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室內噪聲預測系統的設計與實現
添加時間:2019-08-13

  室內噪聲計算軟件系統研究

  摘要:評估噪聲源對周圍環境的傳播影響需要通過軟件進行計算, 目前國內缺乏對室內噪聲預測軟件的研究, 本文基于噪聲衰減工程算法, 闡述了室內噪聲預測軟件主要功能模塊結構及優化算法策略, 編制開發了可計算室內噪聲分布和向室外傳播的可聽噪聲預測軟件。該軟件可大大提高環評中對室內噪聲預測的效率。

  關鍵詞:噪聲預測; 室內噪聲; 軟件系統;

  作者簡介: 匡思鵬 (1999.08-) , 男, 漢族, 江西九江人, 本科, 研究方向:機械設計制造及自動化。;

  收稿日期:2019-04-09

  基金: 合肥工業大學2018年校級大學生創新創業訓練計劃項目 (項目編號:2018CXCY026) 資助;

  Research on Indoor Noise Calculation Software System

  KUANG Sipeng ZHANG Zeyu WANG Kaihan WU Hongwei XU Mingyue

  Hefei University of Technology

  Abstract:Evaluating the noise effect on the spread of indoor and outdoor needs software, but the current domestic lack of the research of indoor noise prediction software. This article is based on noise attenuation engineering algorithm, and the essay expounds the main indoor noise prediction software function module structure and the optimization strategy, establish a software which can calculate indoor noise distribution and audible noise spread to the outdoor. The software can greatly improve the efficiency of indoor noise prediction in room.

  Keyword:noise prediction; indoor noise; software system;

  Received: 2019-04-09

  0 引言

  隨著城市的發展, 人們的環保意識日漸增強, 噪聲污染已經成為廣大社會共同關注的問題。對噪聲水平進行評價, 是項目工程中噪聲評價和噪聲治理的必要前提。傳統噪聲評價主要是以實際噪聲測量和預測計算兩種方法, 前者在項目工程未建成的情況下無法進行, 而借助計算機搭建聲學模型進行噪聲預測計算可以對工程前期規劃和后期降噪方案的治理效果等進行預測評價, 可以提高效率, 節約成本, 是今后發展的方向。因此, 各國相繼開發了噪聲的理論計算模型, 借助模型與計算機模擬技術相結合, 可以客觀有效地分析噪聲對受體產生的影響[1]。

  目前, 我國也逐漸開始開展噪聲軟件方面的研究[1,2]。然而, 我國與國外在噪聲計算軟件方面還存在著很大的差距, 到目前為止, 國內在噪聲計算軟件方面多處于算法策略探究階段, 缺乏實用性系統研究, 尤其對于室內噪聲計算軟件的研究非常缺乏[3], 本文則對自主研發的一款室內噪聲計算軟件的結構功能以及噪聲計算方法進行闡述說明, 以彌補國內在室內噪聲計算軟件開發研究上的空缺。

  1 室內噪聲預測模型

  室內聲場包括直達聲場和混響聲場, 兩者疊加就得到總聲場。總聲場的聲壓級Lp1為[4]:

  式 (1) 中:Q為指向性因子。當點聲源置于自由場空間時, Q=1;置于一面墻中心時, Q=2;放在兩面墻夾角位置時, Q=4;在三面墻的夾角時, Q=8。R為房間常量。R=Sα/ (1-α) , S為房間內表面面積;α為平均吸聲系數。

  在計算噪聲從室內向室外傳播的影響時, 需考慮噪聲從門、窗等結構體的透射和輻射等。如圖1所示, 聲源位于室內。設靠近開口處 (或窗戶) 室內、室外的聲級分別為Lp1和Lp2。若聲源所在室內聲場近似擴散聲場, 則相應室外的聲級可按式 (2) 計算:

  式 (2) 中:TL為隔墻 (或窗戶) 的傳聲損失, 單位是dB。

  這樣可以把從窗戶或圍欄向外輻射的聲能等效為相應面積的面聲源, 其等效聲功率可按式 (3) 計算:

  然后, 按式 (4) 的戶外聲源預測基本方法計算接收點處的聲壓級。式 (4) 如下:

  式 (4) 中:Dc為指向性校正, 單位是dB;式中幾何發散衰減Adiv、大氣吸收衰減Aatm、地面效應衰減Agr、屏障屏蔽衰減Abar、其他多方面效應引起的衰減Amisc的具體計算方法參照文獻[5]。噪聲傳播原理如圖1所示。

  圖1 噪聲從室內向室外傳播  

  2 軟件設計原理及其思路

  2.1 程序模塊總體框架圖設計

  建立一個噪聲預測的工程首先要建立起聲學模型, 包括:聲源, 房間障礙, 預測點等的定義。而聲源的定義包括:點聲源, 線聲源, 面聲源, 體聲源。房間障礙的定義包括:房間, 門窗, 吸聲體, 以及建筑、聲屏障、植被區域等其他一些聲屏障。預測點的定義包括:接收點, 室內外預測網格點等。然后, 要確定噪聲設備輻射特性的主要計算參數。圖2是軟件系統模塊框架圖。

 

  圖2 軟件系統模塊框架圖  

  2.2 各聲學模型參數定義

  根據室內噪聲預測的原理分析, 聲學模型中的主要聲學圖元包括室內聲源、房間、房間的門、窗、吸聲體以及室內聲屏障等。以點、線、面和體聲源為例, 其參數主要包括:名稱 (Name) 、ID號、激活狀態、Type類型 (如為單頻則需輸入頻率Hz, 如為頻譜則需輸入或者導入倍頻帶頻譜或1/3倍頻程頻譜) 、輸入聲源A聲功率級WL值、立體角內聲傳播指數K0 (dB) 、幾何參數多個Point (x, y, z) 、指向性指數DI、聲功率值PWL等。

  接下來是房間模型參數, 房間的參數主要包括:房間里、外面反射類型, 幾何參數包含3個以上的Point (x, y, z) 用于確定建筑的幾何形狀和位置。其中, 反射類型包括里、外面反射損失 (dB) 和左、右吸聲系數。

  房間還具有定義室內分析區域的功能。在計算該房間室內噪聲時, 在房間內的聲學圖元都會參與計算。

  軟件的其他圖元如門、窗及吸聲體相關參數主要包括:透射類型 (門窗) , 幾何參數包含2個Point (x, y, z) , 用于確定門、窗及吸聲體的幾何形狀和位置。其中, 反射類型包括反射損失 (dB) 和吸聲系數α。透射類型包括傳聲損失 (dB) 和隔聲量譜 (dB) 。其框圖如圖3所示。

  2.3 聲源處理及噪聲預測算法策略

  項目軟件采用了等角度掃描聲線法對點、線、面聲源進行計算。對于點聲源而言, 在計算一個接收點的噪聲水平時, 首先以該接收點為中心以一定的角度 (如1度) 對整個聲學模型空間進行掃描搜索, 看所搜索的扇形區域是否有聲源。如果存在點聲源, 則計算在點聲源與接收點之間的連線是否穿過障礙物和各種衰減區域, 調用點聲源的噪聲計算公式計算該區域各個點聲源對接收點各倍頻程的噪聲貢獻值。對于線聲源和面聲源而言, 在掃描前首先以接收點過建筑物的邊緣對線或面聲源進行投影, 把線或面聲源劃分為在傳播路徑上被障礙物遮擋的部分和沒被障礙物遮擋的部分, 然后再以等角度扇形進行掃描。

  通過上述方法, 即把線聲源分為若干個小線段, 使用各線段的幾何中心位置上的點聲源來等效該線段聲源, 這樣可把線聲源等效為相應的多個點聲源, 再按照上述計算點聲源的公式進行計算。面聲源與線聲源處理的方法類似。

  3 軟件實現方法及其案例探究

  3。1 房間及門窗功能實現

  基于房間的研究, 首先要了解房間本身聲學屬性特點, 房間主要有兩大功能: (1) 室內計算時, 作為一個承載混響聲場的邊界空間體; (2) 室外計算時, 作為一個普通建筑物計算其對聲傳播的遮蔽作用。而且一般的房間都是有窗戶和門的, 他們是室內聲場對外輻射的主要途徑。門窗及吸聲體的聲學特性也是不可或缺的一部分, 它們是室內聲場對外輻射的主要途徑, 因此, 在建立室內聲學模型時, 需在房間的墻上設立門和窗的聲學圖元。房間內的門、窗都支持“貼邊操作”, 貼邊后自動生成對應的等效門窗聲源, 如圖4所示。

  搭建一個有多個房間組成的建筑物模型, 是很復雜的一個工程, 軟件引入多層建筑的概念, 可以一層一層的建立房間模型, 在建立模型時, 需首先建立不同樓層的高度, 再在每層建立多個房間, 房間可以設置起始樓層和跨層數目, 這樣就可以一次建立起復雜的樓房建筑。

 

  圖3 創建門窗及吸聲體聲學模型框圖  

  

  圖4 門窗聲學模型 

  3.2 多房間噪聲輻射計算研究

  對于多個房間室內噪聲的計算, 需首先對室內聲源的噪聲傳播路徑進行分析, 房間計算的順序與噪聲傳播的順序需保持一致。然后通過計算有室內聲源的房間的噪聲分布, 算出相應門窗對外輻射的等效聲源, 再把它們作為另一房間的室內聲源來計算。最后計算出想要計算的房間的噪聲影響。

  以圖5所示的多房間模型為例, 噪聲向室外傳播包括2個路徑, 分別為: (1) 從房間1和2的門傳到走廊, 再從走廊的主門向室外傳播; (2) 從房間1和房間2的窗戶直接傳播到室外。

 

  圖5 室內聲音傳遞方式  

  因此, 首先計算步驟為分別計算房間1和房間2的噪聲傳播, 通過計算可算出房間1和房間2的所有門和窗的等效聲功率級及對應的頻譜。然后把與中間走廊相接的門作為室內聲源, 計算走廊空間的聲場分布, 得到主門的等效聲功率級和相應的頻譜。這樣與外部相連的所有門窗都被等效為面聲源。最后計算這些等效面聲源對室外的噪聲影響, 其軟件實現效果如圖6所示。

 

  圖6 室內聲音軟件計算  

  4 結論

  目前, 國內對室內噪聲預測軟件系統研究較少, 缺少能計算室內聲源的噪聲計算軟件。本課題的完成, 可解決國內針對室內噪聲預測軟件系統研究的空缺, 滿足國內對室內噪聲預測的軟件的需要, 對工業廠區先期噪聲設計及后期污染治理具有重要的指導意義, 從而帶來很大的經濟和社會效益。

  參考文獻

  [1]阮學云, 李志遠, 魏浩征, 等.直流換流站噪聲計算軟件開發與預測水平研究[J].聲學技術, 2011, 30 (5) :443-448.
  [2]謝明, 劉湘京, 竇燕生.工業噪聲環境影響預測方法研究[J].中國衛生工程學, 2005 (3) :134-136.
  [3]王潔, 侯宏, 孫進才.工業噪聲室內預測模型研究[J].電聲技術, 2010, 34 (5) :71-74+88.
  [4]洪宗輝, 潘仲麟.環境噪聲控制工程[M].北京:高等教育出版社, 2002.
  [5]Ray E F.Applications of attenuations and reflections in ISO9613-2, Acoustics-Attenuation of sound during propagation outdoors-Part 2:General method of calculation[C]//Inter-noise&Noise-con Congress&Conference, 2004.

 

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