引用本文
魏庆朝, 张雪峰, 臧传臻, 倪永军, 胡秉谊. 公路隧道内主动降噪声源布置位置仿真模拟[J]. 北京交通大学学报, 2017,41(4): 17-22.
WEI Qingchao, ZHANG Xuefeng, ZANG Chuanzhen, NI Yongjun, HU Bingyi. Analogue simulation of the active noise control source location in highway tunnel[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2017,41(4): 17-22.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.2017.04.003  
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公路隧道内主动降噪声源布置位置仿真模拟
魏庆朝1a, 张雪峰1a,2, 臧传臻1a, 倪永军1a, 胡秉谊1b
1.北京交通大学 a.土木建筑工程学院,b.计算机与信息技术学院,北京 100044
2.中交铁道设计研究总院有限公司,北京 100097

第一作者:魏庆朝(1957—),男,河北石家庄人,教授,博士,博士生导师.研究方向为铁路线路设计、新型城市轨道交通及线路-列车动力响应分析.email:qcwei@bjtu.edu.cn

收稿日期: 2016-09-05
基金: 交通运输部交通运输建设科技项目(20113183151400); 呼和浩特市科技计划项目(2013150103000085)
摘要

基于声波干涉原理对高速公路隧道内噪声的主动降噪特性进行了理论分析,采用有限元法建立了3条隧道全尺寸断面模型,计算得出隧道内声压级分布,分析了主动降噪时的隧道内声场特性.考虑噪声声源频率的差异,噪声频率越低,隧道内主动降噪效果越好;考虑主动降噪设备位置的不同,将主动声源与噪声源、降噪点的空间距离加和,再与噪声源与降噪点的空间距离作比较,若两者差值为噪声波长的整数倍,则可在降噪点附近实现3 dB以上区域降噪.

关键词: 公路隧道; 主动降噪; 有限元法; 声压级; 最优位置
中图分类号:U453.82
Analogue simulation of the active noise control source location in highway tunnel
WEI Qingchao1a, ZHANG Xuefeng1a,2, ZANG Chuanzhen1a, NI Yongjun1a, HU Bingyi1b
1a.School of Civil Engineering,1b.School of Computer and Information Technology,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China
2.CCCC Railway Consultants Group Co., Ltd,Beijing 100097,China
Fund:Foundation item:Construction Science and Technology Project of Ministry of Transport(20113183151400), Science and Technology Project of Hohhot City(2013150103000085)
Abstract

The active noise reduction feature of highway tunnel is analyzed theoretically based on the principle of acoustic interference.The models of three full-sized tunnels are established based on finite element method (FEM).The distributions of sound pressure level are calculated, and the characteristics of sound field in tunnels are analyzed during active noise cancellation. The results show that the lower the noise frequency is, the better the effect of active noise control is when adding the spatial distance between the active noise control device and the noise source to the spatial distance between the active noise control device and the noise reduction position,getting a sum,then comparing the sum and the spatial distance between the noise source and the noise reduction position, there is a conclusion that if the difference value is the integral multiples of noise wavelength, noise reduction of more than 3dB can be achieved nearby the noise reduction area.

Keyword: highway tunnel; active noise control; FEM; sound pressure level; optimal location

隧道是高等级公路的重要组成部分, 由于隧道结构自身的声传播与反射特点, 对交通噪声有非常明显的汇聚作用, 且使其衰减较慢[1], 致使车辆通过隧道时噪声强度远大于自由场的车辆通过噪声.这种噪声对司机及隧道检查走行区域工作人员的影响日益受到重视.规范中要求工人作业环境噪声应小于85 dB[2], 因此, 若公路长大隧道内的噪声声压级过大, 有必要采取降噪措施.目前, 主要有主动噪声控制和被动噪声控制两种有效降噪方法.

学者们曾采用不同的方法针对隧道降噪进行研究, 王美燕[3]基于公路隧道内噪声的实际情况分析了其主要来源, 较系统地阐释了隧道交通噪声产生机理, 有助于指导隧道降噪工作; 陈兴等[4]基于一定数量的公路隧道降噪实例, 提出通过对拱壁和路面铺设大量高吸声系数的吸声构造以降低混响时间的降噪方法; 李腾飞[5]基于房间声学和波动声学, 结合公路隧道施工工程, 分析介绍了降噪吸音砂浆和降噪沥青混合料这两种高效降噪技术; Lam等[6]总结了长空间内吸声材料的数量和位置对声场的影响规律, 并制定了长空间内最优吸声材料降噪方案; Takagi等[7]以点声源代表隧道中车辆噪声, 以表面源代表噪声源与隧道壁之间的多重反射, 提出了一种基于隧道内声能平衡的计算模型, 用于指导装有吸声材料隧道内的交通噪声降噪.以上研究都是将被动降噪作为隧道内的降噪方式.

相对于上述被动降噪, 主动降噪技术更容易实施, 并不会对路面和隧道结构产生影响.其结构和控制算法灵活、作用频带宽、控制效果好, 设备具有制造与安装成本低、功耗小、重量轻、尺寸小与无压力损失等诸多优点, 有着广泛的应用前景.对于主动降噪的研究, 国内外学者对有界空间的有源噪声控制研究较为深入, 并在飞机和小汽车座舱内建立了有源噪声控制系统, 取得了较好的降噪效果[8]; 对于通道类空间, Fan[9]研究了矿井隧道与管道传声环境的相似性, 提出在管道中用主动噪声控制方法来减少噪声的降噪方式.而在高速公路隧道这类半封闭长大空间中, 在主动降噪的理论计算、仿真模拟及试验验证方面尚需进一步研究.

目前在声场计算中常用方法有模态分析法、结构强度法、阻抗导纳功率流法、波动理论、统计能量法、有限元法和边界元法等方法, 不同的计算方法适用于不同的需求[10]。本文作者采用虚墙理论和有限元法, 在前期对于隧道内声场传播特性仿真[11]的基础上, 通过改变主动声源位置, 对比分析不同位置下隧道降噪大小, 提出基于隧道空间尺寸的主动声源布置规律, 为公路隧道主动降噪技术提供指导.

1 隧道声场计算模型建立
1.1 虚墙主动降噪模型

将隧道内车辆简化为行驶在隧道中轴线上的一系列点声源, 声源间距相等, 隧道宽度为 L.基于虚墙理论[12], 当声源行驶速度为 v时, 隧道内任一点的声压级会以 L/v的周期波动.当开启主动声源后, 声源和主动声源产生的声波在隧道内某些位置会互相抵消, 经推导计算, 抵消后的声压级为

LPA=10lg12πr12+v2t12+4R-10lg12πr22+v2t22+4R(1)

式中: LPA为降噪点处声压级; v为声源的行驶速度; r1为降噪点距噪声源的距离; r2为降噪点距主动声源的距离; t1为声源的时间因子, -L/2v< t1< L/2v; t2为主动声源的时间因子, -L/2v< t2< L/2v; R为房间常数.

同时, t1和 t2还满足

t1+mL2v=t2+rc(2)

式中: m为正整数; r为噪声源距主动声源的距离; c为声速.

当 LPA为最小值时, r1、 r2和 r之间满足

r2+r-r1=nλ(3)

式中: n为正整数; λ为声波波长.

1.2 有限元仿真模型

为了验证虚墙主动降噪公式所得结论的正确性, 本文通过大量有限元仿真计算, 得到不同尺寸隧道的主动声源最佳降噪位置.

基于有限元法的声场计算公式为

K+iωC-ω2Mp=FA(4)

式中: ω为物体固有振动频率; i为物体阻尼的虚部; FA为作用于节点处声学激励; M为结构质量矩阵; K为结构刚度矩阵; C为结构阻尼矩阵; p为未知声压矢量.

叠加模态得到声场声压分布

p=∑k=1mαkφk=φα(5)

式中: α为模态系数; αk为第 k个特征向量的模态系数; φ为模态矩阵; φk为第 k个特征向量; m为特征向量个数.

模态系数 α的确定公式为

φK+iωC-ω2Mφα=φFA(6)

重型货车发动机噪声和小汽车轮胎噪声是公路隧道内噪声的主要来源.为确定噪声源声压级和频率范围, 在京藏高速(G6)进京方向内蒙古乌兰察布市卓资山附近的福生庄隧道和卧佛山隧道内进行了噪声测量, 测声点位于隧道纵向中间断面的工人检查走行区域.对比两条隧道不同测声时段的噪声频谱图, 发现噪声频率主要在1 000 Hz以下, 且集中在80~150 Hz频段, 噪声声压级最高可达134 dB, 随机抽取两段噪声测试结果如图1所示.

图1 公路隧道噪声频谱图Fig.1 Noise spectrum of highway tunnel

基于北京交通大学地下工程实验室隧道、国道109线某隧道、北京八达岭某隧道的断面尺寸分别建立三维线性有限元声学模型, 3条隧道长度均取100 m.噪声源位于隧道中轴线上, 纵向距离隧道口均50 m, 距离地面0.8 m.测声点位于工人检查走行区域, 模拟人耳所处位置, 离隧道壁面0.5 m, 距离地面1.65 m.3条隧道尺寸如图2所示.

图2 隧道尺寸图(单位:mm)Fig.2 Tunnel dimensions (unit:mm)

具体建模流程为:首先基于隧道尺寸建立隧道内空气的声学有限元网格, 并定义网格的流体材料属性; 然后设置噪声源和主动声源的频率、声压级、位置; 之后进行声场响应计算; 最后导入断面场点网格计算场点响应.仿真模拟噪声源和主动声源共同作用下的隧道声场, 提取隧道内声压级分布云图, 基于仿真结果分析隧道内主动降噪声场.

采用六面体单元模拟声场, 最大计算频率为1 000 Hz, 因单元尺寸不应大于最小声波波长的1/6, 令单元最大尺寸为0.057 m.以空气为隧道内声学填充介质, 隧道内温度定为20 ℃, 该温度下空气密度为0.122 5 kg/m3, 声音在空气中的传播速度为340 m/s.模型边界的吸声属性通过声阻抗来定义:对于隧道口, 声阻抗为全吸声边界, 声音传递到隧道口处没有反射; 对于隧道壁和路面, 将其材料属性设为混凝土, 声阻抗为7.98× 106kg/(m2· s).

将噪声源和主动声源类型设为单极子点声源.基于实际隧道噪声测试结果, 因噪声声压级改变不影响声场分布规律, 将噪声源声压级设为134 dB, 频率按照倍频程规律定为125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 000 Hz, 其中125 Hz频率下的声场规律与80~150 Hz频率下的相似.

基于隧道尺寸设置主动声源位置, 以噪声源所在隧道横断面为基准面, 取纵向与基准面距离相等的两个横断面为主动降噪设备的布置断面, 主动声源均贴近隧道壁面布置.对于北京交通大学地下工程实验室隧道, 按竖向高度分为1 m、2 m、3 m、3.75 m四类点; 对于国道109线某隧道, 按竖向高度分为0.5 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m、5 m五类点; 对于北京八达岭某隧道, 按竖向高度分为1 m、2 m、3 m、3.5 m四类点.同一截面内的每类点有2个, 各截面最多布置4个主动声源点.将各主动声源点按照只开启一侧截面上的一类点、只开启一侧截面上的两类点、同时开启两侧截面上的一类点、同时开启两侧截面上的两类点4种方式进行开启.将只开启一侧截面上点对应的工况用D表示, 将同时开启两侧截面上的点对应的工况用S表示, 如D(1+3.75)代表只开启一侧截面上的1 m和3.75 m两类点.

图3为噪声频率为500 Hz时S(1+3.75)工况下声压级场仿真与试验结果对比图.可见, 仿真结果与试验结果较为一致, 证明了仿真模型的准确性.

图3 噪声频率为500 Hz时S(1+3.75)工况下声压级场仿真与试验结果对比图Fig.3 Comparison of simulation and experimental results of sound pressure level field in tunnel under S(1+3.75)working condition and 500 Hz noise frequency

2 声场计算结果分析
2.1 北京交通大学地下工程实验室隧道声场分析

改变主动声源布置断面距离基准面的距离, 分别为2 m、4 m和6 m, 得到隧道降噪效果对比图见图4.可以看出, 主动声源所在截面距离声源基准面为2 m的S(1)工况降噪效果最好, 在4个频率下降噪均达到4 dB以上, 最好可达10 dB.多数工况对部分频率噪声起降噪作用, 但也会对另一部分频率噪声起增噪作用.

图4 不同工况下实验室隧道降噪效果对比图Fig.4 Noise reduction effect of the laboratory tunnel under different working conditions

2.2 国道109线某隧道声场分析

取纵向距离基准面5 m的两个横断面为主动降噪设备布置断面.依据之前结论, 同时开启两侧截面上的两类主动声源点, 仿真结果如图5所示.

图5 国道109线某隧道不同工况下降噪效果对比图Fig.5 Noise reduction effect of a tunnel belonging to national highway 109 under different working conditions

对比后发现S(1.5+5)工况效果最好, 降噪3~8 dB.在实际隧道中进行现场试验, 按照S(1.5+5)工况布设主动声源, 封闭一侧道路, 以另一侧道路实际车辆噪声为噪声源, 将测声设备布设在噪声源所在隧道断面内.在断面封路侧每隔0.2m设置1个测声麦克风, 距离地面高1.65 m, 同步采集测声区域内28个测声点的时域声波曲线.对声波信息进行滤波处理, 分析时域曲线, 提取各测声点的有效声压级.图6为此工况下隧道声压级与试验结果对比图.为了更加符合工程实际情况, 选取接近实际隧道噪声频率的125 Hz噪声, 对降噪效果进行研究, 由图6可见, 试验所得降噪效果与仿真结果基本一致.试验与仿真所得各明显降噪位置误差均不大于0.2 m.可见, 模型参数设置合理, 仿真结果可较好地反映实际情况.

图6 噪声类型为实际车辆噪声时S(1.5+5)工况下隧道声压级场仿真与试验结果对比图Fig.6 Comparison of simulation and experimental results of sound pressure level fieldin tunnel under S(1.5+5)working condition andactual vehicle noise

取距基准面距离为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m的断面分别布置S(1.5+5)工况主动声源, 距离基准面不同距离的主动降噪效果对比见表1.可知, 距基准面5 m(半个隧道底面宽度)时降噪效果最佳.

表1 S(1.5+5)工况下距基准面不同距离降噪效果对比 Tab.1 Noise reduction effect of different distances to the datum under S(1.5+5) working condition dB
2.3 北京八达岭某隧道声场分析

取纵向距离基准面3 m的两个横断面为主动降噪设备布置断面, 不同工况下降噪效果见表2.对比发现S(1+3)工况降噪4~10 dB, 降噪效果最好.

表2 北京八达岭某隧道不同工况下降噪效果对比 Tab.2 Noise reduction effect of a tunnel located in the Beijing Badaling under different working conditions dB

3条隧道最佳主动降噪工况对应的噪声源、主动声源、测声点空间位置关系符合基于虚墙理论得到的式(3).

3 结论

1)公路隧道内汽车噪声主要集中在低频段, 噪声频率越低, 隧道内主动降噪效果越好.

2)虽然3条隧道的断面尺寸、形状等因素各不相同, 但将主动声源与噪声源、降噪点的空间距离加和, 再与噪声源与降噪点的空间距离作比较, 若两者差值为噪声波长的整数倍, 则可在降噪点附近实现较好的降噪效果.

3)在125 Hz噪声下, 于隧道断面上按噪声源、主动声源和降噪点的空间关系对称布置主动声源, 布置断面间距为1/2个隧道底面宽度, 两主动声源布置断面之间的工人检查走行区域可实现3 dB以上的区域降噪.因公路隧道噪声集中在80~150 Hz频段, 研究成果对公路隧道主动降噪具有实际指导意义.

The authors have declared that no competing interests exist.

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