基于LMS Virtual.Lab的声屏障结构对其声学特性影响分析

胡 薇，孙凤英，冯 霞

(东北林业大学 交通运输学院，哈尔滨 150040)

随着现代化进程的不断推进，汽车越来越成为人们出行必不可少的代步工具，随之而来的噪声问题也开始引起人们的关注。根据全国的环境监测结果表明：目前全国城市噪声超标路段平均达60％以上，受交通噪声污染的面积已超过30％[1-4]。如何有效的降低城市交通噪声污染，为居民创造更好的生活环境，已成为当代社会迫切需要解决的问题之一。

在降低噪声传播三条途径中，切断传播途径是最可行有效的方法之一。为了降低接收点的声压级，在声源和接收点之间插入一个使声波在传播过程中产生显著附加衰减的隔声设施，即声屏障，从而降低一定范围内的噪声影响。因此，声屏障作为一种实用并且有效的降噪措施广泛应用于国内外的道路上。

LMS Virtual.Lab Acoustics软件是全球领先的专门用于噪声分析的CAE软件，它建立在CATIA V5平台上，不仅完全继承了SYSNOISE的强大功能，还极大发展了最先进新技术。本文以Virtual.Lab Acoustics为平台进行声屏障的仿真，通过不同结构声屏障插入后声场的变化以及插入损失的变化规律，分析不同结构声屏障的降噪性能。

1 声屏障降噪原理

惠更斯——菲涅耳理论[5](Huygens-Fresnel principle)是声屏障降噪理论的基础，当声波在传播过程中遇到障碍物(声屏障)时，会分成三个部分，一部分声波发生了反射，一部分声波绕过声屏障到达接收点，一部分声波则透过声屏障到达接收点，因此，在声屏障降噪就是要阻挡直达和透射声波，并使绕射声得到足够的衰减，从而降低接收者(受声点)的声压级。插入损失就是在保持噪声源、地形、地貌、地面和气象条件不变情况下，同一噪声源在声屏障安装前后在同一受声点先后测定的噪声声压级之差，因此声屏障降噪效果的评价一般采用插入损失来衡量。

2 声屏障的插入损失计算

声屏障插入损失IL的计算式为：

IL=ΔLd-ΔLt-ΔLr-max(ΔLs，ΔLG)。

(1)

式中：IL为插入损失；ΔLd为绕射声衰减；ΔLt为透射声修正量；ΔLr为反向声修正量；ΔLs为地面吸收声衰减；ΔLG为障碍物声衰减

因为障碍物和地面效应是相互影响相互制约的，若有障碍物，地面效应就会失效，所以ΔLs和ΔLG一般不会同时存在，则公式(1)选取两者中最大的。建立声屏障以后，原有的障碍物和地面的吸收的能量就可以忽略不计，所以公式(1)要减去max(ΔLs，ΔLG)，则公式可变为：

IL=ΔLd-ΔLtΔLr。

(2)

2.1 绕射衰减的计算

2.1.1 点声源

若线声源的长度小于声源到受声点之间的距离的1/3时，即声源到受声点的距离远大于线声源长度时，线声源可看做点声源，则其绕射衰减可由公式(3)计算：

(3)

2.1.2 线声源

当声源为一无限长不相干线声源时，其绕射声衰减为：

(4)

式中：f为声波频率，Hz；δ=A+B-d为声程差，m；c为声速，m/s。

2.2 透射声修正量ΔLt的确定

透射声修正量ΔLt，的大小主要取决于声屏障的传声损失，ΔLt可由下列公式计算：

ΔLt=ΔLd+101g(10-ΔLd/10+10TL/10)。

(5)

其中TL为声屏障传声损失，计算公式为：

TL=101g(Ei/Et)。

(6)

式中：Ei为声波的入射声能；Et为声波的透射声能。

2.3 反射声修正量ΔLr的确定

决定反射声修正量ΔLr的因素很多，比如声屏障、受声点和声源的位置高度，声屏障是否是单侧安装，如果是单侧安装，ΔLr可忽略不计，如果是两侧安装，则要考虑两者之间的距离，还有声屏障的降噪系数NRC。一般情况下，ΔLr为0.5～6dB(A)之间，若NRC>0.5使得ΔLr<1dB(A)时，ΔLr可以忽略不计。

因此，不同的结构型式对声波的绕射和反射都有较大的影响，即对声屏障的插入损失具有一定的影响。

3 建立模型

3.1 声屏障结构模型

在Virtual.Lab的几何建模模块(Geometry)直接建立4种常见结构型式的声屏障，如图1所示。

3.2 划分网格

在Virtual.Lab的网格划分模块(Meshing)中，选择CAD Meshing，进行网格划分，因为六面体网格和四面体网格不影响此次仿真计算的结果，为计算简便，采用四面体网格，网格大小根据小于最小波长的1/6确定。

3.3 设置相关参数

(1)声屏障材料统一选用PMMA板，材料参数见表1。

图1 结构图

表1材料设置参数

Tab.1 Material parameters

材料密度/kg·m-3杨氏模量/N·m-2泊松比厚度/mmPMMA1 1805.35e+0100.3512

(2)研究车辆噪声频谱可以为声屏障设计提供可靠依据，是声屏障设计时重要影响因素。根据对车辆行驶噪声的频谱分析得出，频率在250～2 000Hz时声压级较大。因此提交计算时，频率范围设为：100～2 000Hz，步长为100Hz。

(3)因为交通流属于连续性声源，按线声源设置。

4 仿真分析

4.1 插入损失分析

通过 Virtual.Lab Acoustics软件直接得出各频率下4种结构的插入损失(Insertion Loss)如图2所示。

图2 插入损失频谱分析图

根据图2可以看出，随着频率增加，插入损失各结构声屏障呈增长趋势，总体来看，低频区的降噪效果不太理想，因为低频区的波长较长，声波更加容易产生绕射，仿真结果符合噪声绕射衰减规律。当计算频率为200Hz时，声波在传播过程中受声屏障的干扰逐渐明显，说明了声屏障的降噪作用随着频率的增加逐步增强。在低频区200Hz时，圆弧型声屏障降噪效果最好，倾斜板和T板次之，直板型最差；在等效声能量主要集中的400Hz时，圆弧和T板都能起到很好的降噪效果。当频率进入中高频区时，各结构声屏障插入损失陆续达到峰值见表2。

表2 插入损失峰值表

插入损失峰值各结构声屏障差距不大，并且集中在800～1 000Hz出现。根据图2可以看出，各声屏障在700～1 300Hz都能起到很好的降噪效果。因此在选取声屏障结构时，应根据道路车型及相关频率进行选择。

4.2 位移幅值分析

根据研究发现噪声能量主要集中在400Hz左右[6]，因此，可以认为声屏障对城市道路交通噪声的衰减是对400Hz左右声波的衰减，图3为400Hz时各结构声屏障的位移幅值。

根据图3可看出，直板型声屏障的最大位移幅值集中在板中部，在进行声屏障设计中，可在中部采用吸声材料或结构，增强中部的吸声性能达到提高插入损失的目的。

倾斜板的最大位移幅值集中在中部偏下，可在声屏障设计时，下方采用微孔结构，T板和圆弧型板的最大位移幅值均集中在顶部，为防止顶部质量太大而降低应对恶劣气候环境和抗风能力下降，可将顶部采用吸声材料来加强声屏障的吸声性能。

5 结 论

(1)声屏障是降低交通噪声的有效方法之一。

图3 400Hz位移幅值图

(2)声屏障的降噪效果高频噪声高于低频噪声。

(3)在低频噪声区，采用圆弧型和T型声屏障的降噪效果略高于直板型和倾斜型。

(4)在进行声屏障结构设计时，直板型和倾斜型可在位移幅值最大中部和中下部采用微孔等吸声结构，圆弧型和T型可在顶部选用吸声材料来达到更好的降噪效果。

【参 考 文 献】

[1]彭立新，胡卫保.道路声屏障设计探讨[J].冶金矿山设计与建设，2001，33(5)：39-41.

[2]苗齐壮，孙凤英，张梅美.基于TransModeler软件的公交信号优先模型研究[J].森林工程，2012，28(3)：47-50.

[3]刘 瑛，刘国民.公交优先仿真系统概念设计[J].公路工程，2012，37(1)：120-122+127.

[4]叶 颖，王志瑞，翟云波，等.高速公路声敏感点声场分布模拟与仿真[J].公路工程，2013，38(2)：71-74.

[5]Webb J D.Noise control in Industry(Third edition)[M].England：Sound Research Laboratories Ltd，1991.

[6]卢向明.道路声屏障声学特性与声学设计研究[D].杭州：浙江大学，2004.