声学仿真

声学仿真

1、 环境声学模拟的意义

在对环境质量要求日益严格的今天，环境噪声已成为较为突出并急待解决的环境问题。针对环境噪声中的工业企业噪声、交通噪声，国家均制订了相应的标准进行控制，以保障居住及生活在这两类噪声源影响范围内的居民拥有较好的声环境质量。

对于大船甲板而言同样面临着噪声困扰，相比较传统降噪工程而言有着更加独特的意义，同样也是急需解决的问题。

为了有效的开展环境噪声控制及治理工作，需要将声源对环境的影响进行准确的预测。预测单独的点、线、面声源对接收点的影响较为简单，而针对大型综合体噪声，噪声预测工作很难通过人工计算得到准确的结果。近二十年来，越来越多的声学模拟预测软件应运而生，借助计算机的模拟和计算功能，已经越来越多的在科学研究与实际工程中得到应用，并取得了很好的效果。

2、 声学软件模拟的方法

声学软件模拟室外声场的方法，主要是基于几何声学的声线追踪法和镜像虚声源法。声线追踪法是把声源辐射的声能量抽象为数条声线，声线在空气中沿直线传播，遇到反射体后被反射或吸收，追踪到达接收点的每一条声线，计算出声线到达时的能量值，按照计算公式将所有声线的能量值进行叠加，从而计算出声源对接收点的贡献；镜像虚声源法是建立在镜面反射虚像的原理上，用几何法求得反射声传播范围的方法。

以上两种方法相结合，可以计算出噪声影响区域内任一点的噪声值，并通过软件绘图程序将整个接收区域的等声线分布图绘制出来，分布图的细致程度受时间和计算机性能的限制。以下以德国SoundPLAN软件为例进行介绍。

3、 SoundPLAN软件的特点及适用性分析

SoundPLAN是德国软件设计师和声学咨询专家在1986年研发的专业声学软件，已在各国声学预测分析行业获得广泛应用。其计算核心基于声线追踪法和镜像虚声源法，应用于噪声模拟预测领域主要有五大功能模块：数据库模块、声学模型模块、计算模块、工业专家系统模块和声屏障优化模块。

数据库模块包含噪声预测所需的全部声源数据、噪声标准数据、噪声治理措施数据等，使用时渗透进所有其他模块中；模型模块可建立三维模型，包括声源、普通建筑物、各类屏障、地形等计算噪声衰减时的必需要素；计算主要分为敏感点群和噪声分布图的计算两大类，利用工业专家系统模块采取的噪声控制措施可形成独立文件，合并到计算模块中进行计算；声屏障优化模块可在使用者预留的屏障位置处自动计算噪声达标需要的屏障高度。五大功能模块可以独立运行，也可同时应用于不同项目。其中专家系统模块是专门针对噪声控制工程开发的功能，能显示各个噪声源对接收点的贡献值，利用这项功能可以对声源进行噪声控制优先排序，依据声源对声环境的影响程度有针对性的采取噪声防治措施。对任一个声源采取适当的降噪措施后，所有接收点的噪声预测值将自动重新计算，继续采取噪声控制措施直到所有预测值均达到噪声标准要求，即形成完整的噪声控制方案。

另外，软件自带的噪声预测标准中包括ISO 9613-1:1993和ISO 9613-2:1996，我国已将这两个标准等效为国家标准，即GB/T17247.1-2000《声学  户外声传播衰减  第1部分：大气声吸收的计算方法》和GB/T17247.2-1998《声学  户外声传播衰减  第2部分：一般计算方法》。因此SoundPLAN进行室外噪声传播及衰减计算的过程是符合我国标准要求的，计算中考虑到大气声吸收、地形、障碍物、气候条件等对噪声衰减的影响。

4、 输入的设定条件及输出参数

SoundPLAN软件为声学模拟预测软件，需建立预测范围内各反射体的三维几何模型及抽象成点、线、面的各类声源及源强；在输入相应的区域环境条件、计算需求后，软件即可计算声场分布图及声源贡献值。

4.1 输入的设定条件

(1) 区域环境条件

需输入软件的自然因素包括：区域温度、相对湿度、大气压强、主导风向及风速、地形数据。

(2) 建（构）筑物几何模型

通过预测区域建（构）筑物平面布局图、建筑外立面图、地形图、围护结构参数建立三维几何模形。

(3) 声源模型

根据声源布置图、声源参数和外形尺寸，在建筑几何模型中建立声源模型，将实际声源简化为点、线、面源。除声源的几何模型外还需输入声源源强信息。

(4) 计算条件

计算条件的正确设置是进行高效计算的重要步骤，对室外噪声衰减计算而言，进行计算时需确定计算精度、网格大小、计算依据的标准等。

4.2 输出参数

(1) 室外等声线分布三维效果图（见图1）、截面图（见图2）、平面图、建筑外立面图等；

(2) 各噪声敏感点噪声预测值；

(3) 噪声源对敏感点的影响度排序，用于提出高效的噪声控制措施；

(4) 预测噪声控制措施的有效性，输出形式同（1）（2）

5、 SoundPLAN软件的使用方法简介

(1) 建立模型

输入区域环境条件后，建立预测区模型，包括建（构）筑物几何模型和声源模型，SoundPLAN软件可直接导入dxf格式文件，以此格式的区域平面布局图为底图，使用软件的模型模块建立建（构）筑物模型及声源模型。模型与现实情况的相符程度是决定预测结果准确度的主要因素。

(2) 计算声源对敏感点的贡献情况

在建好的三维模型中设置噪声敏感点，计算声源对各敏感点的声贡献情况。

(3) 提出噪声控制措施

使用专家系统模块打开敏感点预测结果文件，根据声源特性及声源对敏感点位置的贡献情况，采取控制措施。此时可直接输入噪声控制措施的插入损失，通过软件模拟采取措施后的计算结果，从而对措施进行修正和优化。

(4) 模拟降噪后的声分布情况

使用计算模块，导入模型数据、措施文件，计算出采用模拟降噪措施后的噪声分布情况，与模拟区域的环境噪声标准限值进行比较。若发现未达标区域，可重复前两项步骤，直到所有声敏感区域达到相应噪声标准要求，即完成软件模拟工作。

6、 
案例介绍

南京某燃煤电厂，一期工程包括两台75t/h循环流化床锅炉和一台12MW抽凝供热发电机组。对声源进行现场测量后，另选定27个厂界测点和23个居民区敏感点进行现状噪声监测。后将用SoundPLAN软件得出的模拟预测值与现状监测数据进行对比验证。见图3和图4。

图3厂界噪声实测值与预测值对照曲线图

图4 居民环境噪声实测值与预测值对照曲线图

 

预测值与实测值误差最大值为4.7dB(A)，最小值为零。其中误差小于3 dB(A)的测点占80%，小于2 dB(A)的测点占66%。模拟预测结果与实测情况比较吻合，误差的产生主要与声源声功率级测量、地形测量的准确度有关。