城市道路交通噪聲的頻譜特性分析

鄭義德， 王麗娟， 朱 曦， 羅 亮

(西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

0 引言

道路密集、 車流量大是當(dāng)前我國(guó)城市道路的特點(diǎn)[1]，同時(shí)因交通噪聲所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也日益明顯。研究表明，影響交通噪聲傳播因素主要包括2 個(gè)方面[2]：一方面是車流量、車速、車型比和道路平整度[3]及路面材料[4]等因素，決定了交通噪聲源的性質(zhì)；另一方面是監(jiān)測(cè)點(diǎn)與聲源的距離、道路兩側(cè)的綠化及道路周圍的聲屏障[5]等因素，決定了交通噪聲的傳播路徑和傳播強(qiáng)度。

近年來(lái)，眾多國(guó)內(nèi)、外學(xué)者從多方面對(duì)城市道路的交通噪聲進(jìn)行研究分析， 但大多數(shù)研究及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)仍以等效連續(xù)聲級(jí)作為主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)， 鮮有綜合分析交通噪聲全頻段規(guī)律的研究。事實(shí)證明，無(wú)論噪聲頻譜的特性如何變化，A 計(jì)權(quán)下的等效聲級(jí)是完全可能相同[6]。 所以，在實(shí)際操作中僅考慮等效連續(xù)聲級(jí)的各類噪聲標(biāo)準(zhǔn)和研究存在一定弊端， 無(wú)法完全滿足標(biāo)準(zhǔn)和人主觀感受的統(tǒng)一， 故綜合考慮交通噪聲的全頻段特性再總結(jié)交通噪聲規(guī)律則更為全面和嚴(yán)謹(jǐn)。

2022 年6 月下旬至8 月中旬，根據(jù)陜西省西安市主要交通道路的道路等級(jí)、車流量、車型比（即不同類型車輛的比值）及地理位置等參考因素，選取9條具有代表性道路對(duì)該城市道路交通噪聲特性進(jìn)行研究分析。 同時(shí)引入聲頻段能量和頻率重心分析不同等級(jí)道路的交通噪聲頻譜特性， 對(duì)城市道路交通噪聲的分布規(guī)律和影響因素進(jìn)行討論， 該結(jié)果為改善城市道路交通噪聲和臨街側(cè)降噪的研究提供了一定參考。

1 監(jiān)測(cè)方案

1.1 選取道路

根據(jù)西安市內(nèi)主要道路的等級(jí)、車流量、車型比及地理位置等參考因素選擇9 條道路（分別為：東三環(huán)南段、東三環(huán)北段、東二環(huán)（長(zhǎng)樂(lè)公園）、金花南路、咸寧中路、西影路、幸福南路、長(zhǎng)樂(lè)東路西段以及長(zhǎng)樂(lè)東路東段）作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，以上道路分別位于西安市內(nèi)的4 個(gè)區(qū)域（碑林區(qū)、灞橋區(qū)、新城區(qū)以及雁塔區(qū)），具體道路信息見表1。

表1 監(jiān)測(cè)道路信息

1.2 設(shè)置測(cè)點(diǎn)

測(cè)點(diǎn)設(shè)置在所選路段兩路口之間的路邊人行道上，距離任一路口的距離均大于50 m，當(dāng)路段不足100 m 時(shí)將測(cè)點(diǎn)設(shè)置在路段的中點(diǎn)處。 測(cè)點(diǎn)位于人行道上距路面（含慢車道）20 cm 處，距地面的垂直距離為1.2 m，與監(jiān)測(cè)者身體的距離不小于1.5 m。每條道路每個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)避開非道路交通源的干擾，傳聲器方向指向道路。

1.3 監(jiān)測(cè)時(shí)間及內(nèi)容

監(jiān)測(cè)從2022 年6 月下旬開始至8 月中旬結(jié)束，監(jiān)測(cè)時(shí)段設(shè)置在工作日內(nèi)（周一至周五）的早高峰時(shí)段（7:30 ～9:00）、非高峰時(shí)段（9:00 ～18:00）以及晚高峰時(shí)段（18:00 ～20:00），每次監(jiān)測(cè)時(shí)間為20 min，每個(gè)時(shí)段至少監(jiān)測(cè)一次， 每條道路監(jiān)測(cè)至少進(jìn)行一個(gè)工作日。記錄交通噪聲的等效連續(xù)聲級(jí)（Leq）和1/3 倍頻程頻譜，同時(shí)觀測(cè)并記錄分車型的車流量。

監(jiān)測(cè)時(shí)段選擇早、晚高峰，原因是因?yàn)榇藭r(shí)段通過(guò)的車流量較大，對(duì)交通噪聲的影響也較大，因此，選擇此時(shí)段作為道路交通噪聲監(jiān)測(cè)時(shí)段具有較高的參考價(jià)值與研究?jī)r(jià)值。

如果采取人工長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)方式記錄車流量，則工作量過(guò)大。 參照我國(guó)現(xiàn)行的GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 等相關(guān)規(guī)范， 可按照車流相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，20 min 內(nèi)車流量的平均值統(tǒng)計(jì)小時(shí)車流量。 同理，可按照每小時(shí)前10 min 的監(jiān)測(cè)結(jié)果得到每小時(shí)交通噪聲的1/3 倍頻程頻譜。

1.4 監(jiān)測(cè)儀器及條件

監(jiān)測(cè)儀器采用AWA6228+型多功能聲級(jí)計(jì)（噪聲分析儀），時(shí)間計(jì)權(quán)特性為“F”檔。 根據(jù)JJG 188—2017《聲級(jí)計(jì)檢定規(guī)程》檢測(cè)儀器合格，每次監(jiān)測(cè)前先使用聲級(jí)計(jì)校準(zhǔn)器校準(zhǔn)后再進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

應(yīng)在無(wú)雨、 無(wú)雪的天氣條件下進(jìn)行城市道路交通噪聲監(jiān)測(cè)， 當(dāng)風(fēng)速超過(guò)5.5 m/s 以上時(shí)應(yīng)停止監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)傳聲器應(yīng)加裝風(fēng)罩避免干擾，同時(shí)保持傳聲器清潔。

2 等效聲級(jí)和等效車流量

2.1 等效聲級(jí)

按照長(zhǎng)度加權(quán)的方式評(píng)價(jià)道路污染水平[7]，根據(jù)HJ 640—2012《環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范城市聲環(huán)境常規(guī)監(jiān)測(cè)》中道路交通噪聲強(qiáng)度的等級(jí)劃分，具體見表2。 由表2 可以看出，所監(jiān)測(cè)道路交通噪聲強(qiáng)度等級(jí)：咸寧中路、西影路、幸福南路均為二級(jí)（較好）；東三環(huán)北段、東二環(huán)（長(zhǎng)樂(lè)公園）、金花南路、長(zhǎng)樂(lè)東路西段以及長(zhǎng)樂(lè)東路東段均為三級(jí)（一般）；東三環(huán)南段為四級(jí)（較差）。 其中，48.15%的測(cè)點(diǎn)交通噪聲強(qiáng)度等級(jí)均為三級(jí)（一般），18.52%的測(cè)點(diǎn)交通噪聲強(qiáng)度等級(jí)均為四級(jí)（較差），對(duì)周圍居民的日常生活存在一定的影響。

表2 道路交通噪聲強(qiáng)度等級(jí)劃分 dB（A）

監(jiān)測(cè)道路晝間等效聲級(jí)及車流量見表3。由表3可以看出，不同監(jiān)測(cè)時(shí)段的晝間等效聲級(jí)有所不同，大部分測(cè)點(diǎn)早、 晚高峰時(shí)段的等效聲級(jí)均較非高峰時(shí)段高0.2 ～1.8 dB（A），推斷原因是由于早、晚高峰時(shí)段監(jiān)測(cè)道路上車流量均較非高峰時(shí)段大。 但東三環(huán)北段、 東二環(huán)以及幸福南路的監(jiān)測(cè)結(jié)果均與以上規(guī)律不相符，其全天等效聲級(jí)均無(wú)明顯變化，推測(cè)原因是由于東三環(huán)北段、東二環(huán)均為城市主干路，全天通過(guò)的車流量均較大，出現(xiàn)不同規(guī)律屬正常情況；而幸福南路在實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)早高峰時(shí)段車流量較少，導(dǎo)致其等效聲級(jí)也較低。 說(shuō)明等效車流量與等效聲級(jí)具有較高的相關(guān)性。

表3 監(jiān)測(cè)道路晝間等效聲級(jí)及車流量

以往研究發(fā)現(xiàn)，噪聲強(qiáng)度隨著車速增加而增加，而且噪聲中主要成分會(huì)向中、高頻（1 000 ～2 500 Hz）方向集中[8]。 但從實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，由于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)道路環(huán)境情況的復(fù)雜性， 道路的晝間等效聲級(jí)與道路的限速并未出現(xiàn)較高的相關(guān)性， 盡管不同道路的限速有所差別， 而其對(duì)應(yīng)的交通噪聲的等效聲級(jí)并沒有太大差別。

2.2 等效車流量

綜上可知， 晝間等效聲級(jí)與車流量有著較高的相關(guān)性， 當(dāng)車流量相差較大時(shí)（如長(zhǎng)樂(lè)東路和東三環(huán)），其交通噪聲的等效聲級(jí)并未出現(xiàn)明顯差距。 根據(jù)JTGB 03—2006 《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》將車輛分為小型車、中型車和大型車3 類，引入等效車流量進(jìn)行分析。

等效車流量是根據(jù)不同類型的車輛行駛時(shí)所產(chǎn)生的聲功率級(jí)和對(duì)交通噪聲能量的貢獻(xiàn)比例， 將各類型車輛的流量按照一定方式計(jì)權(quán)求和所得到的參數(shù)。 等效車流量可反應(yīng)不同類型車輛對(duì)交通噪聲的影響，同時(shí)簡(jiǎn)化分析變量[9]。 將中型車和大型車的車流量轉(zhuǎn)換為小型車的總流量，計(jì)算公式如下：

式中：Q 為等效車流量，輛/h；QS為小型車的車流量，輛/h；QM為中型車的車流量， 輛/h；QL為大型車的車流量，輛/h；b1，b2為折算系數(shù)。

車輛的分類方法和車流量的折算系數(shù)參考《高速公路交通噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定（試行）》，詳見表4。等效車流量的計(jì)算公式：

表4 車型分類和車流量折算

等效車流量與等效聲級(jí)見圖1。

圖1 等效車流量與等效聲級(jí)

由圖1 可以看出，等效車流量對(duì)交通噪聲的影響較為突出。 等效車流量較大的道路其交通噪聲的等效聲級(jí)也相對(duì)較高。 大部分路段在早、晚高峰時(shí)段的等效車流量更大，相應(yīng)產(chǎn)生的噪聲等效聲級(jí)也更高，不同道路的等效聲級(jí)與其等效車流量具有較高的相關(guān)性。

3 頻譜特性分析

3.1 1/3 倍頻程頻譜

各測(cè)點(diǎn)的1/3 倍頻程頻譜見圖2。 由圖2 可以看出，城市道路交通噪聲的頻譜主要由2 000 Hz 以下的噪聲構(gòu)成，1/3 倍頻程頻譜整體隨頻率的增加而對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)則減小。 同時(shí)發(fā)現(xiàn)，所有測(cè)點(diǎn)分別在50 ，250 和1 000 Hz 的位置均出現(xiàn)峰值。 一些研究將噪聲頻譜中聲壓級(jí)峰值所對(duì)應(yīng)的頻段作為整個(gè)頻譜的主要影響頻段[10]，即50，250 和1 000 Hz這3 個(gè)頻段可能是整個(gè)城市道路交通噪聲頻譜的主要影響頻段。

此外，早、晚高峰時(shí)段的頻譜與非高峰時(shí)段的頻譜無(wú)明顯區(qū)別，這與晝間等效聲級(jí)所展現(xiàn)的早、晚高峰時(shí)段均高于非高峰時(shí)段的規(guī)律并不相同。 甚至在一些頻段中，非高峰時(shí)段對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)明顯高于早、晚高峰時(shí)段。推測(cè)原因與通過(guò)車輛類型有直接關(guān)系，具體如何影響還有待驗(yàn)證。

3.2 聲頻段能量

為確認(rèn)50 ，250 和1 000 Hz 是否為影響整個(gè)頻譜的關(guān)鍵頻段，計(jì)算各頻段聲能量的占比情況，計(jì)算公式如下[11]：

式中：ηa為各頻段聲能量占總聲能量的比值；Ea為各頻段聲能量，J；En為總聲能量，J；pa為各頻段聲壓，Pa；pn為總聲壓，Pa；La為各頻段的聲壓級(jí)疊加，dB；Li為中心頻率聲壓級(jí)，dB；Ln為總聲壓級(jí)，dB；Lai為各頻段在1/3 倍頻程中的聲壓級(jí)，dB；i 為1/3 倍頻程中心頻率序號(hào)，取值范圍為{20，25，31.5，...，20 000 Hz}。

根據(jù)公式（3），（4），（5）計(jì)算出所測(cè)9 條道路交通噪聲的聲能量分布特性，具體見圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)道路聲能量分布

由圖3 可以看出， 城市道路交通噪聲的聲能量主要集中于低頻（40 ～63 Hz）范圍。 同時(shí)，頻率分別為50，250 和1 000 Hz 頻段對(duì)應(yīng)的聲頻段能量占比均較高，這與圖（3）中1/3 倍頻程頻譜所展現(xiàn)出的規(guī)律相對(duì)應(yīng)。 其中西影路較為特殊，早、晚高峰時(shí)段在25 和50 Hz 的位置聲能量占比均較高，推測(cè)原因與監(jiān)測(cè)時(shí)通過(guò)的大型車數(shù)量占比較多有關(guān)。

此外， 不同時(shí)段的聲能量占比并未呈現(xiàn)出與晝間等效聲級(jí)相似的規(guī)律。

3.3 頻率重心

綜上， 道路交通噪聲的主要影響頻段均集中在50，250 和1 000 Hz 頻段周圍。因此引入頻率重心進(jìn)一步分析以上3 個(gè)頻率段對(duì)交通噪聲的影響。 頻率重心SGC（Spectrum Gravity Center）[12-13]可視為噪聲頻譜的幾何重心， 是指某一段或全段聲功率頻譜的平均值，近似可看作聲音的“平均音高”。頻率重心可描述在頻譜中分量較大的信號(hào)成分， 反映信號(hào)功率譜的分布情況。 計(jì)算公式如下：

式中：Bi為倍頻程對(duì)應(yīng)的中心頻率，Hz。

監(jiān)測(cè)道路頻率重心見表5。 由表5 可以看出，所測(cè)9 條道路交通噪聲的頻率重心均集中分布在100～400 Hz 之間，其中以200 ～300 Hz 分布最多，為主要影響頻段。 在上述噪聲頻譜分析中，雖然50，250和1 000 Hz 這3 個(gè)頻段均對(duì)整個(gè)頻譜有所影響，但頻率重心最終均集中在250 Hz 周圍， 說(shuō)明250 Hz所對(duì)應(yīng)的頻段對(duì)城市道路交通噪聲的影響最大。

表5 監(jiān)測(cè)道路頻率重心

4 討論

由結(jié)果分析可知， 所監(jiān)測(cè)西安市道路交通噪聲的等效連續(xù)A 聲級(jí)均在70 dB（A）左右，70.4%的測(cè)點(diǎn)晝間等效聲級(jí)均超過(guò)GB 3096—2008 《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中4a 類地區(qū)（城市快速路、城市主干路、城市次干路兩側(cè)區(qū)域）所給定的晝間70 dB（A）限值。交通噪聲的1/3 倍頻程均呈現(xiàn)出中、低頻的特性，主要影響頻段分別為50 ，250 和1 000 Hz，其中50 Hz的聲能量占比最高，250 Hz 為整個(gè)頻段的頻率重心。 因此，治理城市道路交通噪聲應(yīng)集中在中、低頻段，以50 和250 Hz 為主。

研究發(fā)現(xiàn)，小型車的噪聲能量主要分布在1 000～2 500 Hz，大、中型車的噪聲能量主要集中在400 ～2 500 Hz， 公交車的噪聲能量主要集中在10 ～315 Hz[14]。 說(shuō)明在車流量中占比最多的小型車反而不是影響交通噪聲頻譜的最主要原因。 因此在治理機(jī)動(dòng)車噪聲源及在管理車流量的方案中， 均應(yīng)側(cè)重于低頻噪聲的治理和以低頻噪聲為主的車輛（重型車、公交車）的管理。

除了治理噪聲源， 控制交通噪聲傳播途徑也十分關(guān)鍵。 主要方式是在噪聲源與臨街側(cè)建筑之間設(shè)置隔聲帶，主要形式為城市綠化帶和聲屏障。城市綠化帶中，大多數(shù)常見植物的隔聲量為4 ～10 dB[15]。不同種類的植物對(duì)不同頻率的噪聲有不同的衰減效果，合理搭配常青針葉、闊葉類綠籬可有效提高綠化帶的衰減能力[16]。 由于綠化帶的設(shè)置空間有限，對(duì)于城市高架、空間有限的主干道，通常設(shè)置聲屏障。 研究表明，聲屏障對(duì)1 000 Hz 以上的噪聲隔聲效果相對(duì)較好，隔聲量在5 dB 左右，而對(duì)500 Hz 以下的噪聲隔聲效果較差，隔聲量一般小于3 dB[17]。對(duì)于16，31.5 和63 Hz 的低頻噪聲， 由于其波長(zhǎng)大于聲屏障尺寸，因而無(wú)法達(dá)到良好的隔聲效果。 由此，聲屏障的設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)其所處路段的噪聲頻譜和隔聲區(qū)域與道路的位置關(guān)系來(lái)調(diào)節(jié)聲屏障的高度[5]。

縱上， 城市綠化帶和聲屏障對(duì)臨街側(cè)建筑的隔聲效果在低頻段效果均并不理想。同時(shí)，由于聲影區(qū)的存在， 城市綠化帶和聲屏障對(duì)于高層建筑的隔聲效果隨著樓層的增高均逐漸降低。因此，臨街側(cè)建筑的降噪措施中最直接有效的是提高外窗玻璃的隔聲性能。 當(dāng)前我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于外窗的隔聲性能主要以平均等效聲級(jí)為判斷依據(jù)，根據(jù)GB50118—2010《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》， 交通干線兩側(cè)臥室、 起居室（廳）的窗的空氣聲隔聲性能均應(yīng)符合計(jì)權(quán)隔聲量+交通噪聲頻譜修正量（Rw+Ctr）大于等于30 dB 的要求，以保證室內(nèi)允許的噪聲級(jí)在晝間小于等于45 dB（A）。 同時(shí)，對(duì)當(dāng)前市面上常見的隔聲窗結(jié)構(gòu)（中空玻璃、中空夾膠玻璃等）均應(yīng)控制其共振頻率盡量避開50，250 和1 000 Hz 這3 個(gè)頻率段。 一般噪聲向室內(nèi)傳播過(guò)程中遇到障礙物可發(fā)生反射， 比如噪聲到達(dá)中空玻璃的第二片玻璃后發(fā)生反射， 與剛進(jìn)入中空層的噪聲疊加，振幅相同，頻率相同，則可形成駐波，尤其是交通噪聲非常容易引起125 ～750 Hz 范圍的低頻駐波。 因此當(dāng)隔聲窗戶的厚度和鋼化度均無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)時(shí)則容易引起玻璃的振動(dòng)， 可使噪聲更加明顯。 對(duì)此，需在現(xiàn)有中空玻璃（中空夾膠玻璃）的基礎(chǔ)上進(jìn)行不同空氣層和玻璃厚度的搭配[18]，改善外窗玻璃在低頻段的隔聲效果，達(dá)到降噪的目的。

5 結(jié)論

（1）西安市不同時(shí)段、不同道路的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該市道路交通噪聲測(cè)點(diǎn)中48.15%交通噪聲強(qiáng)度等級(jí)均為三級(jí)（一般），18.52%交通噪聲強(qiáng)度等級(jí)均為四級(jí)（較差），對(duì)周圍居民的日常生活存在一定影響。 不同道路的晝間等效聲級(jí)與其等效車流量具有較高的相關(guān)性。

（2）城市道路交通噪聲的1/3 倍頻程頻譜均呈現(xiàn)出中、低頻的特性，聲壓級(jí)隨頻率的增加呈下降趨勢(shì)。 交通噪聲的聲能量主要集中于50，250 和1 000 Hz 頻段周圍， 總體以50 Hz 周圍的聲能量占比最高，1 000 Hz 其次，250 Hz 最低。

（3）城市道路交通噪聲1/3 倍頻程頻譜的頻率重心集中分布在100 ～400 Hz 之間， 其中以200 ～300 Hz 分布最多，為主要影響頻段。 而聲能量占比最多的50 Hz 并非整個(gè)噪聲頻段的頻率重心。

（4）由于不同時(shí)段車流量的不同，早、晚高峰時(shí)段的晝間等效聲級(jí)均高于非高峰時(shí)段， 而在交通噪聲的頻譜分析中未表現(xiàn)出類似規(guī)律，1/3 倍頻程頻譜在時(shí)段上無(wú)明顯規(guī)律。

（5）治理交通噪聲應(yīng)著重于控制低頻噪聲和管理低頻噪聲為主的車輛（重型車、公交車）。相對(duì)于設(shè)置聲屏障和綠化帶， 提高臨街側(cè)建筑外窗的隔聲性能在降噪方面則更有效。