高密度城市形態(tài)對飛機(jī)噪聲分布的影響

文／張紅虎 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院 副教授

紀(jì) 月 浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院 碩士研究生（通訊作者）

引言

我國城市在高密度發(fā)展模式下向郊區(qū)快速擴(kuò)張[1,2]，且居民對航空交通的需求日益增加，導(dǎo)致住宅、學(xué)校等噪聲敏感區(qū)域與機(jī)場越來越近，飛機(jī)噪聲污染已經(jīng)成為影響公眾身心健康的重要環(huán)境因素之一[3]，高密度城市形態(tài)下飛機(jī)噪聲的防治亦成為城市化進(jìn)程中的焦點(diǎn)問題。

目前對于低噪聲飛行器設(shè)計、飛行程序、航班、航跡優(yōu)化等聲源端降噪和用地規(guī)劃、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔聲、植被輔助降噪等傳播降噪方面的研究較為成熟[4-8]。但針對高密度城市形態(tài)對飛機(jī)噪聲分布的影響研究較少，已有研究大多以街道幾何特征[9-11]和低密度城市[12,13]為研究對象，主要結(jié)論包括航跡高度100 ～200ft、水平距離1000m 以內(nèi)，低密度城市形態(tài)對飛機(jī)噪聲分布影響顯著，高頻差異約4.6dB 等[12]，無法為高密度城市形態(tài)下的降低飛機(jī)噪聲提供支撐。

本文以國內(nèi)某典型高密度城市空間為研究對象，考慮客運(yùn)飛機(jī)對城市噪聲影響最顯著的離港低空飛行階段（距地面高度1000m 以下），通過對低空飛行的飛機(jī)噪聲地面分布情況進(jìn)行仿真，研究航跡與中尺度城市形態(tài)結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系、建筑立面吸聲以及城市形態(tài)學(xué)特征對飛機(jī)噪聲傳播的影響，旨在為高密度城市設(shè)計建設(shè)與飛機(jī)噪聲環(huán)境評價提供參考。

1 研究方法

1.1 樣本選取

如圖1 所示，基于主要城市用地功能和建筑形態(tài)，選取20 個500m×500m 中尺度規(guī)模的高密度城市樣本（樣本編號由縱坐標(biāo)字母A ～D 和橫坐標(biāo)數(shù)字1 ～5 組成）。

圖1 500m×500m×20 個國內(nèi)典型城市形態(tài)樣本（圖片來源：作者自繪）

1.2 形態(tài)學(xué)參數(shù)選擇

飛機(jī)的噪聲在城市中的分布，與城市建筑形態(tài)布局因素息息相關(guān)[14]。這些因素可以通過一些城市形態(tài)參數(shù)進(jìn)行描述。基于國內(nèi)外對于城市形態(tài)的量化研究[12,14-16]，本文從城市用地強(qiáng)度、城市形態(tài)復(fù)雜度以及聲源（航跡）特征三個角度，初步選擇了12 個城市形態(tài)學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究，它們的具體計算方法及所選樣本的數(shù)值范圍如表1 所示。由于某些參數(shù)之間相關(guān)性較高，進(jìn)一步通過因子分析和敏感性系數(shù)篩選方法[17]最終確定7 個靈敏度較高、能綜合反映城市形態(tài)特征的參數(shù)：容積率（FAR）、全覆蓋密度（CAR）、建筑高度均值（AVG_H）、建筑形狀指數(shù)（LSI_B）、緊湊度（CI）、天空開闊度（SVF）、建筑密度（BPAF），如表1 中序號*的粗體所示。

表1 形態(tài)學(xué)參數(shù)（表格來源：作者自繪）

1.3 噪聲模擬

本文使用在城市噪聲預(yù)測中廣泛認(rèn)可的Cadna/A[18]模擬飛機(jī)噪聲分布，將低空直線飛行的航跡等效為線聲源。依據(jù)Khardi[19]和Yiying Hao[12]的研究，選擇飛機(jī)噪聲的主要頻率1600Hz（中）并設(shè)定線聲源的單位聲功率級為100dB?？紤]建筑物的立面吸聲性質(zhì)，傳播反射次數(shù)和吸聲系數(shù)分別設(shè)為3 和0.3[20]。受聲點(diǎn)設(shè)置在地面以上1.6m 高度的5m×5m 網(wǎng)格上。聲學(xué)參量選擇四個統(tǒng)計百分比聲級：L10、L50、L90和平均聲壓級Lavg[12,15]。具體研究內(nèi)容及模擬參數(shù)設(shè)置如表2 所示。其中航跡與樣本的角度關(guān)系共選擇16 個，以航跡在樣本南側(cè)東西走向?yàn)?°，逆時針旋轉(zhuǎn)所得。

表2 研究內(nèi)容及模擬參數(shù)設(shè)置（表格來源：作者自繪）

2 研究結(jié)果與討論

2.1 航跡與城市相對位置的影響

為分析航跡角度對飛機(jī)噪聲的影響，選擇具備典型結(jié)構(gòu)（排除形態(tài)相似的樣本）并包括形態(tài)參數(shù)最值的10 個樣本進(jìn)行模擬統(tǒng)計。圖2 為16個航跡角度下的L10、L50、L90和Lavg衰減量?？梢钥闯?，角度變化引起的L10、L50、Lavg的衰減量變化在2dB 以內(nèi)，呈現(xiàn)各向同性；L90受角度影響明顯，樣本A4、C2、C3 和D5 的衰減量極差均超過3dB，主觀響度差異明顯[21]。上述結(jié)果表明，航跡角度對飛機(jī)噪聲在城市空間內(nèi)的峰值和中值影響不顯著。對于背景噪聲來說，0°和180°左右是抗噪效果較好的角度，而90°和270°相對較差，所以對于高空聲源，建筑仍存在一定的屏蔽作用。由于我國建筑主朝向?yàn)槟舷?，即建筑正立面與航跡平行時，飛機(jī)噪聲的空間背景水平較低。樣本A4、C2、C3 和D5 均為中高層、行列式布局小區(qū)，故機(jī)場附近建設(shè)此類小區(qū)時，避免主朝向與航跡垂直有助于降低背景噪聲。

圖2 航跡與城市的角度關(guān)系對L10、L50、L90 和Lavg 衰減的影響（圖片來源：作者自繪）

2.2 航跡距城市的水平距離的影響

（1）航跡距離的影響

圖3 為距離從0m 分別增加至100m ～2000m 時，研究樣本與空地內(nèi)L10、L50、L90和Lavg的衰減量。空地與樣本的L10、L50、L90和Lavg衰減量的最小值及平均值相近，但樣本的衰減量最大值明顯大于空地。該結(jié)果表明，雖然城市內(nèi)飛機(jī)噪聲的衰減量受距離的影響，但城市形態(tài)對飛機(jī)噪聲衰減的影響更明顯。值得注意的是，空地內(nèi)L10的衰減量大于樣本的最小值，說明某些城市形態(tài)對L10存在增強(qiáng)作用。

圖3 樣本和空地的L10、L50、L90 和平均聲壓級Lavg 隨距離增加的衰減量/dB（圖片來源：作者自繪）

變異系數(shù)反映了數(shù)據(jù)偏離總體平均水平的相對差距。由于本文樣本之間L10、L50、L90和Lavg的均值不同，因此采用變異系數(shù)來描述樣本之間的離散程度，計算方式如式（1）所示[22]：

圖4 為樣本間L10、L50、L90和Lavg衰減量的變異系數(shù)，L50、Lavg、L90總體大于L10，說明城市形態(tài)可能對中值和背景噪聲衰減的影響更明顯。因此，要減少飛機(jī)噪聲的影響，除了增大噪聲敏感區(qū)域與航跡的距離外，也需考慮城市建筑的影響。

圖4 樣本間L10、L50、L90 和平均聲壓級Lavg 衰減量的變異系數(shù)（圖片來源：作者自繪）

（2）建筑立面的影響

為比較建筑立面吸聲特性對飛機(jī)噪聲傳播的影響，分析了表2 所示兩種立面的L10、L50、L90和Lavg差異，其中R0 和R3 分別代表光滑的強(qiáng)吸聲立面與粗糙的強(qiáng)反射立面。如表3 所示，航跡距離城市超過600m 時，建筑立面的吸聲差異對聲環(huán)境幾乎沒有影響，僅在距離600m 以內(nèi)時強(qiáng)吸聲立面才有降噪效果。L10的差值很小，因此，改變立面對峰值的影響不大。

表3 強(qiáng)反射立面與強(qiáng)吸聲立面的L10、L50、L90 和Lavg 之差/dB（表格來源：作者自繪）

2.3 航跡高度的影響

圖5 為不同高度的航跡產(chǎn)生的L10、L50、L90和Lavg分布情況。L10變化顯著，而L90的變化量很小，從100m 增加到1000m 僅降低約5dB。此外，隨著航跡高度增加，各聲級指數(shù)的數(shù)值趨向一致。由圖6 可見，各噪聲參數(shù)衰減量的變異程度差距不大，且隨航跡高度的增加呈現(xiàn)變小的趨勢。說明航跡高度增加時，空間中飛機(jī)噪聲強(qiáng)度分布差異減小，城市形態(tài)對噪聲衰減的影響變小。

圖5 不同航跡高度下L10、L50、L90 和Lavg 的平均值（圖片來源：作者自繪）

圖6 不同航跡高度下樣本間L10、L50、L90 和Lavg 衰減量的變異系數(shù)（圖片來源：作者自繪）

飛機(jī)航跡不同于高架道路，后者高度越高，基座形成的聲影區(qū)越大，前排建筑也能有效屏蔽道路直達(dá)聲，因此降噪效果越好[14]。而航跡是由一系列運(yùn)動的點(diǎn)聲源（飛機(jī)）形成的軸對稱柱狀噪聲源[23]，周圍無遮擋，所以航跡越高到達(dá)地面空間的直達(dá)聲越多，建筑的屏蔽效果越弱。

2.4 城市形態(tài)的影響

對不同距離處7 個形態(tài)學(xué)參數(shù)與L10、L90和Lavg衰減量進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析，呈顯著相關(guān)的參數(shù)如表4 所示，可以看出，L90、Lavg對城市形態(tài)參數(shù)更敏感。形態(tài)學(xué)參數(shù)中，SVF、CAR 與L10、L90和Lavg衰減量均顯著相關(guān)；FAR 與Lavg和L90衰減量相關(guān)性顯著；CI 僅與L10的衰減顯著負(fù)相關(guān)；LSI_B 與L10和Lavg衰減量顯著相關(guān)；BPAF 僅在300m 范圍內(nèi)與Lavg和L90衰減呈現(xiàn)相關(guān)性。

表4 L10、L90 和Lavg 衰減量與7 個形態(tài)學(xué)參數(shù)的Spearman 相關(guān)分析（表格來源：作者自繪）

統(tǒng)計城市形態(tài)參數(shù)與L10、L90和Lavg衰減量顯著相關(guān)的個數(shù)如表5 所示?？梢姼淖兂鞘械慕ㄖ叨忍卣鲗︼w機(jī)噪聲的影響不大；CAR 的相關(guān)性最強(qiáng)，LSI_B、SVF 和FAR 次之，BPAF 僅當(dāng)距離航跡較近時（300m）呈現(xiàn)相關(guān)性。這說明研究區(qū)域內(nèi)，建成區(qū)面積越大、覆蓋率越高，越有益于飛機(jī)噪聲衰減；建筑的形態(tài)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對峰值和中值的降噪效果越好。

表5 水平距離0 ～2000m 城市形態(tài)參數(shù)和L10、L90 和Lavg 衰減量相關(guān)性數(shù)量（表格來源：作者自繪）

結(jié)語

本文通過模擬探究了中尺度下高密度城市形態(tài)對飛機(jī)噪聲的影響，結(jié)論如下：

（1）中高層小區(qū)的主朝向與航跡平行可以在一定程度上降低背景噪聲。

（2）增大城市與航跡之間的水平距離可以有效減少飛機(jī)噪聲對高密度城市的影響。

（3）建筑立面吸聲對L50、Lavg、L90降噪的有效距離為600m 以內(nèi)，而對L10影響很小。

（4）航跡高度增加對L90影響不大，城市空間內(nèi)飛機(jī)噪聲分布趨于平均，城市形態(tài)的影響變小。

（5）城市形態(tài)參數(shù)與飛機(jī)噪聲衰減的相關(guān)性顯著。需要重點(diǎn)考慮與用地強(qiáng)度和建筑覆蓋率相關(guān)的形態(tài)參數(shù)（CAR、LSI_B、SVF 和FAR），且城市形態(tài)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，越有益于峰值和平均值的衰減。