永安市巴溪河生態(tài)泄水壩聲音特性分析

范建強，陳晉琪，李鳳濱

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000)

“聲景”(soundscape)一詞最早是由默里·沙弗[1](R.Murray Schafer)于1977年提出的，其研究側(cè)重人對各類聲音的感知反饋，它涉及工程、社會、心理學(xué)科交叉，被認定是一種資源[2]，可作為水利工程景觀設(shè)計一項重要參數(shù)。目前，國內(nèi)水利工程景觀設(shè)計項目較為豐富，常見的有城市河流景觀[3]、生態(tài)景觀、水利工程、公園景觀等領(lǐng)域，而這些景觀設(shè)計主要以視覺美、生態(tài)美作為重要指標，以聲景作為水利工程設(shè)計指標的，國內(nèi)仍然比較少見。國內(nèi)聲景理引入時間在2004年[4]，其研究領(lǐng)域以古典園林、城市環(huán)境、建筑環(huán)境等研究為主。如今，城市濱河兩岸成為居民休憩的重要場所，好的泄水聲能夠使人愉悅，不好的泄水聲使人覺得嘈雜。泄水聲音設(shè)計則顯得尤為重要，契合幸福河構(gòu)建的時代背景，同時對城市濱水河岸的土地建設(shè)及發(fā)展規(guī)劃策略擬定具有重大意義。

1 工程概況

本文研究河段為永安市內(nèi)巴溪河局部河段，地理標識為埔?guī)X路～石門路河段，該河段中心線長度約5568m，平均河寬介于38～52m。沿河兩岸開發(fā)建設(shè)多個居民區(qū)，多處住宅邊界臨河布置，距河道直線距離20～200m不等。

通過對沿河響度觀測，泄水聲音嘈雜點位多見于在壩段集中泄水、跌水及急流處，其中位于巴溪河段上游、埔?guī)X路跨河大橋上游110m斷面位置的生態(tài)泄水壩，聲音尤為嘈雜。該生態(tài)泄水壩為溢流壩，壩體由塊石堆積而成、攔河而筑，已知壩高1.2m、壩寬52m、壩坡長度2.73m、壩坡成三角態(tài)，其傾角約為30°，聲音源于坡面泄水與跌水，壩坡塊石不規(guī)則排列，直徑30～50cm不等。該壩體泄水聲音源于高度跌水、陡坡急流，如圖1所示。

圖1 永安市巴溪河生態(tài)景觀壩泄水圖

2 參數(shù)測量說明

2.1 流量測量

由于該河段水文測驗設(shè)施不健全，對該河段的流量測定存在偏差，本文流量計算采用下式：

式中，m—流量系數(shù)，對于該折線堰，m值介于0.38～0.40之間；ε—測收縮系數(shù)；σs—淹沒水頭損失系數(shù)，近似取值為10；B—測量斷面寬度，m；h—堰上總水頭，m。

2.2 聲音測量

聲音測量是聲景的重要組成部分。聲音的表征通常有響度(振幅)、音調(diào)(頻率)、音色3個指標。其中，音色反應(yīng)的是音調(diào)的聽覺品質(zhì)，主要與材料、結(jié)構(gòu)有關(guān)，本次聲音測量主要針對響度、音調(diào)2個指標。

響度及頻譜測量可采用Audio tool測量軟件(版本8.3.2)，并搭配美國Dayton公司生產(chǎn)的imm-6麥克風(fēng)進行，數(shù)據(jù)表明，該法測量準確度與音頻專業(yè)測量(Umik-1麥克風(fēng)及專業(yè)聲音分析軟件REW)結(jié)果偏差不大，基本滿足測量及數(shù)據(jù)分析要求。通過測量，可以獲得響度(聲壓級SPL)、頻譜曲線(可導(dǎo)出數(shù)據(jù))等，其測量軟件界面圖及imm-6麥克風(fēng)如圖2—3所示。

圖2 Audio tool軟件頻響曲線測量界面

圖3 泄水聲音測量麥克風(fēng)imm-6

Imm-6麥克風(fēng)的性能指標：精密6mm全指向型麥克風(fēng)，校準后測量頻率區(qū)間為18～20000Hz，最大聲壓127dB，靈敏度10Mv/Pa，信噪比約70dBA，校準文件編號99-46216。

2.3 測量點位說明

該泄水壩上下游河勢、河岸順直，聲音測量時沿河布設(shè)，考慮到設(shè)備布設(shè)及聲音采集位置的便利性，本次聲音測驗選在泄水壩左岸河堤護欄頂上，欄桿所在平面高程高出壩頂3.1m，測量期間，測量麥克風(fēng)統(tǒng)一指向壩體泄水中心，測驗點位間隔等距布設(shè)。

3 相關(guān)測量成果

3.1 測驗背景音

為減小背景音對水聲測驗數(shù)據(jù)成果的影響，本文水聲測驗均選擇在無風(fēng)氣候條件下，測驗時段均選在6：20-7：20為宜。通過多組測算，在安靜環(huán)境下，背景等效連續(xù)聲壓Leq(C)值在48～51dB區(qū)間范圍，而水流測驗時響度值均在60dB以上，依據(jù)GB 3785—2010《聲級計電聲性能及測量方法》，兩者相差大于10dB，可忽略背景音對水聲影響。

3.2 生態(tài)泄水壩泄水聲音響度衰減特性

水流聲音源于水體之間或水體與邊界的撞擊或摩擦，人耳對水流的第一響應(yīng)，最為直接的參數(shù)指標就是水流響度。在進行響度測量時，應(yīng)使用聲級計或使用經(jīng)過校準的麥克風(fēng)進行測量，手機自帶麥克風(fēng)未經(jīng)校準，測量偏差較大，如圖4所示。

圖4 生態(tài)壩泄水聲音響度衰減圖(未校準)

由圖4可知，手機麥克風(fēng)的響度衰減速度基本上呈線性，順流衰減速度約0.187db/m，而逆流衰減速度約0.6db/m。

泄水響度沿程衰減為指數(shù)型曲線，如圖5所示，經(jīng)過SPSS軟件非線性回歸擬合，本次測驗順流向衰減方程為f(x)=58+22.29e-0.023x，R2=0.996；逆流向衰減方程為f(x)=55+24·e-0.044x，R2=0.977。從衰減過程來看，順流向與逆流向的衰減過程曲線相差不大，近壩逆流向衰減幅度較大，其聲音傳播過程受到阻隔，同時表明壩體坡面或跌水是泄水聲音主要區(qū)域。

圖5 生態(tài)壩泄水聲音響度衰減圖(校準后)

3.3 泄水壩頻譜特性

除了響度外，音調(diào)(頻率)也是聲音的重要表征。由于人耳對不同頻率的響度感受是不同且非線性的，為模擬人耳對不同頻段的敏感度，通常采用能夠模擬人耳聽覺特性的濾波器，將電信號修正為與人耳主觀聽感接近的程度。美國國家標準協(xié)會ANSI于1936年制定了A、B、C計權(quán)標準，即從等響度曲線中選取40、70、100方3條曲線作為典型參考，本文選用C計權(quán)標準。

泄水水流是動態(tài)的，其頻譜圖理論上也應(yīng)該是實時動態(tài)變化的，然而，通過長期連續(xù)觀測，泄水水流的頻譜是呈周期性變化，且各頻率的連續(xù)等效聲壓級浮動幅度很小，可以做均值化處理。

在某泄水流量下(Q≈20m3/s)，每間隔T=1min采集到的各頻率連續(xù)等效聲壓值標準差值均小于1，即頻譜波動幅度隨時間的變動不大，見表1。通過均值化處理，可以得到泄水聲景頻譜柱狀圖，如圖6所示。

表1 泄水壩泄水頻率與對應(yīng)連續(xù)等效聲壓級 單位：dB

圖6 生態(tài)泄水壩均值化泄水聲音頻譜圖(Q≈20m3/s)

3.4 泄水聲音沿程頻譜變化特性(順流向)

生態(tài)泄水壩在泄水流量25m3/s(估算值)時，泄水聲音主頻區(qū)間為256～8000Hz，且隨著傳播距離的延長，各頻譜的連續(xù)等效聲壓級均出現(xiàn)不同程度的衰減，如圖7所示。

圖7 生態(tài)泄水壩泄水聲音頻譜沿河變化圖(Q≈25m3/s)

圖8 生態(tài)壩泄水沿程各頻段聲壓級分布(低頻段)

圖9 生態(tài)壩泄水沿程各頻段聲壓級分布(中頻段)

圖10 生態(tài)壩泄水沿程各頻段聲壓級分布(高頻段)

人耳能夠感知的頻域為20～20000Hz，將可聽聲按倍頻關(guān)系可以分成低音、中音、高音3個頻段。其中，低音頻段20～160Hz，含31.5、63、125Hz 3個頻級；中音頻段160～2500Hz，含250、500、1000、2000Hz 4個頻級；高音頻段2500～20000Hz，含4000、8000、16000Hz 3個頻級。

低頻段(20～160Hz)：在泄水流量為25m3/s時，在順河泄水100m范圍內(nèi)，低頻段頻率越高，聲壓級數(shù)值越大；前30m各頻率聲壓級普遍高于后70m；在泄水前30m距離內(nèi)，頻級的聲級隨距離增加而逐漸升高，在泄水47～90m距離內(nèi)，頻級的聲級隨距離增加沒有明顯的變化；前30m同頻率下的最低聲級值高于47～90m平均聲級；在47～90m范圍內(nèi)，125、63、31.5Hz的頻級聲級均值分別為40、28、13dB。

中頻段(160～2500Hz)：在泄水100m范圍內(nèi)，中頻段聲級隨距離衰減，衰減速度約0.19dB/m，沿程定點各頻率聲級無明顯差異。

高頻段(2500～20000Hz)：高頻段各頻級的聲級隨著距離延長均呈衰減趨勢；在泄水定點位置，頻級越低，聲級越高；頻級之間4000與8000Hz的聲級各測點為差值幾乎為0，16000與20000Hz的各測點聲級值差異較大。

4 結(jié)語

永安市巴溪河生態(tài)泄水壩泄水聲音的特性研究結(jié)論如下。

(1)泄水壩泄水響度沿程均為指數(shù)型衰減曲線，在順流向衰減速度緩慢，在采用C計權(quán)模式下，在距離壩端近100m，響度衰減幅度由80.4dB衰減至60dB。泄水聲音主要集中于壩體坡面或跌水，逆流向近壩端的衰減幅度大，源于聲音的傳播路線受到阻隔。

(2)泄水聲音的頻譜是周期性變化的，泄水水流的頻譜是呈周期性變化，且各頻率的連續(xù)等效聲壓級浮動幅度很小，可以做均值化處理。

(3)泄水壩沿順流向聲音頻譜變化是不同的，泄水聲音主頻區(qū)間為256～8000Hz，且隨著傳播距離的延長，各頻譜的連續(xù)等效聲壓級均出現(xiàn)不同程度的衰減。

(4)在泄水流量為25m3/s、低頻段(20～160Hz)區(qū)間，在順河泄水前30m各頻率聲壓級普遍高于后70m，且前30m距離頻級的聲級隨距離增加而逐漸升高，在泄水47～90m距離內(nèi)，頻級的聲級隨距離增加沒有明顯的變化；中頻段(160～2500Hz)區(qū)間，各頻率聲級無明顯差異，中頻段聲級隨距離衰減，衰減速度約0.19dB/m；沿程定點；在高頻段(2500～20000Hz)區(qū)間，各頻級的聲級隨著距離延長均呈衰減趨勢，4000～8000Hz區(qū)間聲級衰減曲線差別較小，16000～20000Hz的衰減變化較大。