声屏障实时监测系统的设计与实现

声屏障实时监测系统的设计与实现

0城市轨道交通噪声环境现状随着城市规模的迅速扩张和城市规划的不断发展，城市环境已成为城市环境的主要污染因素之一。现代城市主要噪声污染源包括交通噪声、工业噪声、建筑施工噪声和社会生活噪声,但就其噪声影响范围和影响程度来说,交通噪声是现代大城市最主要噪声源。根据国家公布的数据表明,近年来城市区域声环境约有49%的属中度污染、30%的属轻度污染、10%的质量较好;道路交通噪声中约有17%的城市属中度污染、49%的城市属轻度污染、25%的声环境质量较好。其中城市道路交通噪声约占城市区域环境噪声的80%以上。加强城市交通噪声防治工作是当前一项紧迫而艰巨的任务。交通噪声防治主要采取声屏障的方法来降低噪声污染的程度,当前对日益增多声屏障的监控和维护任务日趋艰巨,因此对声屏障的实时远程监控显得尤为重要,本文设计了一套实时监测系统,可实现对声屏障风压、位移的远程监测,监测人员可以在任何有互联网的地点实时监测声屏障工作的安全状况。1噪声产生和传播规律1.1噪声产生的地方1有缝钢轨的噪声轨道噪声辐射表现为3种形式:第一是列车行驶于弯道或轮轨硬弯处,由于切削和摩擦发出的啸叫声;第二是轮轨经钢轨接头处的撞击声,这种噪声随着长轨的使用将有所减少,有缝钢轨比无缝钢轨噪声要高5dB(A)左右;第三是车轮与钢轨接触之间不平所产生的“轰鸣声”。轮轨噪声被视为列车运行稳态辐射噪声。当车速高于50km/h时,以轮轨系统噪声为主。在平坦道路行驶,当行驶速度80km/h时,距离轨道10m处的噪声为80～90dB(A);当行驶速度为120km/h时,10m处的噪声为85～95dB(A)。2轮表面状态的影响一般高架结构噪声较地面轨道交通噪声高得多。高架结构噪声不但与车辆的运行速度、车轮表面状态等有关,也与线路钢轨以及曲线半径等因素有关,还与高架结构形式、材料、结构特点有较大的关系。它辐射的噪声将影响线路沿线环境,而且由于采用高架结构,声源位置提高,噪声影响范围扩大。当列车经过高架桥时,噪声会增加2～10dB(A)。3噪声主要发生在车辆中,以不牢而产生噪声车辆设备噪声包括牵引电机噪声、齿轮箱噪声、空压机噪声、空调制冷设备噪声、制动噪声、车辆牵引噪声、电气噪声、受电弓噪声、车辆运行中空气动力噪声、鸣笛噪声以及门窗等安装不牢而产生噪声等,其中以牵引电机噪声、齿轮箱噪声和空压机噪声为主。4辐射噪声特性机车、车辆车体因振动而辐射的结构噪声以及牵引噪声经机车车体作二次辐射噪声,此类噪声呈中、低频特性;列车表面上与空气作用,气体粘滞性在列车表面引起附面压力变化,激发表面振动,同时产生气流涡旋和摩擦冲击、形成高频气流噪声。车体噪声亦被视为列车运行稳态辐射噪声。1.2噪声衰减r0对于行车噪声,在距列车一定距离的范围内可将列车当做线声源。当列车通过时,对某一预测点处产生的噪声级Lp:式中,Lp为线声源在预测点产生的声级(倍频带声压级或A声级);Lp0为线声源参考位置r0位的声级；r为预测点与线声源之间的垂直距离,r0为测量参考声级处与线声源之间的垂直距离,ΔL为各种衰减量,包括空气吸收、声屏障或遮挡物、地面效应引起的衰减量。噪声随距离衰减与周围的地形、建筑物等许多因素有关。一般情况下,在100m范围内,距离加倍,噪声衰减3dB(A);100～200m范围内,距离加倍,噪声约衰减4db(A);200～400m范围内,距离加倍,噪声衰减5db(A);400m以上时,距离加倍,噪声约衰减6dB(A)。在同样的传播距离下,列车速度高的噪声级比速度低的高。2声屏障与水平屏障声屏障是一种设置在噪声源和受声者之间的防噪声设施,对交通噪声等移动性的声源能够起到有效的防治作用。轨道沿线的土堤、路堑、隔声墙或建筑物以及任何障碍物都可以视为声屏障。声屏障具有两方面的特性:2.1声屏障的确定1)声屏障的位置:一般公路声屏障距公路边缘1.2～1.0m,高架桥声屏障距轨道1.5m。2)声屏障长度:必须大于列车的长度才有效。3)声屏障的高度:屏障高度是声屏障设计的关键参数,当降噪目标值确定后,首先就木确定声屏障的高度。一般高架轨道声屏障的高度为轨面以上1.8～2.5m,厚度为0.1～0.15m。4)声屏障的形状:有直立式、宽顶式、倾斜式、尖劈式、干涉型、波型等等。5)声屏障的材料:包括隔声材料和吸声材料,分别称隔声式和吸声式声屏障。隔声式有混凝土、砖、金属、木质结构以及植被覆盖的声屏障。吸声式一般在隔声材料外侧由空气层或下班纤维层外覆盖金属板构成。吸声式比隔声式的降噪声对直立式可提高1～2dB(A),对折角式可提高1.5～4.5dB(A)2.2声屏障的性能1)声屏障的安全性与耐候性:声屏障的设计与安装应坚固、结实,具有耐水、耐火、耐化学腐蚀、耐风压、抗冲击等性能。2)声屏障的维护性:声屏障的构件、配件应标准化、定型化,便于施工与安装。3)声屏障的美学性:声屏障的设计应美观,应与周围景观协调查;并应尽量避免阻挡司机与乘客的视线。4)声屏障的经济性:在进行隔声结构与比选时,应充分考虑性能价格比,尽量降低工程、材料、维修与保养等费用。3噪声屏障的衰减原理和衰减量的计算3.1声源和受声者之间没有地层屏障的情况声屏障的自由声场中衰减的实验和计算方法是建立在光学衍射的近似理论上的,可以用惠更斯原理说明。当声源与受声者之间没有障碍物时,声波由声源(车辆)直接传到受声点。当声源与受声者之间设置了声屏障以后,声波从声源到受声点的传播就变成了越过屏障顶部的绕射,穿过声屏障的透射以及声波遇到屏障后的反射路径。声屏障的作用就是阻挡直达声,隔离透射声,并使绕射声有足够的衰减。1声影区和声辅助区声照区,有的改假定在声源和受声者之间设置一无限长、有足够密度的声屏障。当声波撞击到声屏障的壁面上时,在声屏障的边缘产生绕射(衍射)现象。顶部绕射到受声者,而在屏障背后形成声波绕射区(声影区)和声波直达区(声照区)。位于声影区内的受声者感到比未设置声屏障时的噪声级有了明显的衰减。这就是声屏障降噪的基本原理。位于声影区的受声点接受到的声级,比位于声照区与声源距离相同的受声点的接受到的噪声级低,此降低量被称为声屏障的绕射降噪量,它取决于绕射角的大小。绕射角愈大,声屏障的声衰减愈大,效果愈好。因此,增加声屏障的高度,或使声屏障接近在声源或受声点可使绕射角增大。2声波透射下的吸收声音的传播除绕过声屏障到达受声点外,还可能穿过声屏障到达受声者,这就是声波的透射。声波穿过屏障的透射量决定于声波的频谱,也与材料的强度与刚度等因素有关。一般以透射损失来评价材阻止噪声透射的能力,习惯上也称隔声量。3反射噪声干扰空气中传播的声波到达声屏障时,由于两种媒质的特性阻抗不同,就会产生声反射。若由声源发出的噪声又经声屏障反射回声源,使得受声者处的噪声降低,但是会使声源同侧的受声者例如列车员中的旅客等受到更大的噪声干扰。另一方面,声波遇到声屏障后反射回来,再被车体反射后到过受声者,就会使声屏障的降噪效果下降。3.2声屏障a声级的衰减声屏障A声级的插入损失为:由于:因此有:有限长线声源衰减量的计算:点声源衰减量的计算:式中:声速c=344m/s(空气温度为20℃)频率f=1/3倍频带中心频率(20Hz～16kHz)或等效频率声程差:δ=a+b-c当线声源与障板长度尺寸相比小得多时,则可以用线声源上距离测点最近的一点计算的衰减来代替整个线声源在测点处的声衰减,其误差小于1dB。因此也可用点声源的计算公式来计算。由此则可计算声屏障A声级的插入损失ΔLA和声屏障设置前后各受声点的A声级LA无和LA有。从公式(6)和公式(7)可以看出,无论是对于点源还是线源,计算声屏障衰减的关键是确定菲涅尔数N,而菲涅尔数N又与声程差和频率有关,由此可知,声程差和频率是计算声屏障A声级插入损失的两个重要参数。声屏障的衰减量是声源,受声者及声屏障之间几何关系的函数。1声源高度与声程高度的关系当声源的高度一定时,声屏障越高,则声程差越大,插入损失就越大,降噪效果越好。当屏障高度一定时,声源高度越低,则声程差越大,声屏障的插入损失就越大,降噪效果越好。因此,声屏障插入损失与声程差成正比,而声程序差与声屏障高度成正比,与声源高度成反比。而声程差与受声点的高度成反比,与受声点的距离成正比。2声屏障与高频声声屏障的插入损失与噪声的频率特性有关。波长越短,频率越高,声障的插入损失越大。声屏障对于2000Hz以上的高频声比800～1000Hz的中频声衰减效果好;但对于250Hz左右的低频声效果就很差。4太阳能与监控系统的ad转换控制声屏障实时监测系统可实现对声屏障风压、位移的远程监测,监测人员可以在任何有互联网的地点实时监测声屏障工作的安全状况。如图1所示,监测系统包括:1)传感器阵列:包括超低压压力传感器和位移传感器。2)调理仪:将各传感器输出的信号进行初步调理,包括放大、消噪、滤波等。3)采集仪:将调理仪处理过的测试信号进行高精度AD转换,再通过以太网或GPRS传输方式发送数据至计算机。4)计算机:实时数据曲线显示及后期数据处理。5)太阳能电池板+蓄电池:利用太阳能给系统提供稳定要靠的电源。6)电源处理模块:将太阳能电源转换为各传感所需的不同直流电源,如+5VDC、+12VDC等。5软件开发5.1数据传输转换数据采集系统软件主要功能是控制数据采集系统各硬件芯片的工作序列,高速、高精度地完成信号的实时采集,并将采集的数据进行初步处理后,转换为TCP/IP协议,通过以太网发送数据至计算机;或转换为串口协议,通过GPRS传输方式发送数据至计算机。VxWorks操作系统可实现可视化窗口编程,方便下位机软件的开发;并为实时数据传输与检测提供可视化曲线和实据显示。5.2现场监控系统现场监测系统软件的主要功能是接收数据采集系统的数据,并实时显示数据曲线。5.2.1通道风压、位移在调试监测系统软件时,运行现场调试软件后便可以实时采集、显示所有通道的风压、位移数据曲线,如图2所示。用电脑对数据采集系统进行功能设置与调试,确定系统功能正常后,将数据采集系统的数据传送方式切换到GPRS传输方式,便可把数据远程发送监测中心的计算机。5.2.2通道曲线及数据分析1)可以输入任一通道显示该通道的曲线及数据。如图3所示。2)可以点击任一通道显示该通道的曲线及数据。如图4所示。3)实时曲线:运行时,在软件主界面上可以同时看到所有通道的实时曲线。4)实时数据:在查看所有通道实时曲线的同时,可以查看指定通道的实时数据。如图5所示。5.3远程监测数据接收和处理软件数据接收软件监听计算机网口,接收特定端口的数据,并对其进行曲线显示和后期处理,如图6所示。5.3.1根据实时数据进行显示软件接收网口传来的数据,并将之转换为实际工程量,实时显示出来,如图7所示。5.3.2实时曲线的显示软件将接收到的数据实时显示成相应的时间曲线,并可以选择保存曲线成图片,如图8所示。6声屏障不同区域的振动信号检测为测试脉动风压的时空分布规律,监测系统在声屏障不同区域处布点,采用差压式传感器帖在声屏