基于LMS Virtual.Lab的聲屏障結構對其聲學特性影響分析

胡 薇，孫鳳英，馮 霞

(東北林業大學 交通運輸學院，哈爾濱 150040)

隨著現代化進程的不斷推進，汽車越來越成為人們出行必不可少的代步工具，隨之而來的噪聲問題也開始引起人們的關注。根據全國的環境監測結果表明：目前全國城市噪聲超標路段平均達60％以上，受交通噪聲污染的面積已超過30％[1-4]。如何有效的降低城市交通噪聲污染，為居民創造更好的生活環境，已成為當代社會迫切需要解決的問題之一。

在降低噪聲傳播三條途徑中，切斷傳播途徑是最可行有效的方法之一。為了降低接收點的聲壓級，在聲源和接收點之間插入一個使聲波在傳播過程中產生顯著附加衰減的隔聲設施，即聲屏障，從而降低一定范圍內的噪聲影響。因此，聲屏障作為一種實用并且有效的降噪措施廣泛應用于國內外的道路上。

LMS Virtual.Lab Acoustics軟件是全球領先的專門用于噪聲分析的CAE軟件，它建立在CATIA V5平臺上，不僅完全繼承了SYSNOISE的強大功能，還極大發展了最先進新技術。本文以Virtual.Lab Acoustics為平臺進行聲屏障的仿真，通過不同結構聲屏障插入后聲場的變化以及插入損失的變化規律，分析不同結構聲屏障的降噪性能。

1 聲屏障降噪原理

惠更斯——菲涅耳理論[5](Huygens-Fresnel principle)是聲屏障降噪理論的基礎，當聲波在傳播過程中遇到障礙物(聲屏障)時，會分成三個部分，一部分聲波發生了反射，一部分聲波繞過聲屏障到達接收點，一部分聲波則透過聲屏障到達接收點，因此，在聲屏障降噪就是要阻擋直達和透射聲波，并使繞射聲得到足夠的衰減，從而降低接收者(受聲點)的聲壓級。插入損失就是在保持噪聲源、地形、地貌、地面和氣象條件不變情況下，同一噪聲源在聲屏障安裝前后在同一受聲點先后測定的噪聲聲壓級之差，因此聲屏障降噪效果的評價一般采用插入損失來衡量。

2 聲屏障的插入損失計算

聲屏障插入損失IL的計算式為：

IL=ΔLd-ΔLt-ΔLr-max(ΔLs，ΔLG)。

(1)

式中：IL為插入損失；ΔLd為繞射聲衰減；ΔLt為透射聲修正量；ΔLr為反向聲修正量；ΔLs為地面吸收聲衰減；ΔLG為障礙物聲衰減

因為障礙物和地面效應是相互影響相互制約的，若有障礙物，地面效應就會失效，所以ΔLs和ΔLG一般不會同時存在，則公式(1)選取兩者中最大的。建立聲屏障以后，原有的障礙物和地面的吸收的能量就可以忽略不計，所以公式(1)要減去max(ΔLs，ΔLG)，則公式可變為：

IL=ΔLd-ΔLtΔLr。

(2)

2.1 繞射衰減的計算

2.1.1 點聲源

若線聲源的長度小于聲源到受聲點之間的距離的1/3時，即聲源到受聲點的距離遠大于線聲源長度時，線聲源可看做點聲源，則其繞射衰減可由公式(3)計算：

(3)

2.1.2 線聲源

當聲源為一無限長不相干線聲源時，其繞射聲衰減為：

(4)

式中：f為聲波頻率，Hz；δ=A+B-d為聲程差，m；c為聲速，m/s。

2.2 透射聲修正量ΔLt的確定

透射聲修正量ΔLt，的大小主要取決于聲屏障的傳聲損失，ΔLt可由下列公式計算：

ΔLt=ΔLd+101g(10-ΔLd/10+10TL/10)。

(5)

其中TL為聲屏障傳聲損失，計算公式為：

TL=101g(Ei/Et)。

(6)

式中：Ei為聲波的入射聲能；Et為聲波的透射聲能。

2.3 反射聲修正量ΔLr的確定

決定反射聲修正量ΔLr的因素很多，比如聲屏障、受聲點和聲源的位置高度，聲屏障是否是單側安裝，如果是單側安裝，ΔLr可忽略不計，如果是兩側安裝，則要考慮兩者之間的距離，還有聲屏障的降噪系數NRC。一般情況下，ΔLr為0.5～6dB(A)之間，若NRC>0.5使得ΔLr<1dB(A)時，ΔLr可以忽略不計。

因此，不同的結構型式對聲波的繞射和反射都有較大的影響，即對聲屏障的插入損失具有一定的影響。

3 建立模型

3.1 聲屏障結構模型

在Virtual.Lab的幾何建模模塊(Geometry)直接建立4種常見結構型式的聲屏障，如圖1所示。

3.2 劃分網格

在Virtual.Lab的網格劃分模塊(Meshing)中，選擇CAD Meshing，進行網格劃分，因為六面體網格和四面體網格不影響此次仿真計算的結果，為計算簡便，采用四面體網格，網格大小根據小于最小波長的1/6確定。

3.3 設置相關參數

(1)聲屏障材料統一選用PMMA板，材料參數見表1。

圖1 結構圖

表1材料設置參數

Tab.1 Material parameters

材料密度/kg·m-3楊氏模量/N·m-2泊松比厚度/mmPMMA1 1805.35e+0100.3512

(2)研究車輛噪聲頻譜可以為聲屏障設計提供可靠依據，是聲屏障設計時重要影響因素。根據對車輛行駛噪聲的頻譜分析得出，頻率在250～2 000Hz時聲壓級較大。因此提交計算時，頻率范圍設為：100～2 000Hz，步長為100Hz。

(3)因為交通流屬于連續性聲源，按線聲源設置。

4 仿真分析

4.1 插入損失分析

通過 Virtual.Lab Acoustics軟件直接得出各頻率下4種結構的插入損失(Insertion Loss)如圖2所示。

圖2 插入損失頻譜分析圖

根據圖2可以看出，隨著頻率增加，插入損失各結構聲屏障呈增長趨勢，總體來看，低頻區的降噪效果不太理想，因為低頻區的波長較長，聲波更加容易產生繞射，仿真結果符合噪聲繞射衰減規律。當計算頻率為200Hz時，聲波在傳播過程中受聲屏障的干擾逐漸明顯，說明了聲屏障的降噪作用隨著頻率的增加逐步增強。在低頻區200Hz時，圓弧型聲屏障降噪效果最好，傾斜板和T板次之，直板型最差；在等效聲能量主要集中的400Hz時，圓弧和T板都能起到很好的降噪效果。當頻率進入中高頻區時，各結構聲屏障插入損失陸續達到峰值見表2。

表2 插入損失峰值表

插入損失峰值各結構聲屏障差距不大，并且集中在800～1 000Hz出現。根據圖2可以看出，各聲屏障在700～1 300Hz都能起到很好的降噪效果。因此在選取聲屏障結構時，應根據道路車型及相關頻率進行選擇。

4.2 位移幅值分析

根據研究發現噪聲能量主要集中在400Hz左右[6]，因此，可以認為聲屏障對城市道路交通噪聲的衰減是對400Hz左右聲波的衰減，圖3為400Hz時各結構聲屏障的位移幅值。

根據圖3可看出，直板型聲屏障的最大位移幅值集中在板中部，在進行聲屏障設計中，可在中部采用吸聲材料或結構，增強中部的吸聲性能達到提高插入損失的目的。

傾斜板的最大位移幅值集中在中部偏下，可在聲屏障設計時，下方采用微孔結構，T板和圓弧型板的最大位移幅值均集中在頂部，為防止頂部質量太大而降低應對惡劣氣候環境和抗風能力下降，可將頂部采用吸聲材料來加強聲屏障的吸聲性能。

5 結 論

(1)聲屏障是降低交通噪聲的有效方法之一。

圖3 400Hz位移幅值圖

(2)聲屏障的降噪效果高頻噪聲高于低頻噪聲。

(3)在低頻噪聲區，采用圓弧型和T型聲屏障的降噪效果略高于直板型和傾斜型。

(4)在進行聲屏障結構設計時，直板型和傾斜型可在位移幅值最大中部和中下部采用微孔等吸聲結構，圓弧型和T型可在頂部選用吸聲材料來達到更好的降噪效果。

【參 考 文 獻】

[1]彭立新，胡衛保.道路聲屏障設計探討[J].冶金礦山設計與建設，2001，33(5)：39-41.

[2]苗齊壯，孫鳳英，張梅美.基于TransModeler軟件的公交信號優先模型研究[J].森林工程，2012，28(3)：47-50.

[3]劉 瑛，劉國民.公交優先仿真系統概念設計[J].公路工程，2012，37(1)：120-122+127.

[4]葉 穎，王志瑞，翟云波，等.高速公路聲敏感點聲場分布模擬與仿真[J].公路工程，2013，38(2)：71-74.

[5]Webb J D.Noise control in Industry(Third edition)[M].England：Sound Research Laboratories Ltd，1991.

[6]盧向明.道路聲屏障聲學特性與聲學設計研究[D].杭州：浙江大學，2004.