不同顶端结构声屏障绕射声衰减量模拟分析
摘 要 ：针对不同顶端结构的声屏障对绕射声衰减量的影响 ，对四种常见的顶端结构利用国标 GB/T17247.2-1998 中规定的绕射声衰减量公式进行计算分析 ，根据 0-5000Hz 频域段内四种结构的绕射量变化曲线选择出最佳构型 ，结 果表明 Y 形和 T 形结构绕射声衰减量最多 ，且几乎相等 ；然后通过声学软件 Virtual Lab 对 Y 形和 T 形结构进行隔声效 果仿真分析 ，根据声影区内声压级分金华丽水铁路声屏障销售厂家衢州声屏障隔音墙隔音板吸音板布情况判断降噪效果 ，结果显示 Y 形结构的声压级较 T 形降低覆盖面积更广 ，并计 算这两种结构的插入损失 ，结果显示 Y 形结构较 T 形障板的降噪效果更好。
关键词 ：声学 ；声屏障 ；顶端结构 ；绕射量 ；仿真分析 ；插入损失
中图分类号 ： O422 文献标识码 ： A DOI 编码 ： 10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.027
Simulation Analysis of Sound Diffraction Attenuation of
Different Sound Barrier ’ s Top Structures
WANG Jin-rui 1 , LI Shun-ming 1 , HAN Bao-kun 2
（ 1. College of Energy ａnd Power Engineering, Nanjing University of A eronautics ａnd A stronautics,
Nanjing 210000, China;
2. College of Mechanical ａnd Electrical Engineering, Shandong University of Science ａnd Technology,
Qingdao 266590, Shandong China ）
Abstract : In order to study the influence of different top structures of the sound barriers on the effect of sound diffraction attenuation, the attenuation formula in GB/T17247.2- 1998 standard was used to analyze ａnd calculate the diffraction attenuation of four kinds of common apex structures. The optimal configuration was selected according to the curve of diffraction attenuation change in 0-5000Hz frequency range. The results show thatthe Y-type ａnd T-type structure ’ s diffraction attenuations are the largest ａnd nearly the same. Then, using the acoustic software Virtual Lab, the sound insulation simulation was done for the Y-type ａnd T-type structures. A nd their noise-reduction effects were determined according to the distribution of sound pressure level in the acoustic shadow. The results show thatthe sound pressure level ’ s reduction area of the Y-type structure is wider than that of the T-type. Then, the insertion losses of the two structures were calculated. The results showthatthe noise reduction effectof theY-type structure is better than thatof the T-type. Key words : acoustics; noise barrier; top structure; diffraction attenuation; simulation analysis; insertion loss
面 对 日 益 严 重 的 交 通 噪 声 扰 民 现 象 ，声 屏 障 在 道路交通噪声的控制上所表现出来有效的吸声隔声 性能及其广阔的发展前景引起了越来越多学者和机 构的关注。国外对声屏障研究主要是针对其声学特 性和几何形状研究了声波的传播规律和声屏障的插
[1]
障 模 型 ，对 比 后 发 现 都 有 各 自 突 出 的 声 学 性 能 。
收稿日期 ： 2015-09-21
作 者 简 介 ：王 金 瑞（ 1989- ），男 ，山 东 省 滕 州 市 人 ，博 士 生 ，主
要研究方向 ：车辆振动与噪声控制。 通 讯作者 ：李舜酩 ，男 ，博士生导师。
E-mail: smli@ nuaa.edu.cn
金华丽水铁路声屏障销售厂家衢州声屏障隔音墙隔音板吸音板
Salomons [2] 研究了在空气折射的情况下声屏障插入
损失模型 ，比较声波经过声屏障时的传播 ，经由类比 法得到模型的精度 。国内研究主要针对噪声的声源 和 声 屏 障 的 声 学 结 构 研 究 ，张 增 海 [3] 根 据 国 标 (GB/ T27347.4-2009) 中 规 定 的 声 屏 障 对 点 声 源 插 入 损 失 的计算公式 [4] ，将列车噪声设置为线声源 ，设铁路两 侧声屏障的长度为无限长 ，运用 Matlab 编程计算 ，计
算 与 测 量 及 理 论 分 析 结 果 对 比 ，表 明 该 模 型 能 达 到 预期效果。高莉萍 [5] 等结合铁路声屏障声学结构设 计 时 涉 及 到 的 问 题 ，研 究 了 声 屏 障 声 学 结 构 设 计 原 则和几种不同绕射声衰减量的理论计算方法。 声屏障不同顶端结构对绕射声会产生不同的影
入 损 失 ， Van Leeuwen 测 试 了 14 种 不 同 的 声 屏
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126
噪 声 与 振 动 控 制
第 36 卷
响 ，所 以 通 过 研 究 不 同 顶 端 结 构 绕 射 声 衰 减 量 的 分
[6]
最佳构型 ，居民区一般都为高层建筑 ，因此对声屏障 在相对较高位置的降噪性能有一定要求。
本 文 以 声 屏 障 顶 端 结 构 作 为 研 究 对 象 ，探 究 声 波 在 遇 到 声 屏 障 时 的 绕 射 声 衰 减 ，通 过 对 不 同 顶 端 结 构 的 分 析 选 择 出 最 佳 结 构 ，也 对 声 屏 障 的 研 究 应 用提供一些理论依据和数据。
1 声屏障构型选择
声屏障高度设计一般在 3 m ～ 5 m ，过高的声屏
障 会 对 人 们 视 觉 产 生 压 迫 感 ，相 对 较 低 的 障 板 上 添 加不同顶端绕射结已构成为当今声屏障结构设计的 重要发展趋势。本文设计以 3m 为基本高度 [7] ，对不
同绕射结构进行绕射声衰减量分析。
选取声源的位置在声屏障内侧距障板水平距离 为 4m 处 ，接收点在障板背侧后 20m 处 ，高度均在水
平 地 面 上 ，根 据 我 国 交 通 噪 声 频 谱 特 点 设 置 声 波 频 率范围为 100Hz ～ 5000Hz [8] 。当声源为点声源时 ， 声 屏 障 可 视 为 无 限 长 声 屏 障 。 根 据 GBT 17247.2- 1998 [9] 中 规 定 其 绕 射 声 衰 减 计 算 公 式 为 ：
D S = 10 lg[3 +( C 2 / λ ) C 3 zK met ] dB 。 式 中 ： C 2 等 于 40 ，不
考虑地面反射影响 ， C 3 等于 1 ，单绕射 ；
λ —— 声 波 波 长 ， m ； λ = c f ， c 为 声 速 ， f 为
频率 ；
z ——声程差 ， m ；
K met ——气象影响修正因子 ，等于 1 。
1.1 直立型声屏障
由图 1 得 ， A = 5 m ， B = 20.2 m ， d = 24 m 得
z = A + B - d = 5 + 20.2 - 24 = 1.2 m
图 1 直立型声波绕射路径
1.2 内倾型声屏障
由 图 2 得 ， A = 4.615 m ， B = 20.715 m ，
d = 24 m 得
z = A + B - d = 4.615 + 20.715 - 24 = 1.33 m
图 2 内倾型声波绕射路径
1.3 Y 形声屏障
由 图 1.3 得 ， A = 4.814 m ， B = 20.585 m ，
d = 24 m 得
z = A + B - d = 4.814 + 20.585 - 24 = 1.399 m
图 3 Y 形声波绕射路径
1.4 T 形声屏障
由 图 4 得 ， A = 4.811 m ， B = 20.582 m ，
d = 24 m 得
z = A + B - d = 4.811 + 20.582 - 24 = 1.393 m
图 4 T 形声波绕射路径
将菲涅尔数代入绕射声的衰减量的计算公
式 D S = 10 lg[3 +( C 2 / λ ) C 3 zK met ] dB
经 Matlab 计算得如图 5 。
图 5 四种声波绕射衰减量结果对比
由 图 1.5 可 知 ，在 声 屏 障 后 水 平 距 离 20 m 处 随
着 频 率 的 增 加 ，四 种 不 同 顶 端 结 构 的 声 屏 障 的 绕 射 声衰减量都呈上升趋势 ，在低频区域上升趋势很快 ， 到 高 频 区 域 上 升 趋 势 减 缓 ，到 5 000 Hz 处 都 能 达 到 28 dB 以 上 。 其 中 Y 形 和 T 形 的 绕 射 声 衰 减 最 多 且 几 乎 相 等 ，因 此 在 下 文 中 主 要 对 Y 形 和 T 形 结 构 声
屏障进行仿真分析并确定结构选形。
2 声屏障声学结构仿真
采 用 声 学 软 件 Virtual Lab 对 Y 形 和 T 形 结 构 的
声 屏 障 进 行 仿 真 分 析 ，观 察 声 屏 障 背 后 区 域 的 声 场 分 布 情 况 ，根 据 结 果 选 择 出 适 合 用 于 城 市 道 路 两 侧 的声屏障顶端结构。
2.1 声屏障仿真条件设定
（ 1 ）噪声源条件设置
将 道 路 交 通 噪 声 假 设 成 一 条 线 声 源 ，根 据 交 通 噪声频率段特点 ，线声源的频率取 500Hz [10] ，障板离
布情况 可以适当选择出应用在城市居民区附近的
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第 1 期
线声源的水平距离是 4m 。
（ 2 ）声屏障布置
不同顶端结构声屏障绕射声衰减量模拟分析 127
（ 3 ） T 形声屏障仿真结果
由图 9 可以看出 ，相比于 Y 形声屏障 ，表示低声
假 定 声 屏 障 水 平 长 度 是 200 m ，计 算 在 中 间 位 置 100 m 处 剖 面 的 声 影 区 ，这 是 为 了 消 除 障 板 两 端
的侧向声绕射影响 。声影区的范围为障板后水平距 离 50m 高度 30m 内 ，研究在此范围内的声压级的分
布 情 况 ，符 合 金华丽水铁路声屏障销售厂家衢州声屏障隔音墙隔音板吸音板交 通 噪 声 对 两 侧 居 民 区 噪 声 波 及 范 围 的实际状况 。本文在研究声屏障的声压级分布上是 选 取 与 声 屏 障 垂 直 的 立 面 进 行 研 究 ，布 置 情 况 如 图 6 ，线 声 源 距 离 障 板 的 水 平 距 离 为 4 m ，竖 直 网 格 是
要分析的声影区的声压分布剖面 。同障板的竖面垂 直 ，宽为 50m ，高为 30m 。
图 6 声屏障降噪模拟分析布置图
2.2 屏障背后声场分布仿真结果
（ 1 ）无声屏障时噪声传播
图 7 是 在 未 布 置 声 屏 障 时 的 声 压 分 布 情 况 ，以
此为基础对比布置了声屏障之后的声场分布情况。
图 7 未设置声屏障时交通噪声声压级分布
（ 2 ） Y 形声屏障仿真结果
由图 8 可以看出 ，相比于未布置声屏障的情况 ，
声 压 分 布 在 大 范 围 内 都 有 所 降 低 ，并 且 表 示 低 声 压 级的深黑色区域在 50m 处要高出声屏障的高度。
图 8 Y 形声屏障降噪效果模拟声压级分布
压 级 的 深 黑 色 区 域 分 布 比 较 紧 凑 ，而 且 都 集 中 在 小 于 3 m 高 的 区 域 内 ，即 都 没 有 超 出 T 形 声 屏 障 的
高度 。
图 9 T 形声屏障降噪效果模拟声压级分布
3 降噪仿真结果分析
由 图 7 、图 8 、图 9 可 以 看 出 ，在 声 屏 障 后 水 平 距 离 20m 处 Y 形和 T 形声屏障降噪量都能达到 17 dB
以 上 ，随 着 水 平 距 离 的 不 断 增 加 降 噪 量 逐 步 增 加 。 对 比 这 两 种 不 同 的 声 屏 障 顶 部 结 构 ，可 以 看 出 其 后 面 形 成 的 声 压 分 布 也 有 很 大 差 异 ， Y 形 形 成 的 声 压 级 分 布 的 层 次 相 比 T 形 更 清 晰 明 显 ，而 T 形 声 压 级 的 分 布 相 对 比 较 集 中 ，且 在 高 度 3 m 以 下 的 声 压 级 分布都相对较低 ，而在 3m 以上降噪效果则不明显 ， 所 以 T 形 声 屏 障 适 合 用 于 高 速 公 路 两 侧 ，濒 临 城 镇 农村建筑周围。而 Y 形声屏障在较高的高度也有较
好的降噪效果 ，即其声压级降低的覆盖面积更广 ，所 以适用于城市道路两侧 ，濒临高层建筑的地区。 3.1 插入损失计算
为 更 直 观 地 观 察 声 压 级 的 分 布 情 况 ，引 入 插 入 损 失 的 计 算 。 插 入 损 失（ IL ）是 指 保 持 噪 声 源 、地 形
和气候条件不变的情况下安装声屏障前后受声点处 测得声压级之差 ，如下式所示 [11]
IL = Δ L d - Δ L t - Δ L r -(Δ L s ， Δ L G ) max
Δ L d ——绕射声衰减 ； Δ L t ——透射声衰减 ； Δ L r ——反射声衰减 ；
Δ L s ——障碍物声衰减 ； Δ L G ——地面吸收声衰减。
表 1 列 出 Y 形 和 T 形 声 屏 障 在 10 m 、 20 m 、 30 m 、 40 m 、 50 m 等 不 同 距 离 ，高 度 2 m ～ 20 m 范 围 内
插 入 损 失 。 列 出 的 插 入 损 失 为 声 影 区 内 数 据 ，对 比 这两种不同顶端结构声屏障的降噪效果。
由表 1 可知 ，在高度低于障板高度的位置 ，不同 距离隔声降噪效果较好的是 T 形结构。如在高度 2
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128
表 1 两种结构插入损失比较 /dB
第 36 卷
噪 声 与 振 动 控 制
失 变 化 量 为 7.9 dB ， T 形 声 屏 障 插 入 损 失 变 化 量 为
距离 /m
10
结构形式
Y 形
2
13.40
高度 /m
8
14金华丽水铁路声屏障销售厂家衢州声屏障隔音墙隔音板吸音板
20
10.2 dB 。 与 表 1 的 9.31 dB 和 11.04 dB 数 值 近 似 。 因此结论相同 ，即 T 形结构适用于低位置降噪 ， Y 形
结构适用于高位置降噪。
T 形
14.34
表 2 文献 [12] 的两种结构插入损失比较 /dB
20
Y 形
13.40
5.21
距离 /m 结构形式
高度 /m
T 形
14.10
3.54
2
8
14
20
30
40
50
Y 形 T 形 Y 形 T 形 Y 形 T 形
13.45 14.10 13.45 14.10 13.46 14.10
9.35 6.35 6.74 5.82 8.55 4.12
5.25 4.68 4.65 4.12
4.15 3.06
10
20
30
Y 形 T 形 Y 形 T 形 Y 形 T 形
11.1 12.5 11.2 12.2 11.3 12.2
4.5 2.9 8.0 5.1
m ，距离 30m 时 ， T 形结构插入损失为 14.10dB ，比 Y 形 结 构 高 0.65 dB 。 随 着 高 度 增 加 到 2 m 以 上 ，降 噪 性 能 显 著 下 降 ，如 距 离 30 m 时 ，高 度 2 m 降 噪 量 为 14.10 dB ，而 高 度 8 m 时 ，降 噪 量 降 为 6.35 dB ，插 入
40
50
Y 形 T 形 Y 形 T 形
11.3 12.2 11.3 12.2
5.6 4.9 7.3 3.9
3.9 3.0 4.7 3.7
3.4 2.0
损 失 下 降 量 达 到 7.75 dB 。 而 Y 形 声 屏 障 在 距 离 30 m ，高 度 从 2 m 增 加 到 8 m 时 ，插 入 损 失 降 低 量 为 4.10dB 。因此 T 形结构适用于低位置降噪。 而 Y 形声屏障在较高高度仍有较好的降噪效 果 ，随高度增高 ，插入损失下降比 T 形少。如在 50m 距 离 ，高 度 20 m 的 位 置 ，插 入 损 失 比 T 形 声 屏 障 高 1.09dB ，测点高度由 2m 升高到 20m 时 ， Y 形声屏障 插 入 损 失 变 化 量 为 9.31 dB ， T 形 声 屏 障 插 入 损 失 变 化量为 11.04dB 。因此 Y 形声屏障在高度增加时插
入 损 失 降 低 量 较 小 ，比 较 适 用 于 道 路 两 边 较 高 的 建 筑 ，即在较高的位置仍然有较好的降噪效果。 究其原因 ，因为 Y 形声屏障的顶部分叉结构 ，可
以 使 声 波 在 分 叉 处 发 生 衍 射 ，同 时 在 分 叉 处 又 可 经 历多次反射 ，声能得到消耗 ，所以在较高位置有较好 降 噪 效 果 。 而 T 形 的 顶 部 结 构 向 两 端 延 伸 ，在 较 低
位置对声波绕射遮蔽较多 ，因此有较好隔声效果 ，随 着高度上升 ，顶端遮蔽功能越来越弱 ，所以在较高位 置隔声效果较差。 3.2 仿真结果对比
表 2 列 出 了 文 献 [12] 使 用 声 学 仿 真 软 件
Raynoise 得出的数据。
由 表 2 可 知 ，各 组 仿 真 数 据 均 比 表 1 数 据 略 低 ， 随水平距离和高度的变化趋势与表 1 相同。如在距 离 为 30 m ，高 度 从 2 m 增 加 到 8 m 时 ， Y 形 和 T 形 的 插 入 损 失 降 低 量 分 别 为 3.3 dB 和 7.1 dB ，与 表 1 的 4.10 dB 和 7.75 dB 数 值 近 似 。 同 样 在 距 离 50 m 处 ， 测 点 高 度 由 2 m 升 高 到 20 m 时 ， Y 形 声 屏 障 插 入 损
文献 [12] 中的仿真数据都略低于本文的仿真计 算数据 ，原因可能是与 Raynoise 降噪原理的局限有 关。 Raynoise 在低频或小尺度空间的模拟效果比较
差 ，这必然会大大缩小其应用范围。同时 ，它只能给 出简单声源在给定点的模拟结果 ，而对于运动声源、 分 布 式 声 源 、指 向 性 声 源 以 及 更 为 复 杂 的 情 况 则 有 局限 。
综 上 所 述 ，城 市 道 路 两 侧 的 声 屏 障 对 较 高 建 筑 的 降 噪 效 果 要 求 高 ，所 以 更 适 合 采 用 顶 端 结 构 为 Y
形的声屏障。
4 结 语
（ 1 ）声屏障的不同顶端结构对绕射声衰减量有
较 大 影 响 ，计 算 声 屏 障 后 一 固 定 点 的 绕 射 声 衰 减 量 随声波频率的变化情况 ，可以选择出最佳构型 ； （ 2 ）利用声学软件 Virtuallab 可仿真得到声屏障
背 后 声 影 区 的 声 压 分 布 情 况 ，对 比 分 析 可 得 不 同 构 型在不同水平位置和不同高度处的降噪效果 ； （ 3 ）通过插入损失的计算验证了 T 形结构适用 于低位置降噪 ， Y 形结构适用于高位置降噪。
参考文献 ：
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(下转第 132 页)
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132金华丽水铁路声屏障销售厂家衢州声屏障隔音墙隔音板吸音板
噪 声 与 振 动 控 制
第 36 卷
图 5 不同边界下 ，风扇辐射噪声 5.3 阶曲线
和 198 Hz 左 右 ，和 上 文 所 述 的 轴 旋 转 基 频 的 5.3 阶
左右噪声峰值频率一致。 3.3 传递路径分析
将 冷 却 风 扇 和 散 热 器 正 常 装 配 ，悬 空 于 发 动 机 舱 内 。 当 风 扇 正 常 工 作 时 ，室 内 噪 声 仍 存 在 轴 旋 转 基频的 5.3 阶左右的宽频噪声峰值。由此表明 ，该涡
流噪声主要通过空气传播至室内。
4 优化验证
综 合 考 虑 发 动 机 舱 的 空 间 布 置 ，冷 却 风 扇 的 冷 却 效 果 等 因 素 ，最 终 将 冷 却 风 扇 和 散 热 器 之 间 的 距 离增加 13 mm 进行实验验证。实验结果表明 ，增加 冷却风扇和散热器之间的距离 ，该 5.3 阶左右的涡流 噪声改善良好 ，峰值基本消除 ，见图 6 所示。
5 结 语
本 文 主 要 通 过 实 验 手 段 ，对 冷 却 风 扇 非 整 数 倍 阶 次 噪 声 进 行 诊 断 分 析 ，最 终 确 定 其 产 生 的 原 因 并 得 到 有 效 解 决 。 在 冷 却 风 扇 前 期 开 发 过 程 中 ，保 证 良 好 的 冷 却 效 果 的 同 时 ，需 重 点 关 注 风 扇 引 起 的 旋 转噪声和涡流噪声 ，为后期整车和冷却风扇 NV H 开
发 带 来 事 半 功 倍 的 效 果 。 希 望 该 诊 断 经 验 ，在 降 低 冷却风扇涡流噪声方面提供一定的参考。
图 6 冷却风扇工作时 ，室内噪声频谱图
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宁波灏瀚金属科技有限公司是山东护栏板|声屏障|波纹涵管生产企业的分公司,山东护栏板|声屏障|波纹涵管集团公司成立于2002年,注册资金5000万,拥有固定资产8000余万元,位于山东冠县工业园区,毗邻309国道,交通便利。公司常年生产护栏板、高速公路护栏板、公路护栏板、波形护栏板、声屏障、波纹涵管、围挡、护栏网、隔离网,是山东地区较大的护栏板厂家！ 公司自行研发生产交通安全系列产品，拥有专业技术工程人员，从事研发、项目、工程整体策划、管理、工程实施及监理。本厂严格按CB5768－86.99新标准生产。企业认真按ISO9000质量体系执行。本厂生产的护栏板、立柱、防阻块、托架、防水帽、防眩板等 ，达到国内同类产品的先进水平。主要销售区域：宁波、绍兴、杭州、金华、温州、台州、苏州、嘉兴、南京、常州、上海、广州、无锡、连云港、合肥、芜湖、安庆 为迎合市场需要，公司于2018年在宁波注册分公司，建立生产和营销基地。欢迎广大客户来电垂询。
