匡思鵬 張澤宇 王楷涵 武宏偉 徐明月

摘? 要：評(píng)估噪聲源對(duì)周圍環(huán)境的傳播影響需要通過軟件進(jìn)行計(jì)算，目前國內(nèi)缺乏對(duì)室內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)軟件的研究，本文基于噪聲衰減工程算法，闡述了室內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)軟件主要功能模塊結(jié)構(gòu)及優(yōu)化算法策略，編制開發(fā)了可計(jì)算室內(nèi)噪聲分布和向室外傳播的可聽噪聲預(yù)測(cè)軟件。該軟件可大大提高環(huán)評(píng)中對(duì)室內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)的效率。

關(guān)鍵詞：噪聲預(yù)測(cè);室內(nèi)噪聲;軟件系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP274.4;TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）10-0083-03

Abstract：Evaluating the noise effect on the spread of indoor and outdoor needs software，but the current domestic lack of the research of indoor noise prediction software. This article is based on noise attenuation engineering algorithm，and the essay expounds the main indoor noise prediction software function module structure and the optimization strategy，establish a software which can calculate indoor noise distribution and audible noise spread to the outdoor. The software can greatly improve the efficiency of indoor noise prediction in room.

Keywords：noise prediction;indoor noise;software system

0? 引? 言

隨著城市的發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)日漸增強(qiáng)，噪聲污染已經(jīng)成為廣大社會(huì)共同關(guān)注的問題。對(duì)噪聲水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，是項(xiàng)目工程中噪聲評(píng)價(jià)和噪聲治理的必要前提。傳統(tǒng)噪聲評(píng)價(jià)主要是以實(shí)際噪聲測(cè)量和預(yù)測(cè)計(jì)算兩種方法，前者在項(xiàng)目工程未建成的情況下無法進(jìn)行，而借助計(jì)算機(jī)搭建聲學(xué)模型進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算可以對(duì)工程前期規(guī)劃和后期降噪方案的治理效果等進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，可以提高效率，節(jié)約成本，是今后發(fā)展的方向。因此，各國相繼開發(fā)了噪聲的理論計(jì)算模型，借助模型與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)相結(jié)合，可以客觀有效地分析噪聲對(duì)受體產(chǎn)生的影響[1]。

目前，我國也逐漸開始開展噪聲軟件方面的研究[1，2]。然而，我國與國外在噪聲計(jì)算軟件方面還存在著很大的差距，到目前為止，國內(nèi)在噪聲計(jì)算軟件方面多處于算法策略探究階段，缺乏實(shí)用性系統(tǒng)研究，尤其對(duì)于室內(nèi)噪聲計(jì)算軟件的研究非常缺乏[3]，本文則對(duì)自主研發(fā)的一款室內(nèi)噪聲計(jì)算軟件的結(jié)構(gòu)功能以及噪聲計(jì)算方法進(jìn)行闡述說明，以彌補(bǔ)國內(nèi)在室內(nèi)噪聲計(jì)算軟件開發(fā)研究上的空缺。

1? 室內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型

室內(nèi)聲場(chǎng)包括直達(dá)聲場(chǎng)和混響聲場(chǎng)，兩者疊加就得到總聲場(chǎng)。總聲場(chǎng)的聲壓級(jí)Lp1為[4]：

式（1）中：Q為指向性因子。當(dāng)點(diǎn)聲源置于自由場(chǎng)空間時(shí)，Q=1;置于一面墻中心時(shí)，Q=2;放在兩面墻夾角位置時(shí)，Q=4;在三面墻的夾角時(shí)，Q=8。R為房間常量。R=Sα/（1-α），S為房間內(nèi)表面面積;α為平均吸聲系數(shù)。

在計(jì)算噪聲從室內(nèi)向室外傳播的影響時(shí)，需考慮噪聲從門、窗等結(jié)構(gòu)體的透射和輻射等。如圖1所示，聲源位于室內(nèi)。設(shè)靠近開口處（或窗戶）室內(nèi)、室外的聲級(jí)分別為Lp1和Lp2。若聲源所在室內(nèi)聲場(chǎng)近似擴(kuò)散聲場(chǎng)，則相應(yīng)室外的聲級(jí)可按式（2）計(jì)算：

式（2）中：TL為隔墻（或窗戶）的傳聲損失，單位是dB。

這樣可以把從窗戶或圍欄向外輻射的聲能等效為相應(yīng)面積的面聲源，其等效聲功率可按式（3）計(jì)算：

然后，按式（4）的戶外聲源預(yù)測(cè)基本方法計(jì)算接收點(diǎn)處的聲壓級(jí)。式（4）如下：

式（4）中：Dc為指向性校正，單位是dB;式中幾何發(fā)散衰減Adiv、大氣吸收衰減Aatm、地面效應(yīng)衰減Agr、屏障屏蔽衰減Abar、其他多方面效應(yīng)引起的衰減Amisc的具體計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[5]。噪聲傳播原理如圖1所示。

2? 軟件設(shè)計(jì)原理及其思路

2.1? 程序模塊總體框架圖設(shè)計(jì)

建立一個(gè)噪聲預(yù)測(cè)的工程首先要建立起聲學(xué)模型，包括：聲源，房間障礙，預(yù)測(cè)點(diǎn)等的定義。而聲源的定義包括：點(diǎn)聲源，線聲源，面聲源，體聲源。房間障礙的定義包括：房間，門窗，吸聲體，以及建筑、聲屏障、植被區(qū)域等其他一些聲屏障。預(yù)測(cè)點(diǎn)的定義包括：接收點(diǎn)，室內(nèi)外預(yù)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)等。然后，要確定噪聲設(shè)備輻射特性的主要計(jì)算參數(shù)。圖2是軟件系統(tǒng)模塊框架圖。

2.2? 各聲學(xué)模型參數(shù)定義

根據(jù)室內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)的原理分析，聲學(xué)模型中的主要聲學(xué)圖元包括室內(nèi)聲源、房間、房間的門、窗、吸聲體以及室內(nèi)聲屏障等。以點(diǎn)、線、面和體聲源為例，其參數(shù)主要包括：名稱（Name）、ID號(hào)、激活狀態(tài)、Type類型（如為單頻則需輸入頻率Hz，如為頻譜則需輸入或者導(dǎo)入倍頻帶頻譜或1/3倍頻程頻譜）、輸入聲源A聲功率級(jí)WL值、立體角內(nèi)聲傳播指數(shù)K0（dB）、幾何參數(shù)多個(gè)Point（x，y，z）、指向性指數(shù)DI、聲功率值PWL等。

接下來是房間模型參數(shù)，房間的參數(shù)主要包括：房間里、外面反射類型，幾何參數(shù)包含3個(gè)以上的Point（x，y，z）用于確定建筑的幾何形狀和位置。其中，反射類型包括里、外面反射損失（dB）和左、右吸聲系數(shù)。

房間還具有定義室內(nèi)分析區(qū)域的功能。在計(jì)算該房間室內(nèi)噪聲時(shí)，在房間內(nèi)的聲學(xué)圖元都會(huì)參與計(jì)算。

軟件的其他圖元如門、窗及吸聲體相關(guān)參數(shù)主要包括：透射類型（門窗），幾何參數(shù)包含2個(gè)Point（x，y，z），用于確定門、窗及吸聲體的幾何形狀和位置。其中，反射類型包括反射損失（dB）和吸聲系數(shù)α。透射類型包括傳聲損失（dB）和隔聲量譜（dB）。其框圖如圖3所示。

2.3? 聲源處理及噪聲預(yù)測(cè)算法策略

項(xiàng)目軟件采用了等角度掃描聲線法對(duì)點(diǎn)、線、面聲源進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于點(diǎn)聲源而言，在計(jì)算一個(gè)接收點(diǎn)的噪聲水平時(shí)，首先以該接收點(diǎn)為中心以一定的角度（如1度）對(duì)整個(gè)聲學(xué)模型空間進(jìn)行掃描搜索，看所搜索的扇形區(qū)域是否有聲源。如果存在點(diǎn)聲源，則計(jì)算在點(diǎn)聲源與接收點(diǎn)之間的連線是否穿過障礙物和各種衰減區(qū)域，調(diào)用點(diǎn)聲源的噪聲計(jì)算公式計(jì)算該區(qū)域各個(gè)點(diǎn)聲源對(duì)接收點(diǎn)各倍頻程的噪聲貢獻(xiàn)值。對(duì)于線聲源和面聲源而言，在掃描前首先以接收點(diǎn)過建筑物的邊緣對(duì)線或面聲源進(jìn)行投影，把線或面聲源劃分為在傳播路徑上被障礙物遮擋的部分和沒被障礙物遮擋的部分，然后再以等角度扇形進(jìn)行掃描。

通過上述方法，即把線聲源分為若干個(gè)小線段，使用各線段的幾何中心位置上的點(diǎn)聲源來等效該線段聲源，這樣可把線聲源等效為相應(yīng)的多個(gè)點(diǎn)聲源，再按照上述計(jì)算點(diǎn)聲源的公式進(jìn)行計(jì)算。面聲源與線聲源處理的方法類似。

3? 軟件實(shí)現(xiàn)方法及其案例探究

3.1? 房間及門窗功能實(shí)現(xiàn)

基于房間的研究，首先要了解房間本身聲學(xué)屬性特點(diǎn)，房間主要有兩大功能：（1）室內(nèi)計(jì)算時(shí)，作為一個(gè)承載混響聲場(chǎng)的邊界空間體;（2）室外計(jì)算時(shí)，作為一個(gè)普通建筑物計(jì)算其對(duì)聲傳播的遮蔽作用。而且一般的房間都是有窗戶和門的，他們是室內(nèi)聲場(chǎng)對(duì)外輻射的主要途徑。門窗及吸聲體的聲學(xué)特性也是不可或缺的一部分，它們是室內(nèi)聲場(chǎng)對(duì)外輻射的主要途徑，因此，在建立室內(nèi)聲學(xué)模型時(shí)，需在房間的墻上設(shè)立門和窗的聲學(xué)圖元。房間內(nèi)的門、窗都支持“貼邊操作”，貼邊后自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的等效門窗聲源，如圖4所示。

搭建一個(gè)有多個(gè)房間組成的建筑物模型，是很復(fù)雜的一個(gè)工程，軟件引入多層建筑的概念，可以一層一層的建立房間模型，在建立模型時(shí)，需首先建立不同樓層的高度，再在每層建立多個(gè)房間，房間可以設(shè)置起始樓層和跨層數(shù)目，這樣就可以一次建立起復(fù)雜的樓房建筑。

3.2? 多房間噪聲輻射計(jì)算研究

對(duì)于多個(gè)房間室內(nèi)噪聲的計(jì)算，需首先對(duì)室內(nèi)聲源的噪聲傳播路徑進(jìn)行分析，房間計(jì)算的順序與噪聲傳播的順序需保持一致。然后通過計(jì)算有室內(nèi)聲源的房間的噪聲分布，算出相應(yīng)門窗對(duì)外輻射的等效聲源，再把它們作為另一房間的室內(nèi)聲源來計(jì)算。最后計(jì)算出想要計(jì)算的房間的噪聲影響。

以圖5所示的多房間模型為例，噪聲向室外傳播包括2個(gè)路徑，分別為：（1）從房間1和2的門傳到走廊，再從走廊的主門向室外傳播;（2）從房間1和房間2的窗戶直接傳播到室外。

因此，首先計(jì)算步驟為分別計(jì)算房間1和房間2的噪聲傳播，通過計(jì)算可算出房間1和房間2的所有門和窗的等效聲功率級(jí)及對(duì)應(yīng)的頻譜。然后把與中間走廊相接的門作為室內(nèi)聲源，計(jì)算走廊空間的聲場(chǎng)分布，得到主門的等效聲功率級(jí)和相應(yīng)的頻譜。這樣與外部相連的所有門窗都被等效為面聲源。最后計(jì)算這些等效面聲源對(duì)室外的噪聲影響，其軟件實(shí)現(xiàn)效果如圖6所示。

4? 結(jié)? 論

目前，國內(nèi)對(duì)室內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)軟件系統(tǒng)研究較少，缺少能計(jì)算室內(nèi)聲源的噪聲計(jì)算軟件。本課題的完成，可解決國內(nèi)針對(duì)室內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)軟件系統(tǒng)研究的空缺，滿足國內(nèi)對(duì)室內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)的軟件的需要，對(duì)工業(yè)廠區(qū)先期噪聲設(shè)計(jì)及后期污染治理具有重要的指導(dǎo)意義，從而帶來很大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：匡思鵬（1999.08-），男，漢族，江西九江人，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。