工程預(yù)測軟件對聲屏障效果的預(yù)測多針對道路等交通噪聲[11-13]，較少有針對懸浮聲源下挑檐繞射聲進(jìn)行相關(guān)研究。

針對以上情況，基于Cadna/A 預(yù)測軟件為建模工具，通過聲學(xué)元素幾何變化方式，實現(xiàn)廊道各類型懸浮聲屏障噪聲控制方案計算，為科學(xué)選擇噪聲控制方案提供理論依據(jù)。

1 實現(xiàn)廊道下挑檐繞射聲計算方法

1.1 當(dāng)前Cadna/A 軟件下挑檐計算

Cadna/A 軟件依據(jù)ISO9613-2 標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境噪聲進(jìn)行模擬與預(yù)測，并獲得國家認(rèn)證[14]。根據(jù)廊道聲源特性，以點聲源為例建立測試模型，驗證目前噪聲預(yù)測模型針對懸浮屏障下挑檐的計算結(jié)果準(zhǔn)確性。其中：聲源聲功率級80 dB，聲源高度10 m，聲屏障寬度均為3 m，在垂直聲屏障豎面建立高20 m 的垂直聲場，觀察單側(cè)聲屏障與下挑檐聲屏障的聲場分布，如圖1 所示。

圖1 單側(cè)及下挑檐聲屏障聲場分布圖

測試結(jié)果表明，設(shè)置下挑檐模型與單側(cè)聲屏障聲影區(qū)聲場分布一致，并經(jīng)過單點計算，計算聲源水平距離20 m、30 m、50 m 及高1.5 m 處噪聲值，整理結(jié)果如表1 所示。

表1 Cadna/A 軟件計算受聲點噪聲值 （單位：dB/A）

由圖1 和表1 可知，Cadna/A 軟件計算中，雖可以設(shè)置下挑檐型式，但因其軟件計算模塊對下方繞射聲忽略考慮，聲影區(qū)受聲點的數(shù)值均沒有發(fā)生變化，其下挑檐實際不起作用。因此，Cadna/A 預(yù)測軟件對下挑檐繞射聲計算不精確。

1.2 實現(xiàn)聲屏障下挑檐繞射聲模型建立及驗證

考慮預(yù)測軟件可計算上挑檐繞射聲，為將下挑檐計算轉(zhuǎn)化為上挑檐計算，建模時可通過保證聲源與受聲點聲程差不變的情況下轉(zhuǎn)換繞射聲路徑。根據(jù)幾何關(guān)系，可轉(zhuǎn)換為上繞射進(jìn)行等效計算，示意圖如圖2 所示。

圖2 下挑檐路徑轉(zhuǎn)換示意圖

以聲源與受聲點的水平連線設(shè)置為X 軸，垂直于地面的單側(cè)聲屏障為Z 軸建立坐標(biāo)系，聲源S（sx，sy，sz），受聲點R（rx，ry，rz），聲屏障下挑檐繞射點a（ax，0，az），保持S 和R 的位置不變，在XOZ坐標(biāo)面經(jīng)過幾何關(guān)系轉(zhuǎn)換成上挑檐后，保證幾何變換后聲程差z 不變：

式中：b 為 聲源與受聲點之間的距離平行于屏障上邊界的分量，m；

dSa為聲源至下挑檐繞射路程，m；

daR為受聲點至下挑檐繞射路程，m；

dSR為聲源至受聲點的路程，m。

聲屏障繞射路徑之和：

經(jīng)過路徑的距離計算得出：

根據(jù)公式（3）及S，R 和a 點坐標(biāo)計算出新的繞射點a0（ax0，0，az0）。

根據(jù)ISO9613-2 標(biāo)準(zhǔn)[10]，屏障繞射聲衰減計算公式為：

式中：C2=40 不考慮地面反射影響；

對于單繞射：C3=1 ；

λ為標(biāo)稱頻帶中心頻率的聲波波長；

Kmet為氣象影響修正因子：

式中：dss為聲源到第一繞射邊的距離；

dsr為第二繞射邊到接收點的距離；

d 為聲源到受聲點的距離；

z 為聲程差；

增設(shè)聲屏障后受聲點聲壓級：

LW為聲源產(chǎn)生的聲功率級；

DC為指向性校正；

A 為聲源至接收點倍頻帶衰減；

其中：

Ad為幾何發(fā)散引起的衰減；

Aa為大氣吸收引起的衰減；

Ag為地面效應(yīng)引起的衰減；

Ab為加屏障引起的衰減；

為其他多方面效應(yīng)引起的衰減；根據(jù)上述式（1）-（7）計算出聲波經(jīng)過下挑檐后受聲點處聲壓級，并利用幾何關(guān)系通過Cadna/A進(jìn)行等效計算，計算結(jié)果如表2。

表2 下挑檐軟件計算與理論計算 （單位：dB/A）

根據(jù)上述理論計算與軟件計算結(jié)果對比，誤差均在0.5 dB 以內(nèi)，因此該等效建模方法可實現(xiàn)Cadna/A 軟件中下挑檐繞射聲的預(yù)測計算。

2 廊道噪聲治理前預(yù)測模型

根據(jù)前節(jié)提供的方法，對安徽某電廠廊道進(jìn)行噪聲計算，并根據(jù)常見的噪聲控制方案進(jìn)行噪聲預(yù)測分析，給出科學(xué)治理方案。該廊道沿途經(jīng)過一處居民區(qū)，如圖3 所示，受影響居民較多，為了改善該居民區(qū)聲環(huán)境質(zhì)量，通過新的幾何建模方法，基于Cadna/A 建立廊道周邊區(qū)域的噪聲預(yù)測模型，分別計算廊道聲屏障的上、下繞射路徑，預(yù)測聲屏障及低噪聲托輥對居民區(qū)的降噪效果，給出合理可行的降噪措施。

圖3 廊道衛(wèi)星地圖

2.1 建立廊道噪聲預(yù)測模型

廊道的主要噪聲來源皮帶輸送機呈圓柱形，距地面高度11 m，橫截面直徑約1 m；居民區(qū)距聲源水平距離約100 m，在此例中將廊道噪聲源等效為線聲源。廊道全程2 200 m，居民區(qū)受聲點高度1.5 m。廊道聲源頻譜采用廊道近距離實測頻譜。

2.2 治理前模型計算與對比

以廊道西邊居民區(qū)為研究對象，使用Cadna/A軟件對該區(qū)域進(jìn)行預(yù)測計算，治理前噪聲網(wǎng)格示意圖如圖4 所示。

圖4 廊道及居民區(qū)治理前噪聲網(wǎng)格地圖

根據(jù)噪聲網(wǎng)格地圖整理出各敏感點噪聲值如表3。

表3 治理前各位置噪聲值 （單位：dB/A）

治理前選擇居民區(qū)距離廊道最近的兩處敏感點進(jìn)行實測，誤差均在1 dB 之內(nèi)，表明了該預(yù)測模型的可靠性。

根據(jù)治理前預(yù)測結(jié)果，顯示小區(qū)內(nèi)部噪聲值基本達(dá)標(biāo)，小區(qū)東北角區(qū)域噪聲值最大可達(dá)到59.5（dB/A），根據(jù)聲環(huán)境質(zhì)量執(zhí)行《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB12348-2008）2 類標(biāo)準(zhǔn)[15]，夜間要求限值50（dB/A），該處敏感點超標(biāo)。

3 降噪措施及效果

根據(jù)治理前Cadna/A 軟件預(yù)測結(jié)果顯示，對敏感點進(jìn)行治理，建立預(yù)測模型，分析三種治理方案的效果及經(jīng)濟性。

3.1 各控制方案

方案1：上下挑檐聲屏障

設(shè)置聲屏障寬度、上挑檐聲屏障寬度、下挑檐聲屏障寬度，均取3 m。根據(jù)上文方法選擇式（2）和（3）計算出下挑檐幾何變化后的聲屏障高度，建立模型如圖5 所示。

圖5 上下挑檐聲屏障幾何模型建立

在選擇設(shè)置聲屏障區(qū)域利用Cadna/A 分別計算出無聲屏障、帶上挑檐聲屏障、下挑檐聲屏障在敏感點處聲壓級Lp1、Lp2、Lp3，根據(jù)式（6）和（7）可知：

其中：

Ab1為上挑檐引起的衰減；

Ab2為下挑檐引起的衰減；

根據(jù)式（8）-（11）得出上下挑檐聲屏障在敏感點處的總聲壓級 Lp為：

方案2：更換低噪聲托輥

低噪聲托輥直徑較普通托輥更大，且托輥支架厚度更厚，低噪聲托輥的壽命是普通托輥的兩倍。根據(jù)低噪聲托輥廠家提供參數(shù)，低噪聲托輥較普通托輥降低10-15 dB 左右，降噪量按照12 dB 進(jìn)行設(shè)置，更換低噪聲托輥。幾何示意圖如圖6 所示。

圖6 更換低噪聲托輥二維模型

方案3：低噪聲托輥配合上下挑檐聲屏障

為進(jìn)一步探究低噪聲托輥及上下挑檐聲屏障治理效果，運用上文計算方法，對更換低噪聲托輥區(qū)域增設(shè)上下挑檐聲屏障，計算其治理效果。幾何示意圖如圖7 所示。

圖7 聲屏障搭配低噪聲托輥二維模型

3.2 各方案對比分析

根據(jù)以上三種治理方案進(jìn)行計算，運用Cadna/A 進(jìn)行計算，整理結(jié)果如表4 所示。

表4 三種方案治理效果 （單位：dB/A）

根據(jù)計算結(jié)果可知三種方案均可在一定范圍內(nèi)使敏感點達(dá)到治理標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 工程量對比計算

根據(jù)市場調(diào)查靜音低噪聲托輥的價格大約300 元，每100 m 更換低噪聲托輥的價格大約20萬元，安裝費大約1 萬元，共計21 萬元每百米；增加聲屏障每100 米材料費約45 萬元，安裝費約1萬元，共計46 萬元每百米。結(jié)合治理達(dá)標(biāo)工程整理出預(yù)計達(dá)標(biāo)成本，如表5 所示。

表5 廊道噪聲治理預(yù)計達(dá)標(biāo)成本 （單位：萬元）

根據(jù)達(dá)標(biāo)成本結(jié)果顯示，更換低噪聲托輥治理廊道噪聲，在達(dá)標(biāo)的情況下，其成本最低，噪聲預(yù)測地圖如圖8 所示，可作為推薦方案。

圖8 更換低噪聲托混后噪聲網(wǎng)格地圖

3.4 實驗驗證

針對安徽某電廠廊道噪聲對周圍居民區(qū)影響較大，應(yīng)用上述方法對該居民區(qū)進(jìn)行噪聲治理，實施現(xiàn)場如圖9 所示。

圖9 更換低噪聲托輥實物圖

根據(jù)上述方案分析，更換1 000 m 靜音托輥后對敏感點進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)采集，測試結(jié)果如下表6。

表6 治理后各位置噪聲值 （單位：dB/A）

根據(jù)表6 可以看出，治理效果達(dá)到預(yù)期值，說明輸送廊道噪聲治理方案選擇合理。

4 結(jié)論與建議

利用幾何關(guān)系將聲屏障下挑檐繞射聲進(jìn)行幾何轉(zhuǎn)化，通過新的幾何建模方法，實現(xiàn)了Cadna/A準(zhǔn)確計算各類型屏障繞射聲計算。應(yīng)用該方法對某電廠廊道建立噪聲預(yù)測模型，對各方案計算結(jié)果進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟性對比分析，并給出了相關(guān)結(jié)論，為廊道噪聲方案提供了科學(xué)依據(jù)，其結(jié)論也可為同類型輸送廊道噪聲方案提供參考。