基于Virtual Lab的交通噪声声屏障降噪效果研究

阎春利，金　鑫，申　晨

(1.东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040；2.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)



基于Virtual Lab的交通噪声声屏障降噪效果研究

阎春利1，金鑫2，申晨1

(1.东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040；2.北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081)

摘要：经济的发展和机动车的增加，导致交通噪声成为目前城市中的重要污染。为了减小交通噪声对人体的危害，声屏障成为主要的降噪手段之一。如何设计声屏障的结构使其插入损失最大是本文研究的重点。论文设计了直立型、倒L型、顶部弧型以及45度斜顶型4种声屏障结构方案。利用声学测试分析软件LMS Virtual Lab直接进行建模、划分网格、设置参数以及进行声学性能分析，在刚性表面情况下对声压图、频率响应曲线和插入损失进行比较，结果显示：4种不同的声屏障结构方案都在中低频率范围内降噪效果最好，通过对不同声屏障降噪效果的比较，可以很好的根据实际需要控制交通噪声污染状况，达到改善交通噪声污染的效果。

关键词：交通噪声；声屏障；插入损失；频率响应

0引言

随着我国经济迅猛发展，机动车和非机动车的数量急剧增加，交通拥堵和噪声污染问题日益增加，道路交通噪声也成为城市噪声的主要来源[1]。道路交通噪声污染不仅危害人们的健康，而且对国家的经济也造成了巨大损失，据有关部门统计结果表明，每年的经济损失大约有216亿人民币，而人口密度最大的北京市就占到了6.94%～9.3%。因此，降低城市道路交通噪声是改善人们居住环境，提高人们的生活质量的当务之急。

控制交通噪声的方式主要包括：①种植降噪绿化林带，该方法可以绿化环境、使生态环境越来越好。其缺点是：占地较多，栽种植物绿化带的初期产生的降噪效果不明显；②采用低噪声路面，该方法的优点是可以有效的控制道路交通噪声，使路面的排水性能有所提高，增加雨天驾车行驶的安全性，缺点是寿命较短；③利用声屏障[2-5]，采用声屏障技术不仅可以控制道路交通噪声，而且对这些路段周围的环境也起到了一定的防护作用[6-8]。

声屏障的结构形式很多，不同结构形式其降噪效果不同，当然制造成本也不同。论文通过对不同顶部结构声屏障降噪效果的比较分析，为其应用提供数据参考。

1声屏障降噪原理

1.1声屏障干扰下的声波传播路径

声屏障技术是通过设计制造具有特殊结构的有足够面密度和密室材料墙或板的隔声和吸声等材料，能够使声波得到足够的衰减[9-11]。声屏障是一种通过控制汽车产生噪声的传播途径来达到降噪效果的有效措施，已经成为人们优先考虑的一种降噪手段[12]。

当噪声源发出的声波在遇到声屏障时，它会在声屏障的干扰下通过3种不同的途径继续进行传播(如图1所示)：一部分为透射波，即声波穿透声屏障并继续传播到达受声点(d路径)；一部分为绕射波，即声波在越过声屏障顶端后，绕射到达受声点(B路径)；还有一部分为反射波(A路径)，即声波在声屏障壁面上产生反射而不能到达受声点。声屏障的插入损失取决于声波在遇到声屏障后沿着这三条不同路径传播时声能的分配[13-14]。

图1　声波的三种不同传播路径Fig.1 Three propagation paths of sound wave

1.2声屏障降噪效果

声屏障降噪效果用插入损失来评价。插入损失是指当气候条件、地面、地形和噪声源不变的条件下受声点处安装声屏障前后所测得的声压级之差[15-17]。

考虑到地面吸声和其它障碍物的影响，声屏障实际插入损失为：

IL=△L绕+△L透+△L反+(△LS，△LG)max。

(1)

式中：IL为实际插入损失，dB；△L绕为绕射声衰减，dB；△L透为透射声衰减，dB；△L反为反射声衰减，dB；△LS为地面吸收声衰减，dB；△LG为障碍物吸收衰减，dB。

2声屏障的结构设计

考虑驾驶员对道路两侧视线通透性的要求以及道路景观对整体环境美化的需求，声屏障采用反射——吸声——透光的结构形式[13-14]。

声屏障底部为普通吸声材料，由普通吸声板和共振吸声腔两部分组成，整体尺寸(高×宽×厚)为2 000 mm×5 000 mm×100 mm，吸声板厚度为20 mm，共振腔体厚度为80 mm。朝向道路内侧的是吸声板，在道路外侧的是共振腔体，共振腔体内安装加强肋板，加强吸声板的强度，减小由于外力造成破坏的可能性，在声屏障侧面和中间肋板留出一些孔洞，目的是排雨水和清灰土。声屏障的中间部分结构是双层PMMA塑料板，内中空，透光，单板尺寸为1 000 mm×5 000 mm×40 mm。声屏障的顶部是铝薄板结构，基础结构为1 000 mm×5 000 mm×100 mm，不同顶部的声屏障在基础结构上加装不同的结构。声屏障两侧用钢柱支撑并且用长螺栓固定，下面部分由水泥浇灌并埋于地下，形状呈工字型，为声屏障提供支撑作用，材料为45号钢。声屏障各部件质量见表1。

表1　设计方案各部件质量Tab.1 Mass of the parts in the design case

设计方案包含4种材料相同，结构不同的声屏障。4种结构设计方案下部结构和高度都相同，高度为4m，主要区别在于顶部结构。普通直立式(如图2(a)所示)顶部结构为1 000 mm直立板；倒L式(如图2(b)所示)是将普通直立式的顶部加长度为500 mm(与顶部材料完全相同)并与声屏障垂直的直板；顶部弧形(如图2(c)所示)即加半径为500 mm的弧形板；顶部45度斜立式(如图2(d)所示)即加707 mm的45度斜板。

(a)普通直立式

(b)倒L式

(c)顶部弧形式

(d)顶部45度斜立式图2　声屏障结构方案Fig.2 Structure schemes of noise barrier

3声屏障降噪效果分析

3.1仿真参数设置

针对普通直立式、倒L式、顶部弧形式、顶部45度斜立式4种声屏障结构，在Virtual.Lab进行三维建模，并进行实体建模和网格划分，最后设置相关参数进行声学仿真分析计算，本设计方案设置的频率范围100～3 000 Hz；包含了一般道路交通噪声频率(200～2 500 Hz)，并对4种声屏障结构设计方案的降噪性能进行了仿真分析实验。所用材料的参数设置为：铝板：杨氏模量为7.17×1011Pa，泊松比为0.33，密度为2 700 kg/m3，声速为6 400 m/s；PMMA板：杨氏模量为3.16×109Pa，泊松比为0.32，密度为1 190 kg/m3，声速为2 718 m/s；45钢：杨氏模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7 800 kg/m3，声速为5 790 m/s。

在参数设置中几点说明：①统一大小相同，声源位置固定，声音传播过程中大气是均匀的，声音的传播速度为v=340 m/s，温度为20℃，空气密度为1.225 kg/m3，此外还统一受声点的位置[18]；②吸声板模型都是通过加载阻抗边界条件来进行模拟的。

3.2不同结构方案的声压图

声压图是受声点在不同频率下的声压大小，可以根据设定的频率范围和频率范围间隔查看不同频率下的声压大小。例如：设定的频率范围是100～3 000 Hz，间隔10 Hz，则可以查看在100～3 000 Hz之间的任一频率范围下受声点的声压值。图3为不同结构声屏障的声压图，普通直立式如图3(a)所示，倒L式如图3(b)所示，顶部弧形如图3(c)所示，顶部45度斜立式如图3(d)所示。声压图中颜色代表该受声点的声压的大小，颜色越深声压越大。

(b)普通直立式

(b)倒L式

(c)顶部弧形式

(d)顶部45度斜立式图3　声压图Fig.3 Diagram of sound pressure

3.3频率响应

频率响应曲线是由受声点在不同频率下声压值构成的曲线，反应出受声点在100～3000Hz频率范围内声压值的趋势。图4为4种声屏障的声压频率响应曲线，曲线的横轴为频率，单位为Hz，纵轴为声压，单位为dB。普通直立式如图4(a)所示，倒L式如图4(b)所示，顶部弧形如图4(c)所示，顶部45度斜立式如图4(d)所示。

(a)普通直立式

(b)倒L式

(c)顶部弧形式

(d)顶部45度斜立式图4　频率响应曲线Fig.4 Curve of frequency response

从频率响应特性曲线中可以看出，各个声屏障结构方案的降噪效果峰值都不完全一样，但是总体都趋近于1 000 Hz，可知声屏障对较低频率的噪声波的降噪效果最好。

3.4插入损失

声屏障降噪效果用插入损失来评价。插入损失曲线如图5所示，其中普通直立式为(a)图，倒L式为(b)图，顶部弧形式为(c)图，顶部45度斜立式为(d)图。图中横坐标为频率，单位Hz，纵坐标为插入损失，单位dB。

由图5可以看出，在低频250 Hz以下时，各种结构声屏障的最大插入损失分别为：普通直立式约为2.5 dB，倒L型约为5 dB，顶部45度斜立式约为4 dB，顶部弧形式约为6 dB。

(d)普通直立式

(b)倒L式

(c)顶部弧形式

(d)顶部45度斜立式图5　插入损失曲线Fig.5 Curve of insertion loss

在中频250～1 000 Hz时，各种结构声屏障的最大插入损失分别为：普通直立式约为6.5 dB，倒L型约为10 dB，顶部45度斜立式约为14 dB，顶部弧形式约为15 dB。

在高频1 000～2 000 Hz时，各种结构声屏障的最大插入损失分别为：普通直立式约为12 dB，倒L型约为15 dB，顶部45度斜立式约为9 dB，顶部弧型式约为18 dB。

4结论

通过对各类道路噪声频率特性下不同结构型式声屏障降噪效果分析，得出以下的结论：

(1)从仿真结果分析，各种结构声屏障的插入损失峰值不同，但是总体都趋近于1 000 Hz，而城市道路车辆的行驶速度平均处在60 km/h，此时所产生的噪声频率范围在800～1 200 Hz，所以声屏障对城市道路交通噪声的降噪效果最好。

(2)从插入损失曲线可以看出不同顶部结构声屏障降噪效果不同，其插入损失由大到小分别为：顶部弧形式、倒L式、顶部45度斜立式、普通直立式。在实际应用中考虑到安装和使用成本，在不同区域可以采用不同的结构形式。

论文仅仅研究了单侧设立声屏障的降噪效果，实际应用中往往采用道路两侧均设立声屏障模式，另外对于不同材质的降噪效果研究也很必要，这些将在后续工作中进行研究。

【参考文献】

[1]刘玉喜.声屏障的声学性能分析及其结构设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[2]吴霖，熊鸿宾，李志远.城市道路声屏障的研究与进展[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2003，26(5)：1045-1048.

[3]曹伟.城市道路声屏障发展述评[J].郑州大学学报(自然科学版)，1998，30(1)：33-34.

[4]Monazite M R ，Lam Y W.Performance of profiled single noise barriers covered with quadratic residue diffusers[J].Applied Acoustics，2005，66：709-730.

[5]Abo-Qudais S A，Hillary A.Effect of traffic characteristics and road geometric parameters on developed traffic noise levels[J].Canadian Acoustic，2003，33(5)：65-69.

[6]Abo-Qudais S A，Hillary A.Effect of distance from intersection on developed traffic equivalent noise levels[J].Canadian Journal of Civil Engineering，2004，31(4)：53-58.

[7]毛东兴，夏俊峰，洪宗辉.顶部带吸声柱体的微穿孔声屏障的应用研究[J].声学技术，1999，18(1)：26-29.

[8]孙华云.不同结构型式降噪声屏障的特性研究[D].大连：大连交通大学，2008.

[9]陈兴帅.新型声屏障的结构设计及其声学性能分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[10]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.

[11] Cianfrini C，Corcione M，Fontana L.Experimental verification of the acoustic performance of diffusive roadside noise barriers[J].Applied Acoustics，2007，68：1357-1372.

[12]Cheng W F，Ng C F，Fung K C.The theoretical model to optimize noise barrier performance at the window of a high-rise building[J].Journal of Sound and Vibration，2000，238(1)：51-63.

[13]于雅楠.道路交通声屏障顶端结构的设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[14]李本纲.城市道路交通噪声平价方法研究进展[J].交通环保，2001，22(5)：5-9.

[15]Salomons E M.Noise barriers in a refracting atmosphere[J].Applied Acoustics，2002，47(3)：217-238.

[16]A bu Dais H A，Abo-Qudais S A.Environmental impact assessment of road construction project[J].Environmental and Ecology，2000，18(4)：40-59.

[17]Oldham D J，de Dalis M H，Sharples S.Reducing the ingress of urban noise through natural ventilation openings[J].Indoor Air，2004，14(8)：118-126.

收稿日期：2016-02-24

基金项目：哈尔滨市应用技术研究与开发(青年科技创新人才)项目(2013RFQXJ130)；东北林业大学大学生科研训练项目(KY2015037)

第一作者简介：阎春利，博士，副教授。研究方向：车辆系统动力学和交通运输安全技术。E-mail：yclzxd@126.com

中图分类号：U 491.91；TB 535

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)04-0056-05

Research on Reduction Effect of Noise Barriers forTraffic Noise Based on Virtual Lab

Yan Chunli1，Jin Xin2，Shen Chen1

(1.Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040；2.Mechanical and Vehicle College，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081)

Abstract：Currently，traffic noise has become one of the important pollutions with the development of economy and the increase of vehicles.In order to mitigate the traffic noise on the human body，the noise barrier has become one of the main means of noise reduction.How to design the structure of noise barrier so as to maximize the insertion loss is the focus of this paper.In this paper，four kinds of noise barrier structure scheme were designed，including the ordinary upright type，inverted L type，arc top type and 45 degree slope top type.Test analysis was conducted by modeling，meshing and setting parameters in LMS Virtual Lab software.The sound pressure diagram，the frequency response curve and insertion loss under the condition of rigid surface were compared and the results showed that the best noise reduction effect of the four different schemes were within the scope of the low frequency.According to the actual needs the road traffic noise can be controlled by applying different noise barrier structure in order to achieve the purpose of traffic noise reduction.

Keywords：traffic noise；noise barrier；insertion loss；frequency response

引文格式：阎春利，金鑫，申晨.基于Virtual Lab的交通噪声声屏障降噪效果研究[J].森林工程，2016，32(4)：56-60.