城市轨道交通环控通风系统噪声控制环节分析

李琨

（天津市地下铁道集团有限公司，天津 300000）

1 引言

随着地铁大规模的建设和投入使用，地铁运营时产生的噪声也给人们的生活带来了一定影响。其噪声源主要来自：1）隧道通风系统；2）大系统通风空调设备；3）小系统通风空调设备；4）其他设备。目前市场上的降噪措施主要是通过在地铁各车站的隧道通风系统及车站、车辆段、停车场的通风空调系统的风道和风管上安装消声器，以此承担不同工况下通风系统的消声功能。

目前，在地铁工程中，对于降噪的处理过于简单粗放，只是简单的考虑噪声源的噪声与控制点的指标要求来布置消声器，而未对通风系统的细节进行考虑，造成工程量过大、消声器不合理使用、浪费资金等问题。本文根据工程实践中的经验，分析活塞风量、声源到风亭中的声衰减、风亭到控制点的距离对噪声的影响、屏蔽门的隔声量、百叶风口断面风速限值与控制点距离的关系等因素对噪声的影响，并给出相关因素的计算方法，实现对消声器的合理设计与布置，降低工程开支。

2 地铁站噪声源分析

地铁站内的噪声源主要有：为改善地铁内部空气环境而设置的各类风机，对内主要通过风管风口传递噪声至站厅站台，对外通过机械风亭、活塞风亭、排风亭和新风亭传递噪声至地面，从而影响风亭周边环境。不同类型风机，其噪声倍频带声功率级是不同的，即使相同类型的风机，由于通风量和风机压头的不同，其倍频带声功率级也不尽相同。地铁隧道通风机风量为60m3/s，全压在1000Pa时，噪声声功率级在120dB（A）左右。其次是列车噪声，主要通过活塞风井传至地面来影响周边环境，并在列车进站时，改变站台声环境。虽然不是连续声源，但列车以80km/h运行时，其对活塞风道辐射的噪声声功率级约为109dB（A），对活塞风亭周边声环境的影响不亚于通风机。

3 通风系统噪声分析

在通风系统噪声分析中，一般会在风机声功率级的确定、列车噪声声功率级、活塞风量、消声器动态插入损失、消声器气流再生噪声、消声器的压力损失、声能量分配衰减、面声源声功率级声压级转换、管道内声功率级声压级转换、室内声功率级声压级转换、风室的声衰减、声源到风亭的传播途径上的声衰减、风亭到控制点（区域）的距离及其风口形式对噪声的影响、末端反射、屏蔽门的隔声量、A计权特性、算术叠加、对数叠加、百叶风口断面风速限值与控制点距离的关系等环节进行考虑。而在大量工程实践中发现，活塞风量、声源到风亭中的声衰减、风亭到控制点的距离、屏蔽门的隔声量、百叶风口断面风速限值与控制点距离的关系对噪声的影响等环节，对于通风系统降噪系统设计有着不可忽视的影响。本文将对以上环节提出计算方法。

3.1 活塞风量

列车在隧道内高速运行时，会产生活塞效应，形成活塞风，促使空气流动。这些流动的空气通过预先设置的活塞风阀、活塞风道、活塞风亭等传播途径完成与地面的空气交换，从而保证地铁内部环境空气质量、温湿度等指标均能满足要求。同时，列车轮轨冲击、振动噪声、列车动力源产生噪声以及空气动力噪声也同样经过上述传播途径传至风亭外部，对其周围环境造成负面影响。如果这种影响超过了相关规范要求，就需要采取相应的消声降噪措施。

活塞风道内的风量大小会直接影响隧道内的气温。活塞风量的大小受行车间隔、行车速度、车辆外形、隧道形状、线路特征、运行时间等诸多因素的影响。由于列车噪声传至风亭外部会对其周围环境产生噪声影响，需在活塞风道内设置消声器，设置消声器产生的阻力大小亦将影响活塞风量的大小。因此，需对活塞风道的通风系统消声器进行优化设计，在满足活塞风亭外声环境控制要求的同时，要尽量减小其对活塞风量和隧道内温度的影响，这就对消声器的阻力系数提出了严格的要求。

根据该项目的设计要求，提出以下两种不同消声方案。图1、图2为同一活塞风道系统的2种不同消声方案，显然，在满足噪声控制要求的前提下，方案一相对于方案二，更具经济优势（设备的选购、安装、维护等费用）。因此，当活塞风与机械风共用的水平风道足够长时，应优先考虑方案一；若活塞风与机械风共用的水平风道长度不足或没有共用风道时，可考虑方案二。

图1 方案一

图2 方案二

根据某地铁一期工程的设计资料，对列车正常运行模式用SES4.1软件进行模拟计算，针对活塞风道的温度和风量的影响进行分析。为了保证活塞风道的温度和风量满足《地铁设计规范》（GB 50517—2013）的规定，且列车噪声对活塞风亭外周围环境的噪声影响达到《声环境质量标准》（GB 3096—2008）的要求，设置在活塞风道（或风井）内的消声措施的阻力系数要求控制在0.9以内。因此，还需要通过调整设置在活塞风道内的消声器长度、片间距，使其阻力系数满足“不大于0.9”的要求。

消声器阻力系数：

由上式可知，在消声片结构形式不变的情况下，消声器的出、入口局部阻力系数和沿程表面摩擦阻力系数保持不变，通过调整消声器的净流通面积（断面结构）、长度及消声器阻塞面积，在保证消声器消声量P×L/S不变的同时，可改变消声器的阻力系数，即：在保证消声量不变的前提下，消声器加长，阻力系数会下降。

由此可知，在保证消音量的前提下，活塞风量对消声器的设计有着不可忽视的影响。合理计算和优化活塞风量将会对消声器的应用产生影响。

3.2 声源到风亭的传播途径上的声衰减

（1）沿风道长度的声衰减

假设建筑风道和建筑风室的内表面为光滑的混凝土表面，噪声沿风道长度的衰减，将风道看成阻性直管式消声器。根据阻性直管式消声器消声量计算式，计算出沿风道长度的衰减量。

如从风机出口到室外风亭口的风道长度为20m，风道的断面尺寸为4000mm×4000mm，则沿风道长度的声衰减量为1dB（A），各倍频带的声衰减量如表1。而在实践中，风道的长度往往达到40～50m，甚至达到100m，由此可见，风道自身的降噪效果也很明显，如果在工程中考虑这一环节，将会减少消声器的布设量。

表1 倍频带中心频率

（2）风道其他环节的声衰减

根据噪声资料和地铁经验数据，当声源到风亭的距离较短时，建筑风道弯头、风道断面变化以及风阀的声衰减很小，可将其忽略，作为保险系数。如果实际风道（室）是粗糙的混凝土表面，或者有其他的吸声建材，效果会比计算预计的更好，可以减少消声器的负担。

3.3 风亭到控制点（区域）的距离及其风口形式对噪声的影响

在进行声学设计时，不仅需要考虑气流在风亭风口处产生的气流再生噪声、风亭形状尺寸位置的指向性系数、周边环境的声反射等对风口处噪声的贡献，还要考虑风亭到控制点（区域）的距离对控制点噪声的贡献。

声源通过风亭风口对外辐射噪声，风亭风口的形式和风口处到控制点（区域）的距离都会对风口到控制点（区域）的直达声压级产生影响。

式中：Q为指向性系数，与风亭风口形式相关；r为风口到控制点（区域）的距离，m。

（1）风亭风口形式对控制点（区域）噪声的影响

风亭形式分为传统风亭（带百叶的风亭）和低矮风亭（敞口风亭）两种。风亭形式不同，其指向性系数Q也不同。传统风亭又视风口开口的朝向组合而具有不同的指向性系数Q。

（2）风亭与控制点（区域）的距离对噪声的影响

根据上述直达声压级的计算公式，风口到控制点（区域）的距离也是声学计算中需要考虑的声衰减环节。由该公式可看出，在指向性系数Q不变的情况下，距离r的平方与直达声压级成反比，控制点（区域）离风亭风口越远，其声衰减越大，到控制点（区域）处的声压级越小；反之，则越大。

3.4 屏蔽门的隔声量

由玻璃和金属板材制成的屏蔽门，其权隔声量Rw＞36，见表2。

表2 屏蔽门理想状态下的隔声量

考虑到屏蔽门频繁开关，日久后会导致密封程度有所下降，按孔隙率1%调整隔声量见表3。

表3 屏蔽门缝隙状态下的隔声量

根据《地下铁道车站站台噪声限值》（GB 14227—1993）表2对混响时间的限值规定，混响时间（T60）应≤1.5s。而一个典型地铁站的站台长度为120m，宽度约10m，屏蔽门高度约2m。根据赛宾公式，站台的吸声量：

隧道与站台的最大声压级差：

（S=120×2×2=480m3，站台两侧都有屏蔽门）因此，屏蔽门的现场声压级差隔声量如表4所示。

表4 屏蔽门缝隙状态下的声压级差

3.5 风口断面风速限值与控制点距离的关系

图3是噪声控制点到风亭口部距离与地铁风亭特制低噪声百叶的断面风速限值关系图。如果控制点（区域）距离风亭为5m，气流在风亭风口处产生的气流再生噪声，要特别引起重视。若距离小于5m，则更加需要重视气流在风亭风口处产生的气流再生噪声。由于风亭风口的气流再生噪声由断面风速（风量/断面积）和风口形式决定，建议地铁公司在确定风口形式和断面风速时，按图3的推荐值实施。

图3 断面风速限值关系图

4 结语

在降噪设计中，活塞风量、声源到风亭的传播途径上的声衰减、风亭到控制点（区域）的距离及风口形式、屏蔽门、风口断面风速限值与控制点距离的关系等因素都不容忽视。

通过计算验证了相关因素对噪声的影响，充分合理考虑以上环节，可以更加科学地优化噪声控制方案，减少消声器的使用量，减少工程投入。