聲屏障實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

聲屏障實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

0城市軌道交通噪聲環(huán)境現(xiàn)狀隨著城市規(guī)模的迅速擴張和城市規(guī)劃的不斷發(fā)展，城市環(huán)境已成為城市環(huán)境的主要污染因素之一?，F(xiàn)代城市主要噪聲污染源包括交通噪聲、工業(yè)噪聲、建筑施工噪聲和社會生活噪聲,但就其噪聲影響范圍和影響程度來說,交通噪聲是現(xiàn)代大城市最主要噪聲源。根據(jù)國家公布的數(shù)據(jù)表明,近年來城市區(qū)域聲環(huán)境約有49%的屬中度污染、30%的屬輕度污染、10%的質(zhì)量較好;道路交通噪聲中約有17%的城市屬中度污染、49%的城市屬輕度污染、25%的聲環(huán)境質(zhì)量較好。其中城市道路交通噪聲約占城市區(qū)域環(huán)境噪聲的80%以上。加強城市交通噪聲防治工作是當前一項緊迫而艱巨的任務(wù)。交通噪聲防治主要采取聲屏障的方法來降低噪聲污染的程度,當前對日益增多聲屏障的監(jiān)控和維護任務(wù)日趨艱巨,因此對聲屏障的實時遠程監(jiān)控顯得尤為重要,本文設(shè)計了一套實時監(jiān)測系統(tǒng),可實現(xiàn)對聲屏障風壓、位移的遠程監(jiān)測,監(jiān)測人員可以在任何有互聯(lián)網(wǎng)的地點實時監(jiān)測聲屏障工作的安全狀況。1噪聲產(chǎn)生和傳播規(guī)律1.1噪聲產(chǎn)生的地方1有縫鋼軌的噪聲軌道噪聲輻射表現(xiàn)為3種形式:第一是列車行駛于彎道或輪軌硬彎處,由于切削和摩擦發(fā)出的嘯叫聲;第二是輪軌經(jīng)鋼軌接頭處的撞擊聲,這種噪聲隨著長軌的使用將有所減少,有縫鋼軌比無縫鋼軌噪聲要高5dB(A)左右;第三是車輪與鋼軌接觸之間不平所產(chǎn)生的“轟鳴聲”。輪軌噪聲被視為列車運行穩(wěn)態(tài)輻射噪聲。當車速高于50km/h時,以輪軌系統(tǒng)噪聲為主。在平坦道路行駛,當行駛速度80km/h時,距離軌道10m處的噪聲為80～90dB(A);當行駛速度為120km/h時,10m處的噪聲為85～95dB(A)。2輪表面狀態(tài)的影響一般高架結(jié)構(gòu)噪聲較地面軌道交通噪聲高得多。高架結(jié)構(gòu)噪聲不但與車輛的運行速度、車輪表面狀態(tài)等有關(guān),也與線路鋼軌以及曲線半徑等因素有關(guān),還與高架結(jié)構(gòu)形式、材料、結(jié)構(gòu)特點有較大的關(guān)系。它輻射的噪聲將影響線路沿線環(huán)境,而且由于采用高架結(jié)構(gòu),聲源位置提高,噪聲影響范圍擴大。當列車經(jīng)過高架橋時,噪聲會增加2～10dB(A)。3噪聲主要發(fā)生在車輛中,以不牢而產(chǎn)生噪聲車輛設(shè)備噪聲包括牽引電機噪聲、齒輪箱噪聲、空壓機噪聲、空調(diào)制冷設(shè)備噪聲、制動噪聲、車輛牽引噪聲、電氣噪聲、受電弓噪聲、車輛運行中空氣動力噪聲、鳴笛噪聲以及門窗等安裝不牢而產(chǎn)生噪聲等,其中以牽引電機噪聲、齒輪箱噪聲和空壓機噪聲為主。4輻射噪聲特性機車、車輛車體因振動而輻射的結(jié)構(gòu)噪聲以及牽引噪聲經(jīng)機車車體作二次輻射噪聲,此類噪聲呈中、低頻特性;列車表面上與空氣作用,氣體粘滯性在列車表面引起附面壓力變化,激發(fā)表面振動,同時產(chǎn)生氣流渦旋和摩擦沖擊、形成高頻氣流噪聲。車體噪聲亦被視為列車運行穩(wěn)態(tài)輻射噪聲。1.2噪聲衰減r0對于行車噪聲,在距列車一定距離的范圍內(nèi)可將列車當做線聲源。當列車通過時,對某一預測點處產(chǎn)生的噪聲級Lp:式中,Lp為線聲源在預測點產(chǎn)生的聲級(倍頻帶聲壓級或A聲級);Lp0為線聲源參考位置r0位的聲級；r為預測點與線聲源之間的垂直距離,r0為測量參考聲級處與線聲源之間的垂直距離,ΔL為各種衰減量,包括空氣吸收、聲屏障或遮擋物、地面效應引起的衰減量。噪聲隨距離衰減與周圍的地形、建筑物等許多因素有關(guān)。一般情況下,在100m范圍內(nèi),距離加倍,噪聲衰減3dB(A);100～200m范圍內(nèi),距離加倍,噪聲約衰減4db(A);200～400m范圍內(nèi),距離加倍,噪聲衰減5db(A);400m以上時,距離加倍,噪聲約衰減6dB(A)。在同樣的傳播距離下,列車速度高的噪聲級比速度低的高。2聲屏障與水平屏障聲屏障是一種設(shè)置在噪聲源和受聲者之間的防噪聲設(shè)施,對交通噪聲等移動性的聲源能夠起到有效的防治作用。軌道沿線的土堤、路塹、隔聲墻或建筑物以及任何障礙物都可以視為聲屏障。聲屏障具有兩方面的特性:2.1聲屏障的確定1)聲屏障的位置:一般公路聲屏障距公路邊緣1.2～1.0m,高架橋聲屏障距軌道1.5m。2)聲屏障長度:必須大于列車的長度才有效。3)聲屏障的高度:屏障高度是聲屏障設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù),當降噪目標值確定后,首先就木確定聲屏障的高度。一般高架軌道聲屏障的高度為軌面以上1.8～2.5m,厚度為0.1～0.15m。4)聲屏障的形狀:有直立式、寬頂式、傾斜式、尖劈式、干涉型、波型等等。5)聲屏障的材料:包括隔聲材料和吸聲材料,分別稱隔聲式和吸聲式聲屏障。隔聲式有混凝土、磚、金屬、木質(zhì)結(jié)構(gòu)以及植被覆蓋的聲屏障。吸聲式一般在隔聲材料外側(cè)由空氣層或下班纖維層外覆蓋金屬板構(gòu)成。吸聲式比隔聲式的降噪聲對直立式可提高1～2dB(A),對折角式可提高1.5～4.5dB(A)2.2聲屏障的性能1)聲屏障的安全性與耐候性:聲屏障的設(shè)計與安裝應堅固、結(jié)實,具有耐水、耐火、耐化學腐蝕、耐風壓、抗沖擊等性能。2)聲屏障的維護性:聲屏障的構(gòu)件、配件應標準化、定型化,便于施工與安裝。3)聲屏障的美學性:聲屏障的設(shè)計應美觀,應與周圍景觀協(xié)調(diào)查;并應盡量避免阻擋司機與乘客的視線。4)聲屏障的經(jīng)濟性:在進行隔聲結(jié)構(gòu)與比選時,應充分考慮性能價格比,盡量降低工程、材料、維修與保養(yǎng)等費用。3噪聲屏障的衰減原理和衰減量的計算3.1聲源和受聲者之間沒有地層屏障的情況聲屏障的自由聲場中衰減的實驗和計算方法是建立在光學衍射的近似理論上的,可以用惠更斯原理說明。當聲源與受聲者之間沒有障礙物時,聲波由聲源(車輛)直接傳到受聲點。當聲源與受聲者之間設(shè)置了聲屏障以后,聲波從聲源到受聲點的傳播就變成了越過屏障頂部的繞射,穿過聲屏障的透射以及聲波遇到屏障后的反射路徑。聲屏障的作用就是阻擋直達聲,隔離透射聲,并使繞射聲有足夠的衰減。1聲影區(qū)和聲輔助區(qū)聲照區(qū),有的改假定在聲源和受聲者之間設(shè)置一無限長、有足夠密度的聲屏障。當聲波撞擊到聲屏障的壁面上時,在聲屏障的邊緣產(chǎn)生繞射(衍射)現(xiàn)象。頂部繞射到受聲者,而在屏障背后形成聲波繞射區(qū)(聲影區(qū))和聲波直達區(qū)(聲照區(qū))。位于聲影區(qū)內(nèi)的受聲者感到比未設(shè)置聲屏障時的噪聲級有了明顯的衰減。這就是聲屏障降噪的基本原理。位于聲影區(qū)的受聲點接受到的聲級,比位于聲照區(qū)與聲源距離相同的受聲點的接受到的噪聲級低,此降低量被稱為聲屏障的繞射降噪量,它取決于繞射角的大小。繞射角愈大,聲屏障的聲衰減愈大,效果愈好。因此,增加聲屏障的高度,或使聲屏障接近在聲源或受聲點可使繞射角增大。2聲波透射下的吸收聲音的傳播除繞過聲屏障到達受聲點外,還可能穿過聲屏障到達受聲者,這就是聲波的透射。聲波穿過屏障的透射量決定于聲波的頻譜,也與材料的強度與剛度等因素有關(guān)。一般以透射損失來評價材阻止噪聲透射的能力,習慣上也稱隔聲量。3反射噪聲干擾空氣中傳播的聲波到達聲屏障時,由于兩種媒質(zhì)的特性阻抗不同,就會產(chǎn)生聲反射。若由聲源發(fā)出的噪聲又經(jīng)聲屏障反射回聲源,使得受聲者處的噪聲降低,但是會使聲源同側(cè)的受聲者例如列車員中的旅客等受到更大的噪聲干擾。另一方面,聲波遇到聲屏障后反射回來,再被車體反射后到過受聲者,就會使聲屏障的降噪效果下降。3.2聲屏障a聲級的衰減聲屏障A聲級的插入損失為:由于:因此有:有限長線聲源衰減量的計算:點聲源衰減量的計算:式中:聲速c=344m/s(空氣溫度為20℃)頻率f=1/3倍頻帶中心頻率(20Hz～16kHz)或等效頻率聲程差:δ=a+b-c當線聲源與障板長度尺寸相比小得多時,則可以用線聲源上距離測點最近的一點計算的衰減來代替整個線聲源在測點處的聲衰減,其誤差小于1dB。因此也可用點聲源的計算公式來計算。由此則可計算聲屏障A聲級的插入損失ΔLA和聲屏障設(shè)置前后各受聲點的A聲級LA無和LA有。從公式(6)和公式(7)可以看出,無論是對于點源還是線源,計算聲屏障衰減的關(guān)鍵是確定菲涅爾數(shù)N,而菲涅爾數(shù)N又與聲程差和頻率有關(guān),由此可知,聲程差和頻率是計算聲屏障A聲級插入損失的兩個重要參數(shù)。聲屏障的衰減量是聲源,受聲者及聲屏障之間幾何關(guān)系的函數(shù)。1聲源高度與聲程高度的關(guān)系當聲源的高度一定時,聲屏障越高,則聲程差越大,插入損失就越大,降噪效果越好。當屏障高度一定時,聲源高度越低,則聲程差越大,聲屏障的插入損失就越大,降噪效果越好。因此,聲屏障插入損失與聲程差成正比,而聲程序差與聲屏障高度成正比,與聲源高度成反比。而聲程差與受聲點的高度成反比,與受聲點的距離成正比。2聲屏障與高頻聲聲屏障的插入損失與噪聲的頻率特性有關(guān)。波長越短,頻率越高,聲障的插入損失越大。聲屏障對于2000Hz以上的高頻聲比800～1000Hz的中頻聲衰減效果好;但對于250Hz左右的低頻聲效果就很差。4太陽能與監(jiān)控系統(tǒng)的ad轉(zhuǎn)換控制聲屏障實時監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對聲屏障風壓、位移的遠程監(jiān)測,監(jiān)測人員可以在任何有互聯(lián)網(wǎng)的地點實時監(jiān)測聲屏障工作的安全狀況。如圖1所示,監(jiān)測系統(tǒng)包括:1)傳感器陣列:包括超低壓壓力傳感器和位移傳感器。2)調(diào)理儀:將各傳感器輸出的信號進行初步調(diào)理,包括放大、消噪、濾波等。3)采集儀:將調(diào)理儀處理過的測試信號進行高精度AD轉(zhuǎn)換,再通過以太網(wǎng)或GPRS傳輸方式發(fā)送數(shù)據(jù)至計算機。4)計算機:實時數(shù)據(jù)曲線顯示及后期數(shù)據(jù)處理。5)太陽能電池板+蓄電池:利用太陽能給系統(tǒng)提供穩(wěn)定要靠的電源。6)電源處理模塊:將太陽能電源轉(zhuǎn)換為各傳感所需的不同直流電源,如+5VDC、+12VDC等。5軟件開發(fā)5.1數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件主要功能是控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各硬件芯片的工作序列,高速、高精度地完成信號的實時采集,并將采集的數(shù)據(jù)進行初步處理后,轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議,通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)至計算機;或轉(zhuǎn)換為串口協(xié)議,通過GPRS傳輸方式發(fā)送數(shù)據(jù)至計算機。VxWorks操作系統(tǒng)可實現(xiàn)可視化窗口編程,方便下位機軟件的開發(fā);并為實時數(shù)據(jù)傳輸與檢測提供可視化曲線和實據(jù)顯示。5.2現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)軟件的主要功能是接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù),并實時顯示數(shù)據(jù)曲線。5.2.1通道風壓、位移在調(diào)試監(jiān)測系統(tǒng)軟件時,運行現(xiàn)場調(diào)試軟件后便可以實時采集、顯示所有通道的風壓、位移數(shù)據(jù)曲線,如圖2所示。用電腦對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行功能設(shè)置與調(diào)試,確定系統(tǒng)功能正常后,將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送方式切換到GPRS傳輸方式,便可把數(shù)據(jù)遠程發(fā)送監(jiān)測中心的計算機。5.2.2通道曲線及數(shù)據(jù)分析1)可以輸入任一通道顯示該通道的曲線及數(shù)據(jù)。如圖3所示。2)可以點擊任一通道顯示該通道的曲線及數(shù)據(jù)。如圖4所示。3)實時曲線:運行時,在軟件主界面上可以同時看到所有通道的實時曲線。4)實時數(shù)據(jù):在查看所有通道實時曲線的同時,可以查看指定通道的實時數(shù)據(jù)。如圖5所示。5.3遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)接收和處理軟件數(shù)據(jù)接收軟件監(jiān)聽計算機網(wǎng)口,接收特定端口的數(shù)據(jù),并對其進行曲線顯示和后期處理,如圖6所示。5.3.1根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行顯示軟件接收網(wǎng)口傳來的數(shù)據(jù),并將之轉(zhuǎn)換為實際工程量,實時顯示出來,如圖7所示。5.3.2實時曲線的顯示軟件將接收到的數(shù)據(jù)實時顯示成相應的時間曲線,并可以選擇保存曲線成圖片,如圖8所示。6聲屏障不同區(qū)域的振動信號檢測為測試脈動風壓的時空分布規(guī)律,監(jiān)測系統(tǒng)在聲屏障不同區(qū)域處布點,采用差壓式傳感器帖在聲屏