不同頂端結構聲屏障繞射聲衰減量模擬分析

王金瑞，李舜酩，韓寶坤

（1.南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 210000 2.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590）

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不同頂端結構聲屏障繞射聲衰減量模擬分析

王金瑞1，李舜酩1，韓寶坤2

（1.南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 210000 2.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590）

摘要：針對不同頂端結構的聲屏障對繞射聲衰減量的影響，對四種常見的頂端結構利用國標GB/T17247.2-1998中規定的繞射聲衰減量公式進行計算分析，根據0-5 000 Hz頻域段內四種結構的繞射量變化曲線選擇出最佳構型，結果表明Y形和T形結構繞射聲衰減量最多，且幾乎相等；然后通過聲學軟件Virtual Lab對Y形和T形結構進行隔聲效果仿真分析，根據聲影區內聲壓級分布情況判斷降噪效果，結果顯示Y形結構的聲壓級較T形降低覆蓋面積更廣，并計算這兩種結構的插入損失，結果顯示Y形結構較T形障板的降噪效果更好。

關鍵詞：聲學；聲屏障；頂端結構；繞射量；仿真分析；插入損失

面對日益嚴重的交通噪聲擾民現象，聲屏障在道路交通噪聲的控制上所表現出來有效的吸聲隔聲性能及其廣闊的發展前景引起了越來越多學者和機構的關注。國外對聲屏障研究主要是針對其聲學特性和幾何形狀研究了聲波的傳播規律和聲屏障的插入損失，Van Leeuwen[1]測試了14種不同的聲屏障模型，對比后發現都有各自突出的聲學性能。Salomons[2]研究了在空氣折射的情況下聲屏障插入損失模型，比較聲波經過聲屏障時的傳播，經由類比法得到模型的精度。國內研究主要針對噪聲的聲源和聲屏障的聲學結構研究，張增海[3]根據國標(GB/ T27347.4-2009)中規定的聲屏障對點聲源插入損失的計算公式[4]，將列車噪聲設置為線聲源，設鐵路兩側聲屏障的長度為無限長，運用Matlab編程計算，計算與測量及理論分析結果對比，表明該模型能達到預期效果。高莉萍[5]等結合鐵路聲屏障聲學結構設計時涉及到的問題，研究了聲屏障聲學結構設計原則和幾種不同繞射聲衰減量的理論計算方法。

聲屏障不同頂端結構對繞射聲會產生不同的影響，所以通過研究不同頂端結構繞射聲衰減量的分布情況[6]可以適當選擇出應用在城市居民區附近的最佳構型，居民區一般都為高層建筑，因此對聲屏障在相對較高位置的降噪性能有一定要求。

本文以聲屏障頂端結構作為研究對象，探究聲波在遇到聲屏障時的繞射聲衰減，通過對不同頂端結構的分析選擇出最佳結構，也對聲屏障的研究應用提供一些理論依據和數據。

1聲屏障構型選擇

聲屏障高度設計一般在3 m～5 m，過高的聲屏障會對人們視覺產生壓迫感，相對較低的障板上添加不同頂端繞射結已構成為當今聲屏障結構設計的重要發展趨勢。本文設計以3 m為基本高度[7]，對不同繞射結構進行繞射聲衰減量分析。

選取聲源的位置在聲屏障內側距障板水平距離為4 m處，接收點在障板背側后20 m處，高度均在水平地面上，根據我國交通噪聲頻譜特點設置聲波頻率范圍為100 Hz～5 000 Hz[8]。當聲源為點聲源時，聲屏障可視為無限長聲屏障。根據GBT 17247.2-1998[9]中規定其繞射聲衰減計算公式為：DS=10lg[3+(C2/λ)C3zKmet]dB。式中：C2等于40，不考慮地面反射影響，C3等于1，單繞射；

λ——聲波波長為聲速，f為頻率；

z——聲程差，m；

Kmet——氣象影響修正因子，等于1。

1.1直立型聲屏障

由圖1得，A=5 m，B=20.2 m，d=24 m得

z=A+B-d=5+20.2-24=1.2 m

圖1　直立型聲波繞射路徑

1.2內傾型聲屏障

由 圖 2得 ，A=4.615 m ，B=20.715 m ，d=24 m得

z=A+B-d=4.615+20.715-24=1.33 m

圖2　內傾型聲波繞射路徑

1.3 Y形聲屏障

由 圖 1.3得 ，A=4.814 m ，B=20.585 m ， d=24 m得

z=A+B-d=4.814+20.585-24=1.399 m

圖3　Y形聲波繞射路徑

1.4 T形聲屏障

由 圖 4得 ，A=4.811 m ，B=20.582 m ，d=24 m得

z=A+B-d=4.811+20.582-24=1.393 m

圖4　T形聲波繞射路徑

將菲涅爾數代入繞射聲的衰減量的計算公式DS=10lg[3+(C2/λ)C3zKmet]dB

經Matlab計算得如圖5。

圖5　四種聲波繞射衰減量結果對比

由圖1.5可知，在聲屏障后水平距離20 m處隨著頻率的增加，四種不同頂端結構的聲屏障的繞射聲衰減量都呈上升趨勢，在低頻區域上升趨勢很快，到高頻區域上升趨勢減緩，到5 000 Hz處都能達到28 dB以上。其中Y形和T形的繞射聲衰減最多且幾乎相等，因此在下文中主要對Y形和T形結構聲屏障進行仿真分析并確定結構選形。

2　聲屏障聲學結構仿真

采用聲學軟件Virtual Lab對Y形和T形結構的聲屏障進行仿真分析，觀察聲屏障背后區域的聲場分布情況，根據結果選擇出適合用于城市道路兩側的聲屏障頂端結構。

2.1聲屏障仿真條件設定

（1）噪聲源條件設置

將道路交通噪聲假設成一條線聲源，根據交通噪聲頻率段特點，線聲源的頻率取500 Hz[10]，障板離線聲源的水平距離是4 m。

（2）聲屏障布置

假定聲屏障水平長度是200 m，計算在中間位置100 m處剖面的聲影區，這是為了消除障板兩端的側向聲繞射影響。聲影區的范圍為障板后水平距離50 m高度30 m內，研究在此范圍內的聲壓級的分布情況，符合交通噪聲對兩側居民區噪聲波及范圍的實際狀況。本文在研究聲屏障的聲壓級分布上是選取與聲屏障垂直的立面進行研究，布置情況如圖6，線聲源距離障板的水平距離為4 m，豎直網格是要分析的聲影區的聲壓分布剖面。同障板的豎面垂直，寬為50 m，高為30 m。

圖6　聲屏障降噪模擬分析布置圖

2.2屏障背后聲場分布仿真結果

（1）無聲屏障時噪聲傳播

圖7是在未布置聲屏障時的聲壓分布情況，以此為基礎對比布置了聲屏障之后的聲場分布情況。

圖7　未設置聲屏障時交通噪聲聲壓級分布

（2）Y形聲屏障仿真結果

由圖8可以看出，相比于未布置聲屏障的情況，聲壓分布在大范圍內都有所降低，并且表示低聲壓級的深黑色區域在50 m處要高出聲屏障的高度。

圖8　Y形聲屏障降噪效果模擬聲壓級分布

（3）T形聲屏障仿真結果

由圖9可以看出，相比于Y形聲屏障，表示低聲壓級的深黑色區域分布比較緊湊，而且都集中在小于3 m高的區域內，即都沒有超出T形聲屏障的高度。

圖9　T形聲屏障降噪效果模擬聲壓級分布

3降噪仿真結果分析

由圖7、圖8、圖9可以看出，在聲屏障后水平距離20 m處Y形和T形聲屏障降噪量都能達到17 dB以上，隨著水平距離的不斷增加降噪量逐步增加。對比這兩種不同的聲屏障頂部結構，可以看出其后面形成的聲壓分布也有很大差異，Y形形成的聲壓級分布的層次相比T形更清晰明顯，而T形聲壓級的分布相對比較集中，且在高度3 m以下的聲壓級分布都相對較低，而在3 m以上降噪效果則不明顯，所以T形聲屏障適合用于高速公路兩側，瀕臨城鎮農村建筑周圍。而Y形聲屏障在較高的高度也有較好的降噪效果，即其聲壓級降低的覆蓋面積更廣，所以適用于城市道路兩側，瀕臨高層建筑的地區。

3.1插入損失計算

為更直觀地觀察聲壓級的分布情況，引入插入損失的計算。插入損失（IL）是指保持噪聲源、地形和氣候條件不變的情況下安裝聲屏障前后受聲點處測得聲壓級之差，如下式所示[11]

ΔLd——繞射聲衰減；

ΔLt——透射聲衰減；

ΔLr——反射聲衰減；

ΔLs——障礙物聲衰減；

ΔLG——地面吸收聲衰減。

表1列出Y形和T形聲屏障在10 m、20 m、30 m、40 m、50 m等不同距離，高度2 m～20 m范圍內插入損失。列出的插入損失為聲影區內數據，對比這兩種不同頂端結構聲屏障的降噪效果。

由表1可知，在高度低于障板高度的位置，不同距離隔聲降噪效果較好的是T形結構。如在高度2m，距離30 m時，T形結構插入損失為14.10 dB，比Y形結構高0.65 dB。隨著高度增加到2 m以上，降噪性能顯著下降，如距離30 m時，高度2 m降噪量為14.10 dB，而高度8 m時，降噪量降為6.35 dB，插入損失下降量達到7.75 dB。而Y形聲屏障在距離30 m，高度從2 m增加到8 m時，插入損失降低量為4.10 dB。因此T形結構適用于低位置降噪。

表1　兩種結構插入損失比較/dB

而Y形聲屏障在較高高度仍有較好的降噪效果，隨高度增高，插入損失下降比T形少。如在50 m距離，高度20 m的位置，插入損失比T形聲屏障高1.09 dB，測點高度由2 m升高到20 m時，Y形聲屏障插入損失變化量為9.31 dB，T形聲屏障插入損失變化量為11.04 dB。因此Y形聲屏障在高度增加時插入損失降低量較小，比較適用于道路兩邊較高的建筑，即在較高的位置仍然有較好的降噪效果。

究其原因，因為Y形聲屏障的頂部分叉結構，可以使聲波在分叉處發生衍射，同時在分叉處又可經歷多次反射，聲能得到消耗，所以在較高位置有較好降噪效果。而T形的頂部結構向兩端延伸，在較低位置對聲波繞射遮蔽較多，因此有較好隔聲效果，隨著高度上升，頂端遮蔽功能越來越弱，所以在較高位置隔聲效果較差。

3.2仿真結果對比

表2列出了文獻[12]使用聲學仿真軟件Raynoise得出的數據。

由表2可知，各組仿真數據均比表1數據略低，隨水平距離和高度的變化趨勢與表1相同。如在距離為30 m，高度從2 m增加到8 m時，Y形和T形的插入損失降低量分別為3.3 dB和7.1 dB，與表1的4.10 dB和7.75 dB數值近似。同樣在距離50 m處，測點高度由2 m升高到20 m時，Y形聲屏障插入損失變化量為7.9 dB，T形聲屏障插入損失變化量為10.2 dB。與表1的9.31 dB和11.04 dB數值近似。因此結論相同，即T形結構適用于低位置降噪，Y形結構適用于高位置降噪。

表2　文獻[12]的兩種結構插入損失比較/dB

文獻[12]中的仿真數據都略低于本文的仿真計算數據，原因可能是與Raynoise降噪原理的局限有關。Raynoise在低頻或小尺度空間的模擬效果比較差，這必然會大大縮小其應用范圍。同時，它只能給出簡單聲源在給定點的模擬結果，而對于運動聲源、分布式聲源、指向性聲源以及更為復雜的情況則有局限。

綜上所述，城市道路兩側的聲屏障對較高建筑的降噪效果要求高，所以更適合采用頂端結構為Y形的聲屏障。

4結　語

（1）聲屏障的不同頂端結構對繞射聲衰減量有較大影響，計算聲屏障后一固定點的繞射聲衰減量隨聲波頻率的變化情況，可以選擇出最佳構型；

（2）利用聲學軟件Virtuallab可仿真得到聲屏障背后聲影區的聲壓分布情況，對比分析可得不同構型在不同水平位置和不同高度處的降噪效果；

（3）通過插入損失的計算驗證了T形結構適用于低位置降噪，Y形結構適用于高位置降噪。

參考文獻：

[1]J J A Van Leeuwen.Noise prediction models to determine the effect of barriers placed alongside railway lines[J]. Journal of Sound and Vibration,2010,193(1):269-276.

[2]ErikM,Salomons.Noisebarriersinarefracting atmosphere[J].AppliedAcoustics,2013,47(3):217-238.

[3]張增海,王重實.無限長聲屏障對運行列車噪聲降噪模型研究[J].噪聲與振動控制，2012，32(1)：12-14.

[4]宮本賢.聲屏障隔聲量的計算方法與設計[J].噪聲與振動控制，2007，27(3)：41-44.

[5]高莉萍，劉達德.鐵路聲屏障插入損失的研究[J].噪聲與振動控制，2008，28(4)：28-31.

[6]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，2013，6(3)：509-515.

[7]王孚懋，任勇生，韓寶坤.機械振動與噪聲分析基礎[M].北京：國防工業出版社，2010.

[8]董建昆.城市軌道交通聲屏障設計探討[D].噪聲與振動控制，2009，29(6)：33-37.

[9]馬大猷.噪聲控制學[M].北京：科學出版社，2013.

[10]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，2013，6(3)：509-515.

[11]章力，鄭長聚.聲屏障對交通噪聲的A計權插入損失[J].同濟大學學報，2010，17(2)：265-271.

[12]陳繼浩.隔聲屏障結構聲學模擬、設計與性能優化應用研究[J].北京：中國建筑材料科學研究總院，2010.

要研究方向：車輛振動與噪聲控制。

E-mail:smli@nuaa.edu.cn

中圖分類號：O422

文獻標識碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.027

文章編號：1006-1355(2016)01-0125-04+132

收稿日期：2015-09-21

作者簡介：王金瑞（1989-），男，山東省滕州市人，博士生，主

通訊作者：李舜酩，男，博士生導師。

SimulationAnalysis of Sound DiffractionAttenuation of Different Sound Barrier’s Top Structures

WANG Jin-rui1,LI Shun-ming1,HAN Bao-kun2

（1.College of Energy and Power Engineering,Nanjing University ofAeronautics andAstronautics, Nanjing 210000,China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590,Shandong China）

Abstract:In order to study the influence of different top structures of the sound barriers on the effect of sound diffraction attenuation,the attenuation formula in GB/T17247.2-1998 standard was used to analyze and calculate the diffraction attenuation of four kinds of common apex structures.The optimal configuration was selected according to the curve of diffraction attenuation change in 0-5 000 Hz frequency range.The results show that the Y-type and T-type structure’s diffraction attenuations are the largest and nearly the same.Then,using the acoustic software Virtual Lab,the sound insulation simulation was done for the Y-type and T-type structures.And their noise-reduction effects were determined according to the distribution of sound pressure level in the acoustic shadow.The results show that the sound pressure level’s reduction area of the Y-type structure is wider than that of the T-type.Then,the insertion losses of the two structures were calculated.The results show that the noise reduction effect of the Y-type structure is better than that of the T-type.

Key words:acoustics;noise barrier;top structure;diffraction attenuation;simulation analysis;insertion loss