基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的高鐵候車廳聲環(huán)境特征分析

傅秀章 艾 荔 胡文林

(1 東南大學(xué)建筑學(xué)院，南京 210096)(2 東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)(3 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司城市軌道交通數(shù)字化建設(shè)與測(cè)評(píng)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，天津 300308)

隨著我國(guó)高鐵建設(shè)的快速發(fā)展，高鐵站成為了集軌道交通、鐵路、公交、商業(yè)于一體的大型綜合交通樞紐，其流線組織形式偏向于機(jī)場(chǎng)化.立體化的布局在減少換乘路線、提高旅客通行效率優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也給候車廳噪聲治理工作帶來(lái)了很大問(wèn)題.高鐵候車廳體量較大，聲環(huán)境較傳統(tǒng)封閉空間更為復(fù)雜，屬于大空間聲學(xué)問(wèn)題[1-3].根據(jù)以往研究，候車廳內(nèi)的聲環(huán)境主要包括人群活動(dòng)噪聲、公共廣播聲、列車經(jīng)過(guò)時(shí)的噪聲3類[4].在已有的高鐵候車廳聲環(huán)境研究中，研究者大多直接將3類聲音疊加的聲場(chǎng)作為一個(gè)整體的研究對(duì)象，探究?jī)?nèi)容主要包括候車廳空間聲場(chǎng)特點(diǎn)[5-6]、候車廳聲學(xué)評(píng)價(jià)與控制指標(biāo)[7-8]、旅客主觀評(píng)價(jià)與客觀聲場(chǎng)參數(shù)之間的關(guān)系[9-10]以及聲場(chǎng)優(yōu)化措施與設(shè)計(jì)建議[11-12].這些研究并沒(méi)有對(duì)比分析這3類噪聲的頻譜特性，缺乏針對(duì)列車經(jīng)過(guò)時(shí)噪聲特點(diǎn)的深入探討.

為了進(jìn)一步了解高鐵候車廳內(nèi)的聲環(huán)境特性，本文在既有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)1個(gè)高架候車廳和3個(gè)線下式候車廳開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)噪聲測(cè)試，得到了3類聲音各自的頻譜曲線.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式掌握高鐵候車廳聲環(huán)境狀況，為改善候車廳聲環(huán)境設(shè)計(jì)提供參考意見(jiàn).

1 研究對(duì)象

高鐵候車廳常見(jiàn)的形式有高架候車廳和線下式候車廳2種.高架候車廳是指候車廳在鐵路軌道的正上方，常被用于大型或特大型規(guī)模的高鐵站；線下式候車廳是指候車廳在鐵路軌道正下方，一般用于中型或小型規(guī)模的高鐵站.本文選取2種類型的高鐵候車廳作為研究對(duì)象，以比較候車廳的不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)聲環(huán)境的影響.選取對(duì)象分別為杭州東站、無(wú)錫東站、蘇州北站和昆山南站.杭州東站候車廳為高架式，建筑平面為矩形，長(zhǎng)463.5 m，寬143.6 m，剖面為矩形，局部區(qū)域設(shè)有夾層，天棚高度為5.5～28.6 m，界面材料無(wú)特殊聲學(xué)處理.其余3個(gè)車站候車廳均為線下式，建筑平面為矩形，界面材料均無(wú)特殊聲學(xué)處理.無(wú)錫東站候車廳長(zhǎng)120 m，寬65 m，剖面為矩形，天棚高度為5.3 m.蘇州北站候車廳長(zhǎng)70 m，寬47 m，剖面為矩形，天棚高度為5.7～5.9 m.昆山南站候車廳長(zhǎng)95 m，寬58 m，剖面為矩形，天棚高度為4.5～5.9 m.各車站的基本信息見(jiàn)表1.

表1 各車站基本信息表

2 研究方法

本研究主要通過(guò)實(shí)地測(cè)試2種類型候車廳在不同工況下的A聲級(jí)大小和頻譜特性，了解其空間聲場(chǎng)的聲學(xué)特性.

3種工況分別為：①列車未經(jīng)過(guò)候車廳且無(wú)廣播聲響起的聲環(huán)境狀況，此時(shí)的噪聲僅為人群活動(dòng)噪聲；②列車未經(jīng)過(guò)候車廳但有廣播聲響起的聲環(huán)境狀況，此時(shí)的噪聲為人群活動(dòng)噪聲和公共廣播聲；③列車經(jīng)過(guò)候車廳但無(wú)廣播聲響起的聲環(huán)境狀況，此時(shí)的噪聲為人群活動(dòng)噪聲和二次結(jié)構(gòu)噪聲.

研究人群活動(dòng)噪聲的影響因素時(shí)重點(diǎn)關(guān)注旅客數(shù)量.以每個(gè)測(cè)點(diǎn)所在的坐席區(qū)為一個(gè)區(qū)域，統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的旅客數(shù)并測(cè)量A聲級(jí).將4個(gè)候車廳內(nèi)各測(cè)點(diǎn)A聲級(jí)與旅客數(shù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，得出人群活動(dòng)噪聲與人群數(shù)量的變化規(guī)律.

研究公共廣播聲時(shí)，各候車廳的A聲級(jí)通過(guò)測(cè)點(diǎn)取平均值的方式獲得.由于人群活動(dòng)噪聲一直存在，通過(guò)聲能量相減法，剔除工況2中的人群噪聲成分，獲得公共廣播聲的A聲級(jí).將計(jì)算得到的公共廣播聲與人群活動(dòng)噪聲相減，得到各候車廳的信噪比.對(duì)比分析工況1和工況2的頻譜曲線，獲得公共廣播聲的能量分布規(guī)律.

研究列車經(jīng)過(guò)時(shí)的噪聲時(shí)，通過(guò)對(duì)比分析工況1與工況3的噪聲頻譜，得到列車經(jīng)過(guò)候車廳時(shí)對(duì)2類候車廳聲環(huán)境的影響差異.通過(guò)聲能量相減法，剔除工況3中的人群噪聲成分，獲得候車廳內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲級(jí)，并將其與標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行對(duì)比，分析判定該類噪聲的影響程度.

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

在實(shí)地測(cè)量過(guò)程中，使用N140型手持式聲級(jí)計(jì)，聲級(jí)計(jì)距地面高度為1.5 m.在各測(cè)點(diǎn)處主要記錄A計(jì)權(quán)等效聲級(jí)以及1/3倍頻程頻譜，頻譜范圍為6.3～12 500 Hz.

測(cè)點(diǎn)按旅客坐席分區(qū)布置.杭州東站、無(wú)錫東站、蘇州北站和昆山南站候車廳分別設(shè)置7、9、6、10個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1.

測(cè)試人群活動(dòng)噪聲時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為15 s.為避免鄰近人聲的干擾，除測(cè)點(diǎn)水平位置外，測(cè)試時(shí)選擇抬高傳感器.測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)周邊出現(xiàn)偶發(fā)的高噪聲(如大聲喧嘩、手機(jī)鈴聲等)，測(cè)試人員立即停止測(cè)量，待噪聲消失后再重新進(jìn)行測(cè)量.每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試4組數(shù)據(jù)，將平均值作為該點(diǎn)在工況1下的聲壓級(jí).

(a) 杭州東站

(b) 無(wú)錫東站

(c) 蘇州北站

(d) 昆山南站

圖1 高鐵候車廳內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試人群活動(dòng)噪聲+公共廣播聲時(shí)，以廣播聲響起至結(jié)束作為測(cè)試時(shí)長(zhǎng).各測(cè)點(diǎn)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)不等，約為5～15 s.每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試4組數(shù)據(jù)，將平均值作為該點(diǎn)在工況2下的聲壓級(jí).

測(cè)試人群活動(dòng)噪聲+二次結(jié)構(gòu)噪聲時(shí)，以感覺(jué)到列車駛來(lái)至列車離去為測(cè)試時(shí)長(zhǎng).各測(cè)點(diǎn)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)不等，約為3～15 s.每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試4組數(shù)據(jù)，將平均值作為該點(diǎn)在工況3下的聲壓級(jí).

為研究人群活動(dòng)噪聲與人群數(shù)量的關(guān)系，人數(shù)統(tǒng)計(jì)按照坐席分區(qū)原則，以測(cè)點(diǎn)所在的坐席區(qū)為邊界進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，僅計(jì)算各坐席區(qū)內(nèi)部的人數(shù)，忽略走道處人數(shù).

4 結(jié)果與討論

4.1 人群活動(dòng)噪聲

選取工況1作為研究對(duì)象，將4個(gè)候車廳各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的A聲級(jí)與該測(cè)點(diǎn)坐席區(qū)統(tǒng)計(jì)的人數(shù)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng).對(duì)這32組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性求解，得到人群活動(dòng)噪聲與旅客數(shù)量之間的關(guān)系(見(jiàn)圖2).由圖可知，人群數(shù)量與A聲級(jí)成對(duì)數(shù)關(guān)系，其決定系數(shù)R2=0.638 2.隨著人數(shù)的增加，聲壓級(jí)先顯著增加而后逐漸變緩.究其原因在于，人的語(yǔ)言聲功率受周邊噪聲級(jí)影響，當(dāng)人數(shù)增加時(shí)，人的語(yǔ)言聲功率逐漸提高以達(dá)到交流的目的；當(dāng)噪聲增加到一定水平后，受自身限制，人的語(yǔ)言聲功率不再提高，即使人數(shù)增加，候車廳內(nèi)的總聲壓級(jí)則逐漸趨于一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài).現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，高鐵候車廳人群活動(dòng)噪聲A聲級(jí)范圍為62～68 dB.

圖2 人群活動(dòng)噪聲與旅客數(shù)量的關(guān)系

4.2 公共廣播聲

通過(guò)對(duì)比工況1與工況2，得到公共廣播聲的A聲級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表2.由表可知，在既有公共廣播聲又有人群活動(dòng)噪聲的情況下，候車廳內(nèi)的A聲級(jí)為72.6～77.0 dB，計(jì)算得到的公共廣播A聲級(jí)為71.6～77.0 dB，信噪比為6.9～11.1 dB.此時(shí)的信噪比并不能確保廣播聲能清晰傳遞信息，但考慮到進(jìn)一步提高廣播聲級(jí)可能影響聲舒適性，故更適宜通過(guò)分散式強(qiáng)指向廣播系統(tǒng)來(lái)保證廣播信息的有效傳播.

表2 候車廳內(nèi)公共廣播A聲級(jí)與信噪比 dB

研究公共廣播聲頻譜有利于了解其能量分布特性，通過(guò)對(duì)比各候車廳內(nèi)工況1和工況2的平均聲壓級(jí)頻譜曲線,得到各候車廳在2種工況下的頻譜特點(diǎn)(見(jiàn)圖3).由圖可知，各候車廳內(nèi)工況1和工況2下的頻譜曲線在低頻段和高頻段吻合度較高，但中頻段出現(xiàn)了明顯差異，說(shuō)明廣播聲的能量主要分布在500～1 000 Hz的中高頻率段.高架候車廳和線下候車廳的頻譜曲線吻合度較高，說(shuō)明公共廣播的影響與候車廳類型無(wú)關(guān).

4.3 列車經(jīng)過(guò)時(shí)的噪聲

列車經(jīng)過(guò)候車廳引起的噪聲不僅可以通過(guò)空氣直接傳遞到候車廳，而且列車運(yùn)行的荷載將激起房屋結(jié)構(gòu)的二次振動(dòng)，導(dǎo)致候車大廳部分構(gòu)件的結(jié)構(gòu)噪聲輻射，從而加劇了候車廳內(nèi)的聲環(huán)境污染.圖4和圖5分別對(duì)比了各候車廳工況1和工況3下的平均等效A聲級(jí)和平均聲壓級(jí)頻譜曲線.由圖可知，當(dāng)列車經(jīng)過(guò)時(shí)，高架候車廳內(nèi)的平均等效A聲級(jí)為68.6 dB,較人群活動(dòng)噪聲平均等效A聲級(jí)(67.3 dB)高1.3 dB.3個(gè)線下式候車廳內(nèi)的平均等效A聲級(jí)分別為68.5、70.7、69.8 dB,人群活動(dòng)噪聲平均等效A聲級(jí)分別為64.7、65.9、63.7 dB, 前者較后者高3.8～6.1 dB.分析頻譜曲線可知，高架候車廳和線下式候車廳分別在50～80 Hz和25～63 Hz中心頻率處出現(xiàn)顯著峰值.這2類候車廳出現(xiàn)低頻峰值的頻段雖有所區(qū)別，但其能量高峰都集中在低于100 Hz的頻段，說(shuō)明列車經(jīng)過(guò)時(shí)的噪聲主要分布在低頻段.高架候車廳的峰值頻率處聲壓級(jí)低于70 dB,而線下式候車廳的峰值頻率處聲壓級(jí)幾乎在80 dB左右.聲壓級(jí)的差異表明列車經(jīng)過(guò)時(shí)的噪聲對(duì)線下式候車廳的影響要高于高架候車廳.

圖3 工況1和工況2的平均聲壓級(jí)頻譜曲線

圖4 工況1與工況3的平均等效A聲級(jí)

圖5 工況1與工況3的平均聲壓級(jí)頻譜曲線

通過(guò)將工況1和工況3進(jìn)行聲能量相減運(yùn)算，估算出列車經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)噪聲,結(jié)果如表3所示.4座候車廳的測(cè)量均在晝間，參考《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 170—2009)[13]對(duì)二次結(jié)構(gòu)噪聲的規(guī)定要求，將各車站候車廳內(nèi)的二次結(jié)構(gòu)噪聲與JGJ/T 170—2009標(biāo)準(zhǔn)中的晝間限值45 dB進(jìn)行對(duì)比.由表可知，當(dāng)列車經(jīng)過(guò)時(shí)，2類候車廳內(nèi)的二次結(jié)構(gòu)噪聲都遠(yuǎn)超過(guò)晝間限值45 dB，其中高架式候車廳超限值為19.6 dB，線下式候車廳超限值為21.5～23.8 dB.表明這4座高鐵候車廳的二次結(jié)構(gòu)噪聲影響均較為明顯，線下式候車廳的二次結(jié)構(gòu)噪聲影響高于高架式侯車廳.此外，在線下候車廳中，列車經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)噪聲影響已超過(guò)人群活動(dòng)噪聲的影響.

表3 候車廳內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲A聲級(jí)估算表 dB

5 結(jié)論

1) 針對(duì)人群活動(dòng)噪聲而言，旅客數(shù)量與人群活動(dòng)噪聲呈現(xiàn)一定的對(duì)數(shù)關(guān)系.前期隨著人數(shù)的增加，聲壓級(jí)不斷增加；但在后期，隨著人數(shù)的增加，聲壓級(jí)增加變得越來(lái)越緩慢.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，高鐵候車廳人群活動(dòng)噪聲A聲級(jí)大約為62～68 dB.

2) 針對(duì)公共廣播聲而言，調(diào)研車站候車廳內(nèi)的廣播聲能量主要分布在500～1 000 Hz的中高頻率段，信噪比為6.9～11.1 dB.考慮到進(jìn)一步提高廣播聲級(jí)可能影響聲舒適度，故適宜通過(guò)分散式強(qiáng)指向廣播系統(tǒng)提高候車廳內(nèi)語(yǔ)言清晰度的方式來(lái)確保廣播信息的有效傳播.

3) 針對(duì)列車經(jīng)過(guò)時(shí)的噪聲而言，列車經(jīng)過(guò)時(shí)的噪聲頻譜中，在低于100 Hz的頻譜段存在明顯的低頻噪聲峰值，該噪聲對(duì)線下式候車廳的影響要高于高架候車廳.通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)限值與車站候車廳的二次結(jié)構(gòu)噪聲，發(fā)現(xiàn)后者超標(biāo)20 dB左右.

4) 本文在研究人群活動(dòng)噪聲的影響因素時(shí)只考慮了人數(shù)，忽略了人群的其他特性，且在公共廣播聲和列車經(jīng)過(guò)時(shí)的噪聲測(cè)試是以測(cè)試人員主觀感受到該聲音的起止時(shí)間作為測(cè)試時(shí)長(zhǎng)，故存在一定的局限性,后續(xù)將采用更為精準(zhǔn)的方法確定測(cè)試時(shí)長(zhǎng).