城市軌道交通聲環(huán)境影響計算公式的修正＊

龔 凱 劉林芽

（華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，330013，南昌／／第一作者，碩士研究生）

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，軌道交通作為一種重要的城市交通工具也得到了快速的發(fā)展。但是，軌道交通尤其是高架形式的軌道交通噪聲帶來的城市環(huán)境問題也日益嚴(yán)重，影響著軌道交通沿線兩側(cè)居民的正常工作和生活。因此，為避免工程項目建成后由噪聲問題帶來經(jīng)濟(jì)損失，進(jìn)行噪聲預(yù)測以及采取有效的降噪措施是十分必要的。通過對我國現(xiàn)階段軌道交通噪聲預(yù)測模式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)我國的模式仍然存在著不足。本文將從參考點噪聲輻射源強(qiáng)，聲屏障衰減模型和聲屏障等效頻率計算等三個方面對我國現(xiàn)階段的噪聲預(yù)測模式進(jìn)行修正，以期能使我國的軌道交通噪聲預(yù)測模式更加完善，計算更加簡便、精確。

1 城市軌道交通聲環(huán)境影響預(yù)測計算公式簡介

隨著我國軌道交通的快速發(fā)展，以軌道噪聲為主的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。國內(nèi)學(xué)者開始進(jìn)行相關(guān)課題的研究，獲得了一些研究成果，并逐步指導(dǎo)著工程的設(shè)計和實施。目前，我國采用的軌道交通噪聲預(yù)測模式是2008年12月發(fā)布的“環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則－城市軌道交通”（Technical guidelines for Enviroment Impact Assessment of Urban Rail Transit）中提出的[1]，該模式將列車運(yùn)行時產(chǎn)生噪聲源視為不相干的有限長偶極子線聲源，并認(rèn)為輪軌噪聲為列車運(yùn)行時的主要噪聲源。同時該模式既可以采用A計權(quán)聲壓級表示列車通過預(yù)測點的等效聲級，也可以采用頻帶聲壓級表示，單一類型的列車通過預(yù)測點的等效聲級如式（1）所示：

式中：

Lp0，i——列車最大垂向指向性方向上的噪聲輻射源強(qiáng)，列車通過時段的參考點等效聲級，dB；

m——列車通過的列數(shù)（一般取5～10列），列；

C——噪聲修正項，C＝Cv＋Ct＋Cθ＋Cd＋Ca＋Cg＋Cb；

Cv——速度修正；

Ct——線路和軌道結(jié)構(gòu)的修正；

Cd——幾何發(fā)散衰減；

Ca——空氣吸收衰減；

Cg——地面效應(yīng)引起的衰減；

Cb——屏障插入損失；

Cθ——垂向指向性修正。

經(jīng)研究表明，該方法可分為兩部分的計算：前一部分為列車通過時段的參考點等效聲級計算；后一部分為噪聲修正項計算。列車最大垂向指向性方向上的噪聲輻射源強(qiáng)是計算列車通過時段的參考點等效聲級前提條件，但我國現(xiàn)階段的預(yù)測模式中仍然沒有制定出一套較完善的參考點噪聲輻射源強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，這將給噪聲預(yù)測工作帶來許多的不便，常常只能通過參照類似工況下已測出參考點噪聲輻射源強(qiáng)進(jìn)行預(yù)測計算。而在噪聲修正計算中，聲屏障插入損失計算仍然存在著不足，如采用頻譜計算法進(jìn)行噪聲預(yù)測計算，聲屏障的插入損失計算量比較大，同時我國模式將聲屏障模型假設(shè)為無限長聲屏障，將列車運(yùn)行時的線聲源假設(shè)為無線長線聲源，這與實際情況是不符合的，預(yù)測結(jié)果會有誤差。

2 參考點噪聲源強(qiáng)修正

由我國預(yù)測模式原理表明，在對受聲點聲能量預(yù)測的整個過程中，確定聲源處的噪聲輻射源強(qiáng)是預(yù)測工作的前提條件，現(xiàn)有模式在對線路兩側(cè)聲環(huán)境進(jìn)行預(yù)測時，一般采用的是噪聲輻射源強(qiáng)即距軌道中心線一定距離的參考點處的聲能量值。但我國現(xiàn)階段仍然沒有制定出一套可行的參考點噪聲輻射源強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)是通過參考部分實地監(jiān)測而得到源強(qiáng)值，國際上的一些發(fā)達(dá)國家通過對大量的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，已經(jīng)制定出了一些可行的參考點噪聲輻射源強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)，如：美國軌道交通噪聲預(yù)測模式中15m處的參考暴露聲級[2]（見表1）。

表1 距軌道中心線15m處參考暴露聲級

由于參考點輻射源強(qiáng)受多種因素的影響，如：車輛的類型、車輛轉(zhuǎn)向架的類型、線路條件及運(yùn)行時速等，不同條件下所得的噪聲輻射源強(qiáng)是不同的，需要假定一個比較合理的條件。本文認(rèn)為線路、氣象和環(huán)境條件須具備以下幾點：①高路堤、焊接長鋼軌、混凝土軌枕、碎石渣道床、線路平直和軌面良好等；②天氣晴朗、氣溫適宜、風(fēng)速小于5m／s且測點周圍1km內(nèi)無高大建筑物和樹木等。同時參考點的位置選取也是影響噪聲輻射源強(qiáng)的重要因素之一。經(jīng)過實地監(jiān)測并參考相關(guān)資料表明，當(dāng)參考點距聲源很近時，參考值將受到列車運(yùn)行氣流的影響；當(dāng)參考點距聲源較遠(yuǎn)時，聲波的衰減逾量對參考點處噪聲輻射源強(qiáng)影響較大且易產(chǎn)生誤差。因此，本文認(rèn)為參考點位置宜選擇在距外側(cè)軌道15m處且與軌面位置同高。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計和計算后，得到列車時速客貨均為V＝70km／h且參考點距軌道外側(cè)15m處各頻帶的噪聲輻射源強(qiáng)，并認(rèn)為在噪 聲預(yù)測中可以使用如表2所示數(shù)據(jù)。

表2 距軌道外側(cè)15m處噪聲輻射源強(qiáng)Lp0／dB

3 聲屏障衰減模型修正

近年來，隨著軌道交通大量的貫穿城市，其產(chǎn)生的噪聲嚴(yán)重影響著線路兩側(cè)居民的正常工作和生活，若使線路兩側(cè)居民遠(yuǎn)離軌道線路，將必定導(dǎo)致大量的土地浪費(fèi)和帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在軌道交通的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置聲屏障成為了現(xiàn)階段最為有效的降噪措施之一。

聲屏障的設(shè)計受到多種因素的影響，其中聲屏障的插入損失是聲屏障設(shè)計的核心參數(shù)之一。經(jīng)研究表明，在我國現(xiàn)階段的軌道交通預(yù)測模式中，其聲屏障插入損失的計算是以假定聲屏障和聲源均為無限長條件下推導(dǎo)出來的計算式，其聲波傳播路徑和插入損失計算式如圖1、式（2）、（3）所示。

圖1 聲波傳播路徑

式中：

fi——聲波頻譜中第i個中心頻率值，Hz；

c——聲波在空氣中的傳播速度，m／s；

δ——A＋B－C為聲程差，m。

由實地調(diào)查表明，聲屏障的長度是有限長的。聲屏障一般設(shè)置在敏感建筑物的區(qū)域，若采用我國現(xiàn)階段預(yù)測模式中聲屏障插入損失計算方法進(jìn)行計算，將降低預(yù)測結(jié)果的可靠度，同時也加大了聲屏障的設(shè)置數(shù)量，帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此，當(dāng)線聲源為無限長且聲屏障為有限長時，可根據(jù)圖2進(jìn)行修正，如圖2所示[3]。

圖2 無線長線聲源和有限長聲屏障修正圖

研究表明，當(dāng)列車通過或接近敏感點時，其產(chǎn)生線聲源對敏感建筑是有影響的；當(dāng)列車遠(yuǎn)離敏感點之后，敏感點附近的線聲源是不存在的。因此，列車運(yùn)行時產(chǎn)生的線聲源是有限長的。假定聲源和聲屏障均為有限長，通過對聲屏障插入損失計算模型及大量實地監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行研究，我國預(yù)測模式中聲屏障插入損失計算公式可進(jìn)行如式（4）所示修正。

t＝20 N0／3；

N0＝2δ0／λ；

λ——聲波波長；

δ0——受聲點到聲源距離最近時的聲程差；

θ1——受聲點到聲屏障的垂直方向與到聲屏障左側(cè)邊緣方向的夾角；

θ2——受聲點到聲屏障的垂直方向與到聲屏障右側(cè)邊緣方向的夾角；

ΔLP——無限長線聲源且有限長聲屏障繞射聲衰減量（計算方法如圖2所示）。

4 聲屏障計算頻率修正

由聲屏障插入計算公式表明，當(dāng)計算聲屏障插入損失時，常常需要將頻程范圍內(nèi)（倍頻程或1／3倍頻程）的每一個中心頻率代入計算式，計算對應(yīng)中心頻率下的聲屏障衰減量，且還需對其進(jìn)行疊加計算，才能計算出總的衰減量，這將大大增加聲屏障插入損失的計算量，使得整個計算過程相當(dāng)復(fù)雜而且易產(chǎn)生累積誤差，降低預(yù)測精度。因此，為使預(yù)測計算更加簡便、精確，可采用一個等效頻率值代替整個頻程中各中心頻率進(jìn)行聲屏障插入損失計算。

等效頻率是指鐵路列車運(yùn)行噪聲中能量最集中的頻率成分，它能夠表征噪聲源的特性。在聲屏障插入損失計算中，采用等效頻率進(jìn)行計算，將大大簡化插入損失的計算量。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，我國在等效頻率這一領(lǐng)域的研究較少，并且在我國現(xiàn)階段的預(yù)測模式中還沒有制定出一套可行等效頻率標(biāo)準(zhǔn)。本文主要以等效頻率的計算原理為基礎(chǔ)，針對不同機(jī)車情況下客車等效頻率進(jìn)行了測試計算，提出了不同機(jī)車類型下的客車等效頻率[4]，如表3所示。

表3 各機(jī)車類型下的客車等效頻率

5 實例分析

為驗證上述修正的可行性，通過對秦沈客運(yùn)專線上提速列車（時速為120km／h～180km／h）運(yùn)行的倍頻程噪聲頻譜進(jìn)行采集[5]，以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，預(yù)測聲屏障在不同高度下、不同空間位置處，聲屏障阻礙聲能量衰減的程度，此處將聲屏障高度劃分為3 m、4m和5m，其距噪聲源的位置為4m和5m。設(shè)置兩處受聲點，受聲點R1距噪聲源30m、相對噪聲源高8m，受聲點R2距噪聲源30m、相對噪聲源高17m。經(jīng)計算可以得到各個工況下聲屏障衰減量，其采集數(shù)據(jù)和計算結(jié)果分別如表4、表5所示。

表4 提速列車運(yùn)行噪聲頻譜

由表5可知，以1 000Hz為等效頻率代入公式進(jìn)行聲屏障衰減計算，并針對不同時速下、采用倍頻程范圍內(nèi)各中心頻率代入公式計算總聲屏障衰減量，同時將兩衰減值相減，其差值的絕對值基本控制在1dB以內(nèi)，僅有列車時速為145km／h時的計算值偏差較大，但控制在1.5dB以內(nèi)，偏差是允許的。因此，通過以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將等效頻率和各中心頻率代入公式計算，其差值的絕對值是可信的，由此可以得出其修正是可信的。

表5 等效頻率衰減情況比較dB（A）

[1]HJ 453—2008環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則——城市軌道交通[S].

[2]U S Department of Transportion. High－speed ground transportion noise and vibration impact assessment[R].U S Department of Transportion，2005.

[3]HJ／T 90—2004聲屏障聲學(xué)設(shè)計和測量規(guī)范[S].

[4]陳林.鐵路聲屏障插入損失的研究與計算[D].南昌：華東交通大學(xué)，2009.

[5]GB 12525—90鐵路邊界噪聲限值及其測量方法[S].