城市道路交通噪聲頻率特性及分布

孫鳳英，蘇男

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

城市道路交通噪聲頻率特性及分布

孫鳳英，蘇男

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

為探明城市道路交通噪聲頻率特性及分布特點(diǎn)，選取哈爾濱市4個(gè)區(qū)域的8條道路對(duì)其進(jìn)行頻率監(jiān)測(cè)。利用聲能量和頻率重心計(jì)算公式，分析各條道路的低頻段、中頻段、高頻段能量分布及其頻率重心。結(jié)果表明：城市道路交通噪聲頻段聲能量主要呈現(xiàn)為中低頻特性，且以低頻為主；城市道路交通噪聲的頻率重心主要分布于100～400 Hz，集中分布在200～250 Hz；噪聲頻率隨水平距離的增加衰減程度不同，距離越大，衰減越明顯；不同類型道路的交通噪聲頻率特性隨車速、車流量以及車型的變化而不同，在分析噪聲頻率特點(diǎn)時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種因素的影響。對(duì)不同頻率特性的道路交通噪聲頻率特性及分布的研究，將為今后依據(jù)交通噪聲頻率特性選擇更合理的降噪方法提供理論依據(jù)。

道路交通噪聲；頻率特性；聲能量；頻率重心

0 引言

隨著我國機(jī)動(dòng)車保有量的爆發(fā)式增長，城市道路交通噪聲成為城市中的主要噪聲源。根據(jù)《2015年中國環(huán)境狀況公報(bào)-聲環(huán)境》顯示，全國城市晝間區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量平均值為54.1 dB(A)，晝間道路交通噪聲平均值為67.0 dB(A)；其中，道路交通聲環(huán)境質(zhì)量為一級(jí)的城市占65.4%，比2014年下降3.5個(gè)百分點(diǎn)；二級(jí)至四級(jí)城市所占比例均有不同程度的上升，二級(jí)城市上升1.5%、三級(jí)城市上升1.0%、四級(jí)城市上升1.3%個(gè)百分點(diǎn)；相比之下，五級(jí)的城市比2014年下降0.3個(gè)百分點(diǎn)[1]。全國城市0～4a類功能區(qū)達(dá)標(biāo)率同比2014年均不同程度上升，4 b類功能區(qū)晝間達(dá)標(biāo)率同比下降，4 a類功能區(qū)(即：交通干線兩側(cè)區(qū)域)夜間噪聲污染較為嚴(yán)重；城市區(qū)域聲環(huán)境質(zhì)量總體保持穩(wěn)定；城市道路交通噪聲強(qiáng)度總體有所升高[2]。研究表明，長期生活在噪聲污染的環(huán)境中會(huì)對(duì)人體健康造成不良影響[3]。有數(shù)據(jù)[4]顯示，汽車在正常行駛中產(chǎn)生的噪聲為80～90 dB(A)，高峰時(shí)車流噪聲接近100 dB(A)。因此，需要重視噪聲，特別是城市道路交通噪聲，最大限度的降低噪聲的影響。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于城市道路交通噪聲方面進(jìn)行了大量的分析和研究工作，對(duì)于城市道路交通噪聲特性進(jìn)行了相關(guān)研究。李本綱[5]、羅鵬[6]等分別對(duì)城市道路交通噪聲進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，并提出了相應(yīng)的防治和減噪措施；賈繼德[7]、孫嵩松[8]等深入分析了汽車噪聲聲源的特性和聲功率級(jí)；居浩[9]、梁常德[10]、徐洪波[11]等主要分析了車速、車流量和道路寬度等參數(shù)對(duì)城市道路交通噪聲的影響。葉慧海等選取北京市三條不同類型道路進(jìn)行交通噪聲測(cè)試分析，小型車占大部分，噪聲能量主要集中在中頻段[12]；Hai Yen Thi Phan等發(fā)現(xiàn)車輛種類不同，噪聲特性差異顯著[13]；Torija Antonio J等就城市道路交通噪聲中低頻成分的相對(duì)重要性進(jìn)行了研究，證明城市交通噪聲頻譜中不同部分變化產(chǎn)生的影響取決于該情況下占據(jù)優(yōu)勢(shì)的頻譜部分[14]；Zuo等對(duì)加拿大多倫多市交通噪聲在時(shí)間和空間上的變異進(jìn)行了分析[15]。

但是，目前國內(nèi)外交通噪聲的降噪方法研究主要以聲強(qiáng)為主，對(duì)于綜合分析噪聲頻率的研究尚且較少。僅考慮聲強(qiáng)的降噪方法及措施在現(xiàn)實(shí)情況的適用性并不理想，對(duì)于綜合考慮不同道路噪聲頻率特性進(jìn)行方法的選擇和評(píng)價(jià)則更為合理。本研究于2016年10月根據(jù)哈爾濱市內(nèi)主要交通干線的道路等級(jí)、車流量、車型比、路面條件、地理位置及道路兩側(cè)的聲學(xué)環(huán)境，選取8條代表性道路噪聲頻率特性及分布進(jìn)行分析研究。與2015年數(shù)據(jù)項(xiàng)結(jié)合，綜合分析噪聲頻率變化狀況。本文研究結(jié)果對(duì)城市道路交通噪聲進(jìn)行實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)以確定道路交通噪聲在不同頻率下的聲壓級(jí)分布有重要的意義和推廣價(jià)值。

1 噪聲采樣

1.1 典型道路選取

本文根據(jù)哈爾濱市內(nèi)主要交通干線的道路等級(jí)、車流量、車型比、路面條件、地理位置及道路兩側(cè)的聲學(xué)環(huán)境選擇8條具有代表性的道路作為研究對(duì)象，分別為：①雙擁路、②友協(xié)大街、③尚志大街、④哈平路、⑤和興路、⑥征儀路、⑦南直路、⑧南極街。上述道路主要集中分布于哈爾濱市的主城區(qū)，其中包括香坊區(qū)、南崗區(qū)、道里區(qū)、道外區(qū)以及平房區(qū)。

1.2 測(cè)點(diǎn)選擇

監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在交通干線交叉口的路邊人行道上，兩交叉口50 m以上，路段不足100 m的道路選擇路段中點(diǎn)處，此處距道路邊緣20 cm。監(jiān)測(cè)儀器距地面的垂直距離大于1.2 m，與測(cè)量者身體距離應(yīng)不小于1.5 m。每次每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量10 min，每個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)量3次后取平均值。

1.3 測(cè)量時(shí)間

本次測(cè)量的時(shí)間從2016年10月下旬開始到11月初結(jié)束，選擇星期一至星期五的正常工作日，每條道路交通噪聲監(jiān)測(cè)工作在平峰時(shí)段進(jìn)行，上午為8：30 ～11：30，下午為14：00～17：00進(jìn)行。

1.4 測(cè)量儀器及條件

測(cè)量儀器為HS6288B型噪聲頻譜分析儀，根據(jù)JJG188-2002《聲級(jí)計(jì)檢定規(guī)程》檢測(cè)合格，測(cè)量前使用聲級(jí)計(jì)校準(zhǔn)器校準(zhǔn)后進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在風(fēng)速不大于5.5 m/s，無雨、雪的氣象條件下進(jìn)行測(cè)量。

2 頻率分析

2.1 噪聲頻率

圖1 道路交通噪聲頻譜圖Fig.1 Frequency spectrum of road traffic noise

城市道路交通噪聲頻率特征如圖1所示。由圖1可知：道路交通噪聲覆蓋了低、中、高 3個(gè)頻段，是寬頻噪聲。各頻率成分的聲壓級(jí)在500～2 kHz頻段有一定程度的增加，這直接取決于車輛鳴笛；聲壓級(jí)60 dB以上的噪聲主要由2 kHz 以下的中低頻聲音構(gòu)成，1 kHz以上的噪聲基本隨頻率增加而對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)逐漸降低，低頻和中頻成分較多。有研究者將聲源頻譜中最大聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)頻率所在頻段作為該噪聲的主要影響頻段[16，19]。據(jù)此可以得出在所測(cè)8條道路中，噪聲最大聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)頻率均位于低頻范圍。其中①和②最大聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)的頻率為31.5 Hz，其余6條道路噪聲最大值對(duì)應(yīng)的頻率為63 Hz。于此同時(shí)，在63 Hz和1 kHz處出現(xiàn)兩個(gè)峰值，該頻段附近是道路交通噪聲治理重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.2 噪聲聲頻段能量

根據(jù)ISO226-1987[17]規(guī)范的規(guī)定，將噪聲劃分為20～200 Hz(低頻噪聲)、200～2 000 Hz(中頻噪聲)和2 000～20 000 Hz(高頻噪聲)[18]。但由于沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，頻段的劃分在不同的研究中有所不同[19]。為了便于研究道路交通噪聲頻率特性，把劃分的頻帶與倍頻程中心頻率對(duì)應(yīng)。倍頻程是指以31.5 Hz、63 Hz、125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 kHz、2 kHz、4 kHz和8 kHz這9個(gè)頻率劃分的頻帶。本研究采集的每組噪聲頻率數(shù)據(jù)中，包括了中心頻率為31.5 Hz到8 KHz的9個(gè)中心頻率噪聲值，把中心頻率為63 Hz到200 Hz為低頻段，250 Hz到1 KHz劃分為中頻段，2 KHz到8 KHz劃分為高頻段。

根據(jù)倍頻程分析結(jié)果，利用聲能量計(jì)算公式，計(jì)算各頻段聲能量占噪聲總能量比率為[19～20]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ηI為各頻段聲能量占總噪聲能量的比值；EI為各頻段聲能量；E總為總聲能量；ηI為各頻段聲壓；P總為總聲壓；LI為各頻段聲壓；L總為總聲壓；LIi為各頻段各倍頻程聲壓級(jí)。

根據(jù)公式(1)(2)(3)計(jì)算各功能區(qū)道路噪聲聲能量按頻率分布特性，見表1。

表1 2016年道路交通噪聲頻段聲能量分布Tab.1 Acoustic energy distribution of road traffic noise in 2016

由表1可以看出，城市道路噪聲聲能量主要集中于中低頻，且以低頻為主。其中③和④低頻段噪聲所占比例顯著，①和⑦中頻段噪聲所占比例較大。

2.3 頻率重心

從道路交通噪聲頻譜圖可以看出，交通噪聲曲線的變化趨勢(shì)平緩，峰值不明顯，因此采用頻率重心[21-23]的分析方法，計(jì)算每條道路的頻率重心，以分析道路交通噪聲頻率特性。頻率重心SGC是噪聲頻譜的幾何重心，計(jì)算公式見公式(5)：

(5)

式中：i為倍頻程中心頻率序號(hào)，取值范圍為{31.5，63，…，8k}；B為倍頻程對(duì)應(yīng)的中心頻率；L為中心頻率聲壓級(jí)，dB(A)。

圖2 2016年道路交通噪聲頻率重心集中分布Fig.2 Road traffic noise frequency concentrated distribution inter annual comparison in 2016

由圖2可以看出，2016年道路交通噪聲頻率重心分布在100～400 Hz之間，集中分布在200～300 Hz。其中②和⑦的頻率重心屬于低頻段，其余6條道路頻率重心分布于中頻段。2015年的頻率重心在100～600 Hz變動(dòng)分布，僅②的重心位于低頻段，其余7條道路均位于中頻。

3 測(cè)量結(jié)果比較分析

3.1 噪聲聲能量分析

通過圖3可以看出相比于2015年而言，2016年上述8條道路的噪聲聲能量分布均有不同程度的由中頻段向低頻段移動(dòng)，高頻段所占比例無明顯變化。②、③和⑥中低頻變化顯著，⑦變化幅度很小。與2015年相比，低頻段噪聲聲能量增加百分比：①28.16%、④19.02%、⑤11.94%、⑧19.89%；中頻段聲能量減少百分比分別為：①28.25%、④18.80%、⑤13.62%、⑧22.07%。由以上數(shù)據(jù)可以看出，2016年與2015年相比，道路交通噪聲低頻段比例顯著增大，聲能量總體特征由中低頻變化為低頻，這與《2016年哈爾濱環(huán)境狀況公報(bào)》中顯示道路聲環(huán)境質(zhì)量由二級(jí)(較好)直降為四級(jí)(較差)密切相關(guān)。

圖3 2015～2016年交通噪聲聲頻段能量分布比較Fig.3 Comparison in frequency range energy distribution of traffic noise from 2015 to 2016

3.2 頻率重心分析

與2015年數(shù)據(jù)相比較，2016年道路交通噪聲頻率重心整體有所下移，如圖4所示。2015年的頻率重心主要分布在中頻段(250 Hz

3.3 典型道路交通噪聲頻率特性分析

從哈爾濱市典型道路測(cè)試結(jié)果可以看出，道路交通噪聲主要呈現(xiàn)中低頻特性，且以低頻特性為主，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況分析，其低頻段部分主要是由車輛系統(tǒng)中的動(dòng)力和排氣系統(tǒng)等組成，并且公交車的動(dòng)力系統(tǒng)的低頻特征尤為明顯，而1 000 Hz頻帶的噪聲出現(xiàn)峰值的原因則主要是因?yàn)閯x車、鳴笛產(chǎn)生。這與以往研究得出結(jié)論基本一致[24]。

道路交通噪聲頻率特性主要與車流量、車型和車速有關(guān)，車輛類型不同，車輛產(chǎn)生噪聲的中心頻率、聲能量集中分布的頻率范圍均不相同[26]。不同類型車輛的噪聲頻率分布見表2。

圖4 道路交通噪聲頻率重心分布年際比較Fig.4 Road traffic noise frequency center of gravity distribution from 2015 to 2016表2 車輛噪聲頻率分布Tab.2 The frequency distribution of vehicle noise

車型噪聲峰值中心頻率頻段聲能量小型車1kHz1k～2.5kHz中型車500Hz400Hz～2.5Hz大型車63Hz400Hz～2.5Hz公交車低頻10Hz～315Hz

小型車和中型車噪聲總體呈中高頻特性；大型車總體呈中低頻特性；而公交車則主要以低頻為主，呈現(xiàn)出與其他大型車不一樣的規(guī)律[25-26]。車輛類型不同，聲能量集中分布的頻率范圍也不同。

城市內(nèi)道路交通噪聲頻譜的低頻段非常突出，說明低中速行駛的車輛排放的低頻噪聲污染對(duì)城市道路交通噪聲有很大影響[27]。車速較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)為主要噪聲源；隨著車速的增加，輪胎噪聲逐漸成為主要噪聲。隨著車速的增加小型車噪聲聲能量變化趨勢(shì)明顯，且向中高頻段集中，中型和大型車變化不明顯，公交車噪聲聲能量仍以低頻為主。

①和②均是位于哈爾濱市平房工業(yè)區(qū)地段，雙向四車道，屬于城市次干路。如圖5所示，兩條道路的聲頻段能量和頻率重心存在明顯差異。而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)環(huán)境可知，①相較于②而言，大貨車、工程車以及中型車較多，而大中型車輛的能量主要集在中頻段；車流量較大，小型車的數(shù)量多于②大街，使得高頻段聲能量略高于①；車速增加時(shí)不僅噪聲強(qiáng)度增加，而且汽車噪聲中的主要成分向高頻方向偏移，也就是說，車速越大，小型車越多，交通噪聲的頻率越偏向于高頻成分[27-29]，因此，①的中頻段聲能量比例較為顯著；②的車流量小，主要車型為小型車和公交車，公交車的低頻發(fā)揮主要作用，所以友協(xié)大街的低頻段聲能量更為突出。

③、④、⑤以及⑧是分別位于道里區(qū)、香坊區(qū)、南崗區(qū)、道外區(qū)的4條城市快速路，車流量大、車速快、車型比較為復(fù)雜，但能量主要集中于低頻段，但頻率重心略有不同。③和④頻率重心位于低頻段，而⑤和⑧2條路則位于中頻段。③和④位于繁華的商業(yè)區(qū)附近，公交車數(shù)量較多，車速較慢，此時(shí)以發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲為主，而發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是主要是低頻噪聲為主，頻率重心會(huì)向低頻方向移動(dòng)。較③和④而言，⑤和⑧車速較快，平峰時(shí)段不存在擁堵現(xiàn)象，此時(shí)輪胎噪聲為主要噪聲，故其頻率重心會(huì)移動(dòng)到中頻段。

⑥和⑦均是位于二環(huán)路上的城市快速路，盡管分別位于香坊區(qū)和道外區(qū)，但其車流量、車速和車型比差別并不大，根據(jù)圖5可以看出，其噪聲聲能量分布和頻率重心所處位置相近。

圖5 道路交通噪聲頻率分布Fig.5 The frequency distribution characteristics of road traffic noise

3.4 道路交通噪聲頻率橫向衰減

為分析交通噪聲頻率隨水平距離的橫向衰減，測(cè)點(diǎn)在哈平路選擇四個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的中心頻率的噪聲值進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)記錄Leq值。測(cè)量時(shí)各測(cè)點(diǎn)離地面1.2 m，每一測(cè)點(diǎn)測(cè)量10 min，每個(gè)測(cè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)量3次后取平均值。測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知。道路交通噪聲頻率隨水平距離的變化呈現(xiàn)相似的規(guī)律性，整體呈下降趨勢(shì)，在63 Hz處時(shí)噪聲值最大，1 kHz是次大噪聲值，8 kHz是時(shí)噪聲值最小。測(cè)點(diǎn)距路邊的距離由小到大，衰減程度分別為：0.9～6.3、3.8～8.6、4.8～9.0 dB(A)。各測(cè)點(diǎn)距路邊0.5、5、10、25 m的Leq值分別為：83.5、79.9、77.7、74.7 dB(A)。由此可以看出，Leq值高的位置，相應(yīng)的頻段噪聲值也會(huì)高。

圖6 哈平路交通噪聲頻率橫向衰減分布Fig.6 Traffic noise frequency lateral attenuation distribution of Haping Road

4 結(jié)論

(1)城市道路交通噪聲頻率呈現(xiàn)中低頻特性，且以低頻為主。噪聲頻譜整體上呈寬頻帶特性，倍頻程頻譜的基本走勢(shì)為隨著頻率的增加到63 Hz 附近出現(xiàn)噪聲級(jí)峰值，之后隨頻率的增加噪聲級(jí)逐步下降，到1 kHz附近噪聲級(jí)又略有增加，之后隨頻率的增加噪聲級(jí)逐步下降；

(2)交通噪聲頻率重心分布在100～400 Hz，集中分布在200～250 Hz。其中南直路、友協(xié)大街的頻率重心屬于低頻段，其余6條道路頻率重心分布于中頻段。

(3)噪聲頻率隨水平距離的增加其衰減程度不同，距離越大，衰減越明顯；各測(cè)點(diǎn)在各頻段的頻率特征具有相似性，即63 Hz為噪聲值最高點(diǎn)，1 kHz為次高低，噪聲頻率總趨勢(shì)隨頻率的增加而降低；Leq值越高，相應(yīng)頻段的噪聲值也會(huì)越高。

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[29]喬建剛，梁曉琳.低噪聲路面的動(dòng)力響應(yīng)分析[J].公路工程，2014，39(6)：138-141.

Frequency Characteristics and Distribution of Urban Road Traffic Noise

Sui Fengying，Su Nan

(School of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to investigate the frequency and distribution characteristics of urban road traffic noise，this paper selects 8 roads of 4 areas in Harbin to carry out frequency monitoring.The sound energy and frequency center of gravity formulas are used to analyze low，middle and high frequency energy distribution and frequency center of the roads.The results show that the sound energy of urban road traffic noise is mainly low and middle frequency and the low frequency plays a dominant role.Furthermore，the frequency center of gravity is distributed in 100～400 Hz and is mainly distributed in 200～250 Hz.Attenuation of noise frequency varies with the increase of horizontal distance.The greater the distance is，the more the frequency attenuates.Traffic noise frequency of different types of roads varies with speed，vehicle flow and vehicle type and the influence of various factors should be considered while analyzing noise frequency characteristics.The study on the frequency characteristics and distribution of road traffic noise with different frequency will provide a theoretical basis for choosing a more reasonable noise reduction method based on the traffic noise frequency characteristics.

Urban road traffic noise；frequency；sound energy；frequency center of gravity

2016-12-13

哈爾濱市科技局學(xué)科帶頭人專項(xiàng)基金項(xiàng)目(2012RFXXS089)

孫鳳英，教授。研究方向：交通運(yùn)輸管理與安全。E-mail：sfy7811@163.com

孫鳳英，蘇男.城市道路交通噪聲頻率特性及分布[J].森林工程，2017，33(3)：104-109.

U 491.91

A

1001-005X(2017)03-0104-06