地鐵隧道通風系統消聲設計

楊禮楨

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地鐵隧道通風系統消聲設計

楊禮楨

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

通過對隧道通風系統噪聲源的分析，用不同的噪聲評價標準對隧道風機的消聲設計開展討論，分析了噪聲的衰減，并給出了某地鐵車站的計算實例，同時對隧道通風系統設計中消聲器的選用和布置原則進行了總結。

地鐵車站；隧道通風系統；消聲設計

0 引言

地鐵通風系統消聲設計是暖通專業的一個分支，也是環境工程中一個十分敏感問題。由于地鐵車站一般位于城市繁華區域，若消聲設計不當，會引起噪聲擾民，特別是居民住宅，學校、醫院等對噪聲要求較高的區域，還會造成較惡劣的影響，因此必須在車站設計階段重視消聲設計。

目前，在設計過程中，車站的消聲設計一般分為兩個階段，第一階段為設計階段，暖通工程師根據線路《工程技術要求》及工程經驗，結合車站建筑特點選擇布置消聲設備。第二階段為產品深化階段，設備招標后，設備供貨商對車站設置的消聲設備進行深化或優化，由暖通工程師校核確認后實施。但部分暖通工程師對消聲設計并未給予足夠的重視，往往導致兩個設計階段出現較大的偏差，導致設計圖紙的變更。另根據現階段地鐵運營反饋來看，風亭周邊噪聲超標主要是由隧道風機及列車噪聲引起，因此本文僅圍繞隧道通風系統消聲設計展開。

1 隧道通風系統噪聲源的分析

對隧道通風系統，噪聲主要來自地鐵列車和隧道風機。

1.1 地鐵列車噪聲分析

地鐵列車運行是一種非穩態噪聲，主要來源于列車運行時拖拽和推動隧道空氣而產生的活塞風氣流噪聲。列車運行時因車輪不可避免的偏心，路軌不平整等原因引起的整車振動，振動又激發了結構或隧床等傳播了固體聲，因固體聲隨距離衰減相對緩慢，其激起的頻率又在很低頻域內，故其影響范圍相對比空氣聲更為寬廣。此外，還有制動懸掛連接件之間在運行中相互撞擊產生的噪聲；牽引系統設備運轉所產生的噪聲；列車空調器等設備的運轉噪聲等。

列車在進出車站時速度較低，低速運行時具有聲級高，頻帶寬，傳播距離遠等特點，噪聲成分主要分布在250Hz～2000Hz頻域內。現場實測結果顯示，當列車進站時站臺的噪聲峰值可達90 dB(A)左右[1]。

1.2 風機噪聲分析

風機噪聲主要來源于空氣動力性噪聲、機械噪聲以及電動機噪聲。其中空氣動力噪聲主要有旋轉噪聲和渦流噪聲。當風機的葉輪在旋轉時，葉片沿周向的氣流速度和壓力是不均勻的，從而在殼體上產生壓力脈動，形成旋轉噪聲；葉輪在旋轉時，使其周圍形成渦流，由于空氣的黏稠性，渦流又分解成一系列小渦流，擾動了周圍的空氣，因而又產生了渦流噪聲。旋轉噪聲以中低頻聲為主；渦流噪聲為連續性噪聲譜，以中高頻成份較突出[2]。隧道風機的噪聲一般達90～110dB(A)。以武漢3號線某車站隧道風機（風量60m3/s，功率90kW，全壓900Pa）為例，其八倍頻帶聲功率級分布參數如表1。

表1 某隧道風機八倍頻帶聲功率級

從上面分析可知，隧道風機的噪聲聲功率級一般都大于地鐵列車進站和出站噪聲峰值，因此地鐵車站隧道通風系統消聲主要是針對隧道風機來設計。

2 噪聲評價標準

2.1 規范要求

《地鐵設計規范》（GB 50157-2013）規定“風亭出口的噪聲應符合現行國家標準《聲環境質量標準》GB 3096的有關規定”[3]。

現行《聲環境質量標準》（GB 3096-2008）將聲環境功能區類別分為0、1、2、3、4（4a和4b），并對不同類別晝間夜間的噪聲限值作了規定，在噪聲限值標準中采用了A計權聲級評價方法，但A聲級較適合連續的穩態噪聲評價，其不能反映被測噪聲的具體頻譜特性。

A聲級是單一的數值，是噪聲的所有成分的綜合反映，如果我們要比較細致地評價各頻程的噪聲，就應該采用噪聲評價曲線。NR曲線就是國際標準化組織（ISO）提出和推薦的，它是各國最常用的標準曲線[4]。NR曲線能夠表示噪聲級強度和頻率兩個主要因素。而噪聲對環境的影響不僅與聲級強度，而且與頻率特性有關。NR曲線評價數的特點是強調了噪聲的高頻成分比低頻成分更為煩擾人的特性。因此在地鐵通風空調系統噪聲控制設計中，還應采用NR曲線評價數作為達標依據。即計算時不但對A聲級有要求，而且應對八個倍頻帶聲壓級也提出要求[5]。

2.2 NR噪聲評價曲線

噪聲評價數（Noise Rating Number，簡寫NR），是國際標準化組織（ISO）推薦的一組曲線，即NR噪聲評價曲線，詳見圖1。

圖1 NR噪聲評價曲線

在其每一條曲線上，中心頻率為1000Hz的倍頻帶聲壓級等于噪聲評價數，其它63Hz-8000Hz倍頻帶的聲壓級和的關系也可由下式計算[6]：

式中，L為倍頻帶聲壓級；NR為對應的NR數；，為常數，與各頻帶中心頻率的關系見表2。

噪聲評價曲線是用聲壓級來表示，但一般風機頻譜噪聲是以聲功率級來表示的，聲壓級與聲功率級的換算關系式為[5]：

式中，L為聲壓級；L為聲功率級；為根據風機安裝位置及場地的修正數值，一般為5～7dB。

表2 不同中心頻率的a和b取值

2.3 A聲級與NR噪聲評價曲線的關系

國內很多著作對A聲級與NR噪聲評價曲線的關系進行了描述，盧慶普、翁儀壁等通過驗證分析，得出63～8000Hz倍頻程頻帶寬度的A聲級與數的關系可近似用下式表示[6]：

（1）當A聲級小于或等于50dB（A）時：

（2）當A聲級大于50dB（A）時：

式中，L為A聲級；為NR數。

由式（1）、（3）、（4）可求出幾個常用NR曲線評價數倍頻聲壓級值及對應的A聲級值，見表3。

表3 常用NR曲線評價數倍頻聲壓級值及對應的A聲級值

3 隧道風機噪聲衰減分析

3.1 漸擴管的衰減

管道截面積的突然擴大或縮小處，可將部分聲波反射回聲源方向或產生聲干涉，從而使聲能衰減，噪聲衰減量可由下式計算[7]：

式中，=2/1，2、1分別為變徑后及變徑前的管道截面積，m2；噪聲衰減量對各個頻率都相同。

地鐵隧道風機前端和末端一般通過1.7～2.2m長漸擴管和消聲器相連接，其擴張比通常為3～4倍，其降噪量在2dB左右。

3.2 矩形直管道的衰減

直管的自然衰減與管道斷面周長、管段長度、管壁的吸聲系數有關。對金屬管道，當管內流速≤8m/s時，直管噪聲衰減可忽略不計。隧道通風系統的風道為混凝土結構，雖然氣流速較小（約3～4m/s），但四周的粗糙的掛漿壁面仍有一定的衰減量，根據工程實踐經驗，當頻率低于250Hz，可按0.4～0.6dB/m估算；當頻率在250～500Hz頻段內，可按0.3～0.4dB/m估算；當頻率大于1000Hz時，可按0.2～0.3dB/m估算[2]。

3.3 直角彎頭的衰減

對于矩形或方形無吸聲襯貼的彎頭，當頻率在低于250Hz的低頻段內，可衰減5～7dB；當頻率大于250Hz，則一般可衰減3～5dB[2]。

3.4 氣流擴散至大氣的聲衰減

隧道通風系統風道出地面風亭時，因氣流突然擴容至大氣時，流速將隨之下降，從而使噪聲隨之下降。當風口投影面積在12-20m2范圍內，風井為低朝天開口井，可作為半自由聲場擴散，通常可衰減2～3dB(A)，若為高風井則通常可衰減3～5dB(A)[2]。

3.5 風道內吸聲貼面的聲衰減

若需進一步提高消聲量，可在風道道內壁四周，包括水平和垂直部分可貼吸聲壁面，工程實踐表明，用密度為32kg/m3，厚度為50mm的玻璃纖維棉板襯于壁面，面層復蓋穿孔率為25％的金屬穿孔薄板，當風道寬度在5m以下，高度在4.5m以下時，可按Δ＝1.2～1.5dB/m的估算，當風道寬度超過5m，高度仍為4.5m以下時，可按Δ＝1.0～1.2dB/m的估算[8]。

4 氣流再生噪聲分析

在通風空調系統中，氣流通過直管道、彎頭、三通、變徑管、閥門等部件時，均會產生氣流再生噪聲，應分析管路各部件所產生的氣流噪聲是否會對系統產生影響，但在隧道通風系統中，氣流速度較低，一般約3～4m/s，可忽略此影響。需要注意的是因消聲器內風速較高，需校核消聲器本身產生的氣流噪聲，如果氣流速度過高，產生的再生噪聲級大于入口噪聲，這時消聲器的消聲量就變成負值，增加消聲器的長度也無濟于事。

消聲器氣流再生噪聲可由以下經驗公式計算得出[7]：

再=+60lg+10lg（6）

式中，為消聲器通道內的流速，m/s；為消聲器截面積，ｍ2；為與消聲器結構形式有關的比Ａ聲功率級，對于片式消聲器，=-5～5dB(A)。

目前，地鐵工程中隧道風機前后消聲器設計片間流速一般≤12m/s，截面積10～12m2，由公式（6）可知其再生噪聲約為66～76dB，小于入口處風機的噪聲。因此，設計中應控制好消聲器片間流速。

5 消聲計算實例

以武漢地鐵3號線某車站隧道風機消聲計算為例，該站右線小里程端隧道風機布置剖面圖如圖2，活塞風井出地面為低風亭，室外為3類環境功能區，依據《聲環境質量標準》（GB 3096-2008），夜間噪聲不應超過55dB(A)[9]，計算流程及結果詳見表4。

圖2 某地鐵車站隧道風機布置圖

表4 某地鐵車站隧道風機消聲計算列表

續表4 某地鐵車站隧道風機消聲計算列表

Table 4 Calculation process in noise elimination design of tunnel fan in a subway station

6 消聲器的選用及布置

6.1 消聲器的選用

消聲器從聲學原理上分，可分為阻性、抗性、阻抗復合式、微穿孔式等；從內部結構形式上分，可分為直片式、折板式、管道式、彎頭式、百葉式等；從與外部接口的形式上分，可分為金屬外殼片式、結構片式、管道式。目前，隧道通風系統一采用的金屬外殼片式或結構片式的阻性消聲器，工程應用成熟，選用時主要遵循下列原則：

（1）按照計算的所需降噪值，確定所選用消聲器的消聲量“插入損失”，“插入損失”可按下式計算[2]：

式中，a為吸聲材料正入射吸聲系數；為消聲器通道截面周邊長，m；為消聲器通道的截面積，m2；為消聲器的有效長度，m。

（2）所選消聲器的壓力損失應符合管道系統所允許的壓力損失，片式消聲器壓力損失值可用下式計算[7]：

式中：為消聲器的阻力系數，片式≈0.6～0.8；為空氣密度，近似為1.225kg/m3；為消聲器內平均氣流速度，m/s；為重力加速度，m/s2。

（3）消聲器的氣流再生噪聲應與聲源及消聲性能相匹配，使消聲器的消聲量能充分發揮，當氣流噪聲級大于消聲器入口聲級時，此時消聲器不僅不能消聲，反而變成了一個噪聲放大器。

（4）消聲器的外形尺寸及其長度在滿足消聲要求的同時應與實際工程中可安裝的尺寸相適應。

（5）所選用消聲器的材質必須能滿足防火，防潮，防塵，防腐蝕等工藝要求。

6.2 消聲器的布置

消聲器的布置遵循下列原則：

（1）消聲器應盡可能設置在氣流比較穩定的風道段。

（2）若要求消聲較高，可以分段布置消聲器而不宜集中布置或無限增加其消聲段長度。

（3）當消聲器的長度受限，難以達到消聲要求時，可采用風道內部貼附吸聲貼面、風井內增加防雨消聲掛片、高風亭出風口采用消聲百葉等輔助措施。

（4）對于安裝在土建風道內水平安裝的結構片式消聲器，由于設備標高設計需考慮安裝條件的限制、管線、電纜橋架及其它設施等，如果將消聲片充滿風道，在消聲效果沒有優化的情況下反面增加了工程的造價，造成了不必要的經濟浪費，對存在的消聲盲區，在設備安裝后必須采取封堵措施。

根據工程實踐經驗，建議消聲封堵方案如下：在消聲器頂部可以裝置輕質吸聲隔聲板并且在與管道相貫穿部分預留孔洞，在孔洞和接管之間嵌入彈性墊層材料。軟質吸聲隔聲板可以用厚度80～100mm的夾芯彩鋼板作基板，內滿貼厚度50mm，密度32kg/m3的離心棉外覆玻璃布和厚度0.8mm的熱鍍鋅穿孔板，面板穿孔率25%。

（5）為了消除“側向傳聲”現象，應對機殼和變徑管外壁作阻尼隔聲包扎。原因如下：以風機前配3m長消聲器為例，消聲器的消聲量大于35dB(A)，而在風機側邊的噪聲因風機機殼及擴壓管的隔聲量僅為風機的噪聲級減小25dB(A)，從風道傳出至室外的噪聲并非是消聲后的聲壓級，消聲器就不能充分發揮其消聲量。

7 結語

本文從對隧道通風系統的噪聲源進行了分析得出其最大噪聲來自于隧道風機，提出噪聲評價宜采用更全面的NR噪聲評價曲線，并從噪聲衰減、計算實例等各方面對地鐵隧道通風系統的消聲設計進行了梳理，對目前地鐵工程設計中消聲器選用及布置總結了一些實踐經驗，供工程設計參考。

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[9] GB 3096-2008,聲環境質量標準[S].北京:中國環境科學出版社,2008.

Noise Elimination Design for Tunnel Ventilation System in Subway Station

Yang Lizhen

( China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan, 430063 )

In this paper, based on the noise source analysis of Tunnel ventilation system, noise elimination design is discussed in different noise assessment. And Throughanalyzing of noise attenuation, a calculation example of noise elimination design is presented. The principle of selection and arrangement of silencer is also summarized in the design of Tunnel ventilation system.

Subway station; Tunnel ventilation system; Noise elimination design

1671-6612（2016）06-690-06

TU96

A

楊禮楨（1985-），男，碩士，工程師，E-mail：65781996@qq.com

2016-04-14