水泥基复合吸声材料对隧道内噪音吸收效果的数值模拟研究

摘要

随着交通运输、工业生产和城市建筑的发展，噪声污染已被人类社会认识为一大公害，尤其是与社会休戚相关的交通噪声，是对人类生活环境污染最严重的一种噪声公害。特别是在我国隧道噪声处置还处于起步阶段的当下，进行交通隧道降噪相关研究是居民对于减少噪声污染的迫切需要。当前，新型降噪材料与声学结构设计相结合，是提高吸声材料的吸声性能的主要发展趋势。　　对隧道进行壁饰吸声处理以降低隧道内噪声水平，必须兼考虑材料吸声能力和环境耐受能力，故选用刚性骨架的无机降噪材料——水泥基复合吸声材料为研究对象。　　通过对隧道内噪声污染情况进行探讨，寻找隧道内交通噪声产生的各因素贡献大小。并通过分析影响隧道内噪声污染大小的因素，说明了隧道内壁饰吸声处置对消声降噪的重要作用。　　本文对比了数种常见的适用于多孔材料的声学模型及其特征参数;阐述了各声学特征参数的试验测试方法及理论估算方法;并找出最吻合本文所讨论的水泥基混凝土复合吸声材料的刚性多孔材料声学模型——John-Allard模型和Johnson-Lafarge模型。　　基于有限元软件COMSOLMultiphysics，建立隧道声学有限元模型。将水泥基复合吸声材料模拟布置在隧道壁，并通过仿真演算，得到该材料对隧道模型噪声情况的影响。仿真计算结果表明，布置水泥基复合吸声材料对隧道降噪确有良性影响。　　选取多种建筑吸声材料，对设置不同壁饰材料的隧道模型进行降噪仿真模拟及（通过A计权声级、相对降噪量）对比分析，发现水泥基复合吸声材料在500Hz和1000Hz处的隧道模拟降噪能力较好。　　通过对吸声材料布置的面积及位置进行仿真模拟，发现考虑经济性的情况下，4/5面积加装水泥基复合吸声材料较全壁面加装更佳;在加装水泥基复合吸声材料面积有限的情况下，考虑壁面中部加装材料的降噪效果较好。　　通过数字平台，模拟驻波管试验，对水泥基复合吸声材料进行仿真模拟试验。进行了水泥基复合吸声材料孔结构与声学结构研究。发现进行孔结构改良，对于材料同频率下的吸声能力提升较大，但难于拓宽吸声频带;而进行声学结构改良，可以拓宽材料吸声频带，同时也能提高材料吸声系数。创建精细化隧道截面平面模型，对水泥基复合吸声材料的不同结构方案进行隧道仿真模拟研究与验证，并发现棱面结构、多层结构及空腔结构耦合设计能在隧道模型仿真降噪模拟中取得最佳降噪效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 噪声预测研究进展

1．2．2 水泥基复合吸声材料研究进展

1．3 本文主要研究内容

第二章 道路隧道噪声理论

2．1 道路隧道交通噪声模式

2．1．1 环境噪声标准

2．1．2 隧道内噪声特性

2．1．3 隧道噪声污染状况

2．2 公路隧道交通噪声的来源及影响因素分析

2．2．1 汽车本身噪声

2．2．2 路面影响

2．2．3 交通量的影响

2．2．4 隧道内壁饰吸声作用的影响

2．3 公路隧道交通噪声预测模型

2．4 本章小结

第三章 隧道壁饰水泥基吸声层声学模型及特征参数

3．1 水泥基吸声材料的理论声学模型

3．1．1 水泥基多孔材料的基本特征

3．1．2 声学干扰基本方程

3．1．3 水泥基多孔材料特征参数

3．1．4 常见多孔材料声学模型

3．2 声学参数测量方法

3．2．1 流阻

3．2．2 孔隙率

3．2．3 曲折系数

3．2．4 特征长度及热渗透性

3．3 材料声学参数估算方法

3．3．1 常用算法简介

3．3．2 水泥基混凝土吸声材料的参数估计范围

3．4 本章小结

第四章 道路隧道水泥基复合吸声材料降噪特性数值模拟研究

4．1 COMSOL Multiphysics简介

4．2 道路隧道有限元建模

4．2．1 声学有限元计算方法

4．2．2 模型建立流程

4．2．3 边界条件

4．2．4 声源的选取

4．3 水泥基复合吸声材料对隧道噪声场的影响规律仿真模拟研究

4．3．1 水泥基复合吸声材料对隧道声压级云图的影响分析

4．3．2 水泥基复合吸声材料模拟吸声处理前后隧道纵向位置的噪声变化

4．3．3 水泥基复合吸声材料模拟吸声处理前后隧道不同高度的噪声变化

4．4 不同吸声材料对隧道降噪效果的数值模拟对比

4．4．1 不同材料对隧道模拟降噪的平均声压级的对比分析

4．4．2 不同材料对隧道模拟降噪的平均A计权声级的对比分析

4．5 隧道内壁饰吸声材料面积及布置位置对隧道降噪性能的影响

4．5．1 吸声材料布置面积的影响

4．5．2 吸声材料布置位置的影响

4．6 本章小结

第五章 基于仿真试验的隧道壁饰水泥基吸声材料的结构优化设计

5．1 模型的建立

5．2 孔结构参数对水泥基复合吸声材料的声学性能影响研究

5．2．1 孔隙率

5．2．2 曲折系数

5．2．3 流阻

5．3 水泥基复合吸声材料的声学结构优化设计

5．3．1 声学结构设计方法

5．3．2 表面棱纹及背衬空腔仿生耦合声学结构设计

5．3．3 背衬空腔厚度及表面棱纹高度对材料吸声性能的影响

5．3．4 多层仿生吸声结构设计

5．3．5 多层结构中空气夹层厚度的影响

5．4 不同声学结构的水泥基吸声材料对隧道降噪效果的仿真对比

5．4．1 精细化平面隧道模型的构建

5．4．2 声压级对比分析

5．4．3 A计权声级对比分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 本文主要创新点

6．3 进一步研究的问题

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果