地铁车辆段冷却塔声学建模方法研究

王绍兴

（广州地铁集团有限公司，广州 510000）

随着我国经济的快速发展，各大中城市的土地得到高度利用开发，地铁周边的土地综合利用即“地铁+上盖物业”模式已成为社会发展的趋势。随之而来的地铁车辆段噪声也成为困扰周边居民生活的严峻问题。如某地铁车辆段建设运营时没有上盖物业，降噪厂界完全满足国家要求限值，但此后又在车辆段上加盖建造了安居房，导致噪声控制的敏感点和控制标准发生变化。敏感点从厂界变成上盖物业的安居房，原来达标的设备不得不采取降噪措施，以解决居民投诉的问题。该地铁车辆段为快速解决噪声问题，未进行声源分析及声场模拟，导致治理效果有限，为使上盖物业的冷却塔噪声得到彻底解决，需要进行二次治理。本文对该车辆段的冷却塔进行了分析，并尝试进行针对性的声源建模，对声源及其声场分布进行仿真，进而提出合适的解决方案。

1 某地铁车辆段冷却塔治理现状

某地铁车辆段冷却塔位于维务大楼的3楼，冷却塔已进行过噪声处理，冷却塔的处理措施为西面进风口采用消声百叶进行消声处理，东面墙体安装了砂岩吸声板。虽然已采取了降噪措施，但还是不断受到附近小区投诉，噪声的影响较大。

通过现场对冷却塔以及受冷却塔干扰的居民楼进行噪声测试，在夜间（测试时间为夜间10点以后）小区的背景噪声及冷却塔在正常工况下的噪声数据如表1和表2所示。

表1 受干扰小区背景噪声测试

表2 受干扰小区阳台处测试的噪声值

从现场测试的噪声值可知，居民楼内的噪声大于小区内测试的背景噪声，故居民楼受到的噪声影响以冷却塔噪声为主。5F的噪声值为56dB（A），8B的噪声值最高为58dB（A），楼层越高噪声值越低。导致这一结果的主要原因是冷却塔噪声指向性较强。

噪声控制目标：地铁维务大楼的冷却塔按照《声环境质量标准》（GB 3096—2008）2类区噪声控制标准治理（见表3）。

表3 噪声控制标准

分析现场测试噪声值，小区内的噪声超标。在冷却塔的主要噪声源排风口、进风口以及居民楼8B阳台的处测试的噪声频谱数据见表4。

表4 测点噪声频谱数据

根据进风口、排风口以及8B阳台测试的噪声数据进行频谱分析，确定噪声影响的声源设备及噪声贡献值（图1）。

图1 噪声频谱分析

通过频谱分析，认为居民楼8B阳台处在全频带都受到冷却塔进风口及排风口的噪声影响，且排风口的噪声影响更大。该车辆段冷却塔在一次治理时，只对冷却塔的进风口进行了治理，而对噪声最大的排风口未采取降噪措施，这是一次治理几乎无效的主要原因。

冷却塔降噪的主要难点是冷却塔的设备尺寸大、噪声指向性强和风机余压低。在处理冷却塔噪声时，需要合理使用声学仿真软件进行评估及预测，使冷却塔噪声得到有效解决。因此，对排风口的建模研究是必要的。

2 冷却塔建模条件

2.1 声学仿真

对于体积不大，指向性较均匀的声源，可视其为点声源，其扩散声场为均匀球面或半球面，可用点声源的噪声传播公式计算任意一点的声压级。对于体积较大的声源，控制点较近，可用近似包络面的方式计算噪声值。而像冷却塔这类声源体积较大，指向性又较强，不适合用近似公式计算，应用声学仿真软件获得声场分布，再考虑降噪措施，继而得到治理后的声场分布图，评估冷却塔噪声影响区域的降噪效果，全面控制厂界及城市区域的噪声。

目前市场上分析噪声的软件较多，本次声学仿真采用SoundPLAN声学模拟软件进行计算和分析。SoundPLAN软件计算原理源于《户外声传播的衰减的计算方法》（ISO 9613—2:1996）。软件中对噪声原理的描述、声源条件的界定、噪声传播过程中影响因素以及噪声计算模式等方面与ISO的有关规定完全相同。我国公布的《声学户外声传播的衰减第2部分：一般计算方法》（GB/T 17247.2—1998），等效采用了ISO 9613—2:1996标准。

2.2 声学建模

2.2.1 建模范围

进行声学建模时，需要根据声源所处的地理环境及周边建筑物的排布，将现场的真实情况全部反映在模型中。图2是该地铁车辆段冷却塔与上盖物业的排布图。受到冷却塔噪声影响较为严重的区域为图2左侧阴影处的居民楼，此处的噪声得到控制，其余居民楼的噪声也将达到国家标准的要求限值。为了简化仿真模型的设置，在软件中只设置了两个阴影区域的建筑物。

图2 现场建筑物分布位置图

2.2.2 建筑物

在模型中设置建筑物时，由于建筑物的高度、距离都会影响噪声的预测结果，所以需要根据现场实测的距离及高度进行模型设置。建筑物表面的反射系数也会影响噪声结果，普通建筑物的表面为光滑的反射面、工业建筑物应在表面设置面声源。该地铁车辆段冷却塔噪声预测模型及设置见表5。

表5 模型中建筑物设置

2.2.3 声源

仿真模型中，需要对冷却塔的声源进行赋值。描述声源时，只能通过声源的声功率级来描述。由于声功率级是测试不出来的，只能测试声压级，所以需要采用现场在包络面上测试的声压级来反算声源的声功率级（表6）。

在冷却塔噪声中还存在冷却塔壳体的漏声，由于冷却塔的进排风口的噪声值较大，壳体的漏声很难测试出来。因此在测试时和模型中需要设置校核点，模型中的校核点的预测值与实际测试的噪声值相差在1dB（A）以内，模型成立。

表6 模型中声源参数设置

3 建模方法评估及效果评估

3.1 冷却塔噪声传播特性

冷却塔的噪声主要是排风风扇噪声、电机噪声以及淋水噪声。冷却塔的噪声传播路径分为：1）风扇及电机噪声直接通过排风口向外传播；2）风扇及电机噪声向下传播，一部分通过冷却塔进风口向外传播，另一部分在冷却塔内发生折射及反射后通过进风口和排风口向外传播；3）冷却塔内部噪声通过壳体漏声向外传播。

3.2 声源建模构思

冷却塔对外辐射的噪声源主要是两个进风口和一个排风口，在仿真软件中，对于冷却塔的进风口的声源设置，一般是在工业建筑物进风口位置设置与实际冷却塔进风口尺寸大小的面声源。根据冷却塔排风口噪声源的不同特性，在仿真软件中设置排风口声源的几种模型。

第一种模型是根据冷却塔排风口噪声散射及反射的特性，在模型中将排风口声源设置为距离冷却塔顶面一定距离的面声源（图3）；第二种是根据冷却塔排风口的透射以及反射进行的风口建模处理（图4）；第三种冷却塔排风口模型假设是根据排风口声源的强指向性，在排风口的四周采用围蔽结构对声源进行围蔽符合冷却塔的排风口的实际形状（图5）。

图3 排风口模型设置图

图4 排风口模型设置图

图5 排风口模型设置图

3.3 仿真结果

在受冷却塔噪声影响的居民楼取三个不同的测点，分别为9栋5F、9栋8B、9栋10D。控制点与冷却塔的相对位置见图6。分析对比三种不同模型，三个控制点的计算结果与实测数据对比见表7～表9。

图6 测点及声源分布图

表8 第二种模型预测点差值

表9 第三种模型预测点差值

3.4 评价及分析

对比三种不同模型的噪声差值，在声源设置及模型设置相同的情况下，其中第三种模型中噪声预测值与实际测试的噪声值在近点及远点的噪声值都较接近。理论上模型中的噪声预测值是比实际的噪声值要大，因为在实际场所中，存在其余的阻挡物，也会导致噪声传播衰减。故认为第三种模型更加符合冷却塔的噪声传播特性。

将现场测试的噪声数据输入到第三种模型中，得到的测点噪声值与实际测点差值在1dB（A）内，认为模型成立，可以用于噪声控制。降噪前的声场噪声预测图如图7所示。

图7 降噪前平面30m声场分布图

4 基于建模的治理措施及效果预测

将模型进行校核后，降噪措施拟在冷却塔的进风口及排风口增加消声器，冷却塔的顶部增加隔声板，方案图如图8。采取降噪措施后，敏感点的噪声预测值及声场模拟图见图9。测点噪声预测值见表10。

图8 降噪方案示意图

图9 降噪后平面34m声场分布图

表10 测点噪声预测值

5 结语

本文主要阐述了在“地铁+上盖物业”模式下，地铁车辆段冷却塔应该如何进行噪声控制，通过得到一个符合现场条件的仿真声学模型进行噪声预测及治理，保证受冷却塔噪声影响的上盖物业居民楼的噪声值达到国家要求的噪声限值，避免进行二次治理。