地铁隧道通风系统消声设计

杨礼桢



地铁隧道通风系统消声设计

杨礼桢

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

通过对隧道通风系统噪声源的分析，用不同的噪声评价标准对隧道风机的消声设计开展讨论，分析了噪声的衰减，并给出了某地铁车站的计算实例，同时对隧道通风系统设计中消声器的选用和布置原则进行了总结。

地铁车站；隧道通风系统；消声设计

0 引言

地铁通风系统消声设计是暖通专业的一个分支，也是环境工程中一个十分敏感问题。由于地铁车站一般位于城市繁华区域，若消声设计不当，会引起噪声扰民，特别是居民住宅，学校、医院等对噪声要求较高的区域，还会造成较恶劣的影响，因此必须在车站设计阶段重视消声设计。

目前，在设计过程中，车站的消声设计一般分为两个阶段，第一阶段为设计阶段，暖通工程师根据线路《工程技术要求》及工程经验，结合车站建筑特点选择布置消声设备。第二阶段为产品深化阶段，设备招标后，设备供货商对车站设置的消声设备进行深化或优化，由暖通工程师校核确认后实施。但部分暖通工程师对消声设计并未给予足够的重视，往往导致两个设计阶段出现较大的偏差，导致设计图纸的变更。另根据现阶段地铁运营反馈来看，风亭周边噪声超标主要是由隧道风机及列车噪声引起，因此本文仅围绕隧道通风系统消声设计展开。

1 隧道通风系统噪声源的分析

对隧道通风系统，噪声主要来自地铁列车和隧道风机。

1.1 地铁列车噪声分析

地铁列车运行是一种非稳态噪声，主要来源于列车运行时拖拽和推动隧道空气而产生的活塞风气流噪声。列车运行时因车轮不可避免的偏心，路轨不平整等原因引起的整车振动，振动又激发了结构或隧床等传播了固体声，因固体声随距离衰减相对缓慢，其激起的频率又在很低频域内，故其影响范围相对比空气声更为宽广。此外，还有制动悬挂连接件之间在运行中相互撞击产生的噪声；牵引系统设备运转所产生的噪声；列车空调器等设备的运转噪声等。

列车在进出车站时速度较低，低速运行时具有声级高，频带宽，传播距离远等特点，噪声成分主要分布在250Hz～2000Hz频域内。现场实测结果显示，当列车进站时站台的噪声峰值可达90 dB(A)左右[1]。

1.2 风机噪声分析

风机噪声主要来源于空气动力性噪声、机械噪声以及电动机噪声。其中空气动力噪声主要有旋转噪声和涡流噪声。当风机的叶轮在旋转时，叶片沿周向的气流速度和压力是不均匀的，从而在壳体上产生压力脉动，形成旋转噪声；叶轮在旋转时，使其周围形成涡流，由于空气的黏稠性，涡流又分解成一系列小涡流，扰动了周围的空气，因而又产生了涡流噪声。旋转噪声以中低频声为主；涡流噪声为连续性噪声谱，以中高频成份较突出[2]。隧道风机的噪声一般达90～110dB(A)。以武汉3号线某车站隧道风机（风量60m3/s，功率90kW，全压900Pa）为例，其八倍频带声功率级分布参数如表1。

表1 某隧道风机八倍频带声功率级

从上面分析可知，隧道风机的噪声声功率级一般都大于地铁列车进站和出站噪声峰值，因此地铁车站隧道通风系统消声主要是针对隧道风机来设计。

2 噪声评价标准

2.1 规范要求

《地铁设计规范》（GB 50157-2013）规定“风亭出口的噪声应符合现行国家标准《声环境质量标准》GB 3096的有关规定”[3]。

现行《声环境质量标准》（GB 3096-2008）将声环境功能区类别分为0、1、2、3、4（4a和4b），并对不同类别昼间夜间的噪声限值作了规定，在噪声限值标准中采用了A计权声级评价方法，但A声级较适合连续的稳态噪声评价，其不能反映被测噪声的具体频谱特性。

A声级是单一的数值，是噪声的所有成分的综合反映，如果我们要比较细致地评价各频程的噪声，就应该采用噪声评价曲线。NR曲线就是国际标准化组织（ISO）提出和推荐的，它是各国最常用的标准曲线[4]。NR曲线能够表示噪声级强度和频率两个主要因素。而噪声对环境的影响不仅与声级强度，而且与频率特性有关。NR曲线评价数的特点是强调了噪声的高频成分比低频成分更为烦扰人的特性。因此在地铁通风空调系统噪声控制设计中，还应采用NR曲线评价数作为达标依据。即计算时不但对A声级有要求，而且应对八个倍频带声压级也提出要求[5]。

2.2 NR噪声评价曲线

噪声评价数（Noise Rating Number，简写NR），是国际标准化组织（ISO）推荐的一组曲线，即NR噪声评价曲线，详见图1。

图1 NR噪声评价曲线

在其每一条曲线上，中心频率为1000Hz的倍频带声压级等于噪声评价数，其它63Hz-8000Hz倍频带的声压级和的关系也可由下式计算[6]：

式中，L为倍频带声压级；NR为对应的NR数；，为常数，与各频带中心频率的关系见表2。

噪声评价曲线是用声压级来表示，但一般风机频谱噪声是以声功率级来表示的，声压级与声功率级的换算关系式为[5]：

式中，L为声压级；L为声功率级；为根据风机安装位置及场地的修正数值，一般为5～7dB。

表2 不同中心频率的a和b取值

2.3 A声级与NR噪声评价曲线的关系

国内很多著作对A声级与NR噪声评价曲线的关系进行了描述，卢庆普、翁仪壁等通过验证分析，得出63～8000Hz倍频程频带宽度的A声级与数的关系可近似用下式表示[6]：

（1）当A声级小于或等于50dB（A）时：

（2）当A声级大于50dB（A）时：

式中，L为A声级；为NR数。

由式（1）、（3）、（4）可求出几个常用NR曲线评价数倍频声压级值及对应的A声级值，见表3。

表3 常用NR曲线评价数倍频声压级值及对应的A声级值

3 隧道风机噪声衰减分析

3.1 渐扩管的衰减

管道截面积的突然扩大或缩小处，可将部分声波反射回声源方向或产生声干涉，从而使声能衰减，噪声衰减量可由下式计算[7]：

式中，=2/1，2、1分别为变径后及变径前的管道截面积，m2；噪声衰减量对各个频率都相同。

地铁隧道风机前端和末端一般通过1.7～2.2m长渐扩管和消声器相连接，其扩张比通常为3～4倍，其降噪量在2dB左右。

3.2 矩形直管道的衰减

直管的自然衰减与管道断面周长、管段长度、管壁的吸声系数有关。对金属管道，当管内流速≤8m/s时，直管噪声衰减可忽略不计。隧道通风系统的风道为混凝土结构，虽然气流速较小（约3～4m/s），但四周的粗糙的挂浆壁面仍有一定的衰减量，根据工程实践经验，当频率低于250Hz，可按0.4～0.6dB/m估算；当频率在250～500Hz频段内，可按0.3～0.4dB/m估算；当频率大于1000Hz时，可按0.2～0.3dB/m估算[2]。

3.3 直角弯头的衰减

对于矩形或方形无吸声衬贴的弯头，当频率在低于250Hz的低频段内，可衰减5～7dB；当频率大于250Hz，则一般可衰减3～5dB[2]。

3.4 气流扩散至大气的声衰减

隧道通风系统风道出地面风亭时，因气流突然扩容至大气时，流速将随之下降，从而使噪声随之下降。当风口投影面积在12-20m2范围内，风井为低朝天开口井，可作为半自由声场扩散，通常可衰减2～3dB(A)，若为高风井则通常可衰减3～5dB(A)[2]。

3.5 风道内吸声贴面的声衰减

若需进一步提高消声量，可在风道道内壁四周，包括水平和垂直部分可贴吸声壁面，工程实践表明，用密度为32kg/m3，厚度为50mm的玻璃纤维棉板衬于壁面，面层复盖穿孔率为25％的金属穿孔薄板，当风道宽度在5m以下，高度在4.5m以下时，可按Δ＝1.2～1.5dB/m的估算，当风道宽度超过5m，高度仍为4.5m以下时，可按Δ＝1.0～1.2dB/m的估算[8]。

4 气流再生噪声分析

在通风空调系统中，气流通过直管道、弯头、三通、变径管、阀门等部件时，均会产生气流再生噪声，应分析管路各部件所产生的气流噪声是否会对系统产生影响，但在隧道通风系统中，气流速度较低，一般约3～4m/s，可忽略此影响。需要注意的是因消声器内风速较高，需校核消声器本身产生的气流噪声，如果气流速度过高，产生的再生噪声级大于入口噪声，这时消声器的消声量就变成负值，增加消声器的长度也无济于事。

消声器气流再生噪声可由以下经验公式计算得出[7]：

再=+60lg+10lg（6）

式中，为消声器通道内的流速，m/s；为消声器截面积，ｍ2；为与消声器结构形式有关的比Ａ声功率级，对于片式消声器，=-5～5dB(A)。

目前，地铁工程中隧道风机前后消声器设计片间流速一般≤12m/s，截面积10～12m2，由公式（6）可知其再生噪声约为66～76dB，小于入口处风机的噪声。因此，设计中应控制好消声器片间流速。

5 消声计算实例

以武汉地铁3号线某车站隧道风机消声计算为例，该站右线小里程端隧道风机布置剖面图如图2，活塞风井出地面为低风亭，室外为3类环境功能区，依据《声环境质量标准》（GB 3096-2008），夜间噪声不应超过55dB(A)[9]，计算流程及结果详见表4。

图2 某地铁车站隧道风机布置图

表4 某地铁车站隧道风机消声计算列表

续表4 某地铁车站隧道风机消声计算列表

Table 4 Calculation process in noise elimination design of tunnel fan in a subway station

6 消声器的选用及布置

6.1 消声器的选用

消声器从声学原理上分，可分为阻性、抗性、阻抗复合式、微穿孔式等；从内部结构形式上分，可分为直片式、折板式、管道式、弯头式、百叶式等；从与外部接口的形式上分，可分为金属外壳片式、结构片式、管道式。目前，隧道通风系统一采用的金属外壳片式或结构片式的阻性消声器，工程应用成熟，选用时主要遵循下列原则：

（1）按照计算的所需降噪值，确定所选用消声器的消声量“插入损失”，“插入损失”可按下式计算[2]：

式中，a为吸声材料正入射吸声系数；为消声器通道截面周边长，m；为消声器通道的截面积，m²；为消声器的有效长度，m。

（2）所选消声器的压力损失应符合管道系统所允许的压力损失，片式消声器压力损失值可用下式计算[7]：

式中：为消声器的阻力系数，片式≈0.6～0.8；为空气密度，近似为1.225kg/m³；为消声器内平均气流速度，m/s；为重力加速度，m/s²。

（3）消声器的气流再生噪声应与声源及消声性能相匹配，使消声器的消声量能充分发挥，当气流噪声级大于消声器入口声级时，此时消声器不仅不能消声，反而变成了一个噪声放大器。

（4）消声器的外形尺寸及其长度在满足消声要求的同时应与实际工程中可安装的尺寸相适应。

（5）所选用消声器的材质必须能满足防火，防潮，防尘，防腐蚀等工艺要求。

6.2 消声器的布置

消声器的布置遵循下列原则：

（1）消声器应尽可能设置在气流比较稳定的风道段。

（2）若要求消声较高，可以分段布置消声器而不宜集中布置或无限增加其消声段长度。

（3）当消声器的长度受限，难以达到消声要求时，可采用风道内部贴附吸声贴面、风井内增加防雨消声挂片、高风亭出风口采用消声百叶等辅助措施。

（4）对于安装在土建风道内水平安装的结构片式消声器，由于设备标高设计需考虑安装条件的限制、管线、电缆桥架及其它设施等，如果将消声片充满风道，在消声效果没有优化的情况下反面增加了工程的造价，造成了不必要的经济浪费，对存在的消声盲区，在设备安装后必须采取封堵措施。

根据工程实践经验，建议消声封堵方案如下：在消声器顶部可以装置轻质吸声隔声板并且在与管道相贯穿部分预留孔洞，在孔洞和接管之间嵌入弹性垫层材料。软质吸声隔声板可以用厚度80～100mm的夹芯彩钢板作基板，内满贴厚度50mm，密度32kg/m3的离心棉外覆玻璃布和厚度0.8mm的热镀锌穿孔板，面板穿孔率25%。

（5）为了消除“侧向传声”现象，应对机壳和变径管外壁作阻尼隔声包扎。原因如下：以风机前配3m长消声器为例，消声器的消声量大于35dB(A)，而在风机侧边的噪声因风机机壳及扩压管的隔声量仅为风机的噪声级减小25dB(A)，从风道传出至室外的噪声并非是消声后的声压级，消声器就不能充分发挥其消声量。

7 结语

本文从对隧道通风系统的噪声源进行了分析得出其最大噪声来自于隧道风机，提出噪声评价宜采用更全面的NR噪声评价曲线，并从噪声衰减、计算实例等各方面对地铁隧道通风系统的消声设计进行了梳理，对目前地铁工程设计中消声器选用及布置总结了一些实践经验，供工程设计参考。

[1] 刘英杰.地铁车站噪声测试与分析[J].铁道标准设计,2009,(8):110-114.

[2] 张贻建.地铁通风系统中的噪声控制[J].城市轨道交通研究,2009,(8):47-49.

[3] GB 50157-2013,地铁设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[4] 陈沛林,岳孝芳.空调与制冷技术手册[M].上海:同济大学出版社,1990:383-385.

[5] 贺利工.地铁车站风机消声设计[J].城市轨道交通研究,2005(3):31-34.

[6] 卢庆普,翁仪璧,熊文波,等.室内低频噪声评价探讨(一)——A声级与NR曲线的关系[C].2003全国环境声学电磁辐射环境学术会议论文集,2003:12-25.

[7] 陆耀庆.实用供热空调设计手册(上册)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008:1367-1369.

[8] 张贻建.地铁通风系统消声技术的探讨[J].噪声与振动控制,2009,(2):76-79.

[9] GB 3096-2008,声环境质量标准[S].北京:中国环境科学出版社,2008.

Noise Elimination Design for Tunnel Ventilation System in Subway Station

Yang Lizhen

( China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan, 430063 )

In this paper, based on the noise source analysis of Tunnel ventilation system, noise elimination design is discussed in different noise assessment. And Throughanalyzing of noise attenuation, a calculation example of noise elimination design is presented. The principle of selection and arrangement of silencer is also summarized in the design of Tunnel ventilation system.

Subway station; Tunnel ventilation system; Noise elimination design

1671-6612（2016）06-690-06

TU96

A

杨礼桢（1985-），男，硕士，工程师，E-mail：65781996@qq.com

2016-04-14