不同條件下橡膠壩下泄水流水噪聲研究

郭維東，田茹妍，趙光昱(.沈陽農業大學 水利學院，沈陽 0866；.廣東珠榮工程設計有限公司，廣州 5060)

橡膠壩[1]是常見的水工建筑物，下游通常有與它相鏈接的消能設施。通常牽涉到水利工程的問題上，人們大都會將關注的重點放在水文計算及水工結構計算上[2]，即建筑物結構的功能性、穩定性和安全性、消力池內的消能和設計。關于在泄流過程中由于水的流動而產生劇烈振動，伴隨巨大的水噪聲，這方面問題的研究卻非常有限。而出于對環境影響的考慮，尤其是隨著親水景觀設施在城市、城郊等人口相對密集區域的逐漸普及，人們漸漸開始關注消力池內由于下泄水流入池后產生的水噪聲問題[3,4]。故此次試驗研究水噪聲作為研究的新一面，需要進一步去探討研究，分析水噪聲的傳播規律。

1 模型試驗

1.1 試驗模型

整個試驗在自循環水槽里完成，自循環水槽利用0.5 cm厚的有機玻璃板制作，寬50 cm，中軸線長1 071 cm。整個供水系統由上下兩個水箱共同完成，水箱利用聚乙烯板制作，上面的水箱為整個水槽提供恒流，下面的水箱為儲水水箱，既為上面水箱供水同時接收水槽排出的水量，兩個水箱利用3臺MP-8500水泵和兩臺WQD6.8-15-0.75連續供水，水箱與水槽用塑料管相連接，最大設計流量8 L/s。具體見圖1(a)。

該試驗模型在水槽段，先設置一集水箱，然后設置穩流板，距離試驗段為150cm，后接消力池，在該段進行水流噪聲測量，該段總長90 cm，該段每隔30 cm設一卡槽，通過調節消力池長度和消力尾坎高度，即調劑下游水位，以改變消力池內的水流狀態。詳見圖1(b)。

橡膠壩的尺寸見圖2。

①水箱一；②水箱二；③上水區；④紊流區；⑤試驗區；⑥尾水區；⑦紊流板；⑧測流區；⑨測流堰；⑩水箱水面高度；□球形閥門圖1 試驗水槽示意圖(單位：mm)Fig.1 The plan of the experimental sink the sectional view of the experimental sink

圖2 橡膠壩剖面圖(單位：mm)Fig. 2 The size of energy dissipater of rubber dam

整個消力池的內部區域，為物理實驗測量觀測區域，主要觀測內容為橡膠壩下泄水流噪聲[5]。測量儀器包括：溫度計，三角形量水堰，精度為1 mm的鋼尺，ZonicBook/618專業振動噪聲分析系統，Ez-Analyst實時振動聲學分析軟件。

1.2 試驗方案

通過試驗測量3種流量狀態，3種消力尾坎高度，3種消力池長度下水流噪聲，分別是Q1=4.8 L/s、Q2=5.9 L/s、Q3=8 L/s；3種消力尾坎高度：H1=1.0 cm、H2=2.0 cm、H3=3.0 cm；3種消力池長度：L1=30.0 cm，L1=60.0 cm，L1=90.0 cm。

由于數據量大且數據趨勢一致，試驗數據現選取典型數據進行分析。試驗中有3種可變因素，設定其中兩種為定性條件，另一種為可變條件，具體設定工況見表1。表中下腳標i表示流量Qi工況狀態下，腳標j表示消力池區域長度Lj工況狀態下，腳標k表示消力池下游尾坎高度Lk工況狀態下。

表1 水噪聲數據分析工況表Tab.1 The classification of water noise data analysis

1.3 測點布置

確定試驗坐標系為：原點布置在消力池入口底部中點；X軸為水槽底部軸線，順水流方向為正；Y軸指向水槽左岸并垂直于水流方向；Z軸為鉛垂線，向上為正。

本實驗目的分析水噪聲最大值位置及聲壓值大小分布規律，水面以上噪聲測點共布置3個高度，分別為10、15、20 cm；水面以下噪聲測點布置在水槽的底板上，水槽底板布置的噪聲測點在X、Y平面，Y軸方向共有3行測點，每一行的測點沿X軸成列排列，測點的行、列間距均為10 cm，下文對噪聲測點分析按照測點的布置順序進行分析，如提到2號測點指的是2號測點對應橫斷面處的數據，具體布置見圖3。

圖3 消力池內壓強測點平面布置圖(單位：mm)Fig.3 Pressure points plan of the stilling basin

2 試驗結果分析

2.1 試驗區內水噪聲的產生和傳播

泄流噪聲來自于下泄水股產生強烈的撞擊、摩擦、脈動、顫振等，可發生在水流內部、水與固體界面和氣體界面之間，其不僅對周圍建筑物結構穩定有影響，同時也是水流噪聲聲源。水躍發生在消力池內，對噪聲起到了促進作用，高速水流通過，載有紊動旋滾及波動的水體時，勢能與動能的轉換，期間伴隨著能量的損失現象，此種物理現象的出現因泄流型式及泄水建筑物結構而不同，且與下泄水流的型態、下游的承接條件、水流所挾帶的能量及其消耗緊密相關[6]。

當水流從橡膠壩下泄后產生噪聲，分別在空氣、水槽邊壁和水流中進行傳播。并且在水面和空氣的接觸面產生折射、反射和衍射等物理學變化。本試驗證實溢流堰下泄水流的噪聲變化最大產生在下泄水流注入消力池內，噪聲值從此處按橫向和縱向距離逐漸減小[7]。

2.2 消力池尾坎高度變化對消力池內水噪聲數值的影響分析

取工況X111、X112、X113作為討論對象。三者具有相同的上游來水流量(4.8 L/s)、相同的消力池長度30 cm，消力池的尾坎高度分別是1、2、3 cm。

圖4 X111工況2、3號測點噪聲頻譜圖Fig.4 2,3 points noise spectrum of program X111

圖5 X111工況4、5號測點噪聲頻譜圖Fig.5 4,5 points noise spectrum of program X111

X111工況下，水槽中的測點處聲壓值總體上隨著頻率的增大而減小，越往下游的位置噪聲值越小；由圖可以看出，在0～2 000 Hz內，2號測點的聲壓值明顯低于3號測點值，差值幅度為0～10 dB，噪聲主頻值產生在50 Hz附近，值為44 dB；在2 000～5 500 Hz內，兩個測點數據相互重疊，變化范圍一致，二者差值很小，在高頻率段，2號測點聲壓值明顯高于3號測點值，差值幅度為5～10 dB；4號、5號測點在0～1 500 Hz內變化一致，二者差值較小，二者噪聲最大值產生在低頻區域，在中頻段，4號測點數據明顯高于5號，在低頻段二者聲壓值均小于0，聲壓值變化幅度為-20～-5 dB。

圖6 X112工況2、3號測點噪聲頻譜圖Fig.6 2,3 points noise spectrum of program X112

圖7 X112工況4、5號測點噪聲頻譜圖Fig.7 4,5points noise spectrum of program X112

X112工況：在0～1 500 Hz內，2號聲壓值變化幅度為20～30 dB，明顯低于3號測點的變化幅度為30～50 dB，噪聲產生最大值為48 dB位于3號斷面處，4、5號在此范圍內數據相互重合，數據值相差不大，聲壓值變化幅度為20～40 dB上下浮動；中頻段在1 500～7 500 Hz范圍內，聲壓值是隨著頻率的升高下降的，2、3號測點在2 500～5 000 HZ，從5～20 dB上下波動，兩測點聲壓值相差不大，4、5號明顯在0～10 dB上下波動，4號測點聲壓值普遍高于5號測點，5 000 Hz以后，高頻段是頻譜的低能量區，2號測點相比較其他三個測點數值偏大，而3、4、5處聲壓值均位于0 dB上下波動，直至消失。

圖8 X113工況2、3號測點噪聲頻譜圖Fig.8 2,3 points noise spectrum of program X113

圖9 X113工況4、5號測點噪聲頻譜圖Fig.9 4,5points noise spectrum of program X113

X113工況：在1 500 HZ內，2、3號聲壓值變化幅度均為30～50 dB，兩處數據相重疊，聲壓值大小相差不大，在500 Hz處噪聲最大值為50 dB左右，4、5號在此范圍-內數據相互重合，數據值相差不大，聲壓值變化幅度為20～40 dB上下浮動；中頻段在1 500～7 500 Hz范圍內，聲壓值是隨著頻率的升高下降的，這四個測點位置處的聲壓值高低依次是2>3>4>5，測點的變化幅度依次為10～38、0～30、0～20、-10～20 dB；在高頻段2號測點聲壓值從0～10 dB上下浮動，其余三處在0值上下浮動，5號測點有的頻率下處于負值。

總結：從所有的頻譜來看變化趨勢，各工況噪聲頻譜圖形狀相似[8]，隨頻率升高而聲壓值逐漸下降的趨勢，主頻均位于1 000 Hz以內，越過主頻后，聲壓值急速下降，聲能量降低；圖中聲壓值呈階梯下降，在低頻區，是聲激勵的高能量區，聲壓值較大，而高頻段是能量的薄弱區，聲壓值最小，水聲沿程是在損耗能量；在流量相同、消力池長度相同下，尾坎高度的改變會影響噪聲值的大小，即尾坎高度越小，噪聲值顯著增大，一個工況下噪聲產生的最大值位于2號測點，聲壓值隨頻率變化總體趨勢一致。

2.3 消力池長度變化對消力池內水噪聲數值的影響分析

取工況X313、X323、X333作為討論對象。三者具有相同的上游來水流量(8 L/s)、相同的消力尾坎高度3 cm，消力池長度分別為30、60和90 cm。

圖10 X313工況2、3號測點噪聲頻譜圖Fig.10 2,3 points noise spectrum of program X313

圖11 X313工況4、5號測點噪聲頻譜圖Fig.11 4,5 points noise spectrum of program X313

X313工況：在1 500 HZ內，2號聲壓值變化幅度為30～40 dB，有三處峰值達到50 dB，3號聲壓值隨頻率變化為23～38 dB，從圖可以明顯看出此區域是聲激勵的高能量區，2號處聲壓值總體均大于3號聲壓值，最大聲壓值產生在2號測點500 Hz處為40 dB，4、5號在此范圍內數據相互重合，二者聲壓值變化幅度均為25～40 dB上下浮動；中頻段在1 500～7 500 Hz范圍內，聲壓值總體上隨著頻率的升高下降的；在高頻段各點處聲壓值均為負數。

圖12 X323工況2、3號測點噪聲頻譜圖Fig.12 2,3 points noise spectrum of program X323

圖13 X323工況4、5號測點噪聲頻譜圖Fig.13 4,5 points noise spectrum of program X323

圖14 X323工況6、7號測點噪聲頻譜圖Fig.14 6,7 points noise spectrum of program X323

X323工況：在1500HZ內，2號聲壓值變化幅度為30～40 dB，3號聲壓值隨頻率變化為18～33 dB，從圖可以明顯看出此區域是聲激勵的高能量區，2號處聲壓值總體均大于3號聲壓值，最大聲壓值產生在2號測點262 Hz處為47 dB。4、5號在此范圍內數據相互重合，二者聲壓值變化幅度均為20～38 dB上下浮動，噪聲產聲最大值為5號測點上。6號測點在625 Hz以內的聲值變化幅度為30～42 dB，相對7號測點聲壓值偏高，為主峰區；中頻段在1 500～7 500 Hz范圍內，聲壓值總體上隨著頻率的升高下降的；在高頻段各點處聲壓值均為負數。

圖15 X333工況2、3號測點噪聲頻譜圖Fig.15 2,3 points noise spectrum of program X333

圖16 X333工況4、5號測點噪聲頻譜圖Fig.16 4,5 points noise spectrum of program X333

圖17 X333工況6、7號測點噪聲頻譜圖Fig.17 6,7 points noise spectrum of program X333

圖18 X333工況8、9號測點噪聲頻譜圖Fig.18 8,9 points noise spectrum of program X333

X333工況：在1500HZ內，聲能的主能量區，2號聲壓值變化幅度集中在30～40 dB。0～1 000 Hz，3號聲壓值隨頻率變化為25～33 dB，1 000～1 500 Hz內聲壓值降低，變化幅度為18～28 dB，從圖可以明顯看出低頻段是聲激勵的高能量區，2號處聲壓值總體均大于3號聲壓值，最大聲壓值產生在2號測點300 Hz處為45 dB。4、5號在此范圍內數據相互重合，在800 Hz內二者聲壓值變化幅度均為23～38dB上下浮動，在800～1 500 Hz，聲壓值變化幅度為20～30 dB，二者聲壓值最大均為30 dB。6號測點在1 000 Hz以內的聲值變化幅度為20～30dB，有兩個峰值達到38 dB，相對7號測點相同頻率下的聲壓值大，為主峰區。1 000～1 500 Hz內二者聲壓值均有下降，變化幅度為18～23 dB。8號測點在此頻段內聲壓值明顯低于9號測點處的聲壓值，在800 Hz內二者聲壓值變化幅度為20～30 dB，9號測點聲壓值達到最大為37 dB，800～1 500 Hz，聲壓值均變化在4～18 dB；中頻段在1 500～7 500 Hz范圍內，聲壓值總體上隨著頻率的升高下降的，聲壓值最開始從3 000 Hz以后出現負值的在最下游兩個測點上即8、9號，2號測點聲壓值未出現負值；在高頻段除2號測點為聲壓值均為負數。

總結：從圖上可知當工況為X313時，聲壓值的變化幅度主要集中為30～45 dB，有三處峰值對應處的聲壓值達到了52～60 dB，352 Hz處的聲壓值為55 dB；X323時，聲壓值的變化幅度主要集中為20～40 dB，有四處峰值對應的聲壓值達到了40～47 dB，250 Hz處的聲壓值為47 dB；X333時，聲壓值的變化幅度主要集中為30～40 dB，有一處峰值對應處的聲壓值達到了45B，即300 Hz處值最大。可見，橡膠壩隨著消力池長度的增長，聲壓值也是總體下降[9]。

2.4 流量的變化對水噪聲數值的影響分析

取工況X113、X213、X313作為討論對象。三者具有相同的消力池長度30 cm、相同的消力池尾坎高度3 cm，流量分別為4.8、5.9、8 L/s。

工況為X113，X313的水噪聲頻譜曲線分析見上文。

圖19 X213工況2、3號測點噪聲頻譜圖Fig.19 2,3 points noise spectrum of program X 213

圖20 X213工況4、5號測點噪聲頻譜圖Fig.20 4,5 points noise spectrum of program X213

X213工況：在1 500 HZ內，2號聲壓值變化幅度為26～40 dB，在1 000 Hz以內，有八處峰值達到42～44 dB，3號聲壓值隨頻率變化主要集中在16～30 dB，從圖可以明顯看出此頻段是聲激勵的高能量區，2號處聲壓值總體均大于3號聲壓值，最大聲壓值產生在2號測點400 Hz處為45 dB，4、5號在此范圍內數據相互重合，二者聲壓值變化幅度均為15～32 dB上下浮動，有一處4測號的峰值達到了36 dB；中頻段在1 500～7 500 Hz范圍內，聲壓值總體上隨著頻率的升高下降的；在高頻段各點處聲壓值均為負數。

總結：在消力池長度及消力池尾坎高度相同的時，聲壓值是隨著流量的增大而總體上升高，最大聲壓值的位置位于2號測點上的斷面，其余測點聲壓值隨頻率的變化相差不大。

3 結 語

(1)在流量相同、消力池長度相同下，尾坎高度的改變會影響噪聲值的大小，即尾坎高度越小，噪聲值顯著增大，一個工況下噪聲產生的最大值位于2號測點，聲壓值隨頻率升高而下降。

(2)在相同的上游來水流量、消力池尾坎高度相同時，橡膠壩下泄水流噪聲值是隨著消力池長度的增長而下降。

(3)在消力池長度及消力池尾坎高度相同的時，聲壓值是隨著流量的增大而總體上升高，最大聲壓值的位置位于2號測點上的斷面，其余測點聲壓值隨頻率的變化相差不大。

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