地鐵車輛段冷卻塔聲學(xué)建模方法研究

王紹興

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各大中城市的土地得到高度利用開發(fā)，地鐵周邊的土地綜合利用即“地鐵+上蓋物業(yè)”模式已成為社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。隨之而來(lái)的地鐵車輛段噪聲也成為困擾周邊居民生活的嚴(yán)峻問題。如某地鐵車輛段建設(shè)運(yùn)營(yíng)時(shí)沒有上蓋物業(yè)，降噪廠界完全滿足國(guó)家要求限值，但此后又在車輛段上加蓋建造了安居房，導(dǎo)致噪聲控制的敏感點(diǎn)和控制標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化。敏感點(diǎn)從廠界變成上蓋物業(yè)的安居房，原來(lái)達(dá)標(biāo)的設(shè)備不得不采取降噪措施，以解決居民投訴的問題。該地鐵車輛段為快速解決噪聲問題，未進(jìn)行聲源分析及聲場(chǎng)模擬，導(dǎo)致治理效果有限，為使上蓋物業(yè)的冷卻塔噪聲得到徹底解決，需要進(jìn)行二次治理。本文對(duì)該車輛段的冷卻塔進(jìn)行了分析，并嘗試進(jìn)行針對(duì)性的聲源建模，對(duì)聲源及其聲場(chǎng)分布進(jìn)行仿真，進(jìn)而提出合適的解決方案。

1 某地鐵車輛段冷卻塔治理現(xiàn)狀

某地鐵車輛段冷卻塔位于維務(wù)大樓的3樓，冷卻塔已進(jìn)行過噪聲處理，冷卻塔的處理措施為西面進(jìn)風(fēng)口采用消聲百葉進(jìn)行消聲處理，東面墻體安裝了砂巖吸聲板。雖然已采取了降噪措施，但還是不斷受到附近小區(qū)投訴，噪聲的影響較大。

通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)冷卻塔以及受冷卻塔干擾的居民樓進(jìn)行噪聲測(cè)試，在夜間（測(cè)試時(shí)間為夜間10點(diǎn)以后）小區(qū)的背景噪聲及冷卻塔在正常工況下的噪聲數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 受干擾小區(qū)背景噪聲測(cè)試

表2 受干擾小區(qū)陽(yáng)臺(tái)處測(cè)試的噪聲值

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的噪聲值可知，居民樓內(nèi)的噪聲大于小區(qū)內(nèi)測(cè)試的背景噪聲，故居民樓受到的噪聲影響以冷卻塔噪聲為主。5F的噪聲值為56dB（A），8B的噪聲值最高為58dB（A），樓層越高噪聲值越低。導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是冷卻塔噪聲指向性較強(qiáng)。

噪聲控制目標(biāo)：地鐵維務(wù)大樓的冷卻塔按照《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096—2008）2類區(qū)噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)治理（見表3）。

表3 噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)

分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試噪聲值，小區(qū)內(nèi)的噪聲超標(biāo)。在冷卻塔的主要噪聲源排風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)口以及居民樓8B陽(yáng)臺(tái)的處測(cè)試的噪聲頻譜數(shù)據(jù)見表4。

表4 測(cè)點(diǎn)噪聲頻譜數(shù)據(jù)

根據(jù)進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口以及8B陽(yáng)臺(tái)測(cè)試的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，確定噪聲影響的聲源設(shè)備及噪聲貢獻(xiàn)值（圖1）。

圖1 噪聲頻譜分析

通過頻譜分析，認(rèn)為居民樓8B陽(yáng)臺(tái)處在全頻帶都受到冷卻塔進(jìn)風(fēng)口及排風(fēng)口的噪聲影響，且排風(fēng)口的噪聲影響更大。該車輛段冷卻塔在一次治理時(shí)，只對(duì)冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行了治理，而對(duì)噪聲最大的排風(fēng)口未采取降噪措施，這是一次治理幾乎無(wú)效的主要原因。

冷卻塔降噪的主要難點(diǎn)是冷卻塔的設(shè)備尺寸大、噪聲指向性強(qiáng)和風(fēng)機(jī)余壓低。在處理冷卻塔噪聲時(shí)，需要合理使用聲學(xué)仿真軟件進(jìn)行評(píng)估及預(yù)測(cè)，使冷卻塔噪聲得到有效解決。因此，對(duì)排風(fēng)口的建模研究是必要的。

2 冷卻塔建模條件

2.1 聲學(xué)仿真

對(duì)于體積不大，指向性較均勻的聲源，可視其為點(diǎn)聲源，其擴(kuò)散聲場(chǎng)為均勻球面或半球面，可用點(diǎn)聲源的噪聲傳播公式計(jì)算任意一點(diǎn)的聲壓級(jí)。對(duì)于體積較大的聲源，控制點(diǎn)較近，可用近似包絡(luò)面的方式計(jì)算噪聲值。而像冷卻塔這類聲源體積較大，指向性又較強(qiáng)，不適合用近似公式計(jì)算，應(yīng)用聲學(xué)仿真軟件獲得聲場(chǎng)分布，再考慮降噪措施，繼而得到治理后的聲場(chǎng)分布圖，評(píng)估冷卻塔噪聲影響區(qū)域的降噪效果，全面控制廠界及城市區(qū)域的噪聲。

目前市場(chǎng)上分析噪聲的軟件較多，本次聲學(xué)仿真采用SoundPLAN聲學(xué)模擬軟件進(jìn)行計(jì)算和分析。SoundPLAN軟件計(jì)算原理源于《戶外聲傳播的衰減的計(jì)算方法》（ISO 9613—2:1996）。軟件中對(duì)噪聲原理的描述、聲源條件的界定、噪聲傳播過程中影響因素以及噪聲計(jì)算模式等方面與ISO的有關(guān)規(guī)定完全相同。我國(guó)公布的《聲學(xué)戶外聲傳播的衰減第2部分：一般計(jì)算方法》（GB/T 17247.2—1998），等效采用了ISO 9613—2:1996標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 聲學(xué)建模

2.2.1 建模范圍

進(jìn)行聲學(xué)建模時(shí)，需要根據(jù)聲源所處的地理環(huán)境及周邊建筑物的排布，將現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況全部反映在模型中。圖2是該地鐵車輛段冷卻塔與上蓋物業(yè)的排布圖。受到冷卻塔噪聲影響較為嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)閳D2左側(cè)陰影處的居民樓，此處的噪聲得到控制，其余居民樓的噪聲也將達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求限值。為了簡(jiǎn)化仿真模型的設(shè)置，在軟件中只設(shè)置了兩個(gè)陰影區(qū)域的建筑物。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)建筑物分布位置圖

2.2.2 建筑物

在模型中設(shè)置建筑物時(shí)，由于建筑物的高度、距離都會(huì)影響噪聲的預(yù)測(cè)結(jié)果，所以需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的距離及高度進(jìn)行模型設(shè)置。建筑物表面的反射系數(shù)也會(huì)影響噪聲結(jié)果，普通建筑物的表面為光滑的反射面、工業(yè)建筑物應(yīng)在表面設(shè)置面聲源。該地鐵車輛段冷卻塔噪聲預(yù)測(cè)模型及設(shè)置見表5。

表5 模型中建筑物設(shè)置

2.2.3 聲源

仿真模型中，需要對(duì)冷卻塔的聲源進(jìn)行賦值。描述聲源時(shí)，只能通過聲源的聲功率級(jí)來(lái)描述。由于聲功率級(jí)是測(cè)試不出來(lái)的，只能測(cè)試聲壓級(jí)，所以需要采用現(xiàn)場(chǎng)在包絡(luò)面上測(cè)試的聲壓級(jí)來(lái)反算聲源的聲功率級(jí)（表6）。

在冷卻塔噪聲中還存在冷卻塔殼體的漏聲，由于冷卻塔的進(jìn)排風(fēng)口的噪聲值較大，殼體的漏聲很難測(cè)試出來(lái)。因此在測(cè)試時(shí)和模型中需要設(shè)置校核點(diǎn)，模型中的校核點(diǎn)的預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)試的噪聲值相差在1dB（A）以內(nèi)，模型成立。

表6 模型中聲源參數(shù)設(shè)置

3 建模方法評(píng)估及效果評(píng)估

3.1 冷卻塔噪聲傳播特性

冷卻塔的噪聲主要是排風(fēng)風(fēng)扇噪聲、電機(jī)噪聲以及淋水噪聲。冷卻塔的噪聲傳播路徑分為：1）風(fēng)扇及電機(jī)噪聲直接通過排風(fēng)口向外傳播；2）風(fēng)扇及電機(jī)噪聲向下傳播，一部分通過冷卻塔進(jìn)風(fēng)口向外傳播，另一部分在冷卻塔內(nèi)發(fā)生折射及反射后通過進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口向外傳播；3）冷卻塔內(nèi)部噪聲通過殼體漏聲向外傳播。

3.2 聲源建模構(gòu)思

冷卻塔對(duì)外輻射的噪聲源主要是兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口和一個(gè)排風(fēng)口，在仿真軟件中，對(duì)于冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口的聲源設(shè)置，一般是在工業(yè)建筑物進(jìn)風(fēng)口位置設(shè)置與實(shí)際冷卻塔進(jìn)風(fēng)口尺寸大小的面聲源。根據(jù)冷卻塔排風(fēng)口噪聲源的不同特性，在仿真軟件中設(shè)置排風(fēng)口聲源的幾種模型。

第一種模型是根據(jù)冷卻塔排風(fēng)口噪聲散射及反射的特性，在模型中將排風(fēng)口聲源設(shè)置為距離冷卻塔頂面一定距離的面聲源（圖3）；第二種是根據(jù)冷卻塔排風(fēng)口的透射以及反射進(jìn)行的風(fēng)口建模處理（圖4）；第三種冷卻塔排風(fēng)口模型假設(shè)是根據(jù)排風(fēng)口聲源的強(qiáng)指向性，在排風(fēng)口的四周采用圍蔽結(jié)構(gòu)對(duì)聲源進(jìn)行圍蔽符合冷卻塔的排風(fēng)口的實(shí)際形狀（圖5）。

圖3 排風(fēng)口模型設(shè)置圖

圖4 排風(fēng)口模型設(shè)置圖

圖5 排風(fēng)口模型設(shè)置圖

3.3 仿真結(jié)果

在受冷卻塔噪聲影響的居民樓取三個(gè)不同的測(cè)點(diǎn)，分別為9棟5F、9棟8B、9棟10D。控制點(diǎn)與冷卻塔的相對(duì)位置見圖6。分析對(duì)比三種不同模型，三個(gè)控制點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見表7～表9。

圖6 測(cè)點(diǎn)及聲源分布圖

表8 第二種模型預(yù)測(cè)點(diǎn)差值

表9 第三種模型預(yù)測(cè)點(diǎn)差值

3.4 評(píng)價(jià)及分析

對(duì)比三種不同模型的噪聲差值，在聲源設(shè)置及模型設(shè)置相同的情況下，其中第三種模型中噪聲預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)試的噪聲值在近點(diǎn)及遠(yuǎn)點(diǎn)的噪聲值都較接近。理論上模型中的噪聲預(yù)測(cè)值是比實(shí)際的噪聲值要大，因?yàn)樵趯?shí)際場(chǎng)所中，存在其余的阻擋物，也會(huì)導(dǎo)致噪聲傳播衰減。故認(rèn)為第三種模型更加符合冷卻塔的噪聲傳播特性。

將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的噪聲數(shù)據(jù)輸入到第三種模型中，得到的測(cè)點(diǎn)噪聲值與實(shí)際測(cè)點(diǎn)差值在1dB（A）內(nèi)，認(rèn)為模型成立，可以用于噪聲控制。降噪前的聲場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)圖如圖7所示。

圖7 降噪前平面30m聲場(chǎng)分布圖

4 基于建模的治理措施及效果預(yù)測(cè)

將模型進(jìn)行校核后，降噪措施擬在冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口及排風(fēng)口增加消聲器，冷卻塔的頂部增加隔聲板，方案圖如圖8。采取降噪措施后，敏感點(diǎn)的噪聲預(yù)測(cè)值及聲場(chǎng)模擬圖見圖9。測(cè)點(diǎn)噪聲預(yù)測(cè)值見表10。

圖8 降噪方案示意圖

圖9 降噪后平面34m聲場(chǎng)分布圖

表10 測(cè)點(diǎn)噪聲預(yù)測(cè)值

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要闡述了在“地鐵+上蓋物業(yè)”模式下，地鐵車輛段冷卻塔應(yīng)該如何進(jìn)行噪聲控制，通過得到一個(gè)符合現(xiàn)場(chǎng)條件的仿真聲學(xué)模型進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)及治理，保證受冷卻塔噪聲影響的上蓋物業(yè)居民樓的噪聲值達(dá)到國(guó)家要求的噪聲限值，避免進(jìn)行二次治理。