基于实测数据的高铁候车厅声环境特征分析

2020-12-22傅秀章胡文林

东南大学学报（自然科学版） 2020年6期

傅秀章艾荔胡文林

(1 东南大学建筑学院，南京 210096)(2 东南大学城市与建筑遗产保护教育部重点实验室，南京 210096)(3 中国铁路设计集团有限公司城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程实验室，天津 300308)

随着我国高铁建设的快速发展，高铁站成为了集轨道交通、铁路、公交、商业于一体的大型综合交通枢纽，其流线组织形式偏向于机场化.立体化的布局在减少换乘路线、提高旅客通行效率优势的同时，也给候车厅噪声治理工作带来了很大问题.高铁候车厅体量较大，声环境较传统封闭空间更为复杂，属于大空间声学问题[1-3].根据以往研究，候车厅内的声环境主要包括人群活动噪声、公共广播声、列车经过时的噪声3类[4].在已有的高铁候车厅声环境研究中，研究者大多直接将3类声音叠加的声场作为一个整体的研究对象，探究内容主要包括候车厅空间声场特点[5-6]、候车厅声学评价与控制指标[7-8]、旅客主观评价与客观声场参数之间的关系[9-10]以及声场优化措施与设计建议[11-12].这些研究并没有对比分析这3类噪声的频谱特性，缺乏针对列车经过时噪声特点的深入探讨.

为了进一步了解高铁候车厅内的声环境特性，本文在既有研究的基础上，对1个高架候车厅和3个线下式候车厅开展了现场噪声测试，得到了3类声音各自的频谱曲线.通过现场实测的方式掌握高铁候车厅声环境状况，为改善候车厅声环境设计提供参考意见.

1 研究对象

高铁候车厅常见的形式有高架候车厅和线下式候车厅2种.高架候车厅是指候车厅在铁路轨道的正上方，常被用于大型或特大型规模的高铁站；线下式候车厅是指候车厅在铁路轨道正下方，一般用于中型或小型规模的高铁站.本文选取2种类型的高铁候车厅作为研究对象，以比较候车厅的不同结构形式对声环境的影响.选取对象分别为杭州东站、无锡东站、苏州北站和昆山南站.杭州东站候车厅为高架式，建筑平面为矩形，长463.5 m，宽143.6 m，剖面为矩形，局部区域设有夹层，天棚高度为5.5～28.6 m，界面材料无特殊声学处理.其余3个车站候车厅均为线下式，建筑平面为矩形，界面材料均无特殊声学处理.无锡东站候车厅长120 m，宽65 m，剖面为矩形，天棚高度为5.3 m.苏州北站候车厅长70 m，宽47 m，剖面为矩形，天棚高度为5.7～5.9 m.昆山南站候车厅长95 m，宽58 m，剖面为矩形，天棚高度为4.5～5.9 m.各车站的基本信息见表1.

表1 各车站基本信息表

2 研究方法

本研究主要通过实地测试2种类型候车厅在不同工况下的A声级大小和频谱特性，了解其空间声场的声学特性.

3种工况分别为：①列车未经过候车厅且无广播声响起的声环境状况，此时的噪声仅为人群活动噪声；②列车未经过候车厅但有广播声响起的声环境状况，此时的噪声为人群活动噪声和公共广播声；③列车经过候车厅但无广播声响起的声环境状况，此时的噪声为人群活动噪声和二次结构噪声.

研究人群活动噪声的影响因素时重点关注旅客数量.以每个测点所在的坐席区为一个区域，统计区域内的旅客数并测量A声级.将4个候车厅内各测点A声级与旅客数进行对应，得出人群活动噪声与人群数量的变化规律.

研究公共广播声时，各候车厅的A声级通过测点取平均值的方式获得.由于人群活动噪声一直存在，通过声能量相减法，剔除工况2中的人群噪声成分，获得公共广播声的A声级.将计算得到的公共广播声与人群活动噪声相减，得到各候车厅的信噪比.对比分析工况1和工况2的频谱曲线，获得公共广播声的能量分布规律.

研究列车经过时的噪声时，通过对比分析工况1与工况3的噪声频谱，得到列车经过候车厅时对2类候车厅声环境的影响差异.通过声能量相减法，剔除工况3中的人群噪声成分，获得候车厅内二次结构噪声级，并将其与标准限值进行对比，分析判定该类噪声的影响程度.

3 现场实测

在实地测量过程中，使用N140型手持式声级计，声级计距地面高度为1.5 m.在各测点处主要记录A计权等效声级以及1/3倍频程频谱，频谱范围为6.3～12 500 Hz.

测点按旅客坐席分区布置.杭州东站、无锡东站、苏州北站和昆山南站候车厅分别设置7、9、6、10个测点，测点位置见图1.

测试人群活动噪声时，各测点的测试时长为15 s.为避免邻近人声的干扰，除测点水平位置外，测试时选择抬高传感器.测试过程中，当周边出现偶发的高噪声(如大声喧哗、手机铃声等)，测试人员立即停止测量，待噪声消失后再重新进行测量.每个测点测试4组数据，将平均值作为该点在工况1下的声压级.

(a) 杭州东站

(b) 无锡东站

(d) 昆山南站

图1 高铁候车厅内测点布置

测试人群活动噪声+公共广播声时，以广播声响起至结束作为测试时长.各测点测试时长不等，约为5～15 s.每个测点测试4组数据，将平均值作为该点在工况2下的声压级.

测试人群活动噪声+二次结构噪声时，以感觉到列车驶来至列车离去为测试时长.各测点测试时长不等，约为3～15 s.每个测点测试4组数据，将平均值作为该点在工况3下的声压级.

为研究人群活动噪声与人群数量的关系，人数统计按照坐席分区原则，以测点所在的坐席区为边界进行现场统计，仅计算各坐席区内部的人数，忽略走道处人数.

4 结果与讨论

4.1 人群活动噪声

选取工况1作为研究对象，将4个候车厅各测点测得的A声级与该测点坐席区统计的人数进行一一对应.对这32组数据进行相关性求解，得到人群活动噪声与旅客数量之间的关系(见图2).由图可知，人群数量与A声级成对数关系，其决定系数R2=0.638 2.随着人数的增加，声压级先显著增加而后逐渐变缓.究其原因在于，人的语言声功率受周边噪声级影响，当人数增加时，人的语言声功率逐渐提高以达到交流的目的；当噪声增加到一定水平后，受自身限制，人的语言声功率不再提高，即使人数增加，候车厅内的总声压级则逐渐趋于一个平稳的状态.现场测试表明，高铁候车厅人群活动噪声A声级范围为62～68 dB.

图2 人群活动噪声与旅客数量的关系

4.2 公共广播声

通过对比工况1与工况2，得到公共广播声的A声级，结果见表2.由表可知，在既有公共广播声又有人群活动噪声的情况下，候车厅内的A声级为72.6～77.0 dB，计算得到的公共广播A声级为71.6～77.0 dB，信噪比为6.9～11.1 dB.此时的信噪比并不能确保广播声能清晰传递信息，但考虑到进一步提高广播声级可能影响声舒适性，故更适宜通过分散式强指向广播系统来保证广播信息的有效传播.

表2 候车厅内公共广播A声级与信噪比 dB

研究公共广播声频谱有利于了解其能量分布特性，通过对比各候车厅内工况1和工况2的平均声压级频谱曲线,得到各候车厅在2种工况下的频谱特点(见图3).由图可知，各候车厅内工况1和工况2下的频谱曲线在低频段和高频段吻合度较高，但中频段出现了明显差异，说明广播声的能量主要分布在500～1 000 Hz的中高频率段.高架候车厅和线下候车厅的频谱曲线吻合度较高，说明公共广播的影响与候车厅类型无关.

4.3 列车经过时的噪声

列车经过候车厅引起的噪声不仅可以通过空气直接传递到候车厅，而且列车运行的荷载将激起房屋结构的二次振动，导致候车大厅部分构件的结构噪声辐射，从而加剧了候车厅内的声环境污染.图4和图5分别对比了各候车厅工况1和工况3下的平均等效A声级和平均声压级频谱曲线.由图可知，当列车经过时，高架候车厅内的平均等效A声级为68.6 dB,较人群活动噪声平均等效A声级(67.3 dB)高1.3 dB.3个线下式候车厅内的平均等效A声级分别为68.5、70.7、69.8 dB,人群活动噪声平均等效A声级分别为64.7、65.9、63.7 dB, 前者较后者高3.8～6.1 dB.分析频谱曲线可知，高架候车厅和线下式候车厅分别在50～80 Hz和25～63 Hz中心频率处出现显著峰值.这2类候车厅出现低频峰值的频段虽有所区别，但其能量高峰都集中在低于100 Hz的频段，说明列车经过时的噪声主要分布在低频段.高架候车厅的峰值频率处声压级低于70 dB,而线下式候车厅的峰值频率处声压级几乎在80 dB左右.声压级的差异表明列车经过时的噪声对线下式候车厅的影响要高于高架候车厅.

图3 工况1和工况2的平均声压级频谱曲线

图4 工况1与工况3的平均等效A声级

图5 工况1与工况3的平均声压级频谱曲线

通过将工况1和工况3进行声能量相减运算，估算出列车经过时产生的二次结构噪声,结果如表3所示.4座候车厅的测量均在昼间，参考《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》(JGJ/T 170—2009)[13]对二次结构噪声的规定要求，将各车站候车厅内的二次结构噪声与JGJ/T 170—2009标准中的昼间限值45 dB进行对比.由表可知，当列车经过时，2类候车厅内的二次结构噪声都远超过昼间限值45 dB，其中高架式候车厅超限值为19.6 dB，线下式候车厅超限值为21.5～23.8 dB.表明这4座高铁候车厅的二次结构噪声影响均较为明显，线下式候车厅的二次结构噪声影响高于高架式侯车厅.此外，在线下候车厅中，列车经过时产生的二次结构噪声影响已超过人群活动噪声的影响.