單車噪聲排放模型對比

蔣從雙，王文江，李賢徽，張斌

（1.環(huán)境噪聲與振動北京市重點實驗室，北京100054；2.北京市勞動保護科學(xué)研究所，北京100054）

單車噪聲排放模型對比

蔣從雙1,2，王文江1,2，李賢徽1,2，張斌2

（1.環(huán)境噪聲與振動北京市重點實驗室，北京100054；2.北京市勞動保護科學(xué)研究所，北京100054）

針對國內(nèi)外常見的道路交通噪聲預(yù)測模型中的單車噪聲排放模型進行對比研究，詳細分析模型的結(jié)構(gòu)與特點：7.5 m處噪聲大小、不同類型車輛噪聲的差別以及車輛加速狀況與勻速狀況噪聲的差別，并對我國的道路交通噪聲預(yù)測模型研究提出建議。

聲學(xué)；單車噪聲排放模型；道路交通噪聲預(yù)測模型；公交車輛；加速狀況

國外對交通噪聲預(yù)測模型的研究起步較早，許多國家都建立了反映本國特色的交通噪聲預(yù)測模型。這些模型根據(jù)有沒有提出單車噪聲排放模型可以分為兩大類：一類是沒有提出單車噪聲源強模型的，主要有英國的CRTN模型[1]和德國的RLS 90模型[2]。這類模型直接由車流量計算一個噪聲基本值，再對車型比例、速度、衰減距離、路面情況和其他環(huán)境等因素加以修正得來。另一類是提出了具體的單車噪聲排放模型的，主要有美國的FHWATNM模型[3]、法國的NMPB模型[4]、日本的ASJ RTN 2008模型[5]和歐盟近年來提出的HARMONISE模型[6]等，這類模型都是在單車噪聲排放模型的基礎(chǔ)上，考慮車流量、加減速、坡度等修正和距離衰減、地面吸收、大氣吸收等方面的修正計算而來。

我國的交通噪聲預(yù)測模型研究起步較晚，在交通噪聲預(yù)測方面并未形成通用的模型，實際應(yīng)用中較多采用《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則－聲環(huán)境（HJ2.4－2009）》[7]和《公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范（JTG B03－2006）》[8]（簡稱JTG模型），前者采用改進的FHWA模型[9]，但并未提出具體的單車噪聲排放模型，后者給出了不同類型車輛在參考點處的單車噪聲排放模型。近年來，國內(nèi)學(xué)者在單車噪聲排放模型方面也做了大量的研究工作，張玉芬等人[10]在高等級公路（包括柔性、剛性兩種路面）上，對三種車型共22輛車的行駛噪聲作了780多次試驗測定，對測試結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到在離行車線7.5 m處三種車型的行駛噪聲級與車速、路面材料的關(guān)系式；李鋒、蔡銘等人[11]對上千輛機動車在勻速、加速和減速時的噪聲進行了測量，得出勻速行駛狀態(tài)下車輛在參考點處排放的噪聲與速度的關(guān)系和加減速狀態(tài)下的修正值。國家環(huán)境保護城市噪聲與振動控制工程技術(shù)中心[12]對北京市不同區(qū)域不同類型車輛進行測試，分別擬合出離行車線7.5 m處不同類型車輛排放噪聲與速度的關(guān)系。

國內(nèi)外交通噪聲預(yù)測模型中，傳播模型部分差異較小且與ISO 9613-2比較接近[13]；而源強模型部分影響因素眾多，包括：車速、車輛類型、車齡、路面類型、加減速以及路面坡度等，這些影響因素又隨著國家和地區(qū)的不同而不同，因而噪聲源強模型差異較大。本文針對有單車噪聲排放的FHWA TNM模型、NMPB模型、ASJ模型、HARMONOISE模型、JTG模型等進行對比研究，研究內(nèi)容主要包括：模型的結(jié)構(gòu)和特點，7.5 m處噪聲排放大小，不同類型車輛噪聲排放的差值以及車輛加速狀況與勻速狀況排放噪聲差值等。

1 單車噪聲排放模型構(gòu)成及其特點

1.1 模型構(gòu)成

單車噪聲排放強度的影響因素主要有行駛速度、車輛類型、行駛加速度以及道路的坡度等，各單車噪聲排放模型都具有類似的表達形式，均是由車輛行駛速度的函數(shù)關(guān)系式加上源強修正項所構(gòu)成的，如下式所示

式中L為單車排放的聲級；v為車輛行駛速度；f(v)為單車排放噪聲與速度的關(guān)系函數(shù)；b為速度決定系數(shù)；a為模型參數(shù)；ΔL為源強修正項，包括加減速修正和道路坡度修正等。

1.2 模型特點

不同單車噪聲排放模型具有不同的特點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）不同模型中車輛劃分類型不一致，F(xiàn)HWA TNM模型將車輛劃分為小型車、中型卡車、重型卡車、公交車和摩托車五類；JTG模型將車輛劃分為大型車、中型車和小型車三類；NMPB模型和ASJ模型將車輛劃分為輕型車和重型車兩類；HARMONOISE模型主要將車輛劃分為輕型車、中型重型車和重型車三類。各模型均對不同類型車輛提出了不同的模型參數(shù)。

（2）FHWA TNM模型提出的是車輛在15 m處的聲壓級，NMPB模型、JTG模型提出的是車輛在7.5 m處的聲壓級；ASJ模型和HARMONOISE模型提出的是車輛排放的聲功率級。

（3）ASJ模型和JTG模型將車輛簡化為一個點聲源；而FHWA TNM模型、NMPB模型和HARMONOISE模型均將車輛簡化為兩個點聲源，一個主要由發(fā)動機噪聲決定，另一個主要由輪胎噪聲決定。

（4）FHWATNM模型中發(fā)動機噪聲是恒定不變的，與速度無關(guān)；HARMONOISE模型中發(fā)動機噪聲與速度的關(guān)系函數(shù)是線性的，兩個模型的輪胎噪聲和其他模型排放的噪聲與速度的關(guān)系均是對數(shù)函數(shù)。

（5）ASJ模型將車輛運行狀態(tài)分為穩(wěn)定運行狀態(tài)（40～140 km/h）和非穩(wěn)定運行狀態(tài)（10～60 km/ h），JTG模型把車輛運行速度限定在48 km/h以上，NMPB模型對不同速度段分別提出模型參數(shù)。

（6）除JTG模型外，其他模型均考慮了車輛在加速或減速情況下的噪聲排放情況。詳見第4節(jié)。

（7）FHWATNM模型和HARMONOISE模型考慮了車輛排放噪聲的頻譜特性。

2 7.5m處噪聲排放大小

各模型中車輛劃分類型不一致，F(xiàn)HWATNM模型將車輛劃分為小型車、中型卡車、重型卡車、公交車和摩托車五種類型，NMPB模型、ASJ模型和HARMONOISE模型將車輛劃分為輕型車和重型車，JTG模型將車輛劃分為小型車、中型車和大型車。本文選擇小汽車作為輕型車或小型車的代表，選擇常見的公交車（空載總重量在10 t左右）作為重型車或中型車的代表來對不同單車噪聲排放模型作對比分析。

FHWA TNM模型提出的是15 m處的聲壓級，NMPB模型和JTG模型直接給出了單車在7.5 m處聲壓級與速度的關(guān)系，而HARMONOISE模型和ASJ模型給出了單車的聲功率級，只考慮半自由場中距離的衰減將FHWA TNM模型、ASJ模型和HARMONOISE模型轉(zhuǎn)變?yōu)?.5 m處的聲壓級，如圖1和圖2所示。圖中分別給出了不同模型中小汽車和公交車在7.5 m處的噪聲排放大小，其中ASJ模型中速度在20～60 km/h范圍內(nèi)對應(yīng)的曲線為非穩(wěn)定運行階段，速度為40-100 km/h范圍內(nèi)對應(yīng)的曲線為穩(wěn)定運行階段。

從圖1中可以看出，ASJ模型中穩(wěn)定運行階段與其他各模型對應(yīng)曲線的趨勢基本一致，F(xiàn)HWATNM模型在小于55 km/h的速度段排放的噪聲比其他模型??；HARMONOISE模型在大于55 km/h的速度段排放的噪聲比其他模型小；ASJ模型中非穩(wěn)定運行階段比同一速度下其他模型偏高。從圖2中可以看出，各模型對應(yīng)曲線的趨勢基本一致，JTG模型排放噪聲在高速段（＞60 km/h）與其他模型比較接近，在低速段（＜60 km/h）比其他模型偏低，且JTG模型中排放噪聲隨著速度變化的波動大小比其他模型顯著偏大。

3 不同類型車輛噪聲排放的差值

Ramírez等人[14]研究結(jié)果表明：在不同的速度下，德國模型中，重型車排放的噪聲是輕型車的20倍，英國模型中，重型車排放的噪聲是輕型車的4.5～14倍，在北歐模型中，重型車排放的噪聲是輕型車的6～10倍。張繼萍等人[15]應(yīng)用美國的FHWA模型，研究分析了公交車與小型車在單純車輛數(shù)量關(guān)系下和相同運力關(guān)系下的噪聲當(dāng)量等效關(guān)系，得出公交車的噪聲影響平均是小汽車的10～40倍，在相同運力情況下，完全用小汽車完成運輸比用公交車完成運輸產(chǎn)生的噪聲要大4 dB以上；李本綱等人對大量實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到1輛重型車產(chǎn)生的噪聲相當(dāng)于9.12輛輕型車產(chǎn)生的噪聲[16]；魏峻山等人[17]得出相同速度下，大型車的噪聲排放量比小型車的高8.1～11.0 dB；北京市勞動保護科學(xué)研究所[18]調(diào)查了北京市城區(qū)40余條典型道路上的公交車，得出其在20～60 km/h的不同運行工況下，單車聲能排放水平分別達到小型車輛的19～40倍。

圖1 小汽車在7.5 m處噪聲排放大小

圖2 公交車在7.5 m處噪聲排放大小

分析各單車噪聲排放模型中公交車與小汽車噪聲排放的差別，如表1所示?？梢钥闯?，日本ASJ模差值的波動范圍較?。籉HWATNM模型的這個差值的最大值和波動范圍均最大。各模型中公交車與小汽車排放噪聲的差值有較大差別，主要是因為不同模型中車輛劃分標準不同。其中FHWA TNM模型把總重量小于4.5 t的車輛劃分為小型車，大于4.5 t而小于12 t的車輛劃分為中型卡車，大于12 t的車輛劃分為重型卡車，軸數(shù)為2或3且載客量大于9人的車輛劃分為公交車；NMPB模型把總重量小于3.5 t的車輛劃分為輕型車，大于3.5 t的車輛劃分為重型車；JTG模型的劃分標準分別對應(yīng)FHWATNM模型中的小型車、中型卡車和大型卡車。

表1 公交車與小汽車噪聲排放的差別

圖3給出了公交車與小汽車噪聲排放的差值隨速度的變化曲線，圖中可以看出，ASJ模型中公交車與小汽車排放噪聲的差值隨著速度的變化恒定不變；FHWATNM模型、NMPB模型和HARMONOISE模型中這個差值隨著速度的增加而呈下降的趨勢；而JTG模型中這個差值隨著速度的增加呈上升的趨勢，與其他模型的變化趨勢差異較大。

圖3 公交車與小汽車噪聲排放的差值隨速度的變化

4 車輛加速狀況與勻速狀況噪聲排放的差值

這些模型中除JTG模型外，其他模型均考慮了車輛加減速對噪聲排放的影響。FHWA TNM模型給出了車輛在勻速和加速下排放的發(fā)動機噪聲，模型認為車輛的輪胎噪聲與車輛的加減速無關(guān)；NMPB模型中，輪胎噪聲與車輛加減速沒有關(guān)系，而發(fā)動機噪聲在不同的加減速狀態(tài)排放不同的噪聲，模型分別給出了輕型車和重型車在加減速狀況下的發(fā)動機噪聲排放模型。ASJ模型認為車輛駛離交道口或交叉口時處于加速階段，適用速度范圍為1～ 60 km/h，并給出了不同類型車輛加速運行時噪聲排放模型。HARMONOISE模型認為輪胎噪聲與車輛加減速沒有關(guān)系，發(fā)動機噪聲的加減速修正值與加速度大小呈線性關(guān)系。本文針對各模型中車輛加速狀況與勻速狀況排放的噪聲進行研究，表2給出了車輛速度在20～60 km/h時不同模型中車輛在加速狀況與勻速狀況排放噪聲的差值。

從表2可以看出，F(xiàn)HWA TNM模型和NMPB模型中，小汽車在加速與勻速狀況排放噪聲差值的最大值和波動范圍均比公交車大；ASJ模型中公交車和小汽車的這個差值變化范圍相同；HARMONOISE模型中公交車的這個差值的最大值和波動范圍均比小汽車大；不同模型中小汽車和公交車的這個差值隨著速度的變化趨勢分別由圖4和圖5給出，其中，在計算HARMONOISE模型中這個差值時假定車輛加速度為1 m/s2。圖中可以看出，4個模型中公交車和小汽車的這個差值隨著速度的增加而減小，研究結(jié)果均表明車輛加速狀況排放的噪聲比勻速狀況高出很多，尤其在低速運行階段。

圖4 小汽車的加速與勻速狀況的噪聲差值變化

表2 不同模型中車輛在加速與勻速狀況排放噪聲的差值

圖5 公交車的加速與勻速狀況的噪聲差值變化

5 結(jié)論與建議

本文從模型的結(jié)構(gòu)與特點、7.5 m處噪聲排放大小、不同類型車輛噪聲排放的差別以及車輛加速狀況與勻速狀況排放噪聲的差別等方面對比分析了各單車噪聲排放模型的差異。與其他模型相比，JTG模型在單車噪聲排放上分析的還不夠透徹和全面。在很多方面，其他模型的研究方法值得借鑒。

從7.5 m處噪聲排放大小的對比分析中可以看出，JTG模型中公交車排放的噪聲在高速段（＞60 km/h）與其他模型比較接近，在低速段（＜60 km/h）比其他模型偏低，且JTG模型中排放噪聲隨著速度變化的波動大小比其他模型顯著偏大；從不同類型車輛噪聲排放差別的分析中可以看出，其他模型中公交車排放噪聲與小汽車的差值隨著速度的增加基本呈下降的趨勢，而JTG模型中這個差值隨著速度的增加呈上升的趨勢，與其他模型的變化趨勢差異較大。

JTG模型在上述兩方面分析中與其他模型偏差較大，主要因為低速段與高速段排放的噪聲差異較大，把整個車輛看作一個點聲源并且不對速度分段來考察車輛排放的噪聲會引起較大誤差。ASJ模型將車輛行駛狀態(tài)劃分為穩(wěn)定運行狀態(tài)和非穩(wěn)定運行狀態(tài)，F(xiàn)HWA TNM模型、NMPB模型和HARMONOISE模型將車輛分為兩個點聲源來考慮，這種將車輛排放噪聲按不同速度段來考察或?qū)④囕v分為兩個點聲源的方法值得借鑒。

此外，研究表明單車在加速狀況排放的噪聲與勻速狀況差別較大。除JTG模型外，其他模型均考慮了車輛加減速的影響。因而，今后針對單車噪聲排放模型的研究應(yīng)該考慮車輛加減速的影響。

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Comparative Study on Noise Emission Models of an Individual Vehicle

JIANG Cong-shuang1,2,WANG Wen-jiang1,2, LI Xian-hui1,2,ZHANGBin2

(1.Beijing Key Laboratory of Environment Noise and Vibration,Beijing 100054,China; 2.Beijing Municipal Institute of Labor Protection,Beijing 100054,China)

A comparative study on noise emission models of an individual vehicle,which is a significant part of road traffic noise prediction models at home and abroad,is conducted.Those models are analyzed elaborately in the following aspects:structure and characteristics of these models,noise emission at 7.5 m distance,noise emission difference of various vehicle categories,and noise emission difference between accelerating and steady running conditions.Some suggestions for research of prediction models of road traffic noise in our country are proposed.

acoustics;noise emission model of an individual vehicle;road traffic noise prediction model;bus vehicles;acceleration running status

U491.9+1

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2014.02.016

1006-1355(2014)02-0070-05

2013-05-13

北京市自然科學(xué)基金資助項目（8132027）和北京市科學(xué)技術(shù)研究院創(chuàng)新工程項目。

蔣從雙（1989-），男，碩士研究生，主要在研究道路交通噪聲。

E-mail:jcs_bmilp@126.com

李賢徽。

E-mail:lixianh@gmail.com