楊禮楨

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地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)消聲設(shè)計(jì)

楊禮楨

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

通過對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)噪聲源的分析，用不同的噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隧道風(fēng)機(jī)的消聲設(shè)計(jì)開展討論，分析了噪聲的衰減，并給出了某地鐵車站的計(jì)算實(shí)例，同時(shí)對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中消聲器的選用和布置原則進(jìn)行了總結(jié)。

地鐵車站；隧道通風(fēng)系統(tǒng)；消聲設(shè)計(jì)

0 引言

地鐵通風(fēng)系統(tǒng)消聲設(shè)計(jì)是暖通專業(yè)的一個(gè)分支，也是環(huán)境工程中一個(gè)十分敏感問題。由于地鐵車站一般位于城市繁華區(qū)域，若消聲設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)引起噪聲擾民，特別是居民住宅，學(xué)校、醫(yī)院等對(duì)噪聲要求較高的區(qū)域，還會(huì)造成較惡劣的影響，因此必須在車站設(shè)計(jì)階段重視消聲設(shè)計(jì)。

目前，在設(shè)計(jì)過程中，車站的消聲設(shè)計(jì)一般分為兩個(gè)階段，第一階段為設(shè)計(jì)階段，暖通工程師根據(jù)線路《工程技術(shù)要求》及工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合車站建筑特點(diǎn)選擇布置消聲設(shè)備。第二階段為產(chǎn)品深化階段，設(shè)備招標(biāo)后，設(shè)備供貨商對(duì)車站設(shè)置的消聲設(shè)備進(jìn)行深化或優(yōu)化，由暖通工程師校核確認(rèn)后實(shí)施。但部分暖通工程師對(duì)消聲設(shè)計(jì)并未給予足夠的重視，往往導(dǎo)致兩個(gè)設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)較大的偏差，導(dǎo)致設(shè)計(jì)圖紙的變更。另根據(jù)現(xiàn)階段地鐵運(yùn)營(yíng)反饋來看，風(fēng)亭周邊噪聲超標(biāo)主要是由隧道風(fēng)機(jī)及列車噪聲引起，因此本文僅圍繞隧道通風(fēng)系統(tǒng)消聲設(shè)計(jì)展開。

1 隧道通風(fēng)系統(tǒng)噪聲源的分析

對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)，噪聲主要來自地鐵列車和隧道風(fēng)機(jī)。

1.1 地鐵列車噪聲分析

地鐵列車運(yùn)行是一種非穩(wěn)態(tài)噪聲，主要來源于列車運(yùn)行時(shí)拖拽和推動(dòng)隧道空氣而產(chǎn)生的活塞風(fēng)氣流噪聲。列車運(yùn)行時(shí)因車輪不可避免的偏心，路軌不平整等原因引起的整車振動(dòng)，振動(dòng)又激發(fā)了結(jié)構(gòu)或隧床等傳播了固體聲，因固體聲隨距離衰減相對(duì)緩慢，其激起的頻率又在很低頻域內(nèi)，故其影響范圍相對(duì)比空氣聲更為寬廣。此外，還有制動(dòng)懸掛連接件之間在運(yùn)行中相互撞擊產(chǎn)生的噪聲；牽引系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪聲；列車空調(diào)器等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲等。

列車在進(jìn)出車站時(shí)速度較低，低速運(yùn)行時(shí)具有聲級(jí)高，頻帶寬，傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，噪聲成分主要分布在250Hz～2000Hz頻域內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，當(dāng)列車進(jìn)站時(shí)站臺(tái)的噪聲峰值可達(dá)90 dB(A)左右[1]。

1.2 風(fēng)機(jī)噪聲分析

風(fēng)機(jī)噪聲主要來源于空氣動(dòng)力性噪聲、機(jī)械噪聲以及電動(dòng)機(jī)噪聲。其中空氣動(dòng)力噪聲主要有旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲。當(dāng)風(fēng)機(jī)的葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片沿周向的氣流速度和壓力是不均勻的，從而在殼體上產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，形成旋轉(zhuǎn)噪聲；葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，使其周圍形成渦流，由于空氣的黏稠性，渦流又分解成一系列小渦流，擾動(dòng)了周圍的空氣，因而又產(chǎn)生了渦流噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲以中低頻聲為主；渦流噪聲為連續(xù)性噪聲譜，以中高頻成份較突出[2]。隧道風(fēng)機(jī)的噪聲一般達(dá)90～110dB(A)。以武漢3號(hào)線某車站隧道風(fēng)機(jī)（風(fēng)量60m3/s，功率90kW，全壓900Pa）為例，其八倍頻帶聲功率級(jí)分布參數(shù)如表1。

表1 某隧道風(fēng)機(jī)八倍頻帶聲功率級(jí)

從上面分析可知，隧道風(fēng)機(jī)的噪聲聲功率級(jí)一般都大于地鐵列車進(jìn)站和出站噪聲峰值，因此地鐵車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)消聲主要是針對(duì)隧道風(fēng)機(jī)來設(shè)計(jì)。

2 噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 規(guī)范要求

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157-2013）規(guī)定“風(fēng)亭出口的噪聲應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3096的有關(guān)規(guī)定”[3]。

現(xiàn)行《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096-2008）將聲環(huán)境功能區(qū)類別分為0、1、2、3、4（4a和4b），并對(duì)不同類別晝間夜間的噪聲限值作了規(guī)定，在噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)中采用了A計(jì)權(quán)聲級(jí)評(píng)價(jià)方法，但A聲級(jí)較適合連續(xù)的穩(wěn)態(tài)噪聲評(píng)價(jià)，其不能反映被測(cè)噪聲的具體頻譜特性。

A聲級(jí)是單一的數(shù)值，是噪聲的所有成分的綜合反映，如果我們要比較細(xì)致地評(píng)價(jià)各頻程的噪聲，就應(yīng)該采用噪聲評(píng)價(jià)曲線。NR曲線就是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出和推薦的，它是各國(guó)最常用的標(biāo)準(zhǔn)曲線[4]。NR曲線能夠表示噪聲級(jí)強(qiáng)度和頻率兩個(gè)主要因素。而噪聲對(duì)環(huán)境的影響不僅與聲級(jí)強(qiáng)度，而且與頻率特性有關(guān)。NR曲線評(píng)價(jià)數(shù)的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)了噪聲的高頻成分比低頻成分更為煩擾人的特性。因此在地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)噪聲控制設(shè)計(jì)中，還應(yīng)采用NR曲線評(píng)價(jià)數(shù)作為達(dá)標(biāo)依據(jù)。即計(jì)算時(shí)不但對(duì)A聲級(jí)有要求，而且應(yīng)對(duì)八個(gè)倍頻帶聲壓級(jí)也提出要求[5]。

2.2 NR噪聲評(píng)價(jià)曲線

噪聲評(píng)價(jià)數(shù)（Noise Rating Number，簡(jiǎn)寫NR），是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）推薦的一組曲線，即NR噪聲評(píng)價(jià)曲線，詳見圖1。

圖1 NR噪聲評(píng)價(jià)曲線

在其每一條曲線上，中心頻率為1000Hz的倍頻帶聲壓級(jí)等于噪聲評(píng)價(jià)數(shù)，其它63Hz-8000Hz倍頻帶的聲壓級(jí)和的關(guān)系也可由下式計(jì)算[6]：

式中，L為倍頻帶聲壓級(jí)；NR為對(duì)應(yīng)的NR數(shù)；，為常數(shù)，與各頻帶中心頻率的關(guān)系見表2。

噪聲評(píng)價(jià)曲線是用聲壓級(jí)來表示，但一般風(fēng)機(jī)頻譜噪聲是以聲功率級(jí)來表示的，聲壓級(jí)與聲功率級(jí)的換算關(guān)系式為[5]：

式中，L為聲壓級(jí)；L為聲功率級(jí)；為根據(jù)風(fēng)機(jī)安裝位置及場(chǎng)地的修正數(shù)值，一般為5～7dB。

表2 不同中心頻率的a和b取值

2.3 A聲級(jí)與NR噪聲評(píng)價(jià)曲線的關(guān)系

國(guó)內(nèi)很多著作對(duì)A聲級(jí)與NR噪聲評(píng)價(jià)曲線的關(guān)系進(jìn)行了描述，盧慶普、翁儀壁等通過驗(yàn)證分析，得出63～8000Hz倍頻程頻帶寬度的A聲級(jí)與數(shù)的關(guān)系可近似用下式表示[6]：

（1）當(dāng)A聲級(jí)小于或等于50dB（A）時(shí)：

（2）當(dāng)A聲級(jí)大于50dB（A）時(shí)：

式中，L為A聲級(jí)；為NR數(shù)。

由式（1）、（3）、（4）可求出幾個(gè)常用NR曲線評(píng)價(jià)數(shù)倍頻聲壓級(jí)值及對(duì)應(yīng)的A聲級(jí)值，見表3。

表3 常用NR曲線評(píng)價(jià)數(shù)倍頻聲壓級(jí)值及對(duì)應(yīng)的A聲級(jí)值

3 隧道風(fēng)機(jī)噪聲衰減分析

3.1 漸擴(kuò)管的衰減

管道截面積的突然擴(kuò)大或縮小處，可將部分聲波反射回聲源方向或產(chǎn)生聲干涉，從而使聲能衰減，噪聲衰減量可由下式計(jì)算[7]：

式中，=2/1，2、1分別為變徑后及變徑前的管道截面積，m2；噪聲衰減量對(duì)各個(gè)頻率都相同。

地鐵隧道風(fēng)機(jī)前端和末端一般通過1.7～2.2m長(zhǎng)漸擴(kuò)管和消聲器相連接，其擴(kuò)張比通常為3～4倍，其降噪量在2dB左右。

3.2 矩形直管道的衰減

直管的自然衰減與管道斷面周長(zhǎng)、管段長(zhǎng)度、管壁的吸聲系數(shù)有關(guān)。對(duì)金屬管道，當(dāng)管內(nèi)流速≤8m/s時(shí)，直管噪聲衰減可忽略不計(jì)。隧道通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)道為混凝土結(jié)構(gòu)，雖然氣流速較?。s3～4m/s），但四周的粗糙的掛漿壁面仍有一定的衰減量，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)頻率低于250Hz，可按0.4～0.6dB/m估算；當(dāng)頻率在250～500Hz頻段內(nèi)，可按0.3～0.4dB/m估算；當(dāng)頻率大于1000Hz時(shí)，可按0.2～0.3dB/m估算[2]。

3.3 直角彎頭的衰減

對(duì)于矩形或方形無吸聲襯貼的彎頭，當(dāng)頻率在低于250Hz的低頻段內(nèi)，可衰減5～7dB；當(dāng)頻率大于250Hz，則一般可衰減3～5dB[2]。

3.4 氣流擴(kuò)散至大氣的聲衰減

隧道通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道出地面風(fēng)亭時(shí)，因氣流突然擴(kuò)容至大氣時(shí)，流速將隨之下降，從而使噪聲隨之下降。當(dāng)風(fēng)口投影面積在12-20m2范圍內(nèi)，風(fēng)井為低朝天開口井，可作為半自由聲場(chǎng)擴(kuò)散，通?？伤p2～3dB(A)，若為高風(fēng)井則通常可衰減3～5dB(A)[2]。

3.5 風(fēng)道內(nèi)吸聲貼面的聲衰減

若需進(jìn)一步提高消聲量，可在風(fēng)道道內(nèi)壁四周，包括水平和垂直部分可貼吸聲壁面，工程實(shí)踐表明，用密度為32kg/m3，厚度為50mm的玻璃纖維棉板襯于壁面，面層復(fù)蓋穿孔率為25％的金屬穿孔薄板，當(dāng)風(fēng)道寬度在5m以下，高度在4.5m以下時(shí)，可按Δ＝1.2～1.5dB/m的估算，當(dāng)風(fēng)道寬度超過5m，高度仍為4.5m以下時(shí)，可按Δ＝1.0～1.2dB/m的估算[8]。

4 氣流再生噪聲分析

在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，氣流通過直管道、彎頭、三通、變徑管、閥門等部件時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生氣流再生噪聲，應(yīng)分析管路各部件所產(chǎn)生的氣流噪聲是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但在隧道通風(fēng)系統(tǒng)中，氣流速度較低，一般約3～4m/s，可忽略此影響。需要注意的是因消聲器內(nèi)風(fēng)速較高，需校核消聲器本身產(chǎn)生的氣流噪聲，如果氣流速度過高，產(chǎn)生的再生噪聲級(jí)大于入口噪聲，這時(shí)消聲器的消聲量就變成負(fù)值，增加消聲器的長(zhǎng)度也無濟(jì)于事。

消聲器氣流再生噪聲可由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出[7]：

再=+60lg+10lg（6）

式中，為消聲器通道內(nèi)的流速，m/s；為消聲器截面積，ｍ2；為與消聲器結(jié)構(gòu)形式有關(guān)的比Ａ聲功率級(jí)，對(duì)于片式消聲器，=-5～5dB(A)。

目前，地鐵工程中隧道風(fēng)機(jī)前后消聲器設(shè)計(jì)片間流速一般≤12m/s，截面積10～12m2，由公式（6）可知其再生噪聲約為66～76dB，小于入口處風(fēng)機(jī)的噪聲。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)控制好消聲器片間流速。

5 消聲計(jì)算實(shí)例

以武漢地鐵3號(hào)線某車站隧道風(fēng)機(jī)消聲計(jì)算為例，該站右線小里程端隧道風(fēng)機(jī)布置剖面圖如圖2，活塞風(fēng)井出地面為低風(fēng)亭，室外為3類環(huán)境功能區(qū)，依據(jù)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096-2008），夜間噪聲不應(yīng)超過55dB(A)[9]，計(jì)算流程及結(jié)果詳見表4。

圖2 某地鐵車站隧道風(fēng)機(jī)布置圖

表4 某地鐵車站隧道風(fēng)機(jī)消聲計(jì)算列表

續(xù)表4 某地鐵車站隧道風(fēng)機(jī)消聲計(jì)算列表

Table 4 Calculation process in noise elimination design of tunnel fan in a subway station

6 消聲器的選用及布置

6.1 消聲器的選用

消聲器從聲學(xué)原理上分，可分為阻性、抗性、阻抗復(fù)合式、微穿孔式等；從內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式上分，可分為直片式、折板式、管道式、彎頭式、百葉式等；從與外部接口的形式上分，可分為金屬外殼片式、結(jié)構(gòu)片式、管道式。目前，隧道通風(fēng)系統(tǒng)一采用的金屬外殼片式或結(jié)構(gòu)片式的阻性消聲器，工程應(yīng)用成熟，選用時(shí)主要遵循下列原則：

（1）按照計(jì)算的所需降噪值，確定所選用消聲器的消聲量“插入損失”，“插入損失”可按下式計(jì)算[2]：

式中，a為吸聲材料正入射吸聲系數(shù)；為消聲器通道截面周邊長(zhǎng)，m；為消聲器通道的截面積，m2；為消聲器的有效長(zhǎng)度，m。

（2）所選消聲器的壓力損失應(yīng)符合管道系統(tǒng)所允許的壓力損失，片式消聲器壓力損失值可用下式計(jì)算[7]：

式中：為消聲器的阻力系數(shù)，片式≈0.6～0.8；為空氣密度，近似為1.225kg/m3；為消聲器內(nèi)平均氣流速度，m/s；為重力加速度，m/s2。

（3）消聲器的氣流再生噪聲應(yīng)與聲源及消聲性能相匹配，使消聲器的消聲量能充分發(fā)揮，當(dāng)氣流噪聲級(jí)大于消聲器入口聲級(jí)時(shí)，此時(shí)消聲器不僅不能消聲，反而變成了一個(gè)噪聲放大器。

（4）消聲器的外形尺寸及其長(zhǎng)度在滿足消聲要求的同時(shí)應(yīng)與實(shí)際工程中可安裝的尺寸相適應(yīng)。

（5）所選用消聲器的材質(zhì)必須能滿足防火，防潮，防塵，防腐蝕等工藝要求。

6.2 消聲器的布置

消聲器的布置遵循下列原則：

（1）消聲器應(yīng)盡可能設(shè)置在氣流比較穩(wěn)定的風(fēng)道段。

（2）若要求消聲較高，可以分段布置消聲器而不宜集中布置或無限增加其消聲段長(zhǎng)度。

（3）當(dāng)消聲器的長(zhǎng)度受限，難以達(dá)到消聲要求時(shí)，可采用風(fēng)道內(nèi)部貼附吸聲貼面、風(fēng)井內(nèi)增加防雨消聲掛片、高風(fēng)亭出風(fēng)口采用消聲百葉等輔助措施。

（4）對(duì)于安裝在土建風(fēng)道內(nèi)水平安裝的結(jié)構(gòu)片式消聲器，由于設(shè)備標(biāo)高設(shè)計(jì)需考慮安裝條件的限制、管線、電纜橋架及其它設(shè)施等，如果將消聲片充滿風(fēng)道，在消聲效果沒有優(yōu)化的情況下反面增加了工程的造價(jià)，造成了不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，對(duì)存在的消聲盲區(qū)，在設(shè)備安裝后必須采取封堵措施。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議消聲封堵方案如下：在消聲器頂部可以裝置輕質(zhì)吸聲隔聲板并且在與管道相貫穿部分預(yù)留孔洞，在孔洞和接管之間嵌入彈性墊層材料。軟質(zhì)吸聲隔聲板可以用厚度80～100mm的夾芯彩鋼板作基板，內(nèi)滿貼厚度50mm，密度32kg/m3的離心棉外覆玻璃布和厚度0.8mm的熱鍍鋅穿孔板，面板穿孔率25%。

（5）為了消除“側(cè)向傳聲”現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)機(jī)殼和變徑管外壁作阻尼隔聲包扎。原因如下：以風(fēng)機(jī)前配3m長(zhǎng)消聲器為例，消聲器的消聲量大于35dB(A)，而在風(fēng)機(jī)側(cè)邊的噪聲因風(fēng)機(jī)機(jī)殼及擴(kuò)壓管的隔聲量?jī)H為風(fēng)機(jī)的噪聲級(jí)減小25dB(A)，從風(fēng)道傳出至室外的噪聲并非是消聲后的聲壓級(jí)，消聲器就不能充分發(fā)揮其消聲量。

7 結(jié)語(yǔ)

本文從對(duì)隧道通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲源進(jìn)行了分析得出其最大噪聲來自于隧道風(fēng)機(jī)，提出噪聲評(píng)價(jià)宜采用更全面的NR噪聲評(píng)價(jià)曲線，并從噪聲衰減、計(jì)算實(shí)例等各方面對(duì)地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)的消聲設(shè)計(jì)進(jìn)行了梳理，對(duì)目前地鐵工程設(shè)計(jì)中消聲器選用及布置總結(jié)了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，供工程設(shè)計(jì)參考。

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Noise Elimination Design for Tunnel Ventilation System in Subway Station

Yang Lizhen

( China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan, 430063 )

In this paper, based on the noise source analysis of Tunnel ventilation system, noise elimination design is discussed in different noise assessment. And Throughanalyzing of noise attenuation, a calculation example of noise elimination design is presented. The principle of selection and arrangement of silencer is also summarized in the design of Tunnel ventilation system.

Subway station; Tunnel ventilation system; Noise elimination design

1671-6612（2016）06-690-06

TU96

A

楊禮楨（1985-），男，碩士，工程師，E-mail：65781996@qq.com

2016-04-14