電動(dòng)汽車引起城市交通噪聲變化初探

邵志躍

（1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233；2.上海城市環(huán)境噪聲控制工程技術(shù)研究中心，上海 200233）

2016年底，上海市常住人口高達(dá)2 419.7萬，中心城區(qū)人口密度超過2.4萬/平方公里，全市機(jī)動(dòng)車實(shí)際保有量高達(dá)400多萬輛，而且持續(xù)增長(zhǎng)。機(jī)動(dòng)車行駛過程中會(huì)產(chǎn)生大量噪聲，困擾道路沿線的居民，給城市環(huán)境帶來不利的影響。

2016年上海市環(huán)境狀況公報(bào)[1]顯示，近5年上海市道路交通噪聲晝間時(shí)段在69 dB(A)～70 dB(A)之間，夜間穩(wěn)定在65 dB(A)左右。我國(guó)GB 3096-2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[2]中規(guī)定，4a類聲功能區(qū)，即交通干線兩側(cè)區(qū)域，晝夜間噪聲限值分別為70和55 dB(A)；另外，城市支路兩側(cè)區(qū)域一般為2類或3類聲功能區(qū)，晝夜間限值分別為60 dB(A)和50 dB(A)以及65 dB(A)和55 dB(A)。因此，道路沿線區(qū)域的聲環(huán)境不容樂觀。

近年來，國(guó)家正在逐步推廣電動(dòng)汽車，主要基于其尾氣排放方面的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，電動(dòng)汽車也具有發(fā)動(dòng)機(jī)噪音較小的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于改善城市聲環(huán)境有一定的效果。但是，目前關(guān)于電動(dòng)汽車通過噪聲的研究較少。秦勤等[3]對(duì)電動(dòng)汽車和燃油汽車的噪聲特性進(jìn)行了對(duì)比，文中給出了最大A聲級(jí)及其頻譜數(shù)據(jù)。顯然，分析現(xiàn)有研究結(jié)果無法明確電動(dòng)汽車替代燃油汽車后具體的降噪效果，以及人在這種環(huán)境中主觀感受的變化。本文通過采集電動(dòng)和燃油汽車的通過噪聲樣本并進(jìn)行分析，根據(jù)聲能量疊加原理和1小時(shí)等效A聲級(jí)的概念，計(jì)算電動(dòng)汽車替代燃油汽車后1小時(shí)等效A聲級(jí)的降低量。此外，利用汽車通過噪聲樣本進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，分析人對(duì)兩種汽車通過噪聲的主觀感受。

1 汽車通過噪聲樣本采集

城市環(huán)境中，有很多場(chǎng)景條件下汽車需要從靜止進(jìn)行加速，如公交車出站、出租車載客出發(fā)、車輛等待人行道行人通過后，以及交通信號(hào)燈由紅變綠等。電動(dòng)汽車與燃油汽車產(chǎn)生噪聲的最大差別是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。因此，本文主要針對(duì)汽車從靜止到加速通過這個(gè)過程對(duì)比電動(dòng)汽車與燃油汽車的差異。通過采集汽車從靜止到加速的過程產(chǎn)生的噪聲并加以分析。一般認(rèn)為[4]，當(dāng)車速超過50 km/h時(shí)，輪胎噪聲在車輛通過噪聲中的貢獻(xiàn)變得顯著。因此，在本文所研究車速的條件下，汽車通過噪聲的主要貢獻(xiàn)仍然是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，車速尚未達(dá)到輪胎噪聲成為主要貢獻(xiàn)的行駛速度，后續(xù)計(jì)算的噪聲降低量適用于城市中以汽車加速工況為主的地點(diǎn)。

樣本采集方案參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法》[5]。圖1為標(biāo)準(zhǔn)中給出的測(cè)量場(chǎng)地、測(cè)量區(qū)及傳聲器的布置示意圖。

具體實(shí)施過程中，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)條件有限，只能盡量選擇符合標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)量條件的實(shí)際測(cè)量地點(diǎn)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，浦東新區(qū)塘子涇路路邊(博成路南約100 m)測(cè)量條件比較理想，附近較為開闊，沒有較大的反射面；車流量很小，可以采集到單輛車通過的噪聲樣本。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

測(cè)點(diǎn)位置距1098路塘子涇路博成路站20 m，符合標(biāo)準(zhǔn)中的要求。1098路運(yùn)營(yíng)車輛既有燃油車也有電動(dòng)車，車輛尺寸相同，便于對(duì)比。燃油和電動(dòng)小汽車分別為斯柯達(dá)明銳和北汽電動(dòng)EV160。

圖1 測(cè)量場(chǎng)地和測(cè)量區(qū)及傳聲器的布置

圖2 測(cè)點(diǎn)位置示意圖

采樣時(shí)，天氣晴，溫度為24℃，風(fēng)速約為1 m/s。采樣儀器為德國(guó)HEAD acoustics公司的SQuadriga II便攜式多通道采集系統(tǒng)和丹麥GRAS 1/2英寸傳聲器。采樣頻率為44 100 Hz。傳聲器采用三角架支撐，離地面高約1.2 m，如圖3所示。

圖3 測(cè)量示意圖

每種車都采集5次從靜止到加速通過的噪聲，采集時(shí)，保證無其他車輛在該路段行駛。測(cè)量后期，西側(cè)空地有施工噪聲影響，因此，電動(dòng)小汽車的測(cè)量地點(diǎn)向南移動(dòng)約120 m，仍然保證采集樣本時(shí)，無其他車輛在該路段行駛。

2 1小時(shí)等效A聲級(jí)變化量

考慮路邊測(cè)點(diǎn)的環(huán)境噪聲由汽車通過噪聲和本底噪聲構(gòu)成，即實(shí)際測(cè)量得到的A聲級(jí)等于汽車通過帶來的聲能量疊加本底噪聲的聲能量后換算得到的A聲級(jí)。1小時(shí)等效A聲級(jí)也可由1小時(shí)內(nèi)汽車通過噪聲的總聲能量疊加本底噪聲的總聲能量計(jì)算得到。因此，根據(jù)電動(dòng)和燃油汽車通過帶來的聲能量的差異，結(jié)合1小時(shí)車流量及本底噪聲水平，可計(jì)算電動(dòng)汽車替代燃油汽車引起的1小時(shí)等效A聲級(jí)變化量。

2.1 汽車通過噪聲

李曉和毛東興[6]利用車速、車流密度(與車頭距有關(guān))和單輛車的聲功率級(jí)建立了交通噪聲預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。通過車輛的聲功率級(jí)研究車輛的通過噪聲是一種比較合理的方法，但本文研究汽車加速過程的通過噪聲，車速與車輛的聲功率級(jí)均持續(xù)變化，難以應(yīng)用上述模型進(jìn)行交通噪聲的預(yù)測(cè)。因此，本文只能通過實(shí)測(cè)獲取車輛的通過噪聲。

將采集到的噪聲樣本導(dǎo)入德國(guó)HEAD acoustics公司的Artemis軟件進(jìn)行回放，排除受到其他環(huán)境噪聲干擾的樣本，每種車選擇3個(gè)不受干擾的噪聲樣本，進(jìn)行分析計(jì)算。利用軟件中的Level vs.Time(聲壓級(jí)隨時(shí)間變化)功能對(duì)樣本進(jìn)行分析，聲壓級(jí)設(shè)置為A聲級(jí)。頻譜分析采用的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為4 096/44 100，重疊率50%。軟件計(jì)算A聲級(jí)值的默認(rèn)時(shí)間間隔為256/44 100秒，約0.005 8秒，也可以指定時(shí)間間隔。經(jīng)過計(jì)算對(duì)比，對(duì)于汽車通過時(shí)段的等效連續(xù)A聲級(jí)，采用0.01秒和0.1秒時(shí)間間隔，結(jié)果相差小于0.1 dB。因此，考慮提高運(yùn)算效率，采用0.1秒時(shí)間間隔進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，具體數(shù)據(jù)見圖4至圖7，分別為燃油公交車、電動(dòng)公交車、燃油小汽車和電動(dòng)小汽車通過噪聲的A聲級(jí)隨時(shí)間變化。

圖4 燃油公交車通過噪聲

由圖可見，本次測(cè)試中，燃油公交車的最大A聲級(jí)高達(dá)81 dB(A)，電動(dòng)公交車只有約67 dB(A)，燃油和電動(dòng)小汽車的最大A聲級(jí)分別為73和63 dB(A)。此外，電動(dòng)小汽車測(cè)試時(shí)，本底環(huán)境噪聲有所上升，約53 dB(A)，之前3種車測(cè)試時(shí)，本底基本維持在50 dB(A)左右。

圖5 電動(dòng)公交車通過噪聲

圖6 燃油小汽車通過噪聲

圖7 電動(dòng)小汽車通過噪聲

2.2 通過噪聲的等效連續(xù)A聲級(jí)

燃油公交車通過噪聲持續(xù)時(shí)間為13.8秒，電動(dòng)公交車和小汽車均為10.2秒，燃油小汽車為11.2秒。據(jù)此，可由等效連續(xù)A聲級(jí)的概念計(jì)算各種車通過噪聲的等效連續(xù)A聲級(jí)。等效連續(xù)A聲級(jí)可由式(1)計(jì)算[7]

其中：LAeq為等效連續(xù)A聲級(jí)，N與時(shí)間長(zhǎng)度和時(shí)間間隔有關(guān)，如燃油公交車為138，LAi為每個(gè)時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的A聲級(jí)。

獲取單純的汽車通過噪聲，需要去掉測(cè)量結(jié)果中本底噪聲的貢獻(xiàn)，根據(jù)聲能量疊加的原理，按式(2)進(jìn)行計(jì)算

其中：L測(cè)為2.1小節(jié)中通過噪聲A聲級(jí)，L本底為本底噪聲A聲級(jí)，除電動(dòng)小汽車測(cè)量時(shí)為53 dB(A)，其余時(shí)間為49 dB(A)，L車即為單純汽車通過噪聲的A聲級(jí)。

根據(jù)上述公式計(jì)算得到本底修正前后4種汽車通過噪聲的等效連續(xù)A聲級(jí)，每種車型的3次測(cè)試結(jié)果取平均值，如表1所示。

表1 4種汽車通過噪聲的等效連續(xù)A聲級(jí)/dB(A)

由表1可知，電動(dòng)小汽車由于加速噪聲較低，測(cè)量時(shí)如果本底噪聲較高，需要進(jìn)行修正，才能反映出其真實(shí)的噪聲水平。

2.3 1小時(shí)等效連續(xù)A聲級(jí)變化量計(jì)算

交通噪聲的聲級(jí)是隨時(shí)間變化的，當(dāng)有車輛通過時(shí)，噪聲聲級(jí)上升，車輛通過后噪聲聲級(jí)下降，見圖4至圖7。通常，對(duì)于這種起伏的噪聲，采用噪聲能量按時(shí)間平均的方法來進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)際應(yīng)用中，通常以1小時(shí)等效連續(xù)A聲級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，即1小時(shí)內(nèi)噪聲總能量按1小時(shí)進(jìn)行平均。如果A聲級(jí)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為0.1秒，則計(jì)算公式為

其中：LAeq,1H為1小時(shí)等效連續(xù)A聲級(jí)，LAi為1小時(shí)中的第i個(gè)A聲級(jí)。

單輛車通過的聲能量乘以車流量，可以得到總的汽車噪聲聲能量，再加上本底噪聲的聲能量，在1小時(shí)內(nèi)進(jìn)行能量平均，就可以得到一定車流量條件下LAeq,1H。本底噪聲設(shè)為50 dB(A)，考慮到實(shí)際公交線路數(shù)量及班次，公交車1小時(shí)車流量上限設(shè)為100輛/小時(shí)，根據(jù)城市道路實(shí)際流量情況，地面道路小汽車車流量上限設(shè)為3 000輛/小時(shí)。

計(jì)算通過MATLAB編程實(shí)現(xiàn)，QCB和QCC、QEB和QEC分別代表燃油公交車和小汽車、電動(dòng)公交車和小汽車的車流量。道路上只有燃油汽車時(shí)，可以計(jì)算得到LAeq,1H與燃油公交車和小汽車車流量的關(guān)系LAeq,1H(QCB，QCC)。考慮現(xiàn)實(shí)條件，電動(dòng)汽車替代燃油汽車是一個(gè)逐步進(jìn)行的過程，在此簡(jiǎn)化為3種替代情況，如表2所示，其中?QCC和?QEC代表原有燃油小汽車的一半被電動(dòng)小汽車代替。

這樣，就可以計(jì)算3種替代情況下，LAeq,1H的變化量D1、D2、D3，分別如圖8至10所示。

表3列出3種替代情況下，2種車型車流量變化時(shí)對(duì)應(yīng)的1小時(shí)等效A聲級(jí)降低量。其中QB和QC分別為公交車和小汽車的1小時(shí)車流量。

表2 電動(dòng)汽車替代燃油汽車的3種情況

圖8 情況1 LAeq,1H降低量

圖9 情況2 LAeq,1H降低量

圖10 情況3 LAeq,1H降低量

由表2可以看出，3種情況下，小汽車車流量較低時(shí)，電動(dòng)公交車車流量的增加，可以帶來LAeq,1H降低量的顯著增加，即使燃油小汽車仍然保留，LAeq,1H降低量也可達(dá)到8.9 dB(A)，如果燃油小汽車也完全被電動(dòng)小汽車替代，則LAeq,1H降低量可達(dá)10.3 dB(A)。如果隨著小汽車車流量增加，3種情況的LAeq,1H降低量差別逐漸變大。第1種情況下，燃油小汽車完全保留，電動(dòng)公交車帶來的LAeq,1H降低量逐漸減小，最終趨近于零；第3種情況下，燃油小汽車完全被電動(dòng)小汽車替代，LAeq,1H的降低量雖然也逐漸降低，但不會(huì)無限降低，將趨近于電動(dòng)小汽車帶來的LAeq,1H降低量。此外，需要注意的是，電動(dòng)汽車帶來的交通噪聲降低，與該區(qū)域本底噪聲的高低密切相關(guān)，在本底噪聲較低的區(qū)域，降噪效果更為明顯。

3 主觀感受的變化

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)儀器

為避免評(píng)價(jià)人員在聽音過程中受到外界噪聲干擾，確保評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)在上海市環(huán)境科學(xué)研究院的半消聲室中進(jìn)行，本底噪聲約為25 dB(A)。實(shí)驗(yàn)信號(hào)通過HEAD acoustics公司的多通道均衡器HPS IV與Sennheiser HD650耳機(jī)組成的高保真回放系統(tǒng)進(jìn)行播放，采用HEAD acoustics公司的Artemis軟件控制信號(hào)播放。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

從汽車通過噪聲樣本中對(duì)于每種車型隨機(jī)選擇兩個(gè)作為主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的樣本，共8個(gè)。為反映人對(duì)汽車通過噪聲的真實(shí)感受，不對(duì)樣本進(jìn)行其他處理，通過高保真回放系統(tǒng)進(jìn)行聽音可以比較真實(shí)地還原采樣現(xiàn)場(chǎng)的聽覺體驗(yàn)。8個(gè)樣本的播放順序隨機(jī)。

實(shí)驗(yàn)共招募9名評(píng)價(jià)人員，5男4女，年齡在28－58歲之間，均無聽力障礙。評(píng)價(jià)前，向評(píng)價(jià)人員介紹評(píng)價(jià)內(nèi)容，即聽到汽車通過噪聲后，設(shè)想身處城市道路路邊，對(duì)這種汽車噪聲的感受如何，按滿意度進(jìn)行評(píng)價(jià)，從非常不滿意到非常滿意分為5個(gè)等級(jí)。

將評(píng)價(jià)結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)值，即非常不滿意為1，比較不滿意為2，一般為3，比較滿意為4，非常滿意為5，評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示。

其中CC代表燃油小汽車，EC代表電動(dòng)小汽車，CB代表燃油公交車，EB代表電動(dòng)公交車。個(gè)體數(shù)據(jù)與總體數(shù)據(jù)均高度相關(guān)，除評(píng)價(jià)人員7的數(shù)據(jù)與總平均值數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.89外，其他均超過0.9，表明評(píng)價(jià)結(jié)果一致性很高。

相同車型的兩個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果取平均值，列于表5?？梢钥闯?，電動(dòng)公交車通過噪聲的滿意度值比燃油公交車提升2.5，從接近非常不滿意提升到介于一般和比較滿意之間；類似的，電動(dòng)小汽車通過噪聲的滿意度值比燃油小汽車提升1.61，從介于比較不滿意和一般之間提升到比較滿意與非常滿意之間。因此，從人們對(duì)汽車通過噪聲聽覺感受的角度來看，電動(dòng)車替代燃油車可以很大程度上提高城市聲環(huán)境的品質(zhì)。

表3 3種情況下電動(dòng)車替代燃油車1小時(shí)等效A聲級(jí)降低量D1－D3

表4 評(píng)價(jià)結(jié)果

同時(shí)表五列出4種車型通過噪聲的等效A聲級(jí)，可以看出，等效A聲級(jí)的大小是影響滿意程度的重要因素，A聲級(jí)越高，滿意度越低。

表5 4種車型通過噪聲滿意度及等效A聲級(jí)

分析通過噪聲頻率特性可以發(fā)現(xiàn)，燃油汽車通過噪聲低頻成分更顯著，如圖11所示。

圖11 4種汽車通過噪聲頻譜

相關(guān)研究表明，等A聲級(jí)條件下低頻成分顯著的噪聲更易使人煩惱。因此，即使燃油汽車通過噪聲的等效A聲級(jí)降低到與電動(dòng)汽車相同，聽覺滿意度仍不及電動(dòng)汽車。

4 結(jié)語

(1)本文考慮環(huán)境噪聲是由汽車通過噪聲與本底噪聲構(gòu)成，通過采集汽車通過噪聲樣本，分析計(jì)算單純的汽車通過噪聲等效A聲級(jí)，根據(jù)聲能量疊加原理和1小時(shí)等效連續(xù)A聲級(jí)的定義，計(jì)算電動(dòng)汽車替代燃油汽車后1小時(shí)等效連續(xù)A聲級(jí)的降低量。雖然文中只涉及汽車加速噪聲，且車型較少，但是該方法具有一定的普適性，更為完備的汽車通過噪聲數(shù)據(jù)可以使預(yù)測(cè)結(jié)果更具有實(shí)際意義；

(2)通過分析3種替代情況下LAeq,1H的降低量可以看出，3種情況下，在小汽車車流量較小時(shí)，隨著公交車車流量的增加，降低量顯著增加，最大可超過10 dB(A)。當(dāng)小汽車車流量增加時(shí)，相當(dāng)于等效連續(xù)A聲級(jí)在升高。①如果燃油小汽車完全保留，電動(dòng)公交車帶來的LAeq,1H降低量逐漸減小，最終趨近于零；②如果燃油小汽車完全被電動(dòng)小汽車替代，LAeq,1H的降低量雖然也逐漸降低，但將趨近于電動(dòng)小汽車帶來的LAeq,1H降低量。由此可知，電動(dòng)汽車帶來的交通噪聲降低，與該區(qū)域本底噪聲的高低密切相關(guān)，在本底噪聲較低的區(qū)域，降噪效果更為明顯；

(3)通過進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)得到人對(duì)電動(dòng)汽車和燃油汽車通過噪聲的聽覺感受，分析電動(dòng)汽車替代燃油汽車后人對(duì)環(huán)境中汽車噪聲滿意度的改善情況。結(jié)果顯示，人對(duì)電動(dòng)汽車的通過噪聲普遍比較滿意，即使對(duì)于公交車，評(píng)價(jià)結(jié)果也介于一般和比較滿意之間，相比于燃油車具有質(zhì)的提升。而且，燃油汽車通過噪聲的低頻成分明顯高于電動(dòng)汽車，即使其A聲級(jí)降低到與電動(dòng)汽車相等，也更易使人煩惱。