声屏障声学特性的模型试验研究

　　引　言

　　声屏障是治理交通噪声一项有效的措施,但由于实施声屏障地区的环境条件千差万别,因此隔声效果预估是声屏障设计中的一项重要内容。除了采用常规工程预估公式进行计算外,往往还需要一定的试验验证。但是,如果在现场进行试验,不但花费高、周期长,而且受许多现场情况的限制,实施比较困难。因此,在实验室进行模拟试验是声屏障声学特性的一种重要手段。近年来国内外有关于声屏障模型试验论文屡有发表[1][2],但对声学相似性进行定性定量分析的研究却不多见。

　　本文应用相似原理因次分析法确定模型试验相似准数,通过模型试验与目前工程中常用公式预估结果相比较,结果表明,在满足一定的条件下,模型与实物之间的声学特性关系可以定量描述。

　　1　相似原理与因次分析Π定理

　　模型试验必须能够再现原型物理现象的本质,因此,只要求比例模型与原型之间的几何相似是不够的,还要求模型试验过程中的主要物理量必须满足各自所遵循的相似规律。要保持两体系相似,必须使某几个特定的相似准数相等(或相似指标等于1)。应用因次分析法确定相似准数,表达物理规律的方程式中各项的因次应该相同,同名物理量应采用同一单位,这就是物理方程的因次均衡性。一个因次均衡的方程式可以改写成包含若干个无因次项的方程式。Π定理[3]指出:假使表示某一物理过程的函数式中包含n个物理量,其中k个具有相互独立的因次,则经过处理,这函数可改变为包含(n-k)个由这些物理量所组成的无因次的准数(Πi)的函数式。即,假设函数式。

　　由此,应用Π定理可以进行现象相似的研究。

　　2　模拟试验声学相似准则的建立

　　声波在空气中传播,可认为声压P与下列因素有关:(1)声源参数:声功率W、频率f;(2)几何参数:传播距离l、传播方向θ;(3)介质参数:声速c、密度ρ、比热比v、相对湿度RH;(4)屏障参数:表面阻抗Z、入射角θs、密度ρ0、厚度D、频率f0。若忽略次要因素,声压P可写成函数形式

　　由于D与l因次相同,故只选取变量l,引入基准声压P0(常量),则声压级Lp可表示为

其中θ、θs是无因次参数,选取质量M、长度L和时间T三个量作为基本因次。Π函数项中各物理量的因次表示如下:

　　将上式中各参量进行无因次化,再根据Π定理,选取三个独立变量:l,c,P0,这样可以得到声压级无因次函数

式中入射角θs、传播方向θ在试验中极易实现,此处主要确定其它物理量的相似率。

　　引入基本声功率W0(常量)则