新型大风量地铁风道消声器研制

王亚晨， 王巧燕， 邱贤锋

(中海环境科技(上海)股份有限公司， 上海 200135)

0 引 言

近年来，随着我国经济社会的不断发展，各大城市的轨道交通建设不断加快，给人们的出行带来了极大的便利。城市轨道交通线路主要以地下线的方式铺设，线位和站点通常贯穿城市的主要生活区域，在给居民的生活提供便利的同时，不可避免地会带来噪声污染等环境问题，其中轨道交通地下线通风系统是噪声污染的主要来源[1]。

轨道交通地下线通风系统噪声产生和传播的途径主要是“隧道通风系统/空调设备—排风道/新风道—风亭”[2]。目前常用的治理方法是传播路径降噪，即在通风系统的风道内安装大型消声器。消声器是一种既具有降噪性能，又能使气流正常流通的噪声控制设备，通常按消声的原理分为阻性消声器、抗性消声器和复合式消声器等3类[3]。地铁系统工程中最常用的片式消声器和阵列式消声器等属于阻性消声器，目前相关技术已比较成熟，但在消声性能、空气流阻和使用维护等方面仍有较大的改进空间。

本文对某城市多条轨道交通线路地下车站的通风系统中采用的消声器的性能进行调研。在此基础上，设计一种具备新结构特性的大型风道消声器。该新型消声器以插片消声单元为基础形成消声模组，消声模组之间采用阵列式排列方式，该结构兼具片式消声器与阵列消声器的优点。通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)仿真计算该新型消声器的空气动力性能，并通过现场实测验证其声学性能。

1 现有地铁消声器调研

消声器的降噪性能通常用插入损失或传递损失表征，消声器(消声通道)的长度是决定其降噪性能的重要参数。流通比是消声器横截面空气流通面积与总面积的比值，是影响消声器空气动力性能的重要因素。增大流通比便于空气流通，降低气动阻力，但流通比过大会显著降低消声器的降噪性能。对某城市的多条轨道交通线路地下车站风道采用的消声器进行调研，结果见表1。

表1 某城市多条轨道交通线路地下车站风道采用的消声器调研结果

由表1可知，各车站采用的消声器以片式结构为主，很少采用阵列式结构。消声器的流通比一般在50%～60%，单位长度的传递损失普遍较低，大部分在2～6 dB/m。在流通比相同的情况下，阵列式消声器单位长度的传递损失略高于片式消声器，但流通比设计存在一定的冗余，降噪性能还有提高的空间。

根据现场调研情况，片式消声器单个插片的体积较大，难以根据风道空间进行灵活调整，导致部分车站消声器的安装存在周边漏空和吸声插片间距过大等问题(见图1)，造成降噪性能明显下降。

图1 实际调研地铁消声器现状

消声插片过大会导致更换困难，进而导致消声器因维护工作不足而使吸声材料的吸声性能下降；部分消声器结构因缺乏横向约束而导致进出通道等结构受损，形成较大面积的漏声，影响消声器的整体消声效果。

总体来说，目前广泛采用的片式消声器的降噪效果不理想，在工程应用中也存在维护困难和结构容易损坏等问题。阵列式消声器在设计和维护上具有一定的优势，但在实际应用中降噪性能的提升效果并不明显。

2 新型大风量地铁通风消声器设计

2.1 设计原则

在设计地铁通风消声器时，通常需同时考虑其声学性能、空气动力性能和结构性能。声学性能可用传递损失、传递声压级差或插入损失和插入声压级差评价[4]。声学性能与消声器的结构形式、选用的吸声材料和插片材料有关，可根据噪声源参数进行理论计算，实际表现根据现场情况的不同会有一定的差异。空气动力性能用阻力损失或阻力系数评价，可通过CFD仿真计算得到，具有较高的精度和较好的准确性。结构性能要求消声器具有结构稳定、不易损坏、易于加工安装和维护等特性。

工程实际中的新型通风消声器设计流程见图2。

图2 新型通风消声器设计流程

2.2 消声器声学和结构设计

轨道交通地下线路通风系统的噪声具有宽频带特性，在63～6 300 Hz频率范围内的能量都比较高，其中作为主要噪声来源的风机噪声在500 Hz频段的中低频声压级比较突出[5]。新型消声器需具备63～6 300 Hz的宽频消声性能，并能提高中低频段的吸声系数。

消声插片是消声器的主要降噪元件，主要由外壳及内部填充的吸声材料组成。消声插片中采用的吸声材料主要为多孔介质材料，包括纤维型、泡沫型和颗粒型等类型的金属或非金属材料，如玻璃棉、聚酯纤维、聚氨酯泡沫和泡沫铝等。在地铁风道环境中应用，需在满足高吸声系数要求的同时，具有防火、防潮和防腐性能。从综合性能和经济性的角度出发，新型消声插片选用玻璃棉或聚氨酯泡沫作为吸声体的填充材料，其密度宜在32～48 kg/m3。表2为玻璃棉和聚氨酯泡沫倍频程吸声系数。

表2 玻璃棉和聚氨酯泡沫倍频程吸声系数

消声插片护面板采用穿孔铝板或镀锌板，穿孔率增大至30%，使其具备声学透明性能，同时增强插片的结构强度。消声插片互相垂直布置，构成标准消声单元。根据地铁大型风道的实际尺寸，多个消声单元在风道横截面上呈阵列式布置，通过土建结构和竖向骨架固件安装在风道内部。新型通风消声器的消声插片结构示意见图3；新型通风消声器在地铁大型风道内的土建结构示意见图4。

a) 横向单元

2.3 空气动力性能仿真分析

在完成新型通风消声器的声学和结构设计之后，可通过CFD软件对其空气动力性能进行计算，得到压力损失和阻力系数。在实体建模过程中进行合理简化，忽略连接部分的细小结构，仅对吸声体、外壳和支承杆件等对该通风消声器的空气动力性能有影响的结构进行建模，将外壳等板材简化为无厚度的具有一定粗糙度的壁面[6]。按实际尺寸建立的新型通风消声器与阵列式消声器立体三维仿真模型见图5。

模型边界条件如下。

1) 速度入口：给定入口速度。

2) 压力出口：给定出口处总压，设定为标准大气压。

3) 消声器的壁面设定为无摩擦、无滑移的绝热壁面。

图5 三维消声器CFD有限元模型

模型材料选择和划分网格属性见表3。

表3 模型材料选择和划分网格属性

计算采用Realizablek-ε模型描述流场运动，离散格式采用二阶迎风格式。计算模型入口风速确定，消声器内部流场属于稳态流场，采用SIMPLEC算法可得到较好的收敛结果[7]。

计算模型在入口风速分别为4 m/s和8 m/s时的压力损失、阻力系数和平均片间风速，结果见表4。

表4 空气动力性能计算结果对比

由表4可知，在消声通道和流通比均相同的情况下，新型通风消声器的压力损失和阻力系数均低于相同规格的阵列式消声器，消声单元的平均片间风速略高于对比阵列式消声器。

3 新型消声器传递损失现场测试

在某地新建线路的地下车站设计安装新型大风量消声器。新型消声器安装完成之后进行降噪性能的现场测试，并将其与相同规格的传统阵列式消声器测试相对比，结果见表5。

表5 现场测试消声器规格对比

现场测试参照《声学 消声器现场测量》(GB/T 19512—2004/ISO 11820:1996)[8]执行。由于测试现场风机暂时不具备开启条件，测试采用白噪声作为人工声源，测量消声器声源端和出口端的声压级，计算传递损失Dts。测试时风道内的消防门和热排风口格栅均处于关闭状态。

传递损失Dts的计算公式为

Dts=Dtps+10lg(S2/S1)+K2-K1

(1)

图6为新型消声器与传统阵列式消声器传递损失对比曲线。由图6可知，新型消声器在较宽的频带内均具有良好的降噪效果，其中：250～2 500 Hz频带内的传递损失在15 dB以上;400～630 Hz频带内的传递损失效果最好，达到20～21 dB。在160～10 000 Hz频段内，新型消声器的传递损失均高于相同规格的传统阵列式消声器。与现场调研结果相比，新型消声器安装之后等效A声级总传递损失为15.7 dB，在相同的安装长度下传递损失高于片式消声器2～3 dB(A)，实际使用效果良好，达到设计预期。

图6 新型消声器与传统阵列式消声器传递损失对比曲线

4 结 语

本文针对城市轨道交通地下线车站通风系统降噪问题，在对现状进行调研的基础上，研究设计了一种具有新型截面布置的大风量地铁通风消声器，并进行了模型计算和降噪测试验证，主要得到以下结论：

1) 通过调研测试发现，目前地铁地下线通风系统广泛采用片式消声器，其降噪性能普遍低于理论值，并存在结构易损、维护困难等问题。阵列式消声器应用较少，性能还有优化提升的空间。

2) 使用CFD软件建立三维有限元模型，仿真计算了该新型通风消声器在风速为4 m/s和8 m/s时的空气动力性能。当消声通道长度和流通比相同时，新型消声器的压力损失和阻力系数均低于相同规格的传统阵列式消声器。

3) 新型消声器在较宽的频带内均具有良好的降噪效果，根据现场实测安装之后等效A声级总传递损失为15.7 dB，在250～2 500 Hz的宽频带内传递损失在15 dB以上，在地下车站风机的主要频率500 Hz左右处的降噪效果达到最好，达到20～21 dB。该新型消声器在地铁工程现场实际使用效果良好，优于相同规格的传统阵列式消声器和片式消声器。