城市道路交通噪声的频谱特性分析

2023-10-31郑义德王丽娟

环境科技 2023年5期

郑义德，王丽娟，朱曦，罗亮

(西安工程大学城市规划与市政工程学院，陕西西安 710048)

0 引言

道路密集、车流量大是当前我国城市道路的特点[1]，同时因交通噪声所带来的环境问题也日益明显。研究表明，影响交通噪声传播因素主要包括2 个方面[2]：一方面是车流量、车速、车型比和道路平整度[3]及路面材料[4]等因素，决定了交通噪声源的性质；另一方面是监测点与声源的距离、道路两侧的绿化及道路周围的声屏障[5]等因素，决定了交通噪声的传播路径和传播强度。

近年来，众多国内、外学者从多方面对城市道路的交通噪声进行研究分析，但大多数研究及国家标准仍以等效连续声级作为主要评判标准，鲜有综合分析交通噪声全频段规律的研究。事实证明，无论噪声频谱的特性如何变化，A 计权下的等效声级是完全可能相同[6]。所以，在实际操作中仅考虑等效连续声级的各类噪声标准和研究存在一定弊端，无法完全满足标准和人主观感受的统一，故综合考虑交通噪声的全频段特性再总结交通噪声规律则更为全面和严谨。

2022 年6 月下旬至8 月中旬，根据陕西省西安市主要交通道路的道路等级、车流量、车型比（即不同类型车辆的比值）及地理位置等参考因素，选取9条具有代表性道路对该城市道路交通噪声特性进行研究分析。同时引入声频段能量和频率重心分析不同等级道路的交通噪声频谱特性，对城市道路交通噪声的分布规律和影响因素进行讨论，该结果为改善城市道路交通噪声和临街侧降噪的研究提供了一定参考。

1 监测方案

1.1 选取道路

根据西安市内主要道路的等级、车流量、车型比及地理位置等参考因素选择9 条道路（分别为：东三环南段、东三环北段、东二环（长乐公园）、金花南路、咸宁中路、西影路、幸福南路、长乐东路西段以及长乐东路东段）作为监测对象，以上道路分别位于西安市内的4 个区域（碑林区、灞桥区、新城区以及雁塔区），具体道路信息见表1。

表1 监测道路信息

1.2 设置测点

测点设置在所选路段两路口之间的路边人行道上，距离任一路口的距离均大于50 m，当路段不足100 m 时将测点设置在路段的中点处。测点位于人行道上距路面（含慢车道）20 cm 处，距地面的垂直距离为1.2 m，与监测者身体的距离不小于1.5 m。每条道路每个监测时段设置一个测点。同时，测点应避开非道路交通源的干扰，传声器方向指向道路。

1.3 监测时间及内容

监测从2022 年6 月下旬开始至8 月中旬结束，监测时段设置在工作日内（周一至周五）的早高峰时段（7:30 ～9:00）、非高峰时段（9:00 ～18:00）以及晚高峰时段（18:00 ～20:00），每次监测时间为20 min，每个时段至少监测一次，每条道路监测至少进行一个工作日。记录交通噪声的等效连续声级（Leq）和1/3 倍频程频谱，同时观测并记录分车型的车流量。

监测时段选择早、晚高峰，原因是因为此时段通过的车流量较大，对交通噪声的影响也较大，因此，选择此时段作为道路交通噪声监测时段具有较高的参考价值与研究价值。

如果采取人工长期连续监测方式记录车流量，则工作量过大。参照我国现行的GB 3096—2008《声环境质量标准》等相关规范，可按照车流相对稳定时，20 min 内车流量的平均值统计小时车流量。同理，可按照每小时前10 min 的监测结果得到每小时交通噪声的1/3 倍频程频谱。

1.4 监测仪器及条件

监测仪器采用AWA6228+型多功能声级计（噪声分析仪），时间计权特性为“F”档。根据JJG 188—2017《声级计检定规程》检测仪器合格，每次监测前先使用声级计校准器校准后再进行监测。

应在无雨、无雪的天气条件下进行城市道路交通噪声监测，当风速超过5.5 m/s 以上时应停止监测。监测时传声器应加装风罩避免干扰，同时保持传声器清洁。

2 等效声级和等效车流量

2.1 等效声级

按照长度加权的方式评价道路污染水平[7]，根据HJ 640—2012《环境噪声监测技术规范城市声环境常规监测》中道路交通噪声强度的等级划分，具体见表2。由表2 可以看出，所监测道路交通噪声强度等级：咸宁中路、西影路、幸福南路均为二级（较好）；东三环北段、东二环（长乐公园）、金花南路、长乐东路西段以及长乐东路东段均为三级（一般）；东三环南段为四级（较差）。其中，48.15%的测点交通噪声强度等级均为三级（一般），18.52%的测点交通噪声强度等级均为四级（较差），对周围居民的日常生活存在一定的影响。

表2 道路交通噪声强度等级划分 dB（A）

监测道路昼间等效声级及车流量见表3。由表3可以看出，不同监测时段的昼间等效声级有所不同，大部分测点早、晚高峰时段的等效声级均较非高峰时段高0.2 ～1.8 dB（A），推断原因是由于早、晚高峰时段监测道路上车流量均较非高峰时段大。但东三环北段、东二环以及幸福南路的监测结果均与以上规律不相符，其全天等效声级均无明显变化，推测原因是由于东三环北段、东二环均为城市主干路，全天通过的车流量均较大，出现不同规律属正常情况；而幸福南路在实际监测时早高峰时段车流量较少，导致其等效声级也较低。说明等效车流量与等效声级具有较高的相关性。

表3 监测道路昼间等效声级及车流量

以往研究发现，噪声强度随着车速增加而增加，而且噪声中主要成分会向中、高频（1 000 ～2 500 Hz）方向集中[8]。但从实际监测结果中可以发现，由于监测现场道路环境情况的复杂性，道路的昼间等效声级与道路的限速并未出现较高的相关性，尽管不同道路的限速有所差别，而其对应的交通噪声的等效声级并没有太大差别。

2.2 等效车流量

综上可知，昼间等效声级与车流量有着较高的相关性，当车流量相差较大时（如长乐东路和东三环），其交通噪声的等效声级并未出现明显差距。根据JTGB 03—2006 《公路建设项目环境影响评价规范》将车辆分为小型车、中型车和大型车3 类，引入等效车流量进行分析。

等效车流量是根据不同类型的车辆行驶时所产生的声功率级和对交通噪声能量的贡献比例，将各类型车辆的流量按照一定方式计权求和所得到的参数。等效车流量可反应不同类型车辆对交通噪声的影响，同时简化分析变量[9]。将中型车和大型车的车流量转换为小型车的总流量，计算公式如下：

式中：Q 为等效车流量，辆/h；QS为小型车的车流量，辆/h；QM为中型车的车流量，辆/h；QL为大型车的车流量，辆/h；b1，b2为折算系数。

车辆的分类方法和车流量的折算系数参考《高速公路交通噪声监测技术规定（试行）》，详见表4。等效车流量的计算公式：

表4 车型分类和车流量折算

等效车流量与等效声级见图1。

图1 等效车流量与等效声级

由图1 可以看出，等效车流量对交通噪声的影响较为突出。等效车流量较大的道路其交通噪声的等效声级也相对较高。大部分路段在早、晚高峰时段的等效车流量更大，相应产生的噪声等效声级也更高，不同道路的等效声级与其等效车流量具有较高的相关性。

3 频谱特性分析

3.1 1/3 倍频程频谱

各测点的1/3 倍频程频谱见图2。由图2 可以看出，城市道路交通噪声的频谱主要由2 000 Hz 以下的噪声构成，1/3 倍频程频谱整体随频率的增加而对应的声压级则减小。同时发现，所有测点分别在50 ，250 和1 000 Hz 的位置均出现峰值。一些研究将噪声频谱中声压级峰值所对应的频段作为整个频谱的主要影响频段[10]，即50，250 和1 000 Hz这3 个频段可能是整个城市道路交通噪声频谱的主要影响频段。

此外，早、晚高峰时段的频谱与非高峰时段的频谱无明显区别，这与昼间等效声级所展现的早、晚高峰时段均高于非高峰时段的规律并不相同。甚至在一些频段中，非高峰时段对应的声压级明显高于早、晚高峰时段。推测原因与通过车辆类型有直接关系，具体如何影响还有待验证。

3.2 声频段能量

为确认50 ，250 和1 000 Hz 是否为影响整个频谱的关键频段，计算各频段声能量的占比情况，计算公式如下[11]：

式中：ηa为各频段声能量占总声能量的比值；Ea为各频段声能量，J；En为总声能量，J；pa为各频段声压，Pa；pn为总声压，Pa；La为各频段的声压级叠加，dB；Li为中心频率声压级，dB；Ln为总声压级，dB；Lai为各频段在1/3 倍频程中的声压级，dB；i 为1/3 倍频程中心频率序号，取值范围为{20，25，31.5，...，20 000 Hz}。

根据公式（3），（4），（5）计算出所测9 条道路交通噪声的声能量分布特性，具体见图3。

图3 监测道路声能量分布

由图3 可以看出，城市道路交通噪声的声能量主要集中于低频（40 ～63 Hz）范围。同时，频率分别为50，250 和1 000 Hz 频段对应的声频段能量占比均较高，这与图（3）中1/3 倍频程频谱所展现出的规律相对应。其中西影路较为特殊，早、晚高峰时段在25 和50 Hz 的位置声能量占比均较高，推测原因与监测时通过的大型车数量占比较多有关。

此外，不同时段的声能量占比并未呈现出与昼间等效声级相似的规律。

3.3 频率重心

综上，道路交通噪声的主要影响频段均集中在50，250 和1 000 Hz 频段周围。因此引入频率重心进一步分析以上3 个频率段对交通噪声的影响。频率重心SGC（Spectrum Gravity Center）[12-13]可视为噪声频谱的几何重心，是指某一段或全段声功率频谱的平均值，近似可看作声音的“平均音高”。频率重心可描述在频谱中分量较大的信号成分，反映信号功率谱的分布情况。计算公式如下：

式中：Bi为倍频程对应的中心频率，Hz。

监测道路频率重心见表5。由表5 可以看出，所测9 条道路交通噪声的频率重心均集中分布在100～400 Hz 之间，其中以200 ～300 Hz 分布最多，为主要影响频段。在上述噪声频谱分析中，虽然50，250和1 000 Hz 这3 个频段均对整个频谱有所影响，但频率重心最终均集中在250 Hz 周围，说明250 Hz所对应的频段对城市道路交通噪声的影响最大。

表5 监测道路频率重心

4 讨论

由结果分析可知，所监测西安市道路交通噪声的等效连续A 声级均在70 dB（A）左右，70.4%的测点昼间等效声级均超过GB 3096—2008 《声环境质量标准》中4a 类地区（城市快速路、城市主干路、城市次干路两侧区域）所给定的昼间70 dB（A）限值。交通噪声的1/3 倍频程均呈现出中、低频的特性，主要影响频段分别为50 ，250 和1 000 Hz，其中50 Hz的声能量占比最高，250 Hz 为整个频段的频率重心。因此，治理城市道路交通噪声应集中在中、低频段，以50 和250 Hz 为主。

研究发现，小型车的噪声能量主要分布在1 000～2 500 Hz，大、中型车的噪声能量主要集中在400 ～2 500 Hz，公交车的噪声能量主要集中在10 ～315 Hz[14]。说明在车流量中占比最多的小型车反而不是影响交通噪声频谱的最主要原因。因此在治理机动车噪声源及在管理车流量的方案中，均应侧重于低频噪声的治理和以低频噪声为主的车辆（重型车、公交车）的管理。

除了治理噪声源，控制交通噪声传播途径也十分关键。主要方式是在噪声源与临街侧建筑之间设置隔声带，主要形式为城市绿化带和声屏障。城市绿化带中，大多数常见植物的隔声量为4 ～10 dB[15]。不同种类的植物对不同频率的噪声有不同的衰减效果，合理搭配常青针叶、阔叶类绿篱可有效提高绿化带的衰减能力[16]。由于绿化带的设置空间有限，对于城市高架、空间有限的主干道，通常设置声屏障。研究表明，声屏障对1 000 Hz 以上的噪声隔声效果相对较好，隔声量在5 dB 左右，而对500 Hz 以下的噪声隔声效果较差，隔声量一般小于3 dB[17]。对于16，31.5 和63 Hz 的低频噪声，由于其波长大于声屏障尺寸，因而无法达到良好的隔声效果。由此，声屏障的设计应针对其所处路段的噪声频谱和隔声区域与道路的位置关系来调节声屏障的高度[5]。

纵上，城市绿化带和声屏障对临街侧建筑的隔声效果在低频段效果均并不理想。同时，由于声影区的存在，城市绿化带和声屏障对于高层建筑的隔声效果随着楼层的增高均逐渐降低。因此，临街侧建筑的降噪措施中最直接有效的是提高外窗玻璃的隔声性能。当前我国标准对于外窗的隔声性能主要以平均等效声级为判断依据，根据GB50118—2010《民用建筑隔声设计规范》，交通干线两侧卧室、起居室（厅）的窗的空气声隔声性能均应符合计权隔声量+交通噪声频谱修正量（Rw+Ctr）大于等于30 dB 的要求，以保证室内允许的噪声级在昼间小于等于45 dB（A）。同时，对当前市面上常见的隔声窗结构（中空玻璃、中空夹胶玻璃等）均应控制其共振频率尽量避开50，250 和1 000 Hz 这3 个频率段。一般噪声向室内传播过程中遇到障碍物可发生反射，比如噪声到达中空玻璃的第二片玻璃后发生反射，与刚进入中空层的噪声叠加，振幅相同，频率相同，则可形成驻波，尤其是交通噪声非常容易引起125 ～750 Hz 范围的低频驻波。因此当隔声窗户的厚度和钢化度均无法满足标准时则容易引起玻璃的振动，可使噪声更加明显。对此，需在现有中空玻璃（中空夹胶玻璃）的基础上进行不同空气层和玻璃厚度的搭配[18]，改善外窗玻璃在低频段的隔声效果，达到降噪的目的。