交通聲屏障計算機降噪系統(tǒng)研究

張曉娟 劉巖

1 大連科技學(xué)院機械工程系，大連 116052 2 大連交通大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，大連 116052

交通聲屏障計算機降噪系統(tǒng)研究

張曉娟1劉巖2

1 大連科技學(xué)院機械工程系，大連 116052 2 大連交通大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，大連 116052

由于運行中鐵路列車產(chǎn)生的輪軌噪聲，嚴重影響鐵路沿線居民居住環(huán)境，所以需要尋找一種降低鐵路噪聲的方法。本文通過分析各種降噪方法，結(jié)合降噪理論得出在噪聲源與居民區(qū)之間插入聲屏障是最有效的措施。結(jié)合聲屏障的聲學(xué)知識，利用計算機開發(fā)聲屏障降噪系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括聲屏障的幾何設(shè)計、構(gòu)造形式、聲屏障的景觀要求等，能很好的模擬聲屏障的降噪效果，對聲屏障設(shè)計具有一定的參考價值。

輪軌噪聲；聲屏障；計算機

近年來隨著我國鐵路的快速發(fā)展，經(jīng)過幾次大規(guī)模提速，部分干線旅客列車的最高運行速度已達到200km/h。列車運行速度的提高，輪軌、集電工以及空氣動力學(xué)等作用的不斷增強，客車內(nèi)外的振動和噪聲問題日益突出。鐵路沿線的居民受噪聲的影響越來越劇烈，為了進一步降低列車運行中車外噪聲，需要根據(jù)噪聲理論進行降噪治噪。

1 噪聲源分析

根據(jù)噪聲控制的一般原理分為：噪聲源的識別，噪聲傳播途徑確定，受聲者分析。如果要有效控制鐵路噪聲對沿線居民的影響，首先要確定鐵路產(chǎn)生噪聲的噪聲源。圖1代表噪聲源在線路方向的位置。

圖1 線路方向噪聲源

在鐵路運行產(chǎn)生的噪聲中，車輛上部的空氣動力噪聲和集電系噪聲主要影響鐵路客車車內(nèi)的聲環(huán)境質(zhì)量，車輛下部的輪軌噪聲和構(gòu)造物噪聲對鐵路沿線居民影響比較嚴重[1]。

2 噪聲源上控制噪聲措施

2.1 降低輪軌噪聲

首先對于車輛來說，采用合理的車輛結(jié)構(gòu)，可使?jié)L動噪聲和尖嘯聲降低。具體措施如下：

(1) 采用彈性車輪

改變車輪在軸向和徑向的機械阻尼，使車輪不易產(chǎn)生振動或改變其自振頻率，或者在車輪上裝消音器和阻尼大的材料，用來吸收車輪振動的能量，起到減小車輪噪聲的目的。國外噪聲測試表明，采用彈性車輪后，噪聲可降低5～6dB(A)[2]。

(2) 設(shè)置防振橡膠墊。

為了隔斷車輪的高頻振動，通過車軸、軸箱、彈簧、構(gòu)架、搖枕等部件向上傳遞到車體各部，在軸箱與彈簧之間設(shè)置防振橡膠墊，同時中央彈簧選用對高頻振動隔離性能較好的空氣彈簧，可使一次固體噪聲大大減小。

其次對于線路方面來說，在鋼軌下面鋪設(shè)防振橡膠墊，減小輪軌之間的沖擊作用力，從而起到減振降噪的目的。

2.2 降低構(gòu)造物噪聲的措施

構(gòu)造物噪聲的治理須從線路和結(jié)構(gòu)工程兩方面入手。

(1) 線路方面：橋上線路須平順, 鋼軌接縫要少, 保持鋼軌表面處于良好工作狀態(tài)。此外還可以在鋼軌和軌枕下增加彈性防振墊。

(2) 結(jié)構(gòu)方面：橋梁結(jié)構(gòu)要有較高的強度和較大的抗撓抗扭剛度, 一般不采用柔性結(jié)構(gòu), 梁部選用混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土等感熱遲鈍的材料。

不論采取哪種措施，噪聲均不可避免。當線路兩側(cè)有醫(yī)院、學(xué)校、住宅區(qū)時，最有效的方法是在傳播途徑上控制噪聲。采用的方法有在鐵路與受聲點之間設(shè)置聲屏障、種植綠化林帶、增大鐵路與受聲點之間的距離等。由于綠化林帶的高度有一定限制，增加兩者之間的距離不太現(xiàn)實，所以最可行的方法是設(shè)置聲屏障。聲屏障是一個降低交通噪聲的重要設(shè)施,大量的實驗和實例研究證明對距道路200m 范圍內(nèi)的受聲點有非常好的降噪效果[3]。

3 聲屏障計算機降噪系統(tǒng)

聲屏障通過干涉聲波傳播的作業(yè)到達降噪目的(如圖2所示) , 其降噪效果隨聲程路程差的增大而增加。一個足夠高和長的聲屏障可以對處于聲影區(qū)的受聲點降噪5～15dB (分貝)[3]。聲屏障的形狀和材料種類多種多樣, 可以用磚、混凝土、木材、金屬和其它材料來構(gòu)筑。修建聲屏障除考慮其降噪作用外, 還要注意其經(jīng)濟實用, 并與其所處環(huán)境相協(xié)調(diào)做到視覺滿意。

圖2 聲屏障降噪示意圖

由于聲屏障降噪效果突出，近年來利用聲屏障降噪得到廣泛普及，但是關(guān)于聲屏障的問題也隨之而來。有的聲屏障達不到預(yù)期降噪效果；有的聲屏障的建設(shè)費用很高，降噪效果不明顯等；聲屏障的設(shè)計、制造及降噪效果的預(yù)測分析等還沒有形成一定的理論體系。所以借助計算機進行聲屏障降噪系統(tǒng)研究就顯得非常重要了。本文基于C++的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計，利用Visual C++集成軟件開發(fā)環(huán)境進行的研究開發(fā)的，依據(jù)《聲屏障聲學(xué)設(shè)計和測量規(guī)范》[4]，進行聲屏障計算機降噪系統(tǒng)研究開發(fā)，取得一定的成果。

3.1 降噪系統(tǒng)的功能分析

3.1.1 具有面向?qū)ο笮裕^強的模塊化性能及較強的組合能力。具有友好的人機界面和良好的人機交互性，提供操作信息向?qū)Чδ堋?/p>

圖3 聲屏障計算機降噪系統(tǒng)界面

3.1.2 模擬預(yù)測系統(tǒng)遵循軟件工程學(xué)的原理，整個軟件采用圖標菜單、下拉式菜單、彈出式菜單、對話框等界面技術(shù)，提供在線幫助和靈活的提示信息，提供操作信息的向?qū)Чδ堋Ｕ麄€用戶界面的設(shè)計遵循“視窗”（Window）的標準，如圖3所示。

3.1.3 在繪制視圖上，可計算整個平面的點聲源和線聲源的聲波輻射圖，可以對照噪聲級顏色表，確定其聲壓級的大小。

3.1.4 噪聲預(yù)測點和居民保護區(qū)可以根據(jù)需要靈活的設(shè)置，并對其進行點聲源和線聲源噪聲計算以及對其進行聲屏障插入損失的計算。

3.1.5 點擊右鍵的彈出式菜單，可以快捷方便的進行所需要的操作，如刪除圖元、選擇圖元操作等，如圖4所示。

圖4 彈出式菜單

3.2 計算實例

根據(jù)聲屏障計算機降噪系統(tǒng)的設(shè)計，可以預(yù)測鐵路沿線有無聲屏障時交通噪聲大小。根據(jù)列車運行的聲輻射理論模擬成線聲源，根據(jù)實際測試分析線聲源的平均聲壓級，即噪聲聲壓級的大小。根據(jù)此數(shù)據(jù)和城市環(huán)境不同區(qū)域的噪聲標準預(yù)算聲屏障的插入損失（即降噪量），從而設(shè)計聲屏障的高度、形狀和材質(zhì)等。然后利用聲屏障計算機降噪系統(tǒng)進行模擬計算。計算演示結(jié)果如圖5所示。

圖5 線聲源的計算結(jié)果顯示

4 結(jié)論

4.1 該降噪系統(tǒng)界面的可視化程度高，狀態(tài)欄中顯示每一步繪圖的操作步驟。菜單欄和工具欄以具有代表性的圖形、文字表示，使系統(tǒng)的界面更具形象性，可讀性。

4.2 該系統(tǒng)聲源隨距離的衰減值以不同顏色的顯示，能清楚的獲得不同距離處噪聲值的大小。

4.3 具有強大的圖元編輯功能。對各圖元可以進行屬性設(shè)置、圖元選擇、圖元刪除等操作。

4.4 彈出菜單的運用，增強了系統(tǒng)的靈活性和可操作性。

[1]王伯福,王慧萍.鐵路噪聲污染與防治[J].鐵路標準設(shè),1998.12.44～45

[2]徐洲.高速鐵路輪軌噪聲影響因素分析與控制研究[M].西南交通大學(xué),2009

[3]孫華云.不同結(jié)構(gòu)型式降噪聲屏障的特性研究[M].大連交通大學(xué),2008.6

[4]國家環(huán)境保護總局.聲屏障聲學(xué)設(shè)計和測量規(guī)范,2004年7月12日發(fā)布

[5]尹立民,王興東.Visaul C++ 軟件項目開發(fā)實例,電子工業(yè)出版社, 2004年11月

[6]王彥紅,張振淼.城市軌道交通的噪聲及其防護[J].城市軌道車輛,1999.9:15～17

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.076