不同场景行车噪声关联性研究

2021-11-10吴星怡康爱红董星海王本帅孔贺誉

土木工程与管理学报 2021年5期

吴星怡，康爱红，董星海，王本帅，孔贺誉

(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127)

随着交通强国建设的推进，道路建设取得了巨大成效，但与此同时，交通噪声污染成为了人们日益困扰的问题。城市噪声污染的主要来源之一是交通噪声，同时也是一个亟需解决的环境问题[1～3]。国内外学者对降噪型路面的降噪效果已进行了一些研究，统计经过法、近场测试法和控制经过法是现阶段最常用的3种收集噪声的方法[4～11]，吸声系数是评价材料声学性能的重要指标[12～14]，而现阶段的研究以如何测定材料吸声系数和如何采集路面行车噪声为主。路面湿度、路面材质、行车速度和道路周围环境的差异会导致行车噪声在频段分布、传播影响范围和总体声级上存在明显差异。有针对性地设计路面，选择合适的试验及评价方案，更好地评估行驶噪声在不同交通场景下的表现，得到行驶噪声和交通场景的相关性显得尤为重要。本研究为了获取行驶噪声与不同交通场景的本质联系，采集并分析了常规城市道路、装有隔声板道路、隧道和高架道路4种行车场景下的行车噪声，为分析沥青混合料降噪材料对降噪性能的影响提供基础。

1 试验方案

本研究涉及的交通噪声采集方案主要为近场测试和远场测试。近场测试方案为近场声压测试，远场测试方案为统计通过法。选用的声强传感器型号为INV9212，传感器大小为1/2英寸，可实现相位校正，1/3倍频程中心频率为50～6300 Hz。采用的数据采集分析仪为INV3062T0云智能，有4个输入通道。其采样频率范围从0.5～204800 Hz。

考虑到交通噪声采集的可实施性、安全性和交通控制等因素的影响，本研究对常规城市路面和装有隔音板的路面采用近场测试和远场测试相结合的方案；对隧道和高架路面采用近场试验，最后将收集和分析结果进行对比。

在交通噪声收集过程中，本研究综合考虑了行车速度和路面温度两个影响因素，当温度条件相同时，分别以行驶速度40，50，60，80 km/h为控制变量，当行驶速度相同时，分别以路面温度0，10，20，30，40，50 ℃为控制变量。

在近场测试中，传声器的方向应保持与行车方向一致，为了减少风噪对测试结果的影响，同时应在其前端安装鼻锥并通过稳定仪器固定在距离路面25 cm、距离轮胎10 cm处。试验过程中应保证风速小于5 km/h，路况应清洁、干燥，无明显异物；车辆和乘客的总重量应一致；车辆应保持整体清洁；在采集噪声的过程中，车窗和天窗应保证紧闭；试验时，行驶速度与目标速度的误差应控制在±3 km/h以内，路面温度与所需测试温度的误差为±3 ℃；试验过程中应尽量避免并行车辆的干扰，保持车辆在最右侧车道。

远场试验中，在传声器前端安装风球，以减少行驶噪声采集过程中风噪声的影响，传声器放置在路肩处，离地25 cm，传声器的位置应正对行车道。保持试验过程中风速小于5 km/h，选择没有大型遮挡物并且车流量较小的试验场地；试验车辆应靠右行驶并保持传声器的方向固定，试验过程中车速与目标速度的误差应控制在±3 km/h以内，路面温度与目标温度的误差应控制在±3 ℃以内，过程如图1所示。

图1 现场噪声测试

2 试验结果分析

为了避免路面温差对试验结果的影响，在研究行驶速度对行驶噪声的影响时，选择了同一时段内40 ℃的相同路面温度进行试验。同样，为了避免不同行驶速度对结果的影响，在研究相同路面温度条件下路面温度对行驶噪声的影响时，不必改变不同时段的路面温度，试验选用60 km/h的匀速行驶速度。

2.1 远场测试结果分析

首先，对常规路面和装有隔声板路面的远场试验结果进行分析。试验车辆通过时测得的行驶噪声时域波形如图2所示。

图2 远场测试行车噪声时域波形

利用自频谱分析驱动噪声的时域波形，在分析时可以选择对测试波形进行全过程分析，也可以选择一段时间间隔使用傅里叶变换公式，将噪声信号的时域波形换算成频域波形。为了精准反映行车噪声的特点，再对噪声信号进行区间波形信号傅里叶变换，而不是对整个信号进行处理，这样可以有效减小周边噪声对分析结果的不利影响。所选有效波形以及行车噪声频域波形如图3所示。

图3 远场测试的噪声频域波形

通过对行驶噪声的频域波形分析，发现1000 Hz以下频率的噪声声压级(Sound Pressure Level，SPL)显著大于1000 Hz以上的频率。通过对噪声声波频域波形的计算和分析，可以得到相应声波的频谱峰值。分析常规城市路面测试结果，在40 ℃路面温度下，行驶噪声信号在不同行驶速度下对应的频域波形峰值如图4所示，60 km/h行车速度不同路表温度条件对应的行车噪声信号频域波形峰值情况如图5所示。

图5 不同路表温度线性总体声压级情况

由图4，5可以看出，试验现场车辆行驶速度变化和路面温度变化对噪声频域波形峰值影响较小，在95.61～96.99 dB之间。因此，本研究认为，行驶噪声声波信号的频域峰值分析和捕获结果不能准确有效地评价行驶噪声水平。

图4 不同行驶速度频域波形峰值

评价噪声的声学特征时，若只分析单一频率或频带内的噪声声压，具有片面性，无法准确评价其整体水平，只有综合考虑不同频率下的声压分布，才能得到更准确的分析结果，更好地评价噪声波形信号的整体水平。若直接分析行车噪声波形信号的频域波形，由于噪声信号处理结果复杂，很难进行准确有效的定量分析。频谱分析通过在所研究的频域内采集声波信号来解释声波的频率结构，并构造图形以此进行具体分析。本研究的频率范围与人类听觉系统的感知范围一致，为20～20000 Hz。在噪声声谱的具体分析过程中，采用1/3倍频程方案进行比较，其中横坐标为中心频率，纵坐标为研究声级，绘制1/3倍频程直方图进行分析，如图6所示。

由图6可以得到第i个频带声压级Lp(i)，噪声的线性总体声压级Lp可以通过式(1)计算得到。

Lp=10lg(10Lp(1)/10+10Lp(2)/10+…+
10Lp(n)/10)

(1)

在40 ℃路面温度下，行驶噪声信号在不同行驶速度条件下对应的线性总声压级如图7所示，在60 km/h行驶速度下，行驶噪声信号在不同路表温度条件下对应的线性总声压级如图8所示。

图7 不同行驶速度下线性总体声压级(40 ℃路面温度)

图8 不同路面温度下线性总体声压级(60 km/h车速)

通过对普通城市道路远场试验的行驶噪声信号波形分析，发现随着行驶速度和路面温度的变化，整体线性声压级变化明显。当车速为40 km/h，路面温度为40 ℃时，线性总声压级为91.18 dB。随着车速提高到80 km/h，整体声压级可达94.31 dB。从数值上看，当试验车速翻倍，相应的行驶噪声线性整体声压级提高了3.43%。然而，从声压级的定义来看，当线性总声压级为91.18 dB时，有效声压pe为0.72 Pa，当线性总声压级为94.31 dB时，有效声压为1.03 Pa，这意味着当行驶速度从40 km/h增加到80 km/h时，有效声压增加了43.1%。

当路面温度为10 ℃，行驶速度为60 km/h时，线性总声压级为94.93 dB，换算成有效声压pe为1.12 Pa；随着路面温度升高至50 ℃，总声压级降至91.95 dB，换算成有效声压pe为0.79 Pa，根据上述计算方案，随着路面温度的升高，整体声压级仅下降3.1%，换算成有效声压pe，有效声压下降28.2%。

与常规城市路面行驶噪声试验结果相比，安装隔声板的路面行驶噪声总体线性声压级略高，因为隔声板能将声波反射到环路域，同时降低了行驶噪声对路面的影响导致道路区域内的整体声压级增加。简化隔声板对声波的反射作用，近似可视为同一声压级的另一点声源，根据声压叠加原理，总声压级可提高3 dB。但噪声在实际行车场景中，在传播过程中会被周围环境不断消耗能量，而隔声板本身并不能反射所有的噪声声波。另外，声波频率的高低对声波传播过程中的能量消耗具有较大的影响。当声波频率较高时，能量消耗较小，当声波频率较低时，能量消耗较大。当路面温度为40 ℃、行驶速度为40～80 km/h时，采用隔声板的道路噪声平均线性总声压级比常规道路高1.24 dB；当行驶速度为60 km/h、路面温度为20～50 ℃时，采用隔声板的道路噪声平均线性总声压级比常规道路噪声平均线性总声压级高1.49 dB。

2.2 近场测试结果分析

对常规路面、装有隔声板路面、隧道和高架路面进行近场试验，并分析其试验结果，得到了行车噪声的时域波形。与远场测试相比，近场测试的结果更稳定。

使用A计权声级评价方法对近场试验的试验数据进行分析，发现声波信号耗散最多的为低频部分。把测试得到的噪声1/3倍频程谱与40 phon弗莱彻芒森曲线倒置曲线的A计权校正频谱相加，得到行驶噪声声波的A加权1/3倍频程谱，最后计算A计权总体声压级。近场测试结果汇总如图9，10所示。

图9 不同行驶速度下A计权总体声压级

图10 不同路面温度下A计权总体声压级

观察可发现，在相同的行驶速度和路面温度下，四种情况车辆行驶噪声的A计权总声压级为：隧道路面最大；其次为装有隔音板路面和常规城市路面；高架路面的总体声压级最小。这取决于道路周围障碍物对噪声声波的整体反射，而隧道路面周围是由比较光滑的水泥材料砌成的，对行车噪声具有较为明显的反射作用，这也是隧道路面噪声的总体声压级最大的原因。对试验数据进行分析得到，当路面温度为40 ℃、行驶速度为40～80 km/h时，隧道路面行车噪声的A计权总体声压级与高架路面相比大4.88 dB；当行驶速度为60 km/h、路面温度为10～50 ℃时，隧道路面行驶噪声的A计权总体声压级与高架路面相比大4.36 dB。

通过分析四种场景下车速改变时轮胎-路面噪声A计权总体声压级的变化发现，随着车速的增长，行驶噪声明显增加。在路面温度保持在40 ℃的条件下，随着行驶速度从40 km/h提高到80 km/h，常规路面噪声从86.91 dB增加到91.92 dB，增加率为5.8%，有效声压增加率为78.0%；装有隔声板的道路噪声由89.61 dB增加到95.18 dB，增幅为6.2%，换算有效声压增幅为89.9%；隧道路面噪声和高架路面噪声分别增长了4.7%和5.8%。在车速为60 km/h的情况下，当试验路面温度从10 ℃升高到50 ℃时，四种方案的A计权总体声压级降低率分别为7.7%，6.7%，7.2%，7.4%，相应的有效声压降低率分别为46.9%，45.2%，45.5%，43.1%。

与远场试验结果相比，近场A计权1/3倍频程谱分析得到的总体声压级与行驶速度和路面温度有更为显著的关联性。分别对两种试验结果中噪声水平与行车速度和路面温度的关系进行了拟合，拟合结果见表1。根据远场和近场，在拟合结果中画出R2的箱型图，如图11所示。

图11 远场及近场拟合结果中R2关系图

表1 不同条件下噪声水平关系拟合结果

以A计权总体声压级评价近场试验结果，与试验控制的行驶速度和路面温度变化线性有较好的拟合关系。远场线性分析的中位数R2为0.9610，均值为0.9483，1.5IQR范围的上下限分别为0.9845，0.8866，25%～75%的范围为0.9137～0.9832；近场线性拟合结果的中位R2为0.9901，平均值为0.9795，1.5IQR的上下限分别为0.9989，0.9720，25%～75%的范围为0.9738～0.9939。这可能是由于近场测试受周围环境的影响较小，因此更有利于分析不同条件对道路区域行驶噪声的影响。而在远场试验结果中，汽车发动机的声音、周围障碍物反射等因素对行驶噪声的测试结果产生较显著的影响。另外，采用A计权1/3倍频程频谱对行车噪声进行了分析，1～15号频段(即中心频率20～500 Hz)的校正值ΔLA可达到-50.5～-3.2 db，它能大大减轻低频ΔLA噪声穿透性差引起的整体声压级变化的权重，进一步突出630～10000 Hz。