阵列式消声器性能曲线在地铁环控系统设计的应用

胡自林，方庆川

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010；2.深圳中雅机电实业有限公司，广东 深圳 518000)

我国的地铁建设取得了辉煌成就[1]，城市公共交通越来越便利，但是如果地铁建设忽略车辆运行和各种与地铁运行配合的机电设备的噪声控制，地铁就会给国民生活环境带来额外的噪声[2−4]。地铁噪声主要包括轮轨相互作用的噪声、轮轨相互作用产生的振动生成的二次结构噪声、隧道通风机噪声和地下站通风机噪声。除了二次结构噪声外，上述噪声都是通过风道从风亭风口排放到外环境中。目前，绝大多数市民感觉不到风亭排放的噪声，是因为在地铁建设时，已经充分考虑了该环节的降噪措施，也就是在风道中设置了消声器[5−8]。然而，目前在风道中设置的消声器，仍然有继续优化的空间[9]，即减少消声的代价。这个代价主要包括通风的能耗、占用的风道空间和消声器的投资。然而，不同的项目，因其条件不同，上述3个代价的权重会有所不同，所以在优化的时候，不同项目的取舍优先顺序应有所不同。在传统的噪声计算中，方案的任何细节调整，都要完成一个大量数据的数据表格，计算工作量大，目标不突出，不利于针对不同的项目对方案进行取舍。本文介绍了消声器性能曲线[10]的应用方法，可以让暖通工程师通过一个曲线图直观地掌握各种方案的消声效果、空间占用和通风阻力，使取舍决断变得更加容易。

1 阵列式消声器的性能曲线

目前，地铁环控系统应用较为成功的是阵列式消声器[11]和片式消声器。这2种消声器均属于国家标准GB/T 36079—2018[12]定义的单元并排式阻性消声器，其性能关系均可用曲线表达。以图1为例，对安装在地铁隧道通风系统风道内的消声器进行分析、解析及论证。

图1 地下站及隧道通风系统示意图Fig.1 Tunnel ventilation system of underground station

1.1 传声损失、全压损失系数与长度的关系曲线

当声源的频率特性确定不变时，可以只考虑A计权[13]单值传声损失。图2是某阵列式消声器基于某型号隧道通风机声源特性的传声损失和全压损失系数与长度和通流比的关系曲线。根据图2，可以获得如下信息：1)同样长度的消声器，其消声效果与全压损失系数呈正相关关系，即相同长度的消声器，消声效果越大，全压损失系数也越大；2)当全压损失系数不能增加的时候，若需要进一步增加消声效果，同时又不允许增大消声器横截面外形尺寸，则可以通过加长消声器长度实现；3)在明确了消声效果的要求后，如果要以更短的消声器实现，必定要付出更大的通风阻力(全压损失系数增大)的代价，如果要以更小的通风阻力实现相同的消声效果，则需要更长的消声器。

上述3个信息成立的前提是消声器的外形尺寸确定不变。如图2所示，当消声量需要25 dB的时候，有很多选项，当选择消声器总长度为1.8 m话全压损失系数为3.8；当选择消声器总长度为3.0 m，全压损失系数为1.6。

图2 典型消声器性能曲线Fig.2 Typical muffler performance curves

1.2 性能曲线与声源频谱相关

工程上应用消声器的最终效果是单值A计权声压级。因此，对于声源的不同频谱，应用同一消声器时，其单值A计权传声损失是不同的。图2是某型号隧道通风机应用某系列消声器的性能曲线。该系列消声器应用在不同频率特性的声源时，其性能曲线是有区别的，如图3～图5。当声源频谱为红噪声时，其性能曲线如图3；当声源为粉红噪声[14]时，其性能曲线如图4；当声源为白噪声[14]时，其性能曲线如图5。

图3 声源为红噪声时的性能曲线Fig.3 Performance curves when the sound source is red noise

图4 声源为粉红噪声时的性能曲线Fig.4 Performance curves when the sound source is pink noise

图5 声源为白噪声时的性能曲线Fig.5 Performance curves when the sound source is white noise

红噪声、粉红噪声和白噪声是声频信号的几种典型频谱特性噪声。红噪声的频率特性是声能量随着频率的增加而递减，其递减率与频率比的二次方相等；粉红噪声也是随着频率的增加，声能量递减，其递减率与频率比的一次方相等；白噪声的声能量在所有频率上都相等。大自然的背景环境声具有红噪声特征，大部分空调系统设备噪声传递到房间内的残余噪声也呈红噪声特征，很多离心风机的噪声同样呈红噪声特征。下大暴雨的时候，水面或树叶上的雨声呈白噪声特征。粉红噪声如果用倍频程来描述，或者频率为横坐标采用对数坐标时，其幅值呈一条平行于横坐标的水平线。与白噪声相比，粉红噪声具有较强的低频声，红噪声具有更强的低频声。

因此，对比图3～图5，该系列消声器对于红噪声的衰减效果，远不如对于白噪声和粉红噪声的衰减效果好，其低频的消声性能不如中高频的消声性能好。再对比图2可知，该系列消声器针对某型隧道通风机的频谱进行了优化设计。

2 消声器性能曲线的应用

针对声源的频谱特性设计消声器(或对各种候选消声器进行选型)是非常必要的。但是，除了声源的频谱特性以外，整个通风系统的消声配置还要考虑声源的总强度(总声功率级)，以及噪声从声源传播到厂界或敏感点的过程。这个过程本身会衰减掉一部分噪声，但每个声源到厂界或敏感点的过程是千变万化的，厂界或敏感点的噪声达标要求也所有不同。因此，消声器的配置工作仍需进一步优化，其目的是以最小的代价配置厂界或敏感点达标的消声器。

图3～图5所示消声器性能曲线，正是快速优化配置消声器的利器。对比声源为红噪声、粉红噪声和白噪声的性能曲线，消声器单值的消声量随声源频谱的不同而不同。目前应用的消声器，大部分对于白噪声和粉红噪声的衰减效果较好，对于红噪声的衰减效果较差。因此，对于低频噪声特别大的声源，应调整消声器的选型，或对现有消声器进行针对性改型设计。

2.1 应用举例1满足敏感点达标要求的选项

某隧道通风系统，风量160 m³/s，经计算，如果不采取消声措施，风亭外敏感点将超标约20 dBA，根据性能曲线(图6)可知，至少有若干个选项可以满足要求，这些选项的消声效果均可达到20 dBA，但其长度、全压损失系数和通流比有所不同，部分选项分 别 为：3.9/0.6/0.72，3.3/0.8/0.67，3.0/0.9/0.65，2.7/1.1/0.62，2.4/1.4/0.58/，2.1/1.6/0.55，1.8/2.2/0.5，1.5/3.0/0.45和1.2/4.6/0.39。考虑到风道断面尺寸约为5.15 m2，吸声体断面尺寸为0.383 m2，合适可行的选项为：3.0/0.9/0.65，2.1/1.6/0.55和1.5/3.0/0.45这3项。因此，在这个断面上，阵列取10行10列时的通流比是0.45(图7)，取9行9列时的通流比是0.55(图8)，取8行8列时的通流比是0.65(图9)。当然，选择8行9列、9行8列、10行9列或9行10列，也是可行的。

图6 举例1Fig.6 For example 1

图7 10行10列的通流比是0.45Fig.7 Through flow ratio of 10 rows and 10 columns is 0.45

图8 9行9列的通流比是0.55Fig.8 Through flow ratio of 9 rows and 9 columns is 0.55

图9 8行8列的通流比是0.65Fig.9 Through flow ratio of 8 rows and 8 columns is 0.65

2.2 应用举例2满足厂界达标的选项

在应用举例1中，如果要求执行厂界排放标准[15−16]，那么需要采取消声效果大于33 dBA的措施。根据性能曲线(图10)可知，至少有：3.9/2.5/0.53，3.6/2.8/0.51，3.3/3.2/0.48，3.0/3.8/0.46和2.7/4.6/0.43等5个选项可选。考虑前述通流比的配合，宜调整选项为：3.0/4.0/0.45(略有消声余量)或3.9/2.1/0.55(消声预测有1 dB的差距)。

图10 举例2Fig.10 For example 2

2.3 应用举例3满足厂界达标的另一选项

考虑到该隧道风机只在早晚各开启大约0.5 h，并不是在昼间或夜间持续不停地运转，也可以认为，就厂界而言，是有规律的频发噪声，按其运行的0.5 h内最大声级考核限值，可以放宽10 dBA，同时考虑风机运行的噪声强度比较稳定，快档的最大声级不会超过等效声级4 dBA，在这种情况下，配置消声器的要求可以降为27 dBA。根据性能曲线(图11)可知，至少有：3.9/1.3/0.62，3.6/1.5/0.6，3.3/1.7/0.57，3.0/1.9/0.55，2.7/2.5/0.52，2.4/2.9/0.48，2.1/3.6/0.44和1.8/4.9/0.39等8个选项可选。考虑前述通流比的配合，合理的选项为3.0/1.9/0.55。

图11 举例3Fig.11 For example 3

2.4 应用举例4综合考虑的选项

综合考虑上述多种情况，可以得出采用3 m长的消声器配置是最灵活的。当只需要满足敏感点达标的时候，安装8行8列共64个3 m长的吸声体，通风阻力是20 Pa；当需要满足厂界排放最大声级限值的时候，安装9行9列共81个吸声体，通风阻力是41 Pa；当需要满足厂界等效声压级的排放限值时(风机持续开启的时候)，安装10行10列共100个吸声体，通风阻力是84 Pa。以上3种情况，安装的位置和空间都一样，所需的吸声体构件也完全相同，只是数量不同。

3 结论

1)将不同长度和片密度的阵列式消声器的性能绘制成关联曲线，将消声器设置长度与消声量、全压损失系数和流通比等参数直接关联起来，可直接进行消声设计。

2)应用阵列式消声器的性能曲线，地铁环控系统的消声设计可进行多方案比选，选择方便工程实施的最佳方案，更加清晰简单，具有较强的推广价值。