道路交通噪聲預(yù)測聲源簡化研究

李憲同，趙佳美，汪 贇，白 煜，宗蕙娟，溫香彩

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012 2.北京市勞動保護科學(xué)研究所，北京 100054

國內(nèi)學(xué)者也進行了相關(guān)研究，包括道路交通噪聲預(yù)測模型的推導(dǎo)[10]、參數(shù)修正[11-13]、衰減修正[14]等。環(huán)境影響評價工作中，技術(shù)人員通常依據(jù)《環(huán)評導(dǎo)則》將道路簡化為1條位于道路中心線處的線聲源，而不考慮道路寬度和車道多少。《環(huán)評導(dǎo)則》中規(guī)定的簡化為1條線聲源與其他模型中簡化為多條線聲源在道路寬度不同、接收點與道路邊界距離不同時對預(yù)測結(jié)果的精度有無影響、影響有多大，很少有文章涉及。本文通過推導(dǎo)多條線聲源與1條線聲源在接收點噪聲影響的誤差計算公式，深入研究《環(huán)評導(dǎo)則》中的簡化方式的誤差大小，以期為道路噪聲管理、規(guī)劃、環(huán)評提供更加切實可行的方法，減少道路交通噪聲投訴和影響。

1 誤差計算

一般情況下，是將近場區(qū)的道路交通有限長線聲源當作無限長線聲源處理[15]。如圖1所示，假設(shè)接收點在距離線聲源距離r0處(參考點)聲級為Lr0，在距離r處聲級為Lr，衰減符合式(1)的規(guī)律。

圖1 兩車道道路線聲源簡化示意圖Fig.1 Diagram of simplified sound source for two-lane road

(1)

道路聲源簡化為線聲源的條數(shù)越多，與道路聲源的真實輻射情況越接近，預(yù)測結(jié)果越接近道路真實排放情況[6]，按照上述理論計算兩車道道路交通噪聲簡化為2條線聲源和簡化為1條線聲源時接收點處噪聲值的誤差。

假設(shè)兩車道道路寬度為D，接收點與道路邊緣距離為L。簡化為1條線聲源時，線聲源位于道路中心線處，則接收點到線聲源的距離r可由L和D表示：

r=L+D/2

(2)

兩車道的道路簡化為2條線聲源時，假設(shè)車速相同，2條線聲源聲能量相同。則每條線聲源在距離r0處的聲級L01與L02相等，兩者聲能量之和等于Lr0。則

L01=L02=Lr0-10lg2

(3)

(4)

簡化為2條線聲源與簡化為1條線聲源在接收點處噪聲值預(yù)測結(jié)果的誤差ΔL如式(5)所示。

(5)

令n=L/D，則

和祖父的想法一樣，我也不想成為什么“家”，因為作家與藝術(shù)家，既與才華和努力有關(guān)，也與時運有關(guān)，與命途有關(guān)，真正的成功者只是極少數(shù)。我們只要將愛好融入生命里，在其中得到樂趣，就是真正的價值所在。如果每一位寫作者或畫者都用真誠的心去寫，去畫，相信這個世界就會因為書寫、繪畫，而變得更加美好。我覺得，自己即使張羅著大小瑣碎事，也能享有趣味充實的生活，就已經(jīng)是成功的人生，不必太在意世俗的眼光，把別人的框架，硬套在自己的身上。

(6)

可以得到ΔL與n之間的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 兩車道1條線聲源與兩車道2條線聲源誤差變化Fig.2 The error variation of one linear sound source and tow linear sound sources

從圖2可以看出，誤差只與L和D有關(guān)。簡化為2條線聲源比簡化為1條線聲源的聲級預(yù)測結(jié)果大。n越小，絕對誤差越大，隨著n增大，絕對誤差呈對數(shù)減小。

依此類推，可以得出四車道、六車道、八車道和十車道道路簡化為1條線聲源與多條線聲源的誤差公式。

對于四車道道路，不同簡化方式的絕對誤差：

(7)

對于六車道道路，不同簡化方式的絕對誤差：

(8)

對于八車道道路，不同簡化方式的絕對誤差：

(9)

對于十車道道路，不同簡化方式的絕對誤差：

(10)

不同道路寬度時，根據(jù)公式計算得到的1條線聲源與多條線聲源之間的誤差ΔL的變化趨勢如圖3所示。

圖3 不同道路寬度1條線聲源與多條線聲源誤差變化Fig.3 The error variation of one linear sound source and multiple linear sound sources with different roads width

從圖3可以看出，對于不同道路寬度，n與絕對誤差的關(guān)系與兩車道時規(guī)律一致。并且道路寬度越大，將道路交通聲源簡化為1條線聲源和多條線聲源預(yù)測結(jié)果的絕對誤差越大。當接收點位于道路邊緣(n=0)時，絕對誤差最大，均超過1 dB，且對于十車道的道路，誤差大于3 dB。當接收點與道路邊緣的距離大于道路寬度的一半時(n大于0.5)，絕對誤差可以控制在0.5 dB之內(nèi)。

2 驗證分析

2.1 基于Predictor-lima 預(yù)測軟件驗證

Predictor-lima環(huán)境噪聲計算和繪圖軟件是由丹麥B&K公司研發(fā)的，是國際上主流的預(yù)測軟件之一。《環(huán)評導(dǎo)則》中的公路交通運輸噪聲預(yù)測模式由車流量計算一個噪聲基本值，再對車型比例、速度、衰減距離、路面情況和其他環(huán)境等因素加以修正。

本文分別對兩車道、四車道、六車道、八車道、十車道的道路交通噪聲進行預(yù)測，6個接收點(N0、N1、N2、N3、N4、N5)與道路邊緣的距離分別為路寬的0、1、2、3、4、5倍(即n=0、1、2、3、4、5)，以兩車道和四車道為例，預(yù)測模型示意圖分別見圖4、圖5。

圖4 兩車道簡化為1條線聲源和2條聲源模擬圖Fig.4 Simulated diagram of two-lane road simplified to one linear sound source and two linear sound sources

圖5 四車道簡化為1條線聲源和4條線聲源模擬圖Fig.5 Simulated diagram of four-lane roa simplified to one line sound source and four linear sound sources

預(yù)測計算結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，經(jīng)國際上主流的預(yù)測軟件預(yù)測得到的n與絕對誤差的變化規(guī)律與理論分析的結(jié)果基本一致，一定程度上驗證了前述的理論分析。

圖6 不同道路寬度時1條線聲源與多條線聲源之間的誤差變化預(yù)測結(jié)果Fig.6 The prediction results of the error variation ofone linear sound source and multiple linearsound source with different roads width

2.2 實測驗證

選取北京市北苑東路(清河郊野公園西門北側(cè)路段)，該道路為雙向四車道，最外側(cè)有1條輔路(無車輛通過)，中間有一條寬度約6 m的綠化帶，道路總寬度約20 m。分別在與主路邊緣的距離為0、1、2、3倍道路寬度處布設(shè)了4個測點，測試過程中無大、中型車經(jīng)過，各車道平均車速約為55 km/h，遠側(cè)2個車道的車流量為900輛/h，近側(cè)2個車道的車流量約為1 500輛/h。實際車流量并非如理論計算中平均分布，故按照實際情況輸入簡化為1條線聲源和簡化為4條線聲源的預(yù)測參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 不同測點預(yù)測值與實測差值Table 1 The difference between the predictedvalue and the measured value

從表1可以看出，盡管實測道路交通噪聲結(jié)果與預(yù)測結(jié)果并不完全一致，但簡化為4條線聲源的預(yù)測結(jié)果與實測值更接近，并且簡化為4條線聲源與簡化為1條線聲源引起的絕對誤差與n值的變化規(guī)律與理論分析結(jié)果基本趨勢一致。這驗證了前面公式推論和預(yù)測驗證的規(guī)律的正確性，說明簡化為與車道數(shù)相同數(shù)量的線聲源比簡化為1條線聲源的預(yù)測結(jié)果更準確。

3 聲源優(yōu)化分析

在實際工作中，對于八車道、十車道等車道數(shù)較多的道路，簡化為與車道數(shù)相同數(shù)量的線聲源的建模工作量很大，而簡化為2條線聲源工作量相對減少。故在前述誤差計算公式的基礎(chǔ)上，進一步推導(dǎo)大于或等于四車道的道路簡化為2條線聲源時的預(yù)測結(jié)果與簡化為與車道數(shù)相同的多條線聲源時對預(yù)測結(jié)果的影響大小，兩者差別見表2。從表2可以看出，當車道數(shù)大于或等于6時，簡化為2條線聲源與簡化為與車道數(shù)相同的多條線聲源時的預(yù)測結(jié)果相差在0.5 dB以內(nèi)，說明當車道數(shù)大于或等于6時，簡化為2條線聲源即可保證預(yù)測精度。當車道數(shù)小于6時，應(yīng)該按照車道數(shù)簡化為多條線聲源。

表2 不同道路寬度簡化為2條線聲源與簡化多條線聲源的預(yù)測結(jié)果差值Table 2 The error variation of 2 linear soundsources and multiple linear sound sourceswith different roads width

4 結(jié)論

1)道路交通噪聲預(yù)測時，將道路聲源簡化為多條線聲源與《環(huán)評導(dǎo)則》中簡化為1條線聲源對接收點處預(yù)測結(jié)果的絕對誤差隨接收點到道路邊緣的距離增加而呈對數(shù)減少的規(guī)律。道路越寬，2種方法的絕對誤差越大。

2)接收點到道路邊緣的距離大于道路寬度時，簡化為多條線聲源與按照《環(huán)評導(dǎo)則》簡化為1條線聲源之間的絕對誤差在0.5 dB以內(nèi)；接收點到道路邊緣的距離小于道路寬度時，絕對誤差較大，在1～3 dB之間。

3)在按照《環(huán)評導(dǎo)則》開展道路交通噪聲預(yù)測或其他相關(guān)研究時，對于接收點到道路邊緣的距離大于道路寬度的情況，為減少計算量，建議簡化為1條線聲源；對于接收點到道路邊緣的距離小于道路寬度的情況，為保證預(yù)測結(jié)果更接近實際情況，當車道數(shù)小于6時，建議按照車道數(shù)簡化為多條線聲源；當車道數(shù)大于或等于6時，建議簡化為2條線聲源。在實際工作過程中，這將大大減少工作量。