声学论文
室内噪声计算软件系统研究
摘要：评估噪声源对周围环境的传播影响需要通过软件进行计算, 目前国内缺乏对室内噪声预测软件的研究, 本文基于噪声衰减工程算法, 阐述了室内噪声预测软件主要功能模块结构及优化算法策略, 编制开发了可计算室内噪声分布和向室外传播的可听噪声预测软件。该软件可大大提高环评中对室内噪声预测的效率。
关键词：噪声预测; 室内噪声; 软件系统;
作者简介： 匡思鹏 (1999.08-) , 男, 汉族, 江西九江人, 本科, 研究方向:机械设计制造及自动化。;
收稿日期：2019-04-09
基金： 合肥工业大学2018年校级大学生创新创业训练计划项目 (项目编号:2018CXCY026) 资助;
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
随着城市的发展, 人们的环保意识日渐增强, 噪声污染已经成为广大社会共同关注的问题。对噪声水平进行评价, 是项目工程中噪声评价和噪声治理的必要前提。传统噪声评价主要是以实际噪声测量和预测计算两种方法, 前者在项目工程未建成的情况下无法进行, 而借助计算机搭建声学模型进行噪声预测计算可以对工程前期规划和后期降噪方案的治理效果等进行预测评价, 可以提高效率, 节约成本, 是今后发展的方向。因此, 各国相继开发了噪声的理论计算模型, 借助模型与计算机模拟技术相结合, 可以客观有效地分析噪声对受体产生的影响[1]。
目前, 我国也逐渐开始开展噪声软件方面的研究[1,2]。然而, 我国与国外在噪声计算软件方面还存在着很大的差距, 到目前为止, 国内在噪声计算软件方面多处于算法策略探究阶段, 缺乏实用性系统研究, 尤其对于室内噪声计算软件的研究非常缺乏[3], 本文则对自主研发的一款室内噪声计算软件的结构功能以及噪声计算方法进行阐述说明, 以弥补国内在室内噪声计算软件开发研究上的空缺。
1 室内噪声预测模型
室内声场包括直达声场和混响声场, 两者叠加就得到总声场。总声场的声压级Lp1为[4]:
式 (1) 中:Q为指向性因子。当点声源置于自由场空间时, Q=1;置于一面墙中心时, Q=2;放在两面墙夹角位置时, Q=4;在三面墙的夹角时, Q=8。R为房间常量。R=Sα/ (1-α) , S为房间内表面面积;α为平均吸声系数。
在计算噪声从室内向室外传播的影响时, 需考虑噪声从门、窗等结构体的透射和辐射等。如图1所示, 声源位于室内。设靠近开口处 (或窗户) 室内、室外的声级分别为Lp1和Lp2。若声源所在室内声场近似扩散声场, 则相应室外的声级可按式 (2) 计算:
式 (2) 中:TL为隔墙 (或窗户) 的传声损失, 单位是dB。
这样可以把从窗户或围栏向外辐射的声能等效为相应面积的面声源, 其等效声功率可按式 (3) 计算:
然后, 按式 (4) 的户外声源预测基本方法计算接收点处的声压级。式 (4) 如下:
式 (4) 中:Dc为指向性校正, 单位是dB;式中几何发散衰减Adiv、大气吸收衰减Aatm、地面效应衰减Agr、屏障屏蔽衰减Abar、其他多方面效应引起的衰减Amisc的具体计算方法参照文献[5]。噪声传播原理如图1所示。
图1 噪声从室内向室外传播
2 软件设计原理及其思路
2.1 程序模块总体框架图设计
建立一个噪声预测的工程首先要建立起声学模型, 包括:声源, 房间障碍, 预测点等的定义。而声源的定义包括:点声源, 线声源, 面声源, 体声源。房间障碍的定义包括:房间, 门窗, 吸声体, 以及建筑、声屏障、植被区域等其他一些声屏障。预测点的定义包括:接收点, 室内外预测网格点等。然后, 要确定噪声设备辐射特性的主要计算参数。图2是软件系统模块框架图。
图2 软件系统模块框架图
2.2 各声学模型参数定义
根据室内噪声预测的原理分析, 声学模型中的主要声学图元包括室内声源、房间、房间的门、窗、吸声体以及室内声屏障等。以点、线、面和体声源为例, 其参数主要包括:名称 (Name) 、ID号、激活状态、Type类型 (如为单频则需输入频率Hz, 如为频谱则需输入或者导入倍频带频谱或1/3倍频程频谱) 、输入声源A声功率级WL值、立体角内声传播指数K0 (dB) 、几何参数多个Point (x, y, z) 、指向性指数DI、声功率值PWL等。
接下来是房间模型参数, 房间的参数主要包括:房间里、外面反射类型, 几何参数包含3个以上的Point (x, y, z) 用于确定建筑的几何形状和位置。其中, 反射类型包括里、外面反射损失 (dB) 和左、右吸声系数。
房间还具有定义室内分析区域的功能。在计算该房间室内噪声时, 在房间内的声学图元都会参与计算。
软件的其他图元如门、窗及吸声体相关参数主要包括:透射类型 (门窗) , 几何参数包含2个Point (x, y, z) , 用于确定门、窗及吸声体的几何形状和位置。其中, 反射类型包括反射损失 (dB) 和吸声系数α。透射类型包括传声损失 (dB) 和隔声量谱 (dB) 。其框图如图3所示。
2.3 声源处理及噪声预测算法策略
项目软件采用了等角度扫描声线法对点、线、面声源进行计算。对于点声源而言, 在计算一个接收点的噪声水平时, 首先以该接收点为中心以一定的角度 (如1度) 对整个声学模型空间进行扫描搜索, 看所搜索的扇形区域是否有声源。如果存在点声源, 则计算在点声源与接收点之间的连线是否穿过障碍物和各种衰减区域, 调用点声源的噪声计算公式计算该区域各个点声源对接收点各倍频程的噪声贡献值。对于线声源和面声源而言, 在扫描前首先以接收点过建筑物的边缘对线或面声源进行投影, 把线或面声源划分为在传播路径上被障碍物遮挡的部分和没被障碍物遮挡的部分, 然后再以等角度扇形进行扫描。
通过上述方法, 即把线声源分为若干个小线段, 使用各线段的几何中心位置上的点声源来等效该线段声源, 这样可把线声源等效为相应的多个点声源, 再按照上述计算点声源的公式进行计算。面声源与线声源处理的方法类似。
3 软件实现方法及其案例探究
3.1 房间及门窗功能实现
基于房间的研究, 首先要了解房间本身声学属性特点, 房间主要有两大功能: (1) 室内计算时, 作为一个承载混响声场的边界空间体; (2) 室外计算时, 作为一个普通建筑物计算其对声传播的遮蔽作用。而且一般的房间都是有窗户和门的, 他们是室内声场对外辐射的主要途径。门窗及吸声体的声学特性也是不可或缺的一部分, 它们是室内声场对外辐射的主要途径, 因此, 在建立室内声学模型时, 需在房间的墙上设立门和窗的声学图元。房间内的门、窗都支持“贴边操作”, 贴边后自动生成对应的等效门窗声源, 如图4所示。
搭建一个有多个房间组成的建筑物模型, 是很复杂的一个工程, 软件引入多层建筑的概念, 可以一层一层的建立房间模型, 在建立模型时, 需首先建立不同楼层的高度, 再在每层建立多个房间, 房间可以设置起始楼层和跨层数目, 这样就可以一次建立起复杂的楼房建筑。
图3 创建门窗及吸声体声学模型框图
图4 门窗声学模型
3.2 多房间噪声辐射计算研究
对于多个房间室内噪声的计算, 需首先对室内声源的噪声传播路径进行分析, 房间计算的顺序与噪声传播的顺序需保持一致。然后通过计算有室内声源的房间的噪声分布, 算出相应门窗对外辐射的等效声源, 再把它们作为另一房间的室内声源来计算。最后计算出想要计算的房间的噪声影响。
以图5所示的多房间模型为例, 噪声向室外传播包括2个路径, 分别为: (1) 从房间1和2的门传到走廊, 再从走廊的主门向室外传播; (2) 从房间1和房间2的窗户直接传播到室外。
图5 室内声音传递方式
因此, 首先计算步骤为分别计算房间1和房间2的噪声传播, 通过计算可算出房间1和房间2的所有门和窗的等效声功率级及对应的频谱。然后把与中间走廊相接的门作为室内声源, 计算走廊空间的声场分布, 得到主门的等效声功率级和相应的频谱。这样与外部相连的所有门窗都被等效为面声源。最后计算这些等效面声源对室外的噪声影响, 其软件实现效果如图6所示。
图6 室内声音软件计算
4 结论
目前, 国内对室内噪声预测软件系统研究较少, 缺少能计算室内声源的噪声计算软件。本课题的完成, 可解决国内针对室内噪声预测软件系统研究的空缺, 满足国内对室内噪声预测的软件的需要, 对工业厂区先期噪声设计及后期污染治理具有重要的指导意义, 从而带来很大的经济和社会效益。
参考文献
[1]阮学云, 李志远, 魏浩征, 等.直流换流站噪声计算软件开发与预测水平研究[J].声学技术, 2011, 30 (5) :443-448.
[2]谢明, 刘湘京, 窦燕生.工业噪声环境影响预测方法研究[J].中国卫生工程学, 2005 (3) :134-136.
[3]王洁, 侯宏, 孙进才.工业噪声室内预测模型研究[J].电声技术, 2010, 34 (5) :71-74+88.
[4]洪宗辉, 潘仲麟.环境噪声控制工程[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.