道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型實(shí)踐探析

戶(hù)文成，王蓓蓓，吳瑞，蔣從雙

(北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京　100054)

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道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型實(shí)踐探析

戶(hù)文成，王蓓蓓，吳瑞，蔣從雙

(北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京100054)

摘要：通過(guò)介紹國(guó)外多種較為常用的道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型，從聲源和傳播模型方面進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)目前主要道路噪聲預(yù)測(cè)模型中存在的問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)，并對(duì)全國(guó)7個(gè)典型城市進(jìn)行實(shí)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，提出了符合我國(guó)國(guó)情的道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型構(gòu)建方法與思路，并初步建立了基于我國(guó)國(guó)情的道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型。

關(guān)鍵詞：道路；交通；噪聲預(yù)測(cè)模型

目前，道路交通噪聲環(huán)境影響評(píng)價(jià)在許多國(guó)家和地區(qū)都得到重視。20世紀(jì)70年代以來(lái)，各國(guó)相繼開(kāi)發(fā)了基于當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型。但國(guó)外預(yù)測(cè)模型的建立，都是以本國(guó)國(guó)情為基礎(chǔ)，在使用條件和參數(shù)選取等方面存在不同，預(yù)測(cè)結(jié)果存在較大差異，具有一定的地區(qū)應(yīng)用特色。因此，有必要建立基于我國(guó)國(guó)情的道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型。

1國(guó)內(nèi)外道路噪聲預(yù)測(cè)模型對(duì)比分析

國(guó)外常見(jiàn)的道路噪聲預(yù)測(cè)模型主要有美國(guó)的FHWA TNM模型[1]、法國(guó)的NMPB模型[2]、日本的ASJ RTN 2008模型[3]和歐盟近年來(lái)提出的CNOSSOS-EU模型[4]等。我國(guó)主要采用《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境》(HJ 2.4—2009)[5]和《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》(JTG B03—2006)[6](以下簡(jiǎn)稱(chēng)JTG模型)中的模型。幾乎所有的道路交通噪聲預(yù)測(cè)都具有相似形式，即預(yù)測(cè)點(diǎn)噪聲由源強(qiáng)模型和聲傳播修正模型兩部分組成。

1.1聲源模型對(duì)比

源強(qiáng)模型部分影響因素眾多，包括車(chē)速、車(chē)輛類(lèi)型、車(chē)齡、路面類(lèi)型、加減速以及路面坡度等，這些影響因素又隨著國(guó)家和地區(qū)的不同而不同，因而噪聲源強(qiáng)模型差異較大。

(1)在聲源數(shù)量的劃分方面，ASJ模型、CNOSSOS-EU模型和JTG模型將車(chē)輛簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)聲源；而FHWA TNM模型和NMPB模型則將車(chē)輛簡(jiǎn)化為兩個(gè)點(diǎn)聲源，一個(gè)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲決定，另一個(gè)主要由輪胎噪聲決定。

(2)在聲源高度方面，CNOSSOS-EU模型將聲源簡(jiǎn)化后的高度定為0.05 m，而在我國(guó)噪聲評(píng)價(jià)中，通常將車(chē)輛簡(jiǎn)化為0.5 m高的點(diǎn)源。

(3)在坡度修正及路面類(lèi)型方面，所有的模型均有所考慮卻并不相同。如NMPB模型針對(duì)不同的坡度范圍分上下坡提出修正量，并針對(duì)普通路面和低噪聲路面提出輪胎噪聲模型。而JTG模型主要針對(duì)不同坡度提出不同修正量，并對(duì)瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面分別提出修正量。

(4)在車(chē)輛指向性方面，ASJ模型、CNOSSOS-EU模型提出車(chē)輛噪聲在水平方向的指向性不明顯，垂直方向受車(chē)身遮擋指向性較強(qiáng)，而JTG模型未考慮車(chē)輛噪聲的指向性。

(5)在車(chē)輛速度方面，ASJ模型將車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)分為穩(wěn)定運(yùn)行(40～140 km/h)和非穩(wěn)定運(yùn)行(10～60 km/h)；JTG模型適用于車(chē)速大于48 km/h的預(yù)測(cè)；NMPB模型對(duì)于不同速度段分別提出模型參數(shù)。

1.2聲傳播模型對(duì)比

各國(guó)均參考ISO9613建立了本國(guó)的聲傳播模型，通過(guò)對(duì)國(guó)外幾個(gè)重點(diǎn)模型的聲傳播部分開(kāi)展了比對(duì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　國(guó)外聲傳播模型對(duì)比Table 1　Comparison of foreign sound transmission models

注：表中的“特殊”指建立了具有自身特點(diǎn)的、與ISO 9613不同的模型。

我國(guó)聲傳播模型計(jì)算可參考《聲學(xué)戶(hù)外聲傳播》(GB/T 17247.2—1998)，等同于ISO相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。而聲導(dǎo)則確定的交通噪聲戶(hù)外聲傳播計(jì)算方法，基本延續(xù)了國(guó)標(biāo)計(jì)算方法，并將其運(yùn)用到交通噪聲預(yù)測(cè)中。

2我國(guó)道路噪聲預(yù)測(cè)模型構(gòu)建方法與思路

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型的對(duì)比研究可知，國(guó)內(nèi)道路噪聲預(yù)測(cè)模型聲源部分來(lái)源于FHWA模型，傳播部分來(lái)源于ISO9613。國(guó)外幾種模型在聲源和聲傳播方面均做出細(xì)化，減少了模糊、不確定之處，但也帶來(lái)了模型使用復(fù)雜的問(wèn)題。國(guó)外模型均有詳細(xì)的技術(shù)支撐文件，具有非常豐富的交通噪聲數(shù)據(jù)庫(kù)，形成了比較系統(tǒng)的道路交通噪聲預(yù)測(cè)體系。相比之下，我國(guó)模型在內(nèi)容體系和數(shù)據(jù)支撐方面尚較薄弱，且缺乏詳細(xì)的指導(dǎo)性文件，預(yù)測(cè)能力較低，尤其是針對(duì)城市復(fù)雜道路條件下的道路交通噪聲的預(yù)測(cè)。通過(guò)借鑒國(guó)外模型特點(diǎn)，可建立基于我國(guó)國(guó)情的道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型。

2.1思路流程

為建立基于我國(guó)國(guó)情的道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型，需進(jìn)行系列測(cè)試與研究，主要流程如圖1所示。

針對(duì)聲源模型，聲環(huán)境導(dǎo)則并未給出具體的模式。在環(huán)境噪聲預(yù)測(cè)中，如源強(qiáng)參數(shù)不準(zhǔn)確，則預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性也就無(wú)從談起。JTG模型雖然給出單車(chē)噪聲排放模型，但僅適用于車(chē)速大于48 km/h的道路交通預(yù)測(cè)，對(duì)于較低車(chē)速則無(wú)法使用。因此，需針對(duì)低車(chē)速的道路建立噪聲模型?？赏ㄟ^(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立聲功率級(jí)(或聲壓級(jí))與車(chē)速之間的回歸曲線方程式。

針對(duì)聲源簡(jiǎn)化，我國(guó)噪聲環(huán)評(píng)中通常將車(chē)輛簡(jiǎn)化為0.5 m高的點(diǎn)源，與國(guó)外聲源高度位置不太一致，可通過(guò)聲陣列的方法對(duì)車(chē)輛通過(guò)噪聲源進(jìn)行聲源識(shí)別測(cè)試來(lái)確定。

針對(duì)車(chē)型、速度以及聲源高度，可分速度區(qū)間、按車(chē)型分別提出單車(chē)噪聲排放模型，并進(jìn)一步研究車(chē)輛的等效聲源高度。

針對(duì)路面條件，可將路面分為瀝青和水泥路面進(jìn)行研究，建立路面修正量，并針對(duì)不同坡度區(qū)間分上下坡提出坡度修正量。

針對(duì)車(chē)輛的指向性，可研究不同路面類(lèi)型、不同坡度下單車(chē)噪聲在垂直方向的指向性。

圖1　建立基于我國(guó)國(guó)情的道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型流程圖Fig.1　Flow chart of establishing the road traffic noise prediction model in China

針對(duì)道路交通噪聲源強(qiáng)特性、排放特性、特殊路段噪聲排放特性，因各地差異較大，缺乏相關(guān)成熟的研究模型，因此采取實(shí)地測(cè)量并在實(shí)測(cè)基礎(chǔ)上歸納總結(jié)的方法。

針對(duì)噪聲衰減特性和計(jì)算參數(shù)影響特性，則采用參考現(xiàn)有模型并進(jìn)行驗(yàn)證的方法。

2.2測(cè)試方法

2.2.1聲源測(cè)試

(1)單車(chē)源強(qiáng)測(cè)試，主要研究單車(chē)源強(qiáng)與車(chē)輛、道路條件的關(guān)系，分析車(chē)型、車(chē)速、坡度、氣候等的影響。在距離目標(biāo)車(chē)道7.5 m處布置源強(qiáng)觀測(cè)點(diǎn)，在觀測(cè)點(diǎn)前后設(shè)置速度區(qū)間，用高速攝像機(jī)記錄車(chē)速。

(2)單車(chē)噪聲指向性測(cè)試，主要研究不同路面類(lèi)型、不同坡度下單車(chē)輻射噪聲在垂直方向的指向性。在距離目標(biāo)車(chē)道7.5 m處布置一根7.5 m高的桿，分別在桿的0.2、1.2、2、3.5、5.3、7.5 m處布置傳聲器，與車(chē)道中心線的夾角正好是2°、9°、15°、25°、35°、45°。并用高速攝像機(jī)記錄車(chē)輛速度。

(3)單車(chē)等效聲源高度測(cè)試，主要研究單車(chē)等效噪聲源強(qiáng)的高度。在距離目標(biāo)車(chē)道7.5 m處布置聲陣列。并用高速攝像機(jī)記錄車(chē)輛速度。

2.2.2聲傳播測(cè)試

(1)空曠地中的傳播，主要研究空曠地中點(diǎn)聲源的傳播規(guī)律，研究風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等氣候條件對(duì)點(diǎn)聲源傳播的影響?？煞謩e距離標(biāo)準(zhǔn)聲源25、50、100、200 m布置觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)高度均為1.5 m。

(2)建筑群中的傳播，主要研究建筑群中點(diǎn)聲源的傳播規(guī)律。建筑物一側(cè)布置標(biāo)準(zhǔn)聲源，聲源旁布置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，第一排與第二排建筑物后面均布置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

2.2.3特殊路段測(cè)試

特殊路段測(cè)試主要包括交叉口測(cè)試和高架/路塹的測(cè)試。交叉口測(cè)試主要研究道路交叉口的噪聲特性，所有測(cè)點(diǎn)與最外側(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)道中心線的距離保持一致。高架/路塹的測(cè)試主要是為了研究高架/路塹的噪聲特性及其傳播規(guī)律。

2.3傳播衰減研究

ISO 9613給出了有利于聲傳播條件下幾何發(fā)散、大氣吸收、地面效應(yīng)、屏障等因素引起的聲衰減。但是實(shí)際情況卻往往存在差異，因此需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)利于聲傳播條件下的聲衰減進(jìn)行修正。

(1)溫度引起的衰減。在晝間和夜間不同溫度梯度下測(cè)試點(diǎn)聲源在不同測(cè)點(diǎn)處的噪聲值，將測(cè)試結(jié)果與ISO 9613計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，得出溫度梯度對(duì)聲傳播的影響，并提出溫度梯度修正量[7]。

(2)風(fēng)速風(fēng)向引起的衰減。在不同風(fēng)速風(fēng)向條件下進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算不考慮風(fēng)影響的噪聲值，將其與實(shí)測(cè)值對(duì)比，確定不考慮風(fēng)影響導(dǎo)致的誤差。利用標(biāo)準(zhǔn)聲源，針對(duì)不同風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)試噪聲衰減情況，提出風(fēng)向和風(fēng)速的修正方法。

2.4研究結(jié)論

道路交通噪聲聲源模型和傳播衰減模型涉及很多方面，本文僅對(duì)聲源模型主要結(jié)論進(jìn)行說(shuō)明。

(1)車(chē)輛劃分。預(yù)測(cè)模型中將車(chē)輛劃分為中小型車(chē)和大型車(chē)。中小型車(chē)指車(chē)長(zhǎng)小于6 m且乘坐人數(shù)小于20人的載客汽車(chē)，總質(zhì)量小于12 t的載貨汽車(chē)和掛車(chē)，以及摩托車(chē)，其余為大型車(chē)。

(2)水平路面單車(chē)排放噪聲模型。在北京市蘆求路、杭州市五一路、南昌市X052縣道、南昌市金沙二路、蘇州市貢山路、蘇州市渚鎮(zhèn)路、西寧市美麗水街、長(zhǎng)春市東勝利大街、沈陽(yáng)市新蔡線、哈爾濱市長(zhǎng)勝路、拉薩市納木錯(cuò)鄉(xiāng)等道路測(cè)試瀝青路面單車(chē)噪聲排放大小，共測(cè)試有效樣本量1 249組。車(chē)速與單車(chē)噪聲源強(qiáng)之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2　水平瀝青路面單車(chē)噪聲排放曲線Fig.2　Noise emission curve of vehicle on horizontal asphalt roads

單車(chē)在r0=7.5 m處的A聲壓級(jí)計(jì)算公式為：

Lr0=a+b·lgV+ΔLsour

(1)

式中，r0為測(cè)點(diǎn)距目標(biāo)車(chē)道中心線的距離；Lr0為單車(chē)排放噪聲在7.5 m處的A聲壓級(jí)，dB(A)；V為單車(chē)運(yùn)行速度，km/h；ΔLsour為聲源修正項(xiàng)；a、b為模型參數(shù)。

通過(guò)對(duì)圖2中的水平單車(chē)噪聲排放數(shù)據(jù)運(yùn)用最小二乘法擬合，得出水平路面單車(chē)噪聲排放模型參數(shù)。對(duì)于中小型車(chē)，適用車(chē)速范圍為15～200 km/h，a為15，b為32.3；對(duì)于大型車(chē)，適用車(chē)速范圍為20～100 km/h，a為41，b為22。

當(dāng)小型車(chē)速度低于15 km/h、中型車(chē)或大型車(chē)速度低于20 km/h時(shí)，認(rèn)為車(chē)輛處于起步、停止或頻繁加減速階段，此階段車(chē)輛加減速比較頻繁，排放噪聲與速度的相關(guān)性較差，可認(rèn)為車(chē)輛排放噪聲恒定，中小型車(chē)噪聲為53 dB(A)，大型車(chē)為69.6 dB(A)。

(3)路面類(lèi)型修正。車(chē)輛在水泥路面行駛時(shí)噪聲較高，通過(guò)對(duì)瀝青路面和水泥路面大量不同類(lèi)型單車(chē)進(jìn)行測(cè)試，式(2)給出了水泥路面下單車(chē)排放噪聲的修正項(xiàng)。

ΔLsurf=ksurfv

(2)

式中，ksurf為水泥路面修正系數(shù)；v為車(chē)輛運(yùn)行速度，km/h。中小型車(chē)和大型車(chē)的ksurf值分別為0.02和0.04。

(4)聲源高度。針對(duì)聲源高度，通過(guò)聲陣列的實(shí)測(cè)分析可知，當(dāng)車(chē)輛以大于30 km/h的速度在瀝青路面上行駛時(shí)，中小型車(chē)的等效聲源高度為0.3 m；大型車(chē)的等效聲源高度為0.44 m。

(5)坡度修正。針對(duì)坡度修正，分別根據(jù)上下坡，給出修正公式。車(chē)輛上坡的修正公式為：

ΔLgrad=kuβ

(3)

式中，ku為上坡修正系數(shù)；β為縱坡道路坡度，%。對(duì)于中小型車(chē)，適用車(chē)速范圍為20～80 km/h，ku為0.12；對(duì)于大型車(chē)，適用車(chē)速范圍為20～60 km/h，ku為0.55。

車(chē)輛下坡時(shí)的修正公式為：

ΔLgrad=kd1β+kd2log(β)

(4)

式中，kd1、kd2為下坡修正系數(shù)；β為縱坡道路坡度，%。對(duì)于中小型車(chē)，適用車(chē)速范圍為20～75 km/h，kd1為0.9，kd2為-8；對(duì)于大型車(chē)，適用車(chē)速范圍為20～55 km/h，kd1為0.4，kd2為-5。下坡修正模型適用于坡度值大于3%的縱坡道路。對(duì)于坡度值小于3%的縱坡道路，修正值取坡度值為0和3%對(duì)應(yīng)修正值的線性插值。

3結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，提出了建立我國(guó)道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型的方法和思路，并通過(guò)對(duì)7個(gè)典型城市開(kāi)展針對(duì)交通噪聲源及特殊交通形式噪聲源特性的實(shí)地測(cè)試和系統(tǒng)研究，初步建立基于我國(guó)國(guó)情的道路交通噪聲預(yù)測(cè)模型，為建立符合我國(guó)實(shí)際情況，基于我國(guó)車(chē)輛、道路、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的道路交通噪聲預(yù)測(cè)通用模型提供了思路和案例。

雖然初步建立了模型，但是一些具體細(xì)節(jié)上還可進(jìn)行進(jìn)一步研究，如城市復(fù)雜道路(上為高架，下為地面道路的復(fù)合道路)的模型建立方法及其影響因素、高海拔對(duì)聲源的影響等，以期能提出更為詳盡、更加系統(tǒng)、基于我國(guó)交通噪聲聲源數(shù)據(jù)庫(kù)的道路交通噪聲預(yù)測(cè)體系。

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收稿日期：2016-04-11

基金項(xiàng)目：環(huán)保部環(huán)保公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)(201309066)；北京市自然科學(xué)基金(L150007)

作者簡(jiǎn)介：戶(hù)文成(1974—)，男，河北廊坊人，研究員，碩士，主要從事噪聲與振動(dòng)控制研究，E-mail：who518@126.com 通訊作者：王蓓蓓(1981—)，女，安徽蕪湖人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事噪聲與振動(dòng)控制研究，E-mail：wangbeibei_2000@163.com

DOI:10.14068/j.ceia.2016.04.004

中圖分類(lèi)號(hào)：X593

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6444(2016)04-0014-04

A Study on Practices of Road Traffic Noise Prediction Model

HU Wen-cheng, WANG Bei-bei, WU Rui, JIANG Cong-shuang

(Beijing Municipal Institute of Labor Protection, Beijing 100054, China)

Abstract:This paper introduced a variety of foreign road traffic noise prediction models, analyzed them in terms of the sound source model and sound transmission model, and summed up the current issues existing in the main road noise prediction models. This paper provided a systematic summary of the domestic and overseas road traffic noise prediction models, collected data from 7 typical cities in China, proposed the methods and concepts for constructing road traffic noise prediction models based on China’s national conditions, and established the preliminary road traffic noise prediction model.

Key words:road; traffic; noise prediction model