基于声源监测的厂界噪声预测及贡献分析方法研究

曾鹏亚，钟振茂，蒋伟康，严 莉

（1. 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240；2. 华电重工股份有限公司， 北京 100160）

0 引 言

噪声污染作为世界四大污染之一，已成为城市和工厂企业面临的重要问题。统计数据显示，2019年全国“12369环保举报联网管理平台”中涉及噪声的举报占比为38.1%，在各污染要素中排第二位；其中工业噪声投诉占比26.5%，仅次于建筑施工噪声的投诉数量[1]。长期暴露于高噪声环境下的工作人员，身心健康也会受到严重威胁。随着人们对环保和低噪声环境的追求，工业企业的环境噪声监测及治理已成为迫切需要解决的问题。

噪声监测是噪声预测和治理的前提和基础。现有噪声监测方法主要包括三类：第一类是在噪声敏感点布置长期或短期的监测点，监测特定区域噪声排放水平。王熙伟[2]在电厂周边布置36个监测点，分析电厂噪声超标情况；Gcrard等[3]在城镇附近工业区布置了4个长期噪声监测站，实时监测工业噪声排放水平。第二类是利用传声器阵列识别并监测声源。Tuna等[4-5]通过安装在车顶的传声器阵列实现对城市道路噪声源的监测；Cocnscl等[6-7]将直径50 m的40通道传声器阵列布设在港口附近的工业区域进行长期监测，基于阵列波束形成方法实现对工业噪声源的定位和声功率估计。第三类是噪声地图技术。噪声地图最早由欧盟国家提出[8]，广泛应用于城市环境噪声监测。Raphaël等[9]利用布设在巴黎城市街道旁边的 MEMS传声器对道路交通噪声源进行监测、识别和成像；Vcntura等[10]基于手机录音和时间平均方法来绘制社区的噪声地图。噪声地图技术是对噪声预测模型的相关参数进行监测，通过长期监测来获取区域道路交通、人口密度等数据，以此为噪声预测模型输入条件计算区域整体噪声水平。

目前环境噪声监测方法仍存在不足：（1） 在噪声敏感点布置监测点的传统方法只能获取监测点处的噪声大小，无法得到声源信息和声源变化对敏感点噪声的影响；（2） 传声器阵列的监测方法对中低频噪声源的识别分辨率较低，且对阵列形式要求较高，户外长期监测的使用维护成本高。

针对上述噪声监测方法研究存在的不足，本文提出一种基于声强测量的噪声源监测方法，对电厂主要噪声设备厂房的辐射声强进行实时监测，建立电厂环境噪声预测模型，可准确预测厂界及其他任意点处的噪声，并可以分析设备噪声对厂界噪声排放的贡献和影响，为电厂噪声治理提供决策建议。

1 基于声强测量的声源监测方法

电厂主要设备噪声源为中低频噪声，本文通过在电厂设备厂房附近布置声强测点，采用p-p双传声器声强探头测量计算并获得各设备厂房的辐射声强，为电厂环境噪声预测提供源强数据。

1.1 测点布设原则

根据标准《GB/T 16404-1996声学 声强法测定噪声源的声功率级 第1部分：离散点上的测量》[11]，利用声强探头测量被测声源面的法向声强矢量时，测点与被测声源表面的距离应大于 0.5 m。本文对电厂主要设备噪声源的厂房表面辐射声强进行测量，为尽可能降低被测声源表面周围设备的反射声引起的误差，且测点位置能反映被测声源面的平均辐射声强，选择将测点布置在声源表面几何中心，距离声源面1 m位置。电厂主要噪声源包括发电机主厂房高、中、低跨、余热锅炉、变压器、燃机进口，调压站，循环水泵房等，声强测点包括SI#1～SI#11。此外，为评价电厂噪声排放是否符合标准，在主厂房东侧沿厂界布置 3个测点 SP1～SP3，测试并计算厂界测点的A声压级。噪声源分布及测点示意如图1所示。

图1 电厂主要噪声源及测点分布Fig.1 Distribution of main noise sources and measuring points in power plant

对于大多数辐射声强较均匀的被测声源面，如主厂房高、中、低跨、调压站、循环水泵房等，表面各点声辐射大小基本相等。因此将测点布设在声源面几何中心及其附近，并取多个测点的结果平均值作为该面声源的源强。对于不同区域的声强辐射特性差异较大的被测声源面，如余热锅炉不同平层的声辐射强度差别较大，在余热锅炉不同平层布置测点，分别测试并计算辐射声强。各测点位置如表1所示。

表1 声强及厂界声压测点位置Table 1 Positions of sound intensity and sound pressure measuring points

1.2 声强计算原理

声强是指通过垂直于传播方向的单位面积上的平均声能量流密度，可由单位时间、单位面积的声波向传播方向毗邻媒质所做的功来表示[12]：

其中：p和v分别表示平均声压和声辐射方向的速度。在空间一点同时测量平均声压和质点振速，将两者相乘并取时间平均即可得到声强。p-p声强探头则采用这一原理，如图2所示。

图2 p-p声强探头测量原理Fig.2 Measurement principle of p-p sound intensity probe

当两传声器的距离d小于被测声波最高频率分量的波长时，可以用平均声压和差分格式分别替代式（1）中的声压p和质点振速v[12]：

其中：p1和p2分别为两传声器测得的声压；ρ为空气密度常数；*代表取共轭复数。本文采用式（2）计算各测点的声强。

用差分代替微分计算质点速度需要注意频率限制问题。对于上限频率，要求两传声器间距d远小于最高分析频率的声波波长λ。声波频率太高会导致差分代替微分的误差加大。一般要求：

对于下限频率，主要考虑相位匹配。声波通过间距为d的两个传声器时，相位改变量：

在低频段，频率越小，相位改变量也越小，适当增加距离d可增加相位改变量，声强测量的结果也更加精确。

综上所述，结合本项目电厂主要噪声源为中低频噪声，分析中心频带范围为 31.5～2 000 Hz，因此最终确定实验时两传声器间距d=0 .03 m。此外，由于制造等方面的差异，两传声器通道之间存在微小相位差，源强测量前应对两传声器进行相位校正。将进行相位校正的两传声器并列固定在间距为0.03 m的隔离柱后，安装在高度可伸缩改变的支架上，如图3所示。

图3 p-p声强探头及安装支架Fig.3 p-p sound intensity probe and mounting bracket

将制作好的声强探头按照上述测点布设原则和位置布设在电厂主要设备噪声源附近，通过两传声器声压数据和式（2）计算得到声强。由于本文采用p-p双传声器声强探头测量厂房面声源声强，通过测试计算得到的是面声源外法线方向（即声辐射传播方向）的声强，因此可以忽略被测声源面附近其他声源的影响。考虑电厂主要噪声源为2 000 Hz以下中低频噪声，结合《环境影响评价技术导则 声环境》（HJ 2.1-2009）[13]，本文计算各噪声源在频段范围31.5～2 000 Hz共有7个倍频带的A声强级，噪声源声强测试结果如表2所示，并以此作为噪声预测模型的源强输入条件。

表2 在不同位置的主要噪声源倍频程A声强级Table 2 Octave A-weighted sound intensity levels of the main sound sources at different places

2 电厂环境噪声预测

本文采用 CadnaA软件建立电厂噪声预测模型。CadnaA是德国开发的一套环境噪声评价软件，广泛应用于道路交通、机场、建筑工地和工业、企业等的噪声预测。其工业噪声模块计算采用ISO9613-2 Acoustics-Attcnuation of sound during propagation outdoors[14]标准，与我国的标准GB/T 17247.2-1998-T声学户外声传播的衰减 第2部分一般计算方法[15]基本一致。CadnaA软件的一般建模流程包括：建立工业建筑模型、基本参数设置、建立声源模型并输入源强数据，计算结果并进行输出分析。

2.1 电厂噪声预测模型

将电厂建筑平面模型导入CadnaA软件中，建立电厂主要建筑3D模型，如图4所示。

图4 电厂主要厂房建筑3D模型Fig.4 Three dimensinal model of main workshops of power plant

由于电厂地形环境较平坦，不考虑地形的影响。从声源传播至接收点处的过程中，需要考虑几何发散、大气吸收、地面反射以及屏障等引起的衰减，因此需要根据电厂实际情况进行基本参数设置。为准确模拟计算电厂主要噪声源的声辐射，本文根据CadnaA软件工业噪声模块对工业声源的处理，在厂房外表面0.05 m处建立垂直面声源和水平面声源模型，分别模拟厂房四周垂直立面和屋顶水平面的声辐射。主厂房、变压器、余热锅炉以及烟囱等主要声源模型如图5所示。其中蓝色表面即表示各面声源模型。循环水泵房和调压站声源模型的建立与之类似，不再赘述。为保证声源模型尽可能符合实际，对于厂房不同高度辐射噪声相差较大的噪声源，如余热锅炉，需建立不同高度的垂直面声源分别模拟不同高度的余热锅炉平台的辐射噪声。

图5 电厂主要噪声源分布模型Fig.5 Distribution model of main noise sources in power plant

2.2 厂界噪声预测结果

以包含厂界在内的区域作为计算区域，分别以网格点和单接收点两种方式进行计算。首先以网格点计算方式计算电厂整体环境噪声，网格节点为3 m×3 m，可得到计算区域内的等声级线，如图6所示。

图6 电厂环境噪声等声级云图Fig.6 Iso-sound pressure level nephogram of environmental noise in power plant

由于运行状态下的设备噪声源主要分布在东侧厂界附近，东侧厂界噪声排放严重，所以对厂界预测点处的噪声进行进一步计算和分析。

东侧厂界噪声预测点共3个：正对中跨的东侧厂界测点 SP1，正对燃机进口的东侧厂界测点 SP2以及正对余热锅炉的东侧厂界测点SP3。以单接收点方式进行计算，得到厂界预测点处各倍频带声压级和总A声级。预测结果与厂界噪声实验数据对比，参考声压取2×10-5Pa，结果如图7～9所示。

图7 东侧厂界SP1测点A声压级Fig.7 A-weighted sound pressure level at the measuring point SP1

图8 东侧厂界SP2测点A声压级Fig.8 A-weighted sound pressure level at the measuring point SP2

图9 东侧厂界SP3测点A声压级Fig.9 A-weighted sound pressure level at the measuring point SP3

厂界测点的实验测试是在气象条件良好且厂房设备稳定运行情况下进行的，厂界噪声实测时间为30 s，并以此计算厂界昼间等效声级。对比厂界噪声预测结果与实验结果可以看出，3个厂界测点的CadnaA预测值误差很小，各倍频带A声级平均误差不超过 1.6 dB（A），总 A 声级最大误差仅有0.9 dB（A），与实验结果基本吻合。由此可验证基于声强测量的声源监测方法的数据可靠性以及预测模型的正确性。

3 声源对厂界噪声的贡献和影响

根据厂址地理位置和周边环境，本文电厂的厂址区域境噪声执行GB3096-2008：声环境质量标准[16]中的2类标准，厂界噪声均执行GB12348-2008：工业企业厂界环境噪声排放标准[17]中的2类标准，即保证机组投运后，厂界噪声排放限值昼间≤60 dB（A）、夜间≤50 dB（A）。由上述计算结果可知，厂界测点SP2和SP3不满足排放标准。计算分析各主要噪声源对测点SP2和SP3 A声级的贡献，如表3所示。

表3 电厂主要噪声源对东侧厂界测点A声级贡献Table 3 Contribution of the main noise sources of power plant to the A-weighted sound pressure levels at the measurement points on the east side of plant boundary

对东侧厂界测点SP2而言，声源A声级贡献权重最大的是燃机进口，占比25.8%，其次是低跨厂房和前置模块；对东侧厂界测点SP3而言，声源A声级贡献权重最大的是前置模块，占比33.9%，其次是高跨厂房和余热锅炉进气段。

为使厂界噪声的排放符合标准，应着重考虑对声源贡献权重较大的声源进行降噪设计。因此，可考虑为燃机进口和前置模块等区域设计添加声屏障或隔声罩等。根据燃机进口和前置模块区域声源模型，在声源东侧布置声屏障，如图10所示。

图10 布置声屏障后的声源模型Fig.10 Source models after installing sound barrier

为噪声排放贡献较大的声源区域设计布置声屏障后，重新计算东侧厂界测点SP2和SP3的声压级，计算结果如图11和图12所示。

图11 东侧厂界SP2测点降噪前后A声级Fig.11 A-weighted sound pressure level before and after noise reduction at the measuring SP2 point

图12 东侧厂界SP3测点降噪前后A声级Fig.12 A-weighted sound pressure level before and after noise reduction at the measuring SP3 point

添加声屏障后厂界测点SP2和SP3的各倍频带噪声A声级均有所降低，总A声压级分别降低为56.0 dB（A）和 56.1 dB（A），符合噪声排放标准。

4 结 论

在电厂主要设备噪声源附近布设声强测点可准确测量声源辐射声强，以面声源模拟声源的噪声预测模型可准确预测电厂环境噪声，厂界测点的噪声预测值和实验值一致性良好，总声压级最大误差仅为0.9 dB（A）。该声源监测方法和噪声预测模型可准确预测电厂环境噪声。通过该模型计算分析电厂主要噪声设备对厂界预测点处噪声的贡献权重占比，为导致厂界噪声超标贡献最大的声源添加声屏障降噪措施，可有效改善电厂的环境噪声，为电厂噪声治理提供依据。