Page 108 - 《应用声学》2020年第6期
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件，导致插入损失减小。文中同时提出了一种楔形
0 引言
结构表面，较好地改善了平行声屏障的性能。类似
声屏障常见于高速公路、铁路和需要噪声控制 的还有 Wang 等 [12] 提出的一种具有不均匀阻抗表
的工厂等场所，一般安装在噪声源与噪声敏感区域 面的声屏障。
之间，保证噪声敏感区域免受噪声的危害。直立型 本文基于以上研究成果，采用有限元仿真的方
声屏障一般采用刚性材料制作，可以有效切断噪声 法，对导致平行声屏障插入损失恶化的陷波模态特
的传播途径。然而，通过声屏障的边缘，尤其是顶端 性进行了分析。采用经典的理论模型验证仿真模型
衍射到声影区的噪声却无法得到有效控制。提高声 的准确性。最后，从陷波模态的角度讨论了不同类
屏障的高度可以增加声影区的范围，改善低频插入 型声屏障的插入损失优化效果。
损失。但是该方法造价较高，并且高度过高容易产
1 有限元仿真模型
生额外的结构安全问题，如抗横向荷载的能力变差，
因此在实际应用中有较大局限性。 图1为平行声屏障布置在噪声源两侧的二维有
通过改变声屏障的形状以及顶端结构来改善 限元仿真模型。模型中定义了两个声场区域，其一
其性能一直以来都是国内外学者研究的热点 [1] 。研 为计算声场区域，包括平行声屏障、地面、噪声源 S
究的对象包括但不限于 T 型声屏障、Y 型声屏障以 和接收点 R。为了简化计算模型，声屏障的高度设
及具有吸声柱体、锯齿型和声扩散体等顶端结构的 置为1 m，厚度为 0.1 m。声屏障之间的距离为 2 m，
声屏障等 [2−7] 。在治理交通噪声时，声屏障往往是 噪声源 S 布置在两个声屏障的正中央位置，接收点
平行地布置在道路两侧，称之为平行声屏障。已有 R 与噪声源 S 之间的距离为 5 m，除微穿孔板以外
研究结果表明，声波在平行声屏障之间容易产生多 的其他表面均视为刚性边界。
次反射，使到达声影区的衍射声能增加，从而导致声 其二为计算声场区域外部的完美匹配层 (Per-
屏障性能下降 [8−9] 。为了抑制平行声屏障之间的声 fectly matched layer, PML) [13] 。该区域为自定义
波多次反射，可在声屏障内表面设置吸声材料吸收 的声吸收层，可允许内部声场的声波传播进来而几
反射声能，然而目前广泛使用的离心玻璃棉等纤维 乎没有反射，在有限大小的几何区域内模拟自由扩
吸声材料，在户外恶劣条件下使用时容易受潮、脱 散的声场条件，有效地提高了模拟的运算速度。模
落和积聚粉尘，实际效果欠佳，同时还会带来潜在 型采用自由三角形进行有限网格化。为了保证计
的环境污染问题，因此不适合作为声屏障的吸声材 算的准确度，三角网格的尺寸不大于最高计算频率
料使用。改变声屏障之间的内部声场分布也是一种 波长的 1/6。本文的三角网格的尺寸最大值设定为
有效的方法。有学者提出将声屏障向内倾斜10 ，使 0.014 m，可保证最高计算频率扩展至4000 Hz。
◦
声波向地面反射，可降低一部分通过声屏障顶端的 声屏障的插入损失 (Insertion loss, IL) 计算
衍射声能 [10] 。Yang 等 [11] 采用有限元仿真分析的 公式为
方法指出，平行声屏障之间的陷波模态是导致其性
IL = 20 lg(|p 0 /p 1 |), (1)
能下降的重要原因之一。当陷波模态处于共振频率
时，平行声屏障之间形成驻波效应，此时声能最大并 式 (1) 中，p 0 和 p 1 分别为声屏障安装前后接收点 R
垂直地入射到声屏障的顶端，产生了最佳的衍射条 处的声压。
2.5
PML
2.0
1.5 ᝠካӝ۫
PML PML
1.0
0.5
S↼⊲֒↽ R↼⊲֒↽
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
图 1 平行声屏障的有限元仿真模型
Fig. 1 Finite element model of parallel barrier
