王亞晨， 王巧燕， 邱賢鋒

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司， 上海 200135)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，各大城市的軌道交通建設(shè)不斷加快，給人們的出行帶來(lái)了極大的便利。城市軌道交通線(xiàn)路主要以地下線(xiàn)的方式鋪設(shè)，線(xiàn)位和站點(diǎn)通常貫穿城市的主要生活區(qū)域，在給居民的生活提供便利的同時(shí)，不可避免地會(huì)帶來(lái)噪聲污染等環(huán)境問(wèn)題，其中軌道交通地下線(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)是噪聲污染的主要來(lái)源[1]。

軌道交通地下線(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生和傳播的途徑主要是“隧道通風(fēng)系統(tǒng)/空調(diào)設(shè)備—排風(fēng)道/新風(fēng)道—風(fēng)亭”[2]。目前常用的治理方法是傳播路徑降噪，即在通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)道內(nèi)安裝大型消聲器。消聲器是一種既具有降噪性能，又能使氣流正常流通的噪聲控制設(shè)備，通常按消聲的原理分為阻性消聲器、抗性消聲器和復(fù)合式消聲器等3類(lèi)[3]。地鐵系統(tǒng)工程中最常用的片式消聲器和陣列式消聲器等屬于阻性消聲器，目前相關(guān)技術(shù)已比較成熟，但在消聲性能、空氣流阻和使用維護(hù)等方面仍有較大的改進(jìn)空間。

本文對(duì)某城市多條軌道交通線(xiàn)路地下車(chē)站的通風(fēng)系統(tǒng)中采用的消聲器的性能進(jìn)行調(diào)研。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種具備新結(jié)構(gòu)特性的大型風(fēng)道消聲器。該新型消聲器以插片消聲單元為基礎(chǔ)形成消聲模組，消聲模組之間采用陣列式排列方式，該結(jié)構(gòu)兼具片式消聲器與陣列消聲器的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)仿真計(jì)算該新型消聲器的空氣動(dòng)力性能，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證其聲學(xué)性能。

1 現(xiàn)有地鐵消聲器調(diào)研

消聲器的降噪性能通常用插入損失或傳遞損失表征，消聲器(消聲通道)的長(zhǎng)度是決定其降噪性能的重要參數(shù)。流通比是消聲器橫截面空氣流通面積與總面積的比值，是影響消聲器空氣動(dòng)力性能的重要因素。增大流通比便于空氣流通，降低氣動(dòng)阻力，但流通比過(guò)大會(huì)顯著降低消聲器的降噪性能。對(duì)某城市的多條軌道交通線(xiàn)路地下車(chē)站風(fēng)道采用的消聲器進(jìn)行調(diào)研，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 某城市多條軌道交通線(xiàn)路地下車(chē)站風(fēng)道采用的消聲器調(diào)研結(jié)果

由表1可知，各車(chē)站采用的消聲器以片式結(jié)構(gòu)為主，很少采用陣列式結(jié)構(gòu)。消聲器的流通比一般在50%～60%，單位長(zhǎng)度的傳遞損失普遍較低，大部分在2～6 dB/m。在流通比相同的情況下，陣列式消聲器單位長(zhǎng)度的傳遞損失略高于片式消聲器，但流通比設(shè)計(jì)存在一定的冗余，降噪性能還有提高的空間。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，片式消聲器單個(gè)插片的體積較大，難以根據(jù)風(fēng)道空間進(jìn)行靈活調(diào)整，導(dǎo)致部分車(chē)站消聲器的安裝存在周邊漏空和吸聲插片間距過(guò)大等問(wèn)題(見(jiàn)圖1)，造成降噪性能明顯下降。

圖1 實(shí)際調(diào)研地鐵消聲器現(xiàn)狀

消聲插片過(guò)大會(huì)導(dǎo)致更換困難，進(jìn)而導(dǎo)致消聲器因維護(hù)工作不足而使吸聲材料的吸聲性能下降；部分消聲器結(jié)構(gòu)因缺乏橫向約束而導(dǎo)致進(jìn)出通道等結(jié)構(gòu)受損，形成較大面積的漏聲，影響消聲器的整體消聲效果。

總體來(lái)說(shuō)，目前廣泛采用的片式消聲器的降噪效果不理想，在工程應(yīng)用中也存在維護(hù)困難和結(jié)構(gòu)容易損壞等問(wèn)題。陣列式消聲器在設(shè)計(jì)和維護(hù)上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中降噪性能的提升效果并不明顯。

2 新型大風(fēng)量地鐵通風(fēng)消聲器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)地鐵通風(fēng)消聲器時(shí)，通常需同時(shí)考慮其聲學(xué)性能、空氣動(dòng)力性能和結(jié)構(gòu)性能。聲學(xué)性能可用傳遞損失、傳遞聲壓級(jí)差或插入損失和插入聲壓級(jí)差評(píng)價(jià)[4]。聲學(xué)性能與消聲器的結(jié)構(gòu)形式、選用的吸聲材料和插片材料有關(guān)，可根據(jù)噪聲源參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，實(shí)際表現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況的不同會(huì)有一定的差異。空氣動(dòng)力性能用阻力損失或阻力系數(shù)評(píng)價(jià)，可通過(guò)CFD仿真計(jì)算得到，具有較高的精度和較好的準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)性能要求消聲器具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易損壞、易于加工安裝和維護(hù)等特性。

工程實(shí)際中的新型通風(fēng)消聲器設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2。

圖2 新型通風(fēng)消聲器設(shè)計(jì)流程

2.2 消聲器聲學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軌道交通地下線(xiàn)路通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲具有寬頻帶特性，在63～6 300 Hz頻率范圍內(nèi)的能量都比較高，其中作為主要噪聲來(lái)源的風(fēng)機(jī)噪聲在500 Hz頻段的中低頻聲壓級(jí)比較突出[5]。新型消聲器需具備63～6 300 Hz的寬頻消聲性能，并能提高中低頻段的吸聲系數(shù)。

消聲插片是消聲器的主要降噪元件，主要由外殼及內(nèi)部填充的吸聲材料組成。消聲插片中采用的吸聲材料主要為多孔介質(zhì)材料，包括纖維型、泡沫型和顆粒型等類(lèi)型的金屬或非金屬材料，如玻璃棉、聚酯纖維、聚氨酯泡沫和泡沫鋁等。在地鐵風(fēng)道環(huán)境中應(yīng)用，需在滿(mǎn)足高吸聲系數(shù)要求的同時(shí)，具有防火、防潮和防腐性能。從綜合性能和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，新型消聲插片選用玻璃棉或聚氨酯泡沫作為吸聲體的填充材料，其密度宜在32～48 kg/m3。表2為玻璃棉和聚氨酯泡沫倍頻程吸聲系數(shù)。

表2 玻璃棉和聚氨酯泡沫倍頻程吸聲系數(shù)

消聲插片護(hù)面板采用穿孔鋁板或鍍鋅板，穿孔率增大至30%，使其具備聲學(xué)透明性能，同時(shí)增強(qiáng)插片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。消聲插片互相垂直布置，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)消聲單元。根據(jù)地鐵大型風(fēng)道的實(shí)際尺寸，多個(gè)消聲單元在風(fēng)道橫截面上呈陣列式布置，通過(guò)土建結(jié)構(gòu)和豎向骨架固件安裝在風(fēng)道內(nèi)部。新型通風(fēng)消聲器的消聲插片結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3；新型通風(fēng)消聲器在地鐵大型風(fēng)道內(nèi)的土建結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖4。

a) 橫向單元

2.3 空氣動(dòng)力性能仿真分析

在完成新型通風(fēng)消聲器的聲學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，可通過(guò)CFD軟件對(duì)其空氣動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算，得到壓力損失和阻力系數(shù)。在實(shí)體建模過(guò)程中進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，忽略連接部分的細(xì)小結(jié)構(gòu)，僅對(duì)吸聲體、外殼和支承桿件等對(duì)該通風(fēng)消聲器的空氣動(dòng)力性能有影響的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，將外殼等板材簡(jiǎn)化為無(wú)厚度的具有一定粗糙度的壁面[6]。按實(shí)際尺寸建立的新型通風(fēng)消聲器與陣列式消聲器立體三維仿真模型見(jiàn)圖5。

模型邊界條件如下。

1) 速度入口：給定入口速度。

2) 壓力出口：給定出口處總壓，設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3) 消聲器的壁面設(shè)定為無(wú)摩擦、無(wú)滑移的絕熱壁面。

圖5 三維消聲器CFD有限元模型

模型材料選擇和劃分網(wǎng)格屬性見(jiàn)表3。

表3 模型材料選擇和劃分網(wǎng)格屬性

計(jì)算采用Realizablek-ε模型描述流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，離散格式采用二階迎風(fēng)格式。計(jì)算模型入口風(fēng)速確定，消聲器內(nèi)部流場(chǎng)屬于穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，采用SIMPLEC算法可得到較好的收斂結(jié)果[7]。

計(jì)算模型在入口風(fēng)速分別為4 m/s和8 m/s時(shí)的壓力損失、阻力系數(shù)和平均片間風(fēng)速，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 空氣動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表4可知，在消聲通道和流通比均相同的情況下，新型通風(fēng)消聲器的壓力損失和阻力系數(shù)均低于相同規(guī)格的陣列式消聲器，消聲單元的平均片間風(fēng)速略高于對(duì)比陣列式消聲器。

3 新型消聲器傳遞損失現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在某地新建線(xiàn)路的地下車(chē)站設(shè)計(jì)安裝新型大風(fēng)量消聲器。新型消聲器安裝完成之后進(jìn)行降噪性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并將其與相同規(guī)格的傳統(tǒng)陣列式消聲器測(cè)試相對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試消聲器規(guī)格對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試參照《聲學(xué) 消聲器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量》(GB/T 19512—2004/ISO 11820:1996)[8]執(zhí)行。由于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)暫時(shí)不具備開(kāi)啟條件，測(cè)試采用白噪聲作為人工聲源，測(cè)量消聲器聲源端和出口端的聲壓級(jí)，計(jì)算傳遞損失Dts。測(cè)試時(shí)風(fēng)道內(nèi)的消防門(mén)和熱排風(fēng)口格柵均處于關(guān)閉狀態(tài)。

傳遞損失Dts的計(jì)算公式為

Dts=Dtps+10lg(S2/S1)+K2-K1

(1)

圖6為新型消聲器與傳統(tǒng)陣列式消聲器傳遞損失對(duì)比曲線(xiàn)。由圖6可知，新型消聲器在較寬的頻帶內(nèi)均具有良好的降噪效果，其中：250～2 500 Hz頻帶內(nèi)的傳遞損失在15 dB以上;400～630 Hz頻帶內(nèi)的傳遞損失效果最好，達(dá)到20～21 dB。在160～10 000 Hz頻段內(nèi)，新型消聲器的傳遞損失均高于相同規(guī)格的傳統(tǒng)陣列式消聲器。與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果相比，新型消聲器安裝之后等效A聲級(jí)總傳遞損失為15.7 dB，在相同的安裝長(zhǎng)度下傳遞損失高于片式消聲器2～3 dB(A)，實(shí)際使用效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖6 新型消聲器與傳統(tǒng)陣列式消聲器傳遞損失對(duì)比曲線(xiàn)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)城市軌道交通地下線(xiàn)車(chē)站通風(fēng)系統(tǒng)降噪問(wèn)題，在對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了一種具有新型截面布置的大風(fēng)量地鐵通風(fēng)消聲器，并進(jìn)行了模型計(jì)算和降噪測(cè)試驗(yàn)證，主要得到以下結(jié)論：

1) 通過(guò)調(diào)研測(cè)試發(fā)現(xiàn)，目前地鐵地下線(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)廣泛采用片式消聲器，其降噪性能普遍低于理論值，并存在結(jié)構(gòu)易損、維護(hù)困難等問(wèn)題。陣列式消聲器應(yīng)用較少，性能還有優(yōu)化提升的空間。

2) 使用CFD軟件建立三維有限元模型，仿真計(jì)算了該新型通風(fēng)消聲器在風(fēng)速為4 m/s和8 m/s時(shí)的空氣動(dòng)力性能。當(dāng)消聲通道長(zhǎng)度和流通比相同時(shí)，新型消聲器的壓力損失和阻力系數(shù)均低于相同規(guī)格的傳統(tǒng)陣列式消聲器。

3) 新型消聲器在較寬的頻帶內(nèi)均具有良好的降噪效果，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)安裝之后等效A聲級(jí)總傳遞損失為15.7 dB，在250～2 500 Hz的寬頻帶內(nèi)傳遞損失在15 dB以上，在地下車(chē)站風(fēng)機(jī)的主要頻率500 Hz左右處的降噪效果達(dá)到最好，達(dá)到20～21 dB。該新型消聲器在地鐵工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用效果良好，優(yōu)于相同規(guī)格的傳統(tǒng)陣列式消聲器和片式消聲器。