城市轨道交通地下车站新型消声器研制

近年来，轨道交通在我国各大城市不断建设和发展。截至2019年底，国家发改委已批复轨道交通建设城市已达40个，运营线路总里程达6 736.2 km，车站3 982座，涉及投资规模达数万亿元。轨道交通主要服务于城市，在城市区或规划人口密集区都以地下铺设方式为主，而在地下车站中，风亭是实现地下空间通风的重要环控设施。根据目前城市轨道交通地下车站建设的环控模式，通常每个地铁车站设置两组共8个风亭，每组分别包括1个新风亭、1个排风亭、2个活塞风亭。由于地铁车站一般位于城市区域，车站内各类风机通过风亭对外长期辐射低频噪声，对周边人群的烦扰度较高，需要特别考虑并提出有效的防护措施。

消声器是控制空气动力性噪声的重要装置，在确保气流顺利通过的同时又能有效阻止或减弱空气动力噪声向外传播。消声器的种类繁多，根据消声原理，可分为以下3类：阻性、抗性和复合式消声器[1]。

由于通过风亭对外产生噪声的风机体量均较大，消声器也多设置在风机进口及风道处，单个消声器的截面积较大，小的在2 m2左右，大的甚至可达30 m2以上。根据实际情况，实际工程中多采用阻性消声器，目前常用的主要有片式消声器和阵列式消声器。

目前国内外针对地铁环控通风系统的消声降噪方面做了大量的研究工作，文献[2-5]针对地铁环控通风系统噪声产生的原因特征、周边环境影响、消声降噪系统设计和控制手段选用进行了分析与探究。文献[6-7]对地铁车站风亭在多工况下的噪声典型特性进行了测试，并对风亭噪声超标治理进行了研究。文献[8-9]针对环控通风系统所用大型通风消声器进行了优化设计，并提出一些对风道、风亭消声合理设计的理论与实用技术。文献[10-11]介绍了插入损失与阻力系数两个通风消声器性能评价指标在评价过程中存在的问题，并提出了改进建议，设计了类似于风机性能曲线的消声器性能曲线组/图。文献[12]对阵列式消声器与片式消声器结构参数与性能进行了理论分析与对比，通过CFD计算机模拟、实验室测试验证、技术分析及工程应用，对阵列式消声器和片式消声器消声量和阻力损失进行对比，结果表明阵列式消声器性能及降噪效果优于片式消声器。

尽管应用于城市轨道交通的大中型消声器设备已有了长足的发展，但在结构性能、降噪效果等方面仍有进一步完善优化的空间。笔者通过对国内部分城市的轨交风亭进行噪声测试发现，现有的消声器降噪效果仍不够理想，风亭运行时居民噪声投诉仍时有发生。基于此，本文针对城市轨道交通地下车站环控通风系统中所使用的消声器进行了研究，研制出一种结合了片式消声器和阵列式消声器结构特性的新型消声器。新型消声器以插片消声单元为基础组合形成消声模组，消声模组之间采用阵列式排列，该种结构型式同时结合了片式消声器与阵列消声器的优点。

1 新型消声器研制流程

消声器的设计研制需要根据其应用场合及噪声源特性的不同确定消声量需求，以选定所属类型、使用材料和结构形式，并在设计完成时进行实验室效果验证测试。新型消声器的研制过程主要有以下几个步骤，如图1所示。

图1 新型消声器研制技术路线

2 新型消声器设计

2.1 噪声源基本分析

地铁噪声来源较为复杂，在城市轨道交通环控通风系统中的噪声源主要是以风机噪声和活塞风噪声（包括列车噪声）为主，主要噪声源设备为区间隧道通风系统的活塞风机、排热风机以及地下车站空调通风系统设备等。如图2所示。

图2 车站风道处隧道风机及空调通风系统噪声频谱

隧道风机噪声与车站空调通风系统噪声具有较高的声压级，且具有宽频特性，在500 Hz～1 000 Hz频带范围内声级相对较高。此外，在列车进出站时会产生车辆噪声以及运行时拖拽和推动隧道空气产生的活塞风气流噪声。列车进出站时车速较低，噪声成分主要分布在250 Hz～2 000 Hz频域内，在站台处的噪声峰值可达90 dB(A)左右[13-14]，此类噪声源位于站台层，主要通过活塞风井向外环境传播。因此在消声器的设计上，需要在63 Hz～4 000 Hz的宽频范围内有具有一定的消声量。

2.2 消声器的声学设计

(1)声学计算原理

阻性消声器是将吸声材料固定在气流通道的周边壁面或按照一定方式在气流通道中排列组合进行消声的一类消声器。计算阻性消声器消声量的公式较多，但由于声波在消声器通道中传播的情况较为复杂，不同气流工况对消声性能影响也存在不同，很难用简单数学方程进行精确计算。在工程实践中对于一些特定形式的阻性消声器，可采用近似计算公式进行估算，准确性不高，但可作为消声器消声量初步设计的参考。

对于阻性消声器而言，单通道直管式是最基础的消声单元，其消声量可分别用洛夫公式或赛宾公式进行估算。

别洛夫公式：

赛宾公式：

式中：ΔL——消声量；

P——吸声层通道横截面周长；

S——吸声通道横截面积；

L——消声通道长度；

ψ(α0)——消声系数，与正入射吸声系数α0有关；

——混响室法吸声系数。

由上述理论计算公式可知，在采用吸声材料吸声系数相差较小的情况下，消声器的消声量主要取决于吸声通道横截面积、吸声层周长及消声器长度。在实际工程中，由于消声长度受到限制，因此进行合理的消声器横截面设计是增加消声器消声量的主要手段之一。

(2)声学结构选型

目前在城市轨道交通车站通风系统噪声控制工程实践中，应用最多的是金属外壳或土建结构形式的片式与阵列式消声器。对于片式消声器而言，片间距宽度越小，消声量越大，但风速增加，导致阻力损失上升。一般吸声片厚为150 mm～300 mm，片间距为100 mm～200 mm，加大吸声片厚度可增加对中低频噪声的吸声量。对于阵列式消声器而言，阵列式消声器在片式消声器的基础上进一步优化增加了周长/面积比，吸声体横截面尺寸通常选在200 mm～400 mm，片间距通常在100 mm～300 mm之间，如图3所示。消声插片所采用吸声材料的特性及厚度影响消声器的优势消声频率。常见阵列式消声器的消声插片有效吸声厚度在各方向上较为均一，其优势频率会随横截面布置的不同整体倾向于中高频或低频。

图3 常见阵列式消声器吸声体布置示意图

基于以上所述，本文在片式与阵列式消声器结构特性的基础上，设计出一种新型截面形式的阻性消声器，采用横截面为长宽比a:b在1:2～1:3之间的矩形吸声体，内部填充吸声材料，为保证吸声材料吸声系数的有效性，吸声体在各面的法线方向有效厚度均应在75 mm以上，即a边厚度取150 mm～200 mm，b边厚度取300 mm～600 mm，具体尺寸可依据噪声源的特性进行具体调整，3～4个数目吸声体通过纵横向交叉布置可形成一个消声模组，在不同吸声面方向上具有不同的吸声材料厚度，有利于拓宽吸声体在中低频的消声效果。吸声体在横截面上呈横/纵交叉布置，将连续的消声横截面打断，相当于减少了消声通道横截面的当量直径，有利于提高消声器的高频失效频率，如图4所示。在截面占比相同的情况下，具有新型截面形式的消声器较阵列式消声器的吸声面积提升50%左右。

图4 新型消声器横截面布置示意图

(3)吸声材料选型

吸声体是由外壳及内部填充的吸声材料组成，可用于消声器吸声体的吸声材料主要为多孔吸声材料。从吸声效果、加工工艺与经济成本等方面综合分析，新型消声器选用玻璃棉作为吸声体的填充材料，为保证较高的吸声系数，玻璃棉选用容重宜控制在32 kg/m3～48 kg/m3之间。

2.3 消声器的结构及外形设计

消声器在保证具备良好消声性能的基础上，还需具有优良的结构性能。消声器基本结构具体包括消声单元、安装导轨或支架、以及外壳。其中消声单元由吸声体（消声插片）组合构成。吸声体为有一定规格的标准件，主要由面板（即吸声壳体）、填充吸声材料、护面材料、导流罩构成。外壳可视用途分为适用于风机的金属外壳和适用于风道的土建结构。普通阵列式消声器为保证结构强度，通常在竖向安装导轨上加装横向连接杆。新型消声器可通过横向消声单元与安装导轨构成的“工”字结构，省去横向连接杆。具体结构尺寸可根据现场工程实际情况进行调整，新型消声器的结构如图5所示。

图5 新型消声器结构示意图

3 有限元仿真

3.1 模型建立

如图6所示。针对新型消声器进行声学有限元仿真计算，对消声器的消声效果进行了研究分析，有限元模型的边界计算条件设定为

图6 新型消声器三维声学有限元模型

（1）消声器的进出口边界，设定为平面波辐射边界。

式中：pt=p+pb，pb为背景声压；p为声压波动量。

当给定入射声压pi时有：

（2）消声器的内部穿孔区域，设定为内部多孔板边界。

式中：“1”、“2”——代表穿孔板的两侧；

μ——为动力黏度系数；

σ——孔隙率；

tp——板厚；

dh——孔洞直径；

δh——端部修正；

θf——流阻。

其基本的模型材料参数设置如下：分别建立消声单元截面占比设置为25%与30%的有限元模型；消声器有效长度均为l=1m；消声单元的穿孔板孔隙率σ=30 %、孔洞直径dh=0.004 m、板厚tp=0.0015 m；吸声材料密度ρ=32 kg/m3、流阻θf=1 424.2 Pa·s/m2。

3.2 计算结果及分析

如图7所示，新型消声器在消声单元等效长度为1 m时，消声单元截面占比分别设置为25 %与30%的声学仿真计算云图。如图8所示，当频率大约在500 Hz～1 000 Hz范围区间内产生了明显的消声峰值，截面占比设置为25%消声效果大约在平均8 dB左右，截面占比设置为30%消声效果大约在平均9 dB左右。

图7 有限元仿真计算云图

图8 新型消声器仿真计算插入损失声压级

4 实验室测试

4.1 测量方法和试验装置

将消声器通道比与接管尺寸相同的新型消声器和阵列式消声器进行实验室效果对比测试，如图9所示，为测试样品截面示意图，其中图9（a）与图9（b）的截面占比为25%，图9（c）与图9（d）的截面占比为30%。

图9 测试样品截面示意图

检测方法遵守GB/T4760－1995《声学消声器测量方法》中的规定[15]进行。实验室基本测量设备包括主管道、噪声源、低噪声气流源、接收室及测量仪器等，如图10所示。为实验室消声量测量系统示意图。

图10 实验室测量系统示意图

在实验室试验过程中，噪声源向主管道敷设的倍频程声压级应不低于90 dB，声压级保持稳定，随时间变化的范围应不大于±0.5 dB。由于测试实验室的接收室为半消声室，主管道出口平面应与刚性墙面对齐，使室内声场能严格满足半自由场条件，如图11所示。

图11 实验室消声器效果测试

4.2 试验结果及分析

在保证消声器截面占比相同的情况下，采用压力测量仪测试了阵列式消声器与新式消声器两端管路上等通径处在7 m/s、10 m/s、14 m/s工况下的压力损失。测试结果如图12所示。同样测试条件下，阵列式消声器与新式消声器的空气动力性能差距基本在5%以内。

图12 新型消声器与阵列式消声器空气动力性能对比

如图13所示。通过对截面占比为25%与30%的新型消声器的有限元仿真值与实测值对比可知，针对新型消声器建立的有限元仿真模型可较为准确地模拟出新型消声器消声效果的频谱特性，并对消声效果给出较准确的预测，预测准确率在85 %左右，基本可保证理论分析与实际工程设计的需要。在保证消声器截面占比与等效长度相同的情况下，测试条件相同的新型消声器相比传统阵列式消声器的各频率下消声效果均有所提升，平均提升2 dB～4 dB。

图13 新型消声器与阵列式消声器消声性能对比

5 结语

在城市轨道交通地下线路中，风亭是实现地下空间通风的重要环控设施。为减小风亭噪声对站厅及地面周边环境的噪声影响，风量大、噪声值高的排风机和活塞风机等风道内均会安装大型消声器。本文以城市轨道交通地下车站所使用的消声器为研究对象，通过现状调研、声学理论设计、模型计算、实验测试验证等技术手段，研究设计出一种新型消声器，得到主要研究结论如下：

(1)采用横截面长宽比a:b在1:2～1:3之间的矩形吸声体，以3～4个数目吸声体通过纵横向交叉布置形成一个消声模组，在不同吸声面方向上具有不同吸声材料厚度，既有利于拓宽消声器在中低频的消声效果，也有利于提高消声器的高频失效频率。

(2)建立的声学有限元仿真模型可较准确地模拟出新型消声器消声效果的频谱特性，并对消声效果给出较为准确的预测，预测准确率在85%左右，基本可保证理论分析与实际工程设计的需要。

(3)在保证消声器截面占比与有效长度均相同的情况下，阵列式消声器与新式消声器在7 m/s、10 m/s、14 m/s等实验室测试工况下，阵列式消声器与新式消声器的压力损失与阻力系数最大相差在5%左右，两者空气动力性能方面基本保持一致。

(4)在保证消声器消声单元截面占比与有效长度相同的情况下，新型消声器较传统的阵列式消声器的各频率下的消声效果均有不同程度提升，平均提升大约2 dB～4 dB，同时具有良好的稳定性，能较好地满足城市轨道交通地下车站工程的实际需要。