基于聲源監測的廠界噪聲預測及貢獻分析方法研究

曾鵬亞，鐘振茂，蔣偉康，嚴 莉

（1. 上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室，上海 200240；2. 華電重工股份有限公司， 北京 100160）

0 引 言

噪聲污染作為世界四大污染之一，已成為城市和工廠企業面臨的重要問題。統計數據顯示，2019年全國“12369環保舉報聯網管理平臺”中涉及噪聲的舉報占比為38.1%，在各污染要素中排第二位；其中工業噪聲投訴占比26.5%，僅次于建筑施工噪聲的投訴數量[1]。長期暴露于高噪聲環境下的工作人員，身心健康也會受到嚴重威脅。隨著人們對環保和低噪聲環境的追求，工業企業的環境噪聲監測及治理已成為迫切需要解決的問題。

噪聲監測是噪聲預測和治理的前提和基礎。現有噪聲監測方法主要包括三類：第一類是在噪聲敏感點布置長期或短期的監測點，監測特定區域噪聲排放水平。王熙偉[2]在電廠周邊布置36個監測點，分析電廠噪聲超標情況；Gcrard等[3]在城鎮附近工業區布置了4個長期噪聲監測站，實時監測工業噪聲排放水平。第二類是利用傳聲器陣列識別并監測聲源。Tuna等[4-5]通過安裝在車頂的傳聲器陣列實現對城市道路噪聲源的監測；Cocnscl等[6-7]將直徑50 m的40通道傳聲器陣列布設在港口附近的工業區域進行長期監測，基于陣列波束形成方法實現對工業噪聲源的定位和聲功率估計。第三類是噪聲地圖技術。噪聲地圖最早由歐盟國家提出[8]，廣泛應用于城市環境噪聲監測。Rapha?l等[9]利用布設在巴黎城市街道旁邊的 MEMS傳聲器對道路交通噪聲源進行監測、識別和成像；Vcntura等[10]基于手機錄音和時間平均方法來繪制社區的噪聲地圖。噪聲地圖技術是對噪聲預測模型的相關參數進行監測，通過長期監測來獲取區域道路交通、人口密度等數據，以此為噪聲預測模型輸入條件計算區域整體噪聲水平。

目前環境噪聲監測方法仍存在不足：（1） 在噪聲敏感點布置監測點的傳統方法只能獲取監測點處的噪聲大小，無法得到聲源信息和聲源變化對敏感點噪聲的影響；（2） 傳聲器陣列的監測方法對中低頻噪聲源的識別分辨率較低，且對陣列形式要求較高，戶外長期監測的使用維護成本高。

針對上述噪聲監測方法研究存在的不足，本文提出一種基于聲強測量的噪聲源監測方法，對電廠主要噪聲設備廠房的輻射聲強進行實時監測，建立電廠環境噪聲預測模型，可準確預測廠界及其他任意點處的噪聲，并可以分析設備噪聲對廠界噪聲排放的貢獻和影響，為電廠噪聲治理提供決策建議。

1 基于聲強測量的聲源監測方法

電廠主要設備噪聲源為中低頻噪聲，本文通過在電廠設備廠房附近布置聲強測點，采用p-p雙傳聲器聲強探頭測量計算并獲得各設備廠房的輻射聲強，為電廠環境噪聲預測提供源強數據。

1.1 測點布設原則

根據標準《GB/T 16404-1996聲學 聲強法測定噪聲源的聲功率級 第1部分：離散點上的測量》[11]，利用聲強探頭測量被測聲源面的法向聲強矢量時，測點與被測聲源表面的距離應大于 0.5 m。本文對電廠主要設備噪聲源的廠房表面輻射聲強進行測量，為盡可能降低被測聲源表面周圍設備的反射聲引起的誤差，且測點位置能反映被測聲源面的平均輻射聲強，選擇將測點布置在聲源表面幾何中心，距離聲源面1 m位置。電廠主要噪聲源包括發電機主廠房高、中、低跨、余熱鍋爐、變壓器、燃機進口，調壓站，循環水泵房等，聲強測點包括SI#1～SI#11。此外，為評價電廠噪聲排放是否符合標準，在主廠房東側沿廠界布置 3個測點 SP1～SP3，測試并計算廠界測點的A聲壓級。噪聲源分布及測點示意如圖1所示。

圖1 電廠主要噪聲源及測點分布Fig.1 Distribution of main noise sources and measuring points in power plant

對于大多數輻射聲強較均勻的被測聲源面，如主廠房高、中、低跨、調壓站、循環水泵房等，表面各點聲輻射大小基本相等。因此將測點布設在聲源面幾何中心及其附近，并取多個測點的結果平均值作為該面聲源的源強。對于不同區域的聲強輻射特性差異較大的被測聲源面，如余熱鍋爐不同平層的聲輻射強度差別較大，在余熱鍋爐不同平層布置測點，分別測試并計算輻射聲強。各測點位置如表1所示。

表1 聲強及廠界聲壓測點位置Table 1 Positions of sound intensity and sound pressure measuring points

1.2 聲強計算原理

聲強是指通過垂直于傳播方向的單位面積上的平均聲能量流密度，可由單位時間、單位面積的聲波向傳播方向毗鄰媒質所做的功來表示[12]：

其中：p和v分別表示平均聲壓和聲輻射方向的速度。在空間一點同時測量平均聲壓和質點振速，將兩者相乘并取時間平均即可得到聲強。p-p聲強探頭則采用這一原理，如圖2所示。

圖2 p-p聲強探頭測量原理Fig.2 Measurement principle of p-p sound intensity probe

當兩傳聲器的距離d小于被測聲波最高頻率分量的波長時，可以用平均聲壓和差分格式分別替代式（1）中的聲壓p和質點振速v[12]：

其中：p1和p2分別為兩傳聲器測得的聲壓；ρ為空氣密度常數；*代表取共軛復數。本文采用式（2）計算各測點的聲強。

用差分代替微分計算質點速度需要注意頻率限制問題。對于上限頻率，要求兩傳聲器間距d遠小于最高分析頻率的聲波波長λ。聲波頻率太高會導致差分代替微分的誤差加大。一般要求：

對于下限頻率，主要考慮相位匹配。聲波通過間距為d的兩個傳聲器時，相位改變量：

在低頻段，頻率越小，相位改變量也越小，適當增加距離d可增加相位改變量，聲強測量的結果也更加精確。

綜上所述，結合本項目電廠主要噪聲源為中低頻噪聲，分析中心頻帶范圍為 31.5～2 000 Hz，因此最終確定實驗時兩傳聲器間距d=0 .03 m。此外，由于制造等方面的差異，兩傳聲器通道之間存在微小相位差，源強測量前應對兩傳聲器進行相位校正。將進行相位校正的兩傳聲器并列固定在間距為0.03 m的隔離柱后，安裝在高度可伸縮改變的支架上，如圖3所示。

圖3 p-p聲強探頭及安裝支架Fig.3 p-p sound intensity probe and mounting bracket

將制作好的聲強探頭按照上述測點布設原則和位置布設在電廠主要設備噪聲源附近，通過兩傳聲器聲壓數據和式（2）計算得到聲強。由于本文采用p-p雙傳聲器聲強探頭測量廠房面聲源聲強，通過測試計算得到的是面聲源外法線方向（即聲輻射傳播方向）的聲強，因此可以忽略被測聲源面附近其他聲源的影響。考慮電廠主要噪聲源為2 000 Hz以下中低頻噪聲，結合《環境影響評價技術導則 聲環境》（HJ 2.1-2009）[13]，本文計算各噪聲源在頻段范圍31.5～2 000 Hz共有7個倍頻帶的A聲強級，噪聲源聲強測試結果如表2所示，并以此作為噪聲預測模型的源強輸入條件。

表2 在不同位置的主要噪聲源倍頻程A聲強級Table 2 Octave A-weighted sound intensity levels of the main sound sources at different places

2 電廠環境噪聲預測

本文采用 CadnaA軟件建立電廠噪聲預測模型。CadnaA是德國開發的一套環境噪聲評價軟件，廣泛應用于道路交通、機場、建筑工地和工業、企業等的噪聲預測。其工業噪聲模塊計算采用ISO9613-2 Acoustics-Attcnuation of sound during propagation outdoors[14]標準，與我國的標準GB/T 17247.2-1998-T聲學戶外聲傳播的衰減 第2部分一般計算方法[15]基本一致。CadnaA軟件的一般建模流程包括：建立工業建筑模型、基本參數設置、建立聲源模型并輸入源強數據，計算結果并進行輸出分析。

2.1 電廠噪聲預測模型

將電廠建筑平面模型導入CadnaA軟件中，建立電廠主要建筑3D模型，如圖4所示。

圖4 電廠主要廠房建筑3D模型Fig.4 Three dimensinal model of main workshops of power plant

由于電廠地形環境較平坦，不考慮地形的影響。從聲源傳播至接收點處的過程中，需要考慮幾何發散、大氣吸收、地面反射以及屏障等引起的衰減，因此需要根據電廠實際情況進行基本參數設置。為準確模擬計算電廠主要噪聲源的聲輻射，本文根據CadnaA軟件工業噪聲模塊對工業聲源的處理，在廠房外表面0.05 m處建立垂直面聲源和水平面聲源模型，分別模擬廠房四周垂直立面和屋頂水平面的聲輻射。主廠房、變壓器、余熱鍋爐以及煙囪等主要聲源模型如圖5所示。其中藍色表面即表示各面聲源模型。循環水泵房和調壓站聲源模型的建立與之類似，不再贅述。為保證聲源模型盡可能符合實際，對于廠房不同高度輻射噪聲相差較大的噪聲源，如余熱鍋爐，需建立不同高度的垂直面聲源分別模擬不同高度的余熱鍋爐平臺的輻射噪聲。

圖5 電廠主要噪聲源分布模型Fig.5 Distribution model of main noise sources in power plant

2.2 廠界噪聲預測結果

以包含廠界在內的區域作為計算區域，分別以網格點和單接收點兩種方式進行計算。首先以網格點計算方式計算電廠整體環境噪聲，網格節點為3 m×3 m，可得到計算區域內的等聲級線，如圖6所示。

圖6 電廠環境噪聲等聲級云圖Fig.6 Iso-sound pressure level nephogram of environmental noise in power plant

由于運行狀態下的設備噪聲源主要分布在東側廠界附近，東側廠界噪聲排放嚴重，所以對廠界預測點處的噪聲進行進一步計算和分析。

東側廠界噪聲預測點共3個：正對中跨的東側廠界測點 SP1，正對燃機進口的東側廠界測點 SP2以及正對余熱鍋爐的東側廠界測點SP3。以單接收點方式進行計算，得到廠界預測點處各倍頻帶聲壓級和總A聲級。預測結果與廠界噪聲實驗數據對比，參考聲壓取2×10-5Pa，結果如圖7～9所示。

圖7 東側廠界SP1測點A聲壓級Fig.7 A-weighted sound pressure level at the measuring point SP1

圖8 東側廠界SP2測點A聲壓級Fig.8 A-weighted sound pressure level at the measuring point SP2

圖9 東側廠界SP3測點A聲壓級Fig.9 A-weighted sound pressure level at the measuring point SP3

廠界測點的實驗測試是在氣象條件良好且廠房設備穩定運行情況下進行的，廠界噪聲實測時間為30 s，并以此計算廠界晝間等效聲級。對比廠界噪聲預測結果與實驗結果可以看出，3個廠界測點的CadnaA預測值誤差很小，各倍頻帶A聲級平均誤差不超過 1.6 dB（A），總 A 聲級最大誤差僅有0.9 dB（A），與實驗結果基本吻合。由此可驗證基于聲強測量的聲源監測方法的數據可靠性以及預測模型的正確性。

3 聲源對廠界噪聲的貢獻和影響

根據廠址地理位置和周邊環境，本文電廠的廠址區域境噪聲執行GB3096-2008：聲環境質量標準[16]中的2類標準，廠界噪聲均執行GB12348-2008：工業企業廠界環境噪聲排放標準[17]中的2類標準，即保證機組投運后，廠界噪聲排放限值晝間≤60 dB（A）、夜間≤50 dB（A）。由上述計算結果可知，廠界測點SP2和SP3不滿足排放標準。計算分析各主要噪聲源對測點SP2和SP3 A聲級的貢獻，如表3所示。

表3 電廠主要噪聲源對東側廠界測點A聲級貢獻Table 3 Contribution of the main noise sources of power plant to the A-weighted sound pressure levels at the measurement points on the east side of plant boundary

對東側廠界測點SP2而言，聲源A聲級貢獻權重最大的是燃機進口，占比25.8%，其次是低跨廠房和前置模塊；對東側廠界測點SP3而言，聲源A聲級貢獻權重最大的是前置模塊，占比33.9%，其次是高跨廠房和余熱鍋爐進氣段。

為使廠界噪聲的排放符合標準，應著重考慮對聲源貢獻權重較大的聲源進行降噪設計。因此，可考慮為燃機進口和前置模塊等區域設計添加聲屏障或隔聲罩等。根據燃機進口和前置模塊區域聲源模型，在聲源東側布置聲屏障，如圖10所示。

圖10 布置聲屏障后的聲源模型Fig.10 Source models after installing sound barrier

為噪聲排放貢獻較大的聲源區域設計布置聲屏障后，重新計算東側廠界測點SP2和SP3的聲壓級，計算結果如圖11和圖12所示。

圖11 東側廠界SP2測點降噪前后A聲級Fig.11 A-weighted sound pressure level before and after noise reduction at the measuring SP2 point

圖12 東側廠界SP3測點降噪前后A聲級Fig.12 A-weighted sound pressure level before and after noise reduction at the measuring SP3 point

添加聲屏障后廠界測點SP2和SP3的各倍頻帶噪聲A聲級均有所降低，總A聲壓級分別降低為56.0 dB（A）和 56.1 dB（A），符合噪聲排放標準。

4 結 論

在電廠主要設備噪聲源附近布設聲強測點可準確測量聲源輻射聲強，以面聲源模擬聲源的噪聲預測模型可準確預測電廠環境噪聲，廠界測點的噪聲預測值和實驗值一致性良好，總聲壓級最大誤差僅為0.9 dB（A）。該聲源監測方法和噪聲預測模型可準確預測電廠環境噪聲。通過該模型計算分析電廠主要噪聲設備對廠界預測點處噪聲的貢獻權重占比，為導致廠界噪聲超標貢獻最大的聲源添加聲屏障降噪措施，可有效改善電廠的環境噪聲，為電廠噪聲治理提供依據。