基于Cadna/A的校园声环境模拟计算及分析

林明庆，刘春元，王志浩，刘东旭

（上海应用技术大学 城市建设与安全工程学院, 上海 201418）

近几年，高校的噪声问题[1-4]越来越严重，因此，有必要对校园内的声环境进行监测和分析。现有的测量手段大都是利用测量手段对噪音进行监控与抑制，试验费用高、运行繁琐、耗时较久，而数值仿真技术具有较高的投资价值，且能够在一定的环境中迅速获得试验效果。本文采用数值模拟和实测相结合的方法，利用声学软件Cadna/A对校园内各区域声环境进行了模拟分析，提出了污染严重区域的优化方案。

1 研究方法

1.1 Cadna/A噪声预测软件介绍

Cadna/A是一款基于ISO9613-2-1996《户外声传播衰减的计算方法》，采用Windows平台进行噪声模拟与控制的软件。Cadna/A有很好的仿真运算能力，可以通过对多个声源和预测点的布置，预测各种噪声源的复合效应。噪声源的辐射声压级及计算结果通常用A计权值表示，或用不同频段的声压值表示，其中任意形状的建筑群、绿化带、地形都可以考虑为声屏障[5-7]。该软件通过调整参数改变模拟精度，从而对噪声控制的设计效果进行分析。从声源定义、参数设置、模拟计算、结果表达及评价等方面构成一套完整的系统。其三维彩色图像输出使得预报更加直观[8]。

1.2 研究对象

本文以上海应用技术大学为研究对象[9]，对教学楼、寝室区域、道路以及食堂区域设置监测点（见表1）。其中寝室、道路区域研究对象靠近城市主干路，受道路噪声影响较大，作为受道路噪声影响的声环境敏感点，具有较强的代表性。

表1 监测点及噪声来源Tab. 1 Monitoring points and noise sources

1.3 噪声监测仪器和监测方法

为校核Cadna/A软件模拟精度，应获取反映现场实际声环境的测量值，因此本文开展了环境噪声监测。现场监测仪器为HS6288B型噪声频谱分析仪[10-12]，监测因子为Leq、L10、L50、L90、Ld、Ln，监测频率为连续24 h监测，监测时间：宿舍监测时段为7:40～8:45、22:20～23:25；第一、二教学楼监测时段为8:55～10:45和13:00～14:15；食堂监测时间段为11:45～12:50和17:50～18:15。噪声试验时，记录车辆的流量、车型比等。同时，在受试者的4个方向上，按反时针的方式设置了测点a、b、c、d，设置点的高度1.7 m，作为人体的听觉定位。

2 研究对象3D建模和数学模型

2.1 模型建立

根据研究对象区域实际地形及建筑物尺寸等参数，建立其3D模型。模型如图1～4所示。模型严格按照建筑及规划图纸在CAD中建立，通过Cadna/A软件与CAD接口模块对接，实验模型导入。

图1 教学楼区域Fig. 1 The area of the first and second teaching buildings

图1所示教学楼区域建筑由左至右依次为一教、二教、三教。主要噪声源为教学楼内的扩音器、下课铃声、说话声、建筑物四周主干道和辅路车辆行驶时产生的噪声。

图2 所示寝室楼区域由左至右依次是24、25号寝室楼。噪声主要来自寝室楼内各寝室学生的生活噪声、喧闹声及寝室周边道路噪声。

图2 24号寝室楼区域Fig. 2 The area of the dormitory building No.24

如图3所示，图3（a）为食堂区域模型图，左侧为9号宿舍楼和8号宿舍楼，右侧为一食堂。图3(b)为二食堂区域模型图，由左至右分别为大学生活动中心、二食堂。食堂的噪声主要来自用餐人员的说话声、员工工作用具碰撞、空调设备运行噪音等。室外噪声主要为设备噪声、道路噪声、寝室噪声、活动中心建筑噪声。食堂外部设备主要包括消防排烟风机、空调通用风机、空调室外机等设备。

图3 食堂区域模型图Fig. 3 Canteen area model diagram

如图4所示，测量点偏重于校园内主干道，主要受校内噪声源和校外噪声源的影响。校内噪声主要来自4栋宿舍楼的生活噪声和嘈杂声。校外噪声主要来自校园外侧奉柘公路上车辆的喇叭声和刹车摩擦声。

图4 13号楼与学校外围主干道之间的辅路区域Fig. 4 Building 13 and the main road outside the school side road area

2.2 理论基础

Cadna/A软件计算依据ISO 9613-2:1996《户外声传播衰减的计算方法》国际标准，我国GB/T 17247.2-1998《声学户外声传播的衰减第2部分：一般计算方法》等效采用了国际标准化组织规定的ISO 9613-2：1996标准。该软件理论基础于GB/17247.2-1998《环境影响评价导则-声环境》，要求一致。在它的编程过程中，还包括下列计算步骤：

（1） 计算预测点昼夜等效声级

（2） 计算点声源、线声源和面声源的等效声功率级

点声源：

线声源：

面声源：

式中：Lw为等效声功率；Lp为等效声压级；Lwpt为1个移动点声源的声功率级；r为点声源与接收点之间的距离；n为声传播发散球面积的百分比；Q为每小时的流量；l为线声源长度；S为面声源面积；为线声源每单位长度等效声功率级；为面声源每 单位长度等效声功率级。

2.3 主要软件参数

经实地勘察、现场监测及工程初步设计等资料获得主要参数，见表2～5。

表3 研究对象主要参数Tab. 3 Main parameters of the object of study

表4 排风机设备主要参数Tab. 4 Main parameters of canteen equipment

表5 空调设备主要参数Tab. 5 Main parameters of air-conditioning equipment

3 校园噪声预测与分析

3.1 研究对象噪声分析

教学楼区域：图5所示为第一、二教学楼昼间区域内等声级线图，表6所示为第一、二教学楼噪声测点结果表。表7为声环境质量标准值。

图5 第一、二教学楼昼间区域内等声级线图Fig. 5 Contour diagram of sound level in the daytime area of the first and second teaching buildings

表6 第一、二教学楼噪声测点结果表Tab. 6 Results of noise measurement points in the first and second teaching buildings

表7 声环境质量标准值Tab. 7 Standard values of acoustic environment qualitydB

由图5可见，噪声源分布在教学楼周围，以教学楼为中心的声级线呈辐射状扩散，噪声对教学楼外主干道交汇处的噪声影响最大，达到50.3 dB。由此可以看出，教学楼附近的声场主要受周边道路和教室内部声源的影响。

由表6可知，昼间测量期二教3楼的噪声最大值为46.4 dB，平均值为45.4 dB。一教1楼昼间噪声最大值和平均值分别为48.7 dB和47.3 dB。根据表7《声环境质量标准》（GB 3096-2008)的标准值可知，校园内的教学区和生活区执行二类标准，其昼间噪声应该在55 dB以下。因此教学楼区域的声环境达到相应功能区标准要求。

寝室楼区域：图6、表8分别为24号寝室楼测试区间等声级线图和噪声测点结果。

图6 24号寝室楼测试区间等声级线图Fig. 6 Isochronous sound level line diagram of the test interval of No.24 dormitory building

表8 24号寝室楼噪声测点结果Tab. 8 Results of noise measurement points in dormitory building No.24

根据图6可知，噪声源主要分布位于校园外侧主干道，并且以道路主干道为中心点，等声级线呈现向下发射式扩散，其中主干道路处为噪声影响最大点。昼间噪声值达到了75.6 dB。夜间噪声值为63.7 dB。

由表8可见，昼间寝室处的4向测点a、b、c、d分别为61.5、41.3、56.7和63.7 dB。夜间寝室处的4向测点a、b、c、d分别为51.5、31、46.7和53.7 dB。昼夜噪声值存在10 dB的差值。由此可知a、c、d3点噪声值超过《声环境质量标准》（GB 3096-2008)的二类昼夜标准值。（昼间55 dB，夜间45 dB）。其中a、d2点受噪声影响最为严重。可能是因为受到校园外侧主路道车辆喇叭声、寝室内部学生打闹声以及空调室外机叠加噪声影响所致。而噪声点b因为位于建筑物背面，远离噪声源且通过建筑隔声降噪，因此其受到噪声影响最低，在噪声标准值范围内。

道路区域：图7和表9分别为13号楼至学校周边主干道辅道测试区间等声级线图、外围主干道之间的辅路区域噪声测点结果。

图7 13号楼至学校周边主干道辅道测试区间等声级线图Fig. 7 Isochronous sound level line between building 13 and the test interval of the main road auxiliary road around the school

表9 13号楼与学校外围主干道之间的辅路区域噪声测点结果Tab. 9 Results of noise measurement points in the auxiliary road area between building 13 and the main road outside the school

由图7可见，噪声源主要分布在校园外的主干道上，校外道路的噪声要比校内辅路大得多，主要是因为校外主路的车流量很大，而且道路两侧也没有安装隔音设备，校内辅路两侧种满了绿植和树木，起到了一定的降噪作用。

由表9可见，在13号教学楼和学校外围主干道之间的辅路区域内设置有4个监测点，昼间道路区域内平行4个测点a、b、c、d分别为65.1、65.8、66.2、65.8 dB。夜间道路区域平行4点测点a、b、c、d划分为别54.7、55.4、55.9、55.5 dB。道路噪声值均超标，主要是由于周边主干道交通流量大、车辆鸣笛声、刹车时轮胎与地面摩擦产生的摩擦声、校内行人的说话声等。

食堂区域：图8所示为食堂区域测试区间等声级线图，表10、11分别为一、二食堂噪声测点结果。

表11 二食堂楼噪声测点结果Tab. 11 Results of noise measurement points in the second canteen building

由图8可见，噪声源的主要分布在餐厅周围。这些噪声包括排风机噪声、厨房设备噪声、食用区空调噪声、人群交谈声。一食堂的噪声分布呈椭圆状向上蔓延，沿上边道路延伸，二食堂的噪声则以自己为中心，呈环形扩散。它会对下面的学生活动中心造成噪声的影响。

从表10和11可见，在食堂区内，有4个测量点是测点a、b、c、d，其中一食堂的白昼噪声平均为63.9、63.8、63.5、63.8 dB。二食堂4个测试点的分值分别是66.2、66.7、66.2、66.6 dB。各餐厅的噪声值都超过标准，最高超过11.2 dB(A)，主要是由于餐厅和周围人群密集，加上排风机噪声、厨房设备噪声、饮食区空调噪声等因素的叠加干扰，造成了这一时段的噪声值远远高于标准规定。

3.2 可行性分析

由表12可见，本研究对象模型模拟值与实际监测值之间的误差在0～1.3 dB（A）范围内，模拟结果精度＞96.7%，误差均在可接受范围内。从而说明了采用模拟预测方法对校园噪声分布进行分析是可行的。

4 降噪方案探析

4.1 校园交通噪声控制措施

（1） 绿化道路。树木和花草能吸收和散射声音，试验表明，40 m宽的树木能降低噪音10～15 dB，10 m宽的松林能降低3 dB，还能改善空气质量，减轻驾驶疲劳。

（2） 设置声屏障可以有效隔声降噪，减少道路噪声对校园区域的影响。

（3） 在学校周围设立不能鸣喇叭的警示牌，在特殊路段实行单向交通管制。

4.2 食堂声环境改善措施

（1） 风机噪声治理。噪声治理控制风机噪声的常用方法是在风机的进、出口处设置阻性消声器、可有效消除气流噪声。也可采用吸声材料，可在铁皮烟道外部包扎吸声材料，并用镀锌彩钢板作保护层，以减轻固体传声通过烟道向外界的辐射。

（2） 厨房噪声治理。定期对厨房设备及通风设备进行定期检查维护，有利于降低设备老化引起的机械噪声。在送菜口通道出口处应设置一道门，送菜通道应尽量采用迂回形式。

（3） 食用区噪声治理。采用装饰性吸音板贴墙或吊顶，将多孔材料与穿孔板或膜状材料组合安装在墙面上，甚至采用浮云悬挂，均能改善室内音质，抑制噪声。

4.3 寝室声环境治理措施

（1） 室外空调机隔声罩。现在寝室室外机布置在阳台内侧，不仅影响散热，而且噪声分布也会影响到寝室内部的休息区域。因此，采用隔声罩将空调室外机固定在阳台外侧，既能降低设备噪声，又能改变室外机布置位置，调整室外机流场布局。

（2） 隔音窗的布置。采用隔声门窗可有效降低室外机对室内声场环境的影响，节能环保，价格合理。

5 结语

根据预测结果和实测数据对比，发现校园噪声主要集中在寝室、食堂、道路等区域，其中宿舍区和道路区受校外主干道噪声影响较大，教学楼区噪声达标。

采用数值模拟研究方法控制和治理校园噪声的方法是可行的，并且相对于实测方法来说具有省时、省力的优点，将数值模拟与实测相结合的方式研究可以为后续的噪声研究提供了方法参考。