基于Cadna/A的校園聲環境模擬計算及分析

林明慶，劉春元，王志浩，劉東旭

（上海應用技術大學 城市建設與安全工程學院, 上海 201418）

近幾年，高校的噪聲問題[1-4]越來越嚴重，因此，有必要對校園內的聲環境進行監測和分析。現有的測量手段大都是利用測量手段對噪音進行監控與抑制，試驗費用高、運行繁瑣、耗時較久，而數值仿真技術具有較高的投資價值，且能夠在一定的環境中迅速獲得試驗效果。本文采用數值模擬和實測相結合的方法，利用聲學軟件Cadna/A對校園內各區域聲環境進行了模擬分析，提出了污染嚴重區域的優化方案。

1 研究方法

1.1 Cadna/A噪聲預測軟件介紹

Cadna/A是一款基于ISO9613-2-1996《戶外聲傳播衰減的計算方法》，采用Windows平臺進行噪聲模擬與控制的軟件。Cadna/A有很好的仿真運算能力，可以通過對多個聲源和預測點的布置，預測各種噪聲源的復合效應。噪聲源的輻射聲壓級及計算結果通常用A計權值表示，或用不同頻段的聲壓值表示，其中任意形狀的建筑群、綠化帶、地形都可以考慮為聲屏障[5-7]。該軟件通過調整參數改變模擬精度，從而對噪聲控制的設計效果進行分析。從聲源定義、參數設置、模擬計算、結果表達及評價等方面構成一套完整的系統。其三維彩色圖像輸出使得預報更加直觀[8]。

1.2 研究對象

本文以上海應用技術大學為研究對象[9]，對教學樓、寢室區域、道路以及食堂區域設置監測點（見表1）。其中寢室、道路區域研究對象靠近城市主干路，受道路噪聲影響較大，作為受道路噪聲影響的聲環境敏感點，具有較強的代表性。

表1 監測點及噪聲來源Tab. 1 Monitoring points and noise sources

1.3 噪聲監測儀器和監測方法

為校核Cadna/A軟件模擬精度，應獲取反映現場實際聲環境的測量值，因此本文開展了環境噪聲監測。現場監測儀器為HS6288B型噪聲頻譜分析儀[10-12]，監測因子為Leq、L10、L50、L90、Ld、Ln，監測頻率為連續24 h監測，監測時間：宿舍監測時段為7:40～8:45、22:20～23:25；第一、二教學樓監測時段為8:55～10:45和13:00～14:15；食堂監測時間段為11:45～12:50和17:50～18:15。噪聲試驗時，記錄車輛的流量、車型比等。同時，在受試者的4個方向上，按反時針的方式設置了測點a、b、c、d，設置點的高度1.7 m，作為人體的聽覺定位。

2 研究對象3D建模和數學模型

2.1 模型建立

根據研究對象區域實際地形及建筑物尺寸等參數，建立其3D模型。模型如圖1～4所示。模型嚴格按照建筑及規劃圖紙在CAD中建立，通過Cadna/A軟件與CAD接口模塊對接，實驗模型導入。

圖1 教學樓區域Fig. 1 The area of the first and second teaching buildings

圖1所示教學樓區域建筑由左至右依次為一教、二教、三教。主要噪聲源為教學樓內的擴音器、下課鈴聲、說話聲、建筑物四周主干道和輔路車輛行駛時產生的噪聲。

圖2 所示寢室樓區域由左至右依次是24、25號寢室樓。噪聲主要來自寢室樓內各寢室學生的生活噪聲、喧鬧聲及寢室周邊道路噪聲。

圖2 24號寢室樓區域Fig. 2 The area of the dormitory building No.24

如圖3所示，圖3（a）為食堂區域模型圖，左側為9號宿舍樓和8號宿舍樓，右側為一食堂。圖3(b)為二食堂區域模型圖，由左至右分別為大學生活動中心、二食堂。食堂的噪聲主要來自用餐人員的說話聲、員工工作用具碰撞、空調設備運行噪音等。室外噪聲主要為設備噪聲、道路噪聲、寢室噪聲、活動中心建筑噪聲。食堂外部設備主要包括消防排煙風機、空調通用風機、空調室外機等設備。

圖3 食堂區域模型圖Fig. 3 Canteen area model diagram

如圖4所示，測量點偏重于校園內主干道，主要受校內噪聲源和校外噪聲源的影響。校內噪聲主要來自4棟宿舍樓的生活噪聲和嘈雜聲。校外噪聲主要來自校園外側奉柘公路上車輛的喇叭聲和剎車摩擦聲。

圖4 13號樓與學校外圍主干道之間的輔路區域Fig. 4 Building 13 and the main road outside the school side road area

2.2 理論基礎

Cadna/A軟件計算依據ISO 9613-2:1996《戶外聲傳播衰減的計算方法》國際標準，我國GB/T 17247.2-1998《聲學戶外聲傳播的衰減第2部分：一般計算方法》等效采用了國際標準化組織規定的ISO 9613-2：1996標準。該軟件理論基礎于GB/17247.2-1998《環境影響評價導則-聲環境》，要求一致。在它的編程過程中，還包括下列計算步驟：

（1） 計算預測點晝夜等效聲級

（2） 計算點聲源、線聲源和面聲源的等效聲功率級

點聲源：

線聲源：

面聲源：

式中：Lw為等效聲功率；Lp為等效聲壓級；Lwpt為1個移動點聲源的聲功率級；r為點聲源與接收點之間的距離；n為聲傳播發散球面積的百分比；Q為每小時的流量；l為線聲源長度；S為面聲源面積；為線聲源每單位長度等效聲功率級；為面聲源每 單位長度等效聲功率級。

2.3 主要軟件參數

經實地勘察、現場監測及工程初步設計等資料獲得主要參數，見表2～5。

表3 研究對象主要參數Tab. 3 Main parameters of the object of study

表4 排風機設備主要參數Tab. 4 Main parameters of canteen equipment

表5 空調設備主要參數Tab. 5 Main parameters of air-conditioning equipment

3 校園噪聲預測與分析

3.1 研究對象噪聲分析

教學樓區域：圖5所示為第一、二教學樓晝間區域內等聲級線圖，表6所示為第一、二教學樓噪聲測點結果表。表7為聲環境質量標準值。

圖5 第一、二教學樓晝間區域內等聲級線圖Fig. 5 Contour diagram of sound level in the daytime area of the first and second teaching buildings

表6 第一、二教學樓噪聲測點結果表Tab. 6 Results of noise measurement points in the first and second teaching buildings

表7 聲環境質量標準值Tab. 7 Standard values of acoustic environment qualitydB

由圖5可見，噪聲源分布在教學樓周圍，以教學樓為中心的聲級線呈輻射狀擴散，噪聲對教學樓外主干道交匯處的噪聲影響最大，達到50.3 dB。由此可以看出，教學樓附近的聲場主要受周邊道路和教室內部聲源的影響。

由表6可知，晝間測量期二教3樓的噪聲最大值為46.4 dB，平均值為45.4 dB。一教1樓晝間噪聲最大值和平均值分別為48.7 dB和47.3 dB。根據表7《聲環境質量標準》（GB 3096-2008)的標準值可知，校園內的教學區和生活區執行二類標準，其晝間噪聲應該在55 dB以下。因此教學樓區域的聲環境達到相應功能區標準要求。

寢室樓區域：圖6、表8分別為24號寢室樓測試區間等聲級線圖和噪聲測點結果。

圖6 24號寢室樓測試區間等聲級線圖Fig. 6 Isochronous sound level line diagram of the test interval of No.24 dormitory building

表8 24號寢室樓噪聲測點結果Tab. 8 Results of noise measurement points in dormitory building No.24

根據圖6可知，噪聲源主要分布位于校園外側主干道，并且以道路主干道為中心點，等聲級線呈現向下發射式擴散，其中主干道路處為噪聲影響最大點。晝間噪聲值達到了75.6 dB。夜間噪聲值為63.7 dB。

由表8可見，晝間寢室處的4向測點a、b、c、d分別為61.5、41.3、56.7和63.7 dB。夜間寢室處的4向測點a、b、c、d分別為51.5、31、46.7和53.7 dB。晝夜噪聲值存在10 dB的差值。由此可知a、c、d3點噪聲值超過《聲環境質量標準》（GB 3096-2008)的二類晝夜標準值。（晝間55 dB，夜間45 dB）。其中a、d2點受噪聲影響最為嚴重。可能是因為受到校園外側主路道車輛喇叭聲、寢室內部學生打鬧聲以及空調室外機疊加噪聲影響所致。而噪聲點b因為位于建筑物背面，遠離噪聲源且通過建筑隔聲降噪，因此其受到噪聲影響最低，在噪聲標準值范圍內。

道路區域：圖7和表9分別為13號樓至學校周邊主干道輔道測試區間等聲級線圖、外圍主干道之間的輔路區域噪聲測點結果。

圖7 13號樓至學校周邊主干道輔道測試區間等聲級線圖Fig. 7 Isochronous sound level line between building 13 and the test interval of the main road auxiliary road around the school

表9 13號樓與學校外圍主干道之間的輔路區域噪聲測點結果Tab. 9 Results of noise measurement points in the auxiliary road area between building 13 and the main road outside the school

由圖7可見，噪聲源主要分布在校園外的主干道上，校外道路的噪聲要比校內輔路大得多，主要是因為校外主路的車流量很大，而且道路兩側也沒有安裝隔音設備，校內輔路兩側種滿了綠植和樹木，起到了一定的降噪作用。

由表9可見，在13號教學樓和學校外圍主干道之間的輔路區域內設置有4個監測點，晝間道路區域內平行4個測點a、b、c、d分別為65.1、65.8、66.2、65.8 dB。夜間道路區域平行4點測點a、b、c、d劃分為別54.7、55.4、55.9、55.5 dB。道路噪聲值均超標，主要是由于周邊主干道交通流量大、車輛鳴笛聲、剎車時輪胎與地面摩擦產生的摩擦聲、校內行人的說話聲等。

食堂區域：圖8所示為食堂區域測試區間等聲級線圖，表10、11分別為一、二食堂噪聲測點結果。

表11 二食堂樓噪聲測點結果Tab. 11 Results of noise measurement points in the second canteen building

由圖8可見，噪聲源的主要分布在餐廳周圍。這些噪聲包括排風機噪聲、廚房設備噪聲、食用區空調噪聲、人群交談聲。一食堂的噪聲分布呈橢圓狀向上蔓延，沿上邊道路延伸，二食堂的噪聲則以自己為中心，呈環形擴散。它會對下面的學生活動中心造成噪聲的影響。

從表10和11可見，在食堂區內，有4個測量點是測點a、b、c、d，其中一食堂的白晝噪聲平均為63.9、63.8、63.5、63.8 dB。二食堂4個測試點的分值分別是66.2、66.7、66.2、66.6 dB。各餐廳的噪聲值都超過標準，最高超過11.2 dB(A)，主要是由于餐廳和周圍人群密集，加上排風機噪聲、廚房設備噪聲、飲食區空調噪聲等因素的疊加干擾，造成了這一時段的噪聲值遠遠高于標準規定。

3.2 可行性分析

由表12可見，本研究對象模型模擬值與實際監測值之間的誤差在0～1.3 dB（A）范圍內，模擬結果精度＞96.7%，誤差均在可接受范圍內。從而說明了采用模擬預測方法對校園噪聲分布進行分析是可行的。

4 降噪方案探析

4.1 校園交通噪聲控制措施

（1） 綠化道路。樹木和花草能吸收和散射聲音，試驗表明，40 m寬的樹木能降低噪音10～15 dB，10 m寬的松林能降低3 dB，還能改善空氣質量，減輕駕駛疲勞。

（2） 設置聲屏障可以有效隔聲降噪，減少道路噪聲對校園區域的影響。

（3） 在學校周圍設立不能鳴喇叭的警示牌，在特殊路段實行單向交通管制。

4.2 食堂聲環境改善措施

（1） 風機噪聲治理。噪聲治理控制風機噪聲的常用方法是在風機的進、出口處設置阻性消聲器、可有效消除氣流噪聲。也可采用吸聲材料，可在鐵皮煙道外部包扎吸聲材料，并用鍍鋅彩鋼板作保護層，以減輕固體傳聲通過煙道向外界的輻射。

（2） 廚房噪聲治理。定期對廚房設備及通風設備進行定期檢查維護，有利于降低設備老化引起的機械噪聲。在送菜口通道出口處應設置一道門，送菜通道應盡量采用迂回形式。

（3） 食用區噪聲治理。采用裝飾性吸音板貼墻或吊頂，將多孔材料與穿孔板或膜狀材料組合安裝在墻面上，甚至采用浮云懸掛，均能改善室內音質，抑制噪聲。

4.3 寢室聲環境治理措施

（1） 室外空調機隔聲罩。現在寢室室外機布置在陽臺內側，不僅影響散熱，而且噪聲分布也會影響到寢室內部的休息區域。因此，采用隔聲罩將空調室外機固定在陽臺外側，既能降低設備噪聲，又能改變室外機布置位置，調整室外機流場布局。

（2） 隔音窗的布置。采用隔聲門窗可有效降低室外機對室內聲場環境的影響，節能環保，價格合理。

5 結語

根據預測結果和實測數據對比，發現校園噪聲主要集中在寢室、食堂、道路等區域，其中宿舍區和道路區受校外主干道噪聲影響較大，教學樓區噪聲達標。

采用數值模擬研究方法控制和治理校園噪聲的方法是可行的，并且相對于實測方法來說具有省時、省力的優點，將數值模擬與實測相結合的方式研究可以為后續的噪聲研究提供了方法參考。