永安市巴溪河生态泄水坝声音特性分析

范建强，陈晋琪，李凤滨

(福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000)

“声景”(soundscape)一词最早是由默里·沙弗[1](R.Murray Schafer)于1977年提出的，其研究侧重人对各类声音的感知反馈，它涉及工程、社会、心理学科交叉，被认定是一种资源[2]，可作为水利工程景观设计一项重要参数。目前，国内水利工程景观设计项目较为丰富，常见的有城市河流景观[3]、生态景观、水利工程、公园景观等领域，而这些景观设计主要以视觉美、生态美作为重要指标，以声景作为水利工程设计指标的，国内仍然比较少见。国内声景理引入时间在2004年[4]，其研究领域以古典园林、城市环境、建筑环境等研究为主。如今，城市滨河两岸成为居民休憩的重要场所，好的泄水声能够使人愉悦，不好的泄水声使人觉得嘈杂。泄水声音设计则显得尤为重要，契合幸福河构建的时代背景，同时对城市滨水河岸的土地建设及发展规划策略拟定具有重大意义。

1 工程概况

本文研究河段为永安市内巴溪河局部河段，地理标识为埔岭路～石门路河段，该河段中心线长度约5568m，平均河宽介于38～52m。沿河两岸开发建设多个居民区，多处住宅边界临河布置，距河道直线距离20～200m不等。

通过对沿河响度观测，泄水声音嘈杂点位多见于在坝段集中泄水、跌水及急流处，其中位于巴溪河段上游、埔岭路跨河大桥上游110m断面位置的生态泄水坝，声音尤为嘈杂。该生态泄水坝为溢流坝，坝体由块石堆积而成、拦河而筑，已知坝高1.2m、坝宽52m、坝坡长度2.73m、坝坡成三角态，其倾角约为30°，声音源于坡面泄水与跌水，坝坡块石不规则排列，直径30～50cm不等。该坝体泄水声音源于高度跌水、陡坡急流，如图1所示。

图1 永安市巴溪河生态景观坝泄水图

2 参数测量说明

2.1 流量测量

由于该河段水文测验设施不健全，对该河段的流量测定存在偏差，本文流量计算采用下式：

式中，m—流量系数，对于该折线堰，m值介于0.38～0.40之间；ε—测收缩系数；σs—淹没水头损失系数，近似取值为10；B—测量断面宽度，m；h—堰上总水头，m。

2.2 声音测量

声音测量是声景的重要组成部分。声音的表征通常有响度(振幅)、音调(频率)、音色3个指标。其中，音色反应的是音调的听觉品质，主要与材料、结构有关，本次声音测量主要针对响度、音调2个指标。

响度及频谱测量可采用Audio tool测量软件(版本8.3.2)，并搭配美国Dayton公司生产的imm-6麦克风进行，数据表明，该法测量准确度与音频专业测量(Umik-1麦克风及专业声音分析软件REW)结果偏差不大，基本满足测量及数据分析要求。通过测量，可以获得响度(声压级SPL)、频谱曲线(可导出数据)等，其测量软件界面图及imm-6麦克风如图2—3所示。

图2 Audio tool软件频响曲线测量界面

图3 泄水声音测量麦克风imm-6

Imm-6麦克风的性能指标：精密6mm全指向型麦克风，校准后测量频率区间为18～20000Hz，最大声压127dB，灵敏度10Mv/Pa，信噪比约70dBA，校准文件编号99-46216。

2.3 测量点位说明

该泄水坝上下游河势、河岸顺直，声音测量时沿河布设，考虑到设备布设及声音采集位置的便利性，本次声音测验选在泄水坝左岸河堤护栏顶上，栏杆所在平面高程高出坝顶3.1m，测量期间，测量麦克风统一指向坝体泄水中心，测验点位间隔等距布设。

3 相关测量成果

3.1 测验背景音

为减小背景音对水声测验数据成果的影响，本文水声测验均选择在无风气候条件下，测验时段均选在6：20-7：20为宜。通过多组测算，在安静环境下，背景等效连续声压Leq(C)值在48～51dB区间范围，而水流测验时响度值均在60dB以上，依据GB 3785—2010《声级计电声性能及测量方法》，两者相差大于10dB，可忽略背景音对水声影响。

3.2 生态泄水坝泄水声音响度衰减特性

水流声音源于水体之间或水体与边界的撞击或摩擦，人耳对水流的第一响应，最为直接的参数指标就是水流响度。在进行响度测量时，应使用声级计或使用经过校准的麦克风进行测量，手机自带麦克风未经校准，测量偏差较大，如图4所示。

图4 生态坝泄水声音响度衰减图(未校准)

由图4可知，手机麦克风的响度衰减速度基本上呈线性，顺流衰减速度约0.187db/m，而逆流衰减速度约0.6db/m。

泄水响度沿程衰减为指数型曲线，如图5所示，经过SPSS软件非线性回归拟合，本次测验顺流向衰减方程为f(x)=58+22.29e-0.023x，R2=0.996；逆流向衰减方程为f(x)=55+24·e-0.044x，R2=0.977。从衰减过程来看，顺流向与逆流向的衰减过程曲线相差不大，近坝逆流向衰减幅度较大，其声音传播过程受到阻隔，同时表明坝体坡面或跌水是泄水声音主要区域。

图5 生态坝泄水声音响度衰减图(校准后)

3.3 泄水坝频谱特性

除了响度外，音调(频率)也是声音的重要表征。由于人耳对不同频率的响度感受是不同且非线性的，为模拟人耳对不同频段的敏感度，通常采用能够模拟人耳听觉特性的滤波器，将电信号修正为与人耳主观听感接近的程度。美国国家标准协会ANSI于1936年制定了A、B、C计权标准，即从等响度曲线中选取40、70、100方3条曲线作为典型参考，本文选用C计权标准。

泄水水流是动态的，其频谱图理论上也应该是实时动态变化的，然而，通过长期连续观测，泄水水流的频谱是呈周期性变化，且各频率的连续等效声压级浮动幅度很小，可以做均值化处理。

在某泄水流量下(Q≈20m3/s)，每间隔T=1min采集到的各频率连续等效声压值标准差值均小于1，即频谱波动幅度随时间的变动不大，见表1。通过均值化处理，可以得到泄水声景频谱柱状图，如图6所示。

表1 泄水坝泄水频率与对应连续等效声压级 单位：dB

图6 生态泄水坝均值化泄水声音频谱图(Q≈20m3/s)

3.4 泄水声音沿程频谱变化特性(顺流向)

生态泄水坝在泄水流量25m3/s(估算值)时，泄水声音主频区间为256～8000Hz，且随着传播距离的延长，各频谱的连续等效声压级均出现不同程度的衰减，如图7所示。

图7 生态泄水坝泄水声音频谱沿河变化图(Q≈25m3/s)

图8 生态坝泄水沿程各频段声压级分布(低频段)

图9 生态坝泄水沿程各频段声压级分布(中频段)

图10 生态坝泄水沿程各频段声压级分布(高频段)

人耳能够感知的频域为20～20000Hz，将可听声按倍频关系可以分成低音、中音、高音3个频段。其中，低音频段20～160Hz，含31.5、63、125Hz 3个频级；中音频段160～2500Hz，含250、500、1000、2000Hz 4个频级；高音频段2500～20000Hz，含4000、8000、16000Hz 3个频级。

低频段(20～160Hz)：在泄水流量为25m3/s时，在顺河泄水100m范围内，低频段频率越高，声压级数值越大；前30m各频率声压级普遍高于后70m；在泄水前30m距离内，频级的声级随距离增加而逐渐升高，在泄水47～90m距离内，频级的声级随距离增加没有明显的变化；前30m同频率下的最低声级值高于47～90m平均声级；在47～90m范围内，125、63、31.5Hz的频级声级均值分别为40、28、13dB。

中频段(160～2500Hz)：在泄水100m范围内，中频段声级随距离衰减，衰减速度约0.19dB/m，沿程定点各频率声级无明显差异。

高频段(2500～20000Hz)：高频段各频级的声级随着距离延长均呈衰减趋势；在泄水定点位置，频级越低，声级越高；频级之间4000与8000Hz的声级各测点为差值几乎为0，16000与20000Hz的各测点声级值差异较大。

4 结语

永安市巴溪河生态泄水坝泄水声音的特性研究结论如下。

(1)泄水坝泄水响度沿程均为指数型衰减曲线，在顺流向衰减速度缓慢，在采用C计权模式下，在距离坝端近100m，响度衰减幅度由80.4dB衰减至60dB。泄水声音主要集中于坝体坡面或跌水，逆流向近坝端的衰减幅度大，源于声音的传播路线受到阻隔。

(2)泄水声音的频谱是周期性变化的，泄水水流的频谱是呈周期性变化，且各频率的连续等效声压级浮动幅度很小，可以做均值化处理。

(3)泄水坝沿顺流向声音频谱变化是不同的，泄水声音主频区间为256～8000Hz，且随着传播距离的延长，各频谱的连续等效声压级均出现不同程度的衰减。

(4)在泄水流量为25m3/s、低频段(20～160Hz)区间，在顺河泄水前30m各频率声压级普遍高于后70m，且前30m距离频级的声级随距离增加而逐渐升高，在泄水47～90m距离内，频级的声级随距离增加没有明显的变化；中频段(160～2500Hz)区间，各频率声级无明显差异，中频段声级随距离衰减，衰减速度约0.19dB/m；沿程定点；在高频段(2500～20000Hz)区间，各频级的声级随着距离延长均呈衰减趋势，4000～8000Hz区间声级衰减曲线差别较小，16000～20000Hz的衰减变化较大。