聲屏障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

聲屏障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(kuò)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(huì)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(guó)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(qiáng)城市交通噪聲防治工作是當(dāng)前一項(xiàng)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(dāng)前對(duì)日益增多聲屏障的監(jiān)控和維護(hù)任務(wù)日趨艱巨,因此對(duì)聲屏障的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控顯得尤為重要,本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲屏障風(fēng)壓、位移的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)人員可以在任何有互聯(lián)網(wǎng)的地點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(yùn)行穩(wěn)態(tài)輻射噪聲。當(dāng)車速高于50km/h時(shí),以輪軌系統(tǒng)噪聲為主。在平坦道路行駛,當(dāng)行駛速度80km/h時(shí),距離軌道10m處的噪聲為80～90dB(A);當(dāng)行駛速度為120km/h時(shí),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(yùn)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(diǎn)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(kuò)大。當(dāng)列車經(jīng)過高架橋時(shí),噪聲會(huì)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(jī)噪聲、齒輪箱噪聲、空壓機(jī)噪聲、空調(diào)制冷設(shè)備噪聲、制動(dòng)噪聲、車輛牽引噪聲、電氣噪聲、受電弓噪聲、車輛運(yùn)行中空氣動(dòng)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(jī)噪聲、齒輪箱噪聲和空壓機(jī)噪聲為主。4輻射噪聲特性機(jī)車、車輛車體因振動(dòng)而輻射的結(jié)構(gòu)噪聲以及牽引噪聲經(jīng)機(jī)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(dòng),同時(shí)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(yùn)行穩(wěn)態(tài)輻射噪聲。1.2噪聲衰減r0對(duì)于行車噪聲,在距列車一定距離的范圍內(nèi)可將列車當(dāng)做線聲源。當(dāng)列車通過時(shí),對(duì)某一預(yù)測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生的噪聲級(jí)Lp:式中,Lp為線聲源在預(yù)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的聲級(jí)(倍頻帶聲壓級(jí)或A聲級(jí));Lp0為線聲源參考位置r0位的聲級(jí)；r為預(yù)測(cè)點(diǎn)與線聲源之間的垂直距離,r0為測(cè)量參考聲級(jí)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(yīng)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(shí),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(jí)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(duì)交通噪聲等移動(dòng)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(zhǎng)度:必須大于列車的長(zhǎng)度才有效。3)聲屏障的高度:屏障高度是聲屏障設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù),當(dāng)降噪目標(biāo)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(duì)直立式可提高1～2dB(A),對(duì)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(jì)與安裝應(yīng)堅(jiān)固、結(jié)實(shí),具有耐水、耐火、耐化學(xué)腐蝕、耐風(fēng)壓、抗沖擊等性能。2)聲屏障的維護(hù)性:聲屏障的構(gòu)件、配件應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、定型化,便于施工與安裝。3)聲屏障的美學(xué)性:聲屏障的設(shè)計(jì)應(yīng)美觀,應(yīng)與周圍景觀協(xié)調(diào)查;并應(yīng)盡量避免阻擋司機(jī)與乘客的視線。4)聲屏障的經(jīng)濟(jì)性:在進(jìn)行隔聲結(jié)構(gòu)與比選時(shí),應(yīng)充分考慮性能價(jià)格比,盡量降低工程、材料、維修與保養(yǎng)等費(fèi)用。3噪聲屏障的衰減原理和衰減量的計(jì)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(chǎng)中衰減的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法是建立在光學(xué)衍射的近似理論上的,可以用惠更斯原理說明。當(dāng)聲源與受聲者之間沒有障礙物時(shí),聲波由聲源(車輛)直接傳到受聲點(diǎn)。當(dāng)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(diǎn)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(dá)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(zhǎng)、有足夠密度的聲屏障。當(dāng)聲波撞擊到聲屏障的壁面上時(shí),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(dá)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(shí)的噪聲級(jí)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(diǎn)接受到的聲級(jí),比位于聲照區(qū)與聲源距離相同的受聲點(diǎn)的接受到的噪聲級(jí)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(diǎn)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(dá)受聲點(diǎn)外,還可能穿過聲屏障到達(dá)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(qiáng)度與剛度等因素有關(guān)。一般以透射損失來評(píng)價(jià)材阻止噪聲透射的能力,習(xí)慣上也稱隔聲量。3反射噪聲干擾空氣中傳播的聲波到達(dá)聲屏障時(shí),由于兩種媒質(zhì)的特性阻抗不同,就會(huì)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(huì)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(huì)使聲屏障的降噪效果下降。3.2聲屏障a聲級(jí)的衰減聲屏障A聲級(jí)的插入損失為:由于:因此有:有限長(zhǎng)線聲源衰減量的計(jì)算:點(diǎn)聲源衰減量的計(jì)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(dāng)線聲源與障板長(zhǎng)度尺寸相比小得多時(shí),則可以用線聲源上距離測(cè)點(diǎn)最近的一點(diǎn)計(jì)算的衰減來代替整個(gè)線聲源在測(cè)點(diǎn)處的聲衰減,其誤差小于1dB。因此也可用點(diǎn)聲源的計(jì)算公式來計(jì)算。由此則可計(jì)算聲屏障A聲級(jí)的插入損失ΔLA和聲屏障設(shè)置前后各受聲點(diǎn)的A聲級(jí)LA無和LA有。從公式(6)和公式(7)可以看出,無論是對(duì)于點(diǎn)源還是線源,計(jì)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(jì)算聲屏障A聲級(jí)插入損失的兩個(gè)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(dāng)聲源的高度一定時(shí),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(dāng)屏障高度一定時(shí),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(diǎn)的高度成反比,與受聲點(diǎn)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(zhǎng)越短,頻率越高,聲障的插入損失越大。聲屏障對(duì)于2000Hz以上的高頻聲比800～1000Hz的中頻聲衰減效果好;但對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲屏障風(fēng)壓、位移的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)人員可以在任何有互聯(lián)網(wǎng)的地點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聲屏障工作的安全狀況。如圖1所示,監(jiān)測(cè)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(hào)進(jìn)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(cè)試信號(hào)進(jìn)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(jì)算機(jī)。4)計(jì)算機(jī):實(shí)時(shí)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(hào)的實(shí)時(shí)采集,并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算機(jī);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(jì)算機(jī)。VxWorks操作系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)可視化窗口編程,方便下位機(jī)軟件的開發(fā);并為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與檢測(cè)提供可視化曲線和實(shí)據(jù)顯示。5.2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)曲線。5.2.1通道風(fēng)壓、位移在調(diào)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件時(shí),運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試軟件后便可以實(shí)時(shí)采集、顯示所有通道的風(fēng)壓、位移數(shù)據(jù)曲線,如圖2所示。用電腦對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)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(yuǎn)程發(fā)送監(jiān)測(cè)中心的計(jì)算機(jī)。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(diǎn)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(shí)時(shí)曲線:運(yùn)行時(shí),在軟件主界面上可以同時(shí)看到所有通道的實(shí)時(shí)曲線。4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù):在查看所有通道實(shí)時(shí)曲線的同時(shí),可以查看指定通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如圖5所示。5.3遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收和處理軟件數(shù)據(jù)接收軟件監(jiān)聽計(jì)算機(jī)網(wǎng)口,接收特定端口的數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行曲線顯示和后期處理,如圖6所示。5.3.1根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)際工程量,實(shí)時(shí)顯示出來,如圖7所示。5.3.2實(shí)時(shí)曲線的顯示軟件將接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示成相應(yīng)的時(shí)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(dòng)信號(hào)檢測(cè)為測(cè)試脈動(dòng)風(fēng)壓的時(shí)空分布規(guī)律,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在聲屏障不同區(qū)域處布點(diǎn),采用差壓式傳感器帖在聲屏