计算器仿真研究声屏障结构对降噪性能的影响

计算机模拟研究声屏障结构对降噪性能的影响

󰀁󰀁文章编号:1006󰀁1355(2010)01󰀁0063󰀁05

󰀁63

计算机模拟研究声屏障结构对降噪性能的影响

陈继浩,冀志江,张忠伦,王󰀁静,隋同波

(中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室,北京󰀁100024)

󰀁󰀁摘󰀁要:利用声学仿真软件RAYNOISE对Y形分叉形、多重楔形、T形弧形结构的声屏障在屏障后高度为30m,距离为50m范围内进行降噪效果的仿真模拟。结果显示,与直立形声屏障相比,多重楔形声屏障具有较好的降噪性能,在距离声屏障50m,高度2m时插入损失达到14.5dB。T形弧形顶声屏障在高度较低区域具有较好的降噪性能。Y形分叉形声屏障的插入损失随着声屏障后敏感点高度的增加,下降较少。研究吸声材料对声屏障降噪性能的影响,在能够实现的吸声材料的吸声系数的条件下,吸声材料的布置对声屏障后声影区的降噪效果没有影响,原因可能是没有考虑声波在屏障和车体之间多次反射的影响。

关键词:声学;声屏障结构,模拟,Y形分叉形、多重楔形、T形弧形顶中图分类号:TU112.4󰀁󰀁文献标识码:A󰀁

󰀁DOI编码:10.3969/.jissn.1006-1355.2010.01.063

StudyonInfluenceofSoundBarrierStructureonIts

NoiseReductionPerformancewithNumericalSimulation

CHENJi󰀁hao,JIZhi󰀁jiang,ZHANGZhong󰀁lun,WANGJing,SUITong󰀁bo

(StateKeyLaboratoryofGreenBuildingMaterials,ChinaBuildingMaterialAcademy,Beijing100024,China)

󰀁󰀁Abstract:TheacousticperformancesofY󰀁shaped,multi󰀁wedge󰀁shaped,andT󰀁shapedstructuresofnoisebarrieraresimulatedbyusingacousticsoftware󰀁RAYNOISE.Intheregionof30mheightand50mwidthbehindthesoundbarrier,thesimulationresultofnoisereductioneffectisobtained.Theresultin󰀁dicatesthatthemulti󰀁wedge󰀁shapedstructureisthebestfornoisereduction.Itsinsertionlosscanreach14.5dBintheregionof2mheightand50mwidthbehindthenoisebarrier.ThenoisebarrieroftheT󰀁shapedstructurehasgoodacousticperformanceintheregionoflowerheightbehindthenoisebarrier.TheinsertionlossoftheY󰀁shapedstructuredecreasesslightlywhentheheightofthemeasurementpointincreases.Theinfluenceofsoundabsorptionmaterialonnoisereductionisstudied.Theresultindicatesthatthedistributionofsoundabsorptionmaterialhasnoinfluenceonthenoisereductioneffectinthere󰀁gionjustbehindthebarrier.Thepossiblereasonisthatthereflectionbetweenthebarrierandthevehicleisnotconsideredinthesimulation.Keywords:acoustics;structureofnoisebarrier;simulation;Y󰀁shapedstructure;multi󰀁wedge󰀁shaped;T󰀁shapedructure

󰀁󰀁近年来,道路附近居民受到噪声影响越来越严重,隔声屏障作为控制道路噪声污染的主要方式正

在得到快速发展。通常增加障板高度可以提高隔声屏障的降噪效果,但增加障板高度会提高对基础及结构的要求,大大提高声屏障的应用成本,并且

收稿日期:

2009-04-28;修改日期:2009-05-27

改善关键技术研究 资助(课题编号:2006BAJ02A04)

作者简介:陈继浩(1973-),河北省沧州人,中国建筑材料科学研究

总院在读博士生,主要研究方向为居住区噪声控制。E󰀁mai:l

cjhchenjihao@163.com

较高的障板产生空间压抑感,破坏视觉环境。对于城市道路,声屏障的高度受到限制,高度低于3m的声屏障的研究有着重要的现实意义。国际上目前

通常通过改善声屏障几何形状及吸声性能,特别是在竖直障板顶端加上一些简单几何结构来增加障

基金项目:国家󰀂十一五 科技支撑计划󰀂居住区与室内噪声控制与

󰀁2010年2月板的隔声性能

[1]

噪󰀁声󰀁与󰀁振󰀁动󰀁控󰀁制

。这样主要是使声能在顶端处更

第1期󰀁

实际应用的材料的吸声性能,如泡沫铝。我们选用的吸声性能如表1。

多的耗散掉。因此顶部结构的研究开始得到重视并成为研究的热点。我国在隔声屏障结构形式方面主要以直立形、折壁式和圆弧形为主,结构形式较为简单,在声屏障结构对降噪效果的影响方面研究较少。

国外大量应用计算机技术对声屏障影响区域的降噪效果进行数值模拟,大大提高了效率和准确性

[2-4]

。比较常见的应用声学软件有比利时LMS

公司开发的RAYNOISE,丹麦技术大学的ORDENS以及德国Braunstein+BendtGmbH公司的Sound

PLAN等。我国在研究隔声屏障时主要进行计算,计算工作量大而且较为繁琐,准确程度和效率不高,对于具有一定几何结构的声屏障的计算更为困难;在应用计算机解决声屏障降噪问题方面较为薄弱,近年来国内研究人员也开始重视应用计算机模拟技术对声屏障降噪效果进行预测,从而为设计高效声屏障提供依据

[5]

图1󰀁三种不同声屏障结构截面图Fig.1Profilesofthreenoisebarrierstructures

表1󰀁吸声材料吸声性能

Tab.1Performanceofsoundabsorbingmaterial频率/Hz125160200250315400500

吸声系数/(󰀁0)0.330.540.670.760.850.980.87

频率/Hz

630

80010001250160020002500

吸声系数/(󰀁0)0.780.720.630.530.460.600.43

。

1󰀁计算机模拟原理及模拟条件

应用比利时LMS公司的RAYNOISE软件对不同结构的声屏障在较大高度和距离范围内声屏障的降噪效果。RAYNOISE是LMS公司为声学工程师研制的声学CAD软件,主要用于建筑声学计算机辅助设计。计算模型所采用的方法为镜像声源法和声线跟踪法。利用此软件可以很方便地考虑声屏障的几何形状、声源的指向性以及地面和声屏障表面的吸声条件

[6]

1.3󰀁声源及周边模拟条件设定

考虑到车流量较大时情况,车辆噪声以两条线声源为声源,两条线声源的距离为13m,离地面的高度为1.2m,声屏障离较近的线声源距离为7.5m,距路缘1m。线声源的频率范围为125Hz!4000Hz的倍频程声源。地面假设为草地。根据实际道路交通噪声情况,假设无声屏障时距路缘31m处,高度1.5m处的声压级为70dB。声屏障长度为200m,研究中间剖面上距离声屏障50m范围内降噪效果的分布,这样更符合道路噪声对道路两边居民影响的实际情况。

声屏障模拟仿真布置示意图如图2,图中左侧两条线代表线声源,右侧网格处于声屏障中间位置,网格为将要分析的区域的剖面。此剖面位于声屏障长度的中间位置,与声屏障立面垂直,高度为30m,宽度为50m。

。用户可以较详尽模拟整个声

场的地形地貌;可以定义声波传输介质特性,各种吸声材料特性,布置吸声材料;定义声源特性:包括声源性质(点、线、面、体声源)、声源位置、声源频响特性、声源发射方位角、声源指向性,定义衍射边等。1.1󰀁模拟结构条件设定

利用RAYNOISE软件对T形圆弧形、Y形分叉形、多重楔形等声屏障结构形式在不同距离的和高度的降噪效果进行了仿真模拟,来分析不同结构形式的降噪特点,以设计研制高效隔声屏障。同时对设置吸声材料的情况进行了对比。三种声屏障总高度都为3m。声屏障结构如图1。1.2󰀁模拟吸声条件设定

利用RAYNOISE软件的特性研究吸声材料对声屏障后声影区降噪效果的影响。对T形弧形顶声屏障和Y形分叉形声屏障两种顶部结构附加吸声材料,比较附加吸声材料对声屏障的降噪效果影响。为了与实际应用情况相符,吸声材料采用可以

图2󰀁声屏障降噪模拟分析布置图

Fig.2Sketchmapofnoisereducingsimulationofnoisebarrier

󰀁

计算机模拟研究声屏障结构对降噪性能的影响

󰀁65

的计算机仿真模拟作为比较。

从表2可以看出,由于不同的声屏障结构,形成的声压级分布有明显差异。其中Y形分叉形和多重楔形声压级和距离、高度的关系较为明显,声压级随距离的增加而减小,随高度的增加而增加,在右下角声压级最低。而T形圆弧形声屏障在较低的区域声压级较低,特别是在高度小于2m的位置,而在4m声压级上升较多。

为了分析降噪效果,选取距离声屏障为30m、

2󰀁模拟结果及讨论

2.1󰀁声屏障结构对降噪性能的影响

表2为直立形、Y形分叉形、多重楔形、T形圆弧形声屏障的计算机仿真模拟声压级分布。由于声屏障结构中特别是顶部结构有一定的宽度,所以建立剖面的坐标原点为声屏障后0.5m,距声屏障的距离以此位置计算。为了分析具有一定结构的声屏障的降噪效果,以高度为3m的直立形声屏障

表2󰀁不同结构声屏障后声压级

Tab.2Soundpressurelevelofdifferentnoisebarriers

结构

形式

不同距离声屏障声压级/dB(A)

高度/m108

直立形

642108

Y形分叉形

642108

多重楔形

642108

T形圆弧形

642

077.878.479.179.863.373.874.475.175.563.57474.67575.659.673.874.475.175.860.8

576.77776.572.864.872.772.372.67063.872.472.872.16860.672.773.372.771.462

1074.874.972.667.763.570.97169.466.562.570.570.567.964.659.271.171.170.769.861.1

1573.771.770.465.862.469.868.667.464.661.369.46765.661.258.169.869.668.667.560.1

2070.970.169.164.361.367.866.86663.160.267.465.664.359.75769.368.466.96659.2

2569.968.768.26360.566.565.664.861.959.465.163.963.458.556.267.566.765.764.858.4

3068.667.763.761.959.765.264.562.660.858.664636157.455.466.565.566.663.757.7

3567.366.962.860.959.464.263.661.759.85862.562.258.156.554.865.264.564.562.757

4066.666.361.96058.463.362.960.858.957.361.861.557.355.654.164.363.663.761.856.4

4565.965.66159.357.762.562.259.958.256.661.160.956.554.953.463.462.962.861.155.8

5065.361.260.258.757.361.960.259.157.656.260.558.755.754.35362.763.66260.555.3

40m、50m的距离,高度为2m、4m、6m、8m等不同点的插入损失进行比较。这样的距离比较符合道路两侧受影响的居住建筑到道路的距离的实际情况。

表3是以上三种不同结构声屏障在没有吸声材料时各点声屏障的降噪效果。

由表3可以看到,在10m高度范围内,插入损失随高度增加而减小,随距离增加插入损失逐渐增加,特别是在高度高于2m时。在10m高度范围

内,降噪效果在各个高度较好的都是多重楔形声屏障,如在高度为2m,距离为30m时,模拟降噪量为14.5dB,与直立形相比,附加的降噪量达到4.3dB,与多重楔形相比,Y形分叉形和T形圆弧形的降噪效果略低,如在高度2m,距离30m处的插入损失,T形圆弧形为12.2dB,而Y形分叉形比多重楔形低11.3dB。但仍然比直立形声屏障降噪性能有显著提高。

从表2及表3数据分析可以看出,T形圆弧形

󰀁2010年2月噪󰀁声󰀁与󰀁振󰀁动󰀁控󰀁制第1期󰀁

声屏障在高度较低的位置具有较好的降噪性能,随着高度增加到2m以上,降噪性能下降非常多。如在距离为30m时,高度2m降噪量为12.2dB,而高度为4m时,降噪量降为6.2dB,降噪性能下降达到6dB。

表3󰀁三种不同结构声屏障插入损失

Tab.3Insertionlossofthreenoisebarrierstructures结构

形式

高度/m108

直立形

642108

多重楔形

642108

Y形分叉形

642108

T形圆弧形

642

不同距离声屏障插入损失/dB30m1.22.16.18.010.25.76.88.812.514.54.55.37.29.111.33.24.33.26.212.2

40m1.92.26.78.610.26.77.011.313.014.55.25.67.89.711.34.24.94.96.812.2

50m2.26.37.38.810.27.08.811.813.214.55.67.38.49.911.34.83.95.57.012.2

噪性能的影响,吸声面主要布置在顶部结构上,布置简图如图3。在T形圆弧形结构顶端的弧面上,我们布置了吸声材料。在Y形分叉形声屏障面对道路一侧的斜面上布置吸声材料。

图3󰀁两种声屏障结构吸声材料布置

Fig.3Distributionofsoundabsorptivematerialoftwotopstructures

顶部布置吸声材料后,仿真模拟的T形圆弧形、Y形分叉形顶部结构声屏障噪声声压级分布图与未布置吸声材料的结构相似;比较布置吸声材料各点的插入损失,发现与未使用吸声材料时相同,因此不再列出。

两种结构形式在布置吸声材料前后,在声屏障后不同位置的插入损失没有差别,也就是说吸声材料的应用在声屏障后的作用没有反应出来。这与蔡俊等人

[7]

而多重楔形和Y形分叉形声屏障在较高的高度仍然有较好的降噪效果,如在50m距离,10m高度,多重楔形和Y形分叉形的插入损失分别是7.0dB和5.6dB。其中Y形分叉形声屏障随高度的增高,插入损失下降最少,如在50m距离,测点高度由2m升高到10m时,Y分叉形插入损失降低量为5.7dB,而多重楔形声屏障插入损失降低量为7.5dB。T形圆弧形声屏障插入损失降低量为7.4dB。因此Y形分叉形声屏障插入损失在随高度增加降低较

小,比较适用于道路两边较高的建筑。T形圆弧形声屏障在较低区域有较好的降噪性能,比较适用于高速公路两边村镇建筑等低矮建筑噪声的控制。2.2󰀁顶部结构吸声材料的应用对声屏障降噪性能的影响

利用RAYNOISE软件可以定义吸声材料特性和分配吸声材料的功能,研究T形圆弧形、Y形分叉形两种声屏障顶部结构布置吸声材料对声影区降

利用边界元的研究结果不同。可能与

RAYNOISE软件的原理有关,它主要以几何声学为理论基础。在中高频较为准确,而能传播到声屏障后的声波主要以中低频为主,因此未能反映吸声材料的作用。

本次计算机仿真模拟采用单侧声屏障,有实测研究指出,在道路边单侧采用声屏障时吸声材料并不能明显改善声屏障后的降噪性能

[8]

。研究认为

原因是吸声材料在中低频的吸声系数不高,如果材料在低频段的吸声系数不高,那么对绕射声衰减贡献就小。因此,提高吸声材料的中低频吸声性能才能显著提高声屏障后的降噪效果

[9]

。在计算机模

拟时设置吸声材料的吸声性能时,采用能够实现的吸声材料的吸声系数,而不是采用理论研究常用的全吸收条件,这与实际情况更相符,因此吸收声能的作用可能更小而被忽略。

(下转第85页)

󰀁

基于变分贝叶斯独立分量分析的故障源盲分离

叶斯结合起来,提出了一种基于变分贝叶斯独立分量分析的转子故障盲源分离方法,该方法的特点是不需要将未知噪声看成一种独立源,也不需要进行消噪预处理,可直接对噪声干扰的机械源信号进行有效分离。将提出的方法应用到转子油膜涡动和不平衡两种故障的源分离中,实验表明,该算法优于传统的机械故障盲分离方法,特别是在强干扰噪声环境下具有明显的优势,分离误差大幅度减少,能达到好的分离结果。参考文献:

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󰀁85

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viavariationalmethods[J].StatisticsandComputing,

2000,(10):25-37.

(上接第66页)

󰀁󰀁另外,采用RAYNOISE软件研究的是声屏障后30m至50m范围内降噪效果,与蔡俊等人利用边界元研究的声屏障研究范围在声屏障后3m的范围不同,此范围一般不是道路噪声污染的主要区域,在更大范围内是否起作用,需要进一步的实验验证。

实际应用时由于大型车辆等的影响,面向道路设置吸声材料可以减少声屏障和车辆之间的反射,对降噪效果应该有正面的影响

[10]

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[8]MayDN,ect.Theperformanceofsoundabsorptive,

re󰀁

。

3󰀁结󰀁语

(1)利用RAYNOISE软件对高度为10m的3种不同结构的声屏障进行仿真研究,设定与实际情况相符合的应用条件。结果显示,与直立形声屏障

相比,多重楔形声屏障具有较好的降噪性能,在50m距离,高度2m时降噪量达到14.5dB。T形圆弧形顶声屏障具有在高度较低区域较好的降噪性能。Y形分叉形随着高度的增加,插入损失下降较少。

(2)研究吸声材料对声屏障降噪性能的影响,在能够实现的吸声系数的条件下,吸声材料的布置对声屏障后声影区的降噪效果没有影响。原因可能是在设置模拟条件时,没有考虑车辆和屏障之间声能的反射。参考文献:

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