隔声屏障降噪效果的计算机模拟分析

隔声屏障降噪效果的计算机模拟分析作者：清华大学类别：计算机模拟添加时间：2005-06-10王鹏、燕翔、胡奇志、王江华摘要：本文通过对计算机模拟软件raynoise的交通噪声模拟分析结果与实验室缩尺模型测量记过的对比来验证计算机模拟软件在交通噪声治理工程的实际的可信度。进一步对公路隔声屏障的各种形式所产生的不同降噪效果进行模拟对比，从而对不同形式隔声屏障的降噪效果有更深入的了解。关键词：计算机模拟交通噪声隔声屏障一、概述我国高速公路修建的初始阶段，交通流量相对较少，交通噪声没有引起人们的重视。随着汽车时代的到来，高速公路交通流量的迅猛增长，城市车流量急剧增加，随之而来的城市道路交通噪声对环境污染越来越严重，已成为社会公害之一，成为世人关注的热点。关注其准确度与对引起误差源方面加以确认。同时，软件使用者必须清醒地认识到，先进的程序不能替代使用者的声学知识和经验，输入数据的正确性和精确度又是另一项重要因素。通过计算机声学软件，输入三维模型，形象清楚的表达出建筑物，地面，地形，声屏障，声源等的空间位置。通过最大程度的细致描述，准确模拟噪声在建筑物、声屏障、地形间传播的折射、反射、衍射和吸收，从而提高预测手段和预测效率。二、RAYNOISE软件系统的基本原理RAYNOISE主要以几何声学为理论基础，几何声学假定声学环境中声波以声线的方式向四周传播，声线在与介质或界面（如墙壁）碰撞后能量会损失一部分，这样，在声场中不同位置声波的能量累积方式也有所不同。80年代后期以来，随着计算机技术的高速发展，数字技术正逐渐占据主导地位。数字技术的核心就是利用多媒体计算机进行建模，并编程计算脉冲响应。该技术具有简便、快速以及精度可以不断改善的特点，这些是模拟技术所无法比拟的。计算脉冲响应有两种著名的方法：虚源法和声线跟踪法。两种方法各有利弊。后来，又产生了一些将它们相结合的方法，如圆锥束法和三棱锥束法。RAYNOISE将这两种方法混合使用作为其计算声场脉冲响应的核心技术。对于户外交通噪声的模拟，Raynoise软件所依据的模拟原理有：1．软件衍射模拟原理（1）衍射路径声场的经典几何分析方法（虚声源法、声线追踪法、混合法）都没有考虑声音的衍射。但由于在户外交通噪声中衍射是十分重要的，RAYNOISE便采用了一种近似法来计算衍射，也就是计算衍射波中到达物体（以屏障最为典型）的声影区的那一部分。这只要通过搜寻一阶衍射路径便可以完成。此路径是一条从声源（或虚声源）到接收点的最短折线，折点（衍射点）要在屏障的边缘线上（见图1）。首先需要用户在几何模型中定义衍射边界，然后RAYNOISE会自动找寻符合以下条件的衍射路径：1、衍射点在衍射边界的两个端点之间；2、接收点在屏障的声影区内；3、衍射路径第一部分（从声源至衍射点）不应被其它几何面所打断。（2）衍射路径的累积很自然地，声波衍射往往不只发生于一条衍射路径（如图2）。例如，一个模型由地面、声屏障、接收点组成，那么将会出现三条衍射边界（一条在声屏障顶部，另两条在声屏障的两侧边）。在这样的情况下，需要计算所有的衍射给接收点贡献的声压，包括当声源为连续声源时，不同衍射路径因长度不同而形成的相位不同所产生的干涉（图3）。2．软件透射模拟原理RAYNOISE利用透射声源，可以模拟屏障内外之间的声音透射。透射声源被放置在多边形面体的重心处，并发出半球面波。激发源声能水平又是由用户指定点的声压级（dB）与直射声能（dB）推算得到的。RAYNOISE软件计算透声的计算是由直射声线声能与总声能的比值决定声场接收点处的声压并评估扩散水平。根据现场声场来评估透射声源的声能，透射声源的声波传播增值过程将被追踪，其声能分量将加入噪声场中，在软件中用彩图表示隔声计算结果。通过Raynoise软件定义透射，我们可以在分析的项目模型中定义声屏障的隔声量等参数。三、计算机模拟和缩尺模型的对比针对模拟计算结果的验证，如果采用到实际的道路和建筑物进行现场测量的方法，有许多不确定因素的干扰，很难得到准确的数据做对比。因此我们采用在声学消声室中进行模型实验，将其测试数据与模拟计算结果进行对照的方法对模拟计算的正确性进行验证。设计一个简单的居住小区作为模拟的对象，在声学实验室的消声室中，我们搭建了该小区的1：40的缩尺模型，用来模拟该小区内环境噪声的情况。该实验验小区周围道路所发出的交通噪声为线声源，由装有小扬声器的电动玩具小火车模拟，小火车速度为0.45m/s。实验时扬声器播放事先录制好的交通噪声。实验测点位置如图8所示，测点高度为距地面10cm。RAYNOISE模拟结果模拟显示由于有前排楼的遮挡，加入衍射计算后，小区内的噪声有前排到后排衰减20分贝。RAYNOISE软件的模拟结果与传统比例模型模拟结果对比如表1。对比结果为，缩尺模型测试数据和模拟分析计算结果的误差在5分贝左右，各个点略有不同。RAYNOISE对于模拟室外环境噪声的情况存在一定的误差，但是它对于噪声预测还是有相当大的作用，一般情况下,当预测点到声源距离适中时，预测结果可以接近实际结果，如果预测点太靠近交通道路，预测结果会比实测结果明显偏高，因为预测模型并不考虑不同车道的车辆间相互屏蔽作用，如果预测点距声源太远，复杂的声传播环境会大大降低预测精度。特别在预测设计情况下，RAYNOISE所模拟出的结果可以满足方案设计要求。四、声屏障计算机模拟应用分析1．交通噪声概况该项目位于位于深圳市，西侧靠山，东邻高速公路，风景优美、交通便利。由于附近高速是一条直接通往码头的高速路，所以，高速昼夜都有川流不息的箱式货柜车。这样众多的货柜车行驶在高速的主路和辅路，致使高速路旁的深圳高中深受噪声的干扰，严重影响了师生们的工作和学习。2．现场实测现场进行了测量和实地考察，测试时间分别为中午、夜晚，.测试状态在室外、校园边界。其现场实测噪声值如下表：现场测试数据显示，学校师生宿舍昼夜间在窗外1m处为70dB(A)左右；在开窗的情况下，室内噪声值为58.6~62.8dB(A)；校区边界和道路旁边的交通噪声测量表明，昼夜噪声值相差不大，夜间较昼间高3dB左右。其噪声源主要来源于卡车发动机、轮胎高速旋转时与地面的摩擦和汽车的鸣笛。表2描述了一般车辆的噪声情况。这主要是由车流量的昼夜变化引起的。原因是昼夜间都有货柜车通行，经常有鸣笛和堵车现象，这样会产生不可预见性突发噪声。3．声屏障方案设计和软件模拟分析治理指标参考依据标准《城市区域环境噪声标准GB3096-93》，对建筑物窗外1m的噪声值，以居住、文教机关为主的区域居住环境可参照执行该1标准。昼间不超过55dB，夜间不超过45dB。方案设计效果对比:根据声屏障的设计依据和本工程的现状，方案中把实测的交通噪声数据输入Raynoise软件中，作为噪声源，参与计算进行对比，操作步骤：1、建立建筑物的面层闭合三维立体模型和不同种类型的声屏障，导入软件系统；2、设定声源条件参数，包括声源数量，位置，声功率级别，背景噪声声压级等等；3、设定隔声屏障的绕射和透射参数。方案一：直立式声屏障在校区边界设立6米高直立式声屏障。方案二：倾斜式声屏障倾斜式屏，可以增加一定的等效高度，设计直立部分6m高，倾斜部分长度为1m、与竖直屏的夹角为300。方案三：辅路1/2封闭式一般公路设计要求声屏障高度不得低于4.5m，校区边界屏障的直立部分设计为6米，同时满足屏障的安全性和可视性，挑出的高度不宜过大，不能影响货柜车的行使视线，挑出的宽度为9米。其声学模型和模拟如下图：方案四：主路直立式声屏障在主路设立6米高隔声屏障。方案五：主路1/2封闭式考虑到公路上车的流量和其他一些因素的影响，盐排高速距离校区学生宿舍较远，噪声辐射范围比较大，故将屏障的直立部分定为6米，顶部横跨部分设为9米，与竖直屏的夹角为450，其模型如图16所示。