阮學(xué)云,魏 玥,張永斌,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.合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

廊道作為電廠燃煤輸送的主要通道，往往距離地面有一定高度且布置于電廠廠界外，由于其噪聲涉及范圍廣，中低頻段傳播距離較遠(yuǎn)，且工作時間較長，對附近居民生活影響較大，已成為主要的噪聲投訴來源。廊道噪聲以托輥[1]、帶式輸送機[2]等噪聲源組成，目前廊道噪聲治理方案中聲屏障的結(jié)構(gòu)型式大多根據(jù)工程經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)置，治理無依據(jù)，容易造成治理不足或治理過度，不能產(chǎn)生最大的經(jīng)濟效益。而目前的部分噪聲預(yù)測軟件，無法針對帶下挑檐的懸浮聲屏障進(jìn)行準(zhǔn)確計算，影響其工程應(yīng)用。

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。文獻(xiàn)[3]研究出二維聲屏障的插入損失計算公式；文獻(xiàn)[4]通過實驗?zāi)Ｐ团c聲壓計算得到聲屏障的插入損失；文獻(xiàn)[5]運用等比結(jié)構(gòu)模擬不同布局聲屏障進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[6]根據(jù)數(shù)值方法及類推法計算聲屏障的插入損失在大氣折射影響下的模型；文獻(xiàn)[7]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水平評估時的高殘留噪聲；文獻(xiàn)[8-9]研究了鐵路聲屏障多種繞射衰減量的運算方法及不同類型交通聲屏障的插入損失；文獻(xiàn)[10]計算無限長鐵路交通聲屏障的插入損失并分析了影響聲屏障消聲效果的因素；文獻(xiàn)[11]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；文獻(xiàn)[12]運用ISO9613-2對兩種類型的道路聲屏障消聲效果進(jìn)行計算與對比。目前的研究主要針對聲屏障的插入損失[13]及簡化算法[14]，而對懸浮屏障不同結(jié)構(gòu)型式的衰減量計算及選型研究較少。

1 廊道聲屏障結(jié)構(gòu)型式衰減量計算

由于廊道聲屏障長度相對于居民區(qū)較長，本文不考慮兩側(cè)繞射聲及透射聲，因此通過計算分析各種布局型式的聲屏障的衰減量在不同區(qū)域的噪聲分布規(guī)律，得出針對居民所處廊道不同區(qū)域下的聲屏障最佳結(jié)構(gòu)型式。

由圖1(a)可知，廊道內(nèi)部有皮帶輸送機、托輥等機械設(shè)備，其需要經(jīng)常檢修，四面屏障封閉會影響廊道內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)散熱，通風(fēng)性差且光線不足，影響工人正常巡檢。由圖1(b)可知廊道噪聲中以500Hz頻率段為主要優(yōu)勢頻率。因此本文根據(jù)工程實際情況，選擇5種常見的聲屏障結(jié)構(gòu)型式并針對500Hz頻率段進(jìn)行分析，分別是單側(cè)聲屏障、上挑檐單側(cè)聲屏障、下挑檐單側(cè)聲屏障、上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障(聲源兩側(cè)設(shè)置平行的單側(cè)聲屏障，底部設(shè)置聲屏障)衰減量計算。本文以發(fā)電廠常見廊道為例，對以上5種聲屏障布局型式進(jìn)行上下邊繞射聲衰減量的計算與分析。

(a)廊道內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 (b)噪聲源倍頻程圖1 治理前廊道內(nèi)部實物圖及噪聲頻譜圖

1.1 計算方法

廊道噪聲雖然是線聲源，但在實際噪聲預(yù)測計算時按分割多個點聲源累加得到。因此，為便于研究，選擇點聲源進(jìn)行計算與分析，此時聲屏障看作無限長聲屏障。根據(jù)ISO9613-2標(biāo)準(zhǔn)[15]，繞射聲衰減計算公式為

(1)

式中：C2=40，不考慮地面反射影響。

對于單繞射：C3=1

對于雙繞射：

(2)

式中：λ為頻帶中心頻率的聲波波長；z為聲程差；Kmet為氣象影響修正因子;e為雙繞射情況下兩個繞射邊界之間的距離。

其中，廊道在實際應(yīng)用中距離地面高度一般約在5～20m，利用聲屏障進(jìn)行噪聲治理時，聲屏障通常以廊道底部建立，此時在不考慮反射及透射的情況下聲屏障有上下兩條繞射路徑，在插入損失計算中，下繞射路徑衰減量不能被忽視。因此，當(dāng)受聲點高度低于聲屏障下沿時，下邊沿單繞射聲程差為

(3)

當(dāng)受聲點高度高于聲屏障下沿時，下邊沿雙繞射聲程差為

(4)

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；a為聲源和受聲點之間的距離在平行于聲屏障上邊界的分量。

經(jīng)過上式(1)～式(4)以500Hz為例計算受聲點處廊道聲屏障衰減量。

1.2 5種類型聲屏障布局

1)單側(cè)聲屏障 圖2為廊道單側(cè)聲屏障繞射路徑及尺寸示意圖。

圖2 單側(cè)聲屏障繞射路徑及尺寸示意圖

s為聲源，r為受聲點，路徑s1r，s2r為聲源經(jīng)過單側(cè)聲屏障傳播至受聲點的最短路徑。

2)上挑檐單側(cè)聲屏障及下挑檐聲屏障 圖3～圖4分別為上挑檐單側(cè)聲屏障及下挑檐單側(cè)聲屏障的繞射路徑及尺寸圖。

圖3 上挑檐單側(cè)聲屏障繞射路徑及尺寸示意圖

圖4 下挑檐單側(cè)聲屏障繞射路徑及尺寸示意圖

圖3路徑s41r，s2r為聲源經(jīng)過上挑檐單側(cè)聲屏障傳播至受聲點的最短路徑。

圖4路徑s1r，s3r為聲源經(jīng)過下挑檐單側(cè)聲屏障傳播至受聲點的最短路徑。

3)上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障 圖5～圖6分別為上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障的繞射路徑及尺寸圖。

圖5 上下挑檐單側(cè)聲屏障繞射路徑及尺寸示意圖

圖6 U型聲屏障繞射路徑及尺寸示意圖

圖5路徑s41r，s3r為聲源經(jīng)過上下挑檐單側(cè)聲屏障傳播至受聲點的最短路徑。

圖6路徑s1r，s43r為聲源經(jīng)過U型聲屏障傳播至受聲點的最短路徑。

4)聲屏障衰減量計算 根據(jù)廊道現(xiàn)場情況設(shè)定：

a-廊道聲屏障長，取300m；

b-聲源位于廊道正中心距廊道聲屏障內(nèi)側(cè)的水平距離，取1.5m；

c-廊道聲屏障寬度，取3m；

d-聲源距地面的距離，取11.5m；

e-廊道底端距地面的距離，取10m；

f-受聲點在垂直于聲屏障方向的分量，取50m；

h-受聲點高度，取1.5m；

i-上下挑檐聲屏障寬度為3m。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 5種類型聲屏障衰減量計算

根據(jù)上節(jié)理論計算，依次計算5種結(jié)構(gòu)型式聲屏障在受聲點處0～2 000Hz頻率段的衰減量并進(jìn)行對比與分析，如圖7所示。

圖7 五種聲屏障的衰減量

在0～2 000Hz范圍內(nèi)聲屏障繞射聲衰減量都在增加，0～1 000Hz區(qū)域衰減量增長速度較快,1 000Hz后的頻率段衰減量增長速度放緩。單側(cè)聲屏障、上挑檐、下挑檐衰減量為11.8dB，上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障衰減量都可以達(dá)到18dB以上，整體效果較好。因此，下文針對上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障進(jìn)行區(qū)域噪聲網(wǎng)格計算并選型。

2.2 兩種聲屏障在不同區(qū)域噪聲計算與分析

為進(jìn)一步評估廊道不同區(qū)域受聲點消聲效果，本文針對U型聲屏及上下挑檐單側(cè)聲屏障進(jìn)行進(jìn)一步區(qū)域噪聲計算與分析。采用virtuallab對上述兩種型式聲屏障在不同區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格噪聲進(jìn)行計算，為進(jìn)一步選型提供理論依據(jù)。

1)計算參數(shù)設(shè)置 為了消除聲屏障兩端繞射聲的影響。設(shè)定聲屏障長度為300m，屏障厚度設(shè)置為100mm，廊道聲屏障高度設(shè)置為2.5m，聲源距地11.25m，計算區(qū)域選擇屏障聲影區(qū)側(cè)垂直截面，區(qū)域長100m， 距地面高度1.5～30m， 研究500Hz時聲壓級分布情況，布置情況如圖8所示。

圖8 廊道聲屏障布置模擬圖

2)計算結(jié)果與分析 上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障計算結(jié)果分別如圖9(a)、9(b)所示。高度1.5m時，U型聲屏障低聲壓級區(qū)域面積多于下挑檐單側(cè)聲屏障；高度11m時，距離聲源較近處兩種類型聲壓級值接近，距離較遠(yuǎn)處U型聲屏障聲壓級下降更明顯；高度30m時，距離聲源較近處兩上下挑檐單側(cè)聲屏障低聲壓級區(qū)域面積更多，距離較遠(yuǎn)處U型聲屏障聲壓級更低。

(a)上下挑檐單側(cè)聲屏障聲壓級分布 (b)U型聲屏障聲壓級分布圖9 兩種類型聲屏障聲壓級分布

由圖9數(shù)據(jù)整理出不同距離及高度兩種型式聲屏障的插入損失數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 兩種型式聲屏障不同區(qū)域插入損失(dB)對比

由表1及圖9可知當(dāng)高度為1.5m， 距離15m和30m時， U型聲屏障較上下挑檐單側(cè)聲屏障插入損失分別增加1.5dB、 3.1dB；距離50m時，U型聲屏障較上下挑檐單側(cè)聲屏障插入損失增加2.5dB； 距離增加到100m時， 兩種型式聲屏障插入損失相差0.7dB。

當(dāng)高度為11m， 距離15m和30m時，上下挑檐單側(cè)聲屏障較U型聲屏障插入損失分別增加1.3dB、2.2dB；距離50m時，上下挑檐單側(cè)聲屏障較U型聲屏障插入損失分別增加2.6dB、3.2dB；距離為100m時，U型聲屏障較上下挑檐單側(cè)聲屏障插入損失增加1.2dB。

高度30m時，距離15m及30m時，上下挑檐單側(cè)聲屏障較U型聲屏障插入損失增加2.6dB及3.2dB；距離100m時，U型聲屏障較上下挑檐單側(cè)聲屏障增加0.7dB。

因此，居民區(qū)高度較低(1.5m)時，U型聲屏障消聲效果好，居民區(qū)高度與噪聲源高度相近時或居民區(qū)高度較高(30m)時，距離噪聲源較近(50m)上下挑檐單側(cè)聲屏障消聲效果較好；距離噪聲源較遠(yuǎn)(100m)時U型聲屏障消聲效果好。

3 實際應(yīng)用與測試結(jié)果

針對安徽某電廠廊道噪聲對周圍居民區(qū)影響較大，需要治理，應(yīng)用上述方法對該居民區(qū)進(jìn)行計算分析并選型。該居民區(qū)經(jīng)測量距廊道噪聲源50m，廊道噪聲源高度11.25m，根據(jù)前文分析，選擇U型聲屏障對該居民區(qū)進(jìn)行噪聲治理，實施現(xiàn)場及受聲點治理前后倍頻程如圖10、圖11所示。

圖10 U型聲屏障現(xiàn)場圖

(a)受聲點治理前倍頻程

表2 U型聲屏障500Hz插入損失實測數(shù)據(jù)

根據(jù)表2可以看出，實測值與理論計算值誤差2dB以內(nèi)，達(dá)到預(yù)期效果，說明U型聲屏障選型合理。

4 結(jié)論

(1)上下挑檐單側(cè)聲屏障及U型聲屏障可作為優(yōu)先聲屏障選擇型式。

(2)居民區(qū)高度較矮(1.5m)時，U型聲屏障消聲效果好；居民區(qū)高度與噪聲源高度相近或居民區(qū)高度較高時，距離聲源較近上下挑檐單側(cè)聲屏障消聲效果較好；距離噪聲源較遠(yuǎn)(100m)時，U型聲屏障消聲效果好。

(3)根據(jù)某電廠居民點區(qū)域選取U型聲屏障進(jìn)行實際測試，達(dá)到預(yù)期治理目標(biāo)。