邵志躍

（1.上海市環(huán)境科學研究院，上海 200233；2.上海城市環(huán)境噪聲控制工程技術(shù)研究中心，上海 200233）

2016年底，上海市常住人口高達2 419.7萬，中心城區(qū)人口密度超過2.4萬/平方公里，全市機動車實際保有量高達400多萬輛，而且持續(xù)增長。機動車行駛過程中會產(chǎn)生大量噪聲，困擾道路沿線的居民，給城市環(huán)境帶來不利的影響。

2016年上海市環(huán)境狀況公報[1]顯示，近5年上海市道路交通噪聲晝間時段在69 dB(A)～70 dB(A)之間，夜間穩(wěn)定在65 dB(A)左右。我國GB 3096-2008《聲環(huán)境質(zhì)量標準》[2]中規(guī)定，4a類聲功能區(qū)，即交通干線兩側(cè)區(qū)域，晝夜間噪聲限值分別為70和55 dB(A)；另外，城市支路兩側(cè)區(qū)域一般為2類或3類聲功能區(qū)，晝夜間限值分別為60 dB(A)和50 dB(A)以及65 dB(A)和55 dB(A)。因此，道路沿線區(qū)域的聲環(huán)境不容樂觀。

近年來，國家正在逐步推廣電動汽車，主要基于其尾氣排放方面的優(yōu)勢。實際上，電動汽車也具有發(fā)動機噪音較小的優(yōu)點，對于改善城市聲環(huán)境有一定的效果。但是，目前關(guān)于電動汽車通過噪聲的研究較少。秦勤等[3]對電動汽車和燃油汽車的噪聲特性進行了對比，文中給出了最大A聲級及其頻譜數(shù)據(jù)。顯然，分析現(xiàn)有研究結(jié)果無法明確電動汽車替代燃油汽車后具體的降噪效果，以及人在這種環(huán)境中主觀感受的變化。本文通過采集電動和燃油汽車的通過噪聲樣本并進行分析，根據(jù)聲能量疊加原理和1小時等效A聲級的概念，計算電動汽車替代燃油汽車后1小時等效A聲級的降低量。此外，利用汽車通過噪聲樣本進行主觀評價實驗，分析人對兩種汽車通過噪聲的主觀感受。

1 汽車通過噪聲樣本采集

城市環(huán)境中，有很多場景條件下汽車需要從靜止進行加速，如公交車出站、出租車載客出發(fā)、車輛等待人行道行人通過后，以及交通信號燈由紅變綠等。電動汽車與燃油汽車產(chǎn)生噪聲的最大差別是發(fā)動機噪聲。因此，本文主要針對汽車從靜止到加速通過這個過程對比電動汽車與燃油汽車的差異。通過采集汽車從靜止到加速的過程產(chǎn)生的噪聲并加以分析。一般認為[4]，當車速超過50 km/h時，輪胎噪聲在車輛通過噪聲中的貢獻變得顯著。因此，在本文所研究車速的條件下，汽車通過噪聲的主要貢獻仍然是發(fā)動機噪聲，車速尚未達到輪胎噪聲成為主要貢獻的行駛速度，后續(xù)計算的噪聲降低量適用于城市中以汽車加速工況為主的地點。

樣本采集方案參考國家標準GB 1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》[5]。圖1為標準中給出的測量場地、測量區(qū)及傳聲器的布置示意圖。

具體實施過程中，因為現(xiàn)實條件有限，只能盡量選擇符合標準中測量條件的實際測量地點。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，浦東新區(qū)塘子涇路路邊(博成路南約100 m)測量條件比較理想，附近較為開闊，沒有較大的反射面；車流量很小，可以采集到單輛車通過的噪聲樣本。測點布置如圖2所示。

測點位置距1098路塘子涇路博成路站20 m，符合標準中的要求。1098路運營車輛既有燃油車也有電動車，車輛尺寸相同，便于對比。燃油和電動小汽車分別為斯柯達明銳和北汽電動EV160。

圖1 測量場地和測量區(qū)及傳聲器的布置

圖2 測點位置示意圖

采樣時，天氣晴，溫度為24℃，風速約為1 m/s。采樣儀器為德國HEAD acoustics公司的SQuadriga II便攜式多通道采集系統(tǒng)和丹麥GRAS 1/2英寸傳聲器。采樣頻率為44 100 Hz。傳聲器采用三角架支撐，離地面高約1.2 m，如圖3所示。

圖3 測量示意圖

每種車都采集5次從靜止到加速通過的噪聲，采集時，保證無其他車輛在該路段行駛。測量后期，西側(cè)空地有施工噪聲影響，因此，電動小汽車的測量地點向南移動約120 m，仍然保證采集樣本時，無其他車輛在該路段行駛。

2 1小時等效A聲級變化量

考慮路邊測點的環(huán)境噪聲由汽車通過噪聲和本底噪聲構(gòu)成，即實際測量得到的A聲級等于汽車通過帶來的聲能量疊加本底噪聲的聲能量后換算得到的A聲級。1小時等效A聲級也可由1小時內(nèi)汽車通過噪聲的總聲能量疊加本底噪聲的總聲能量計算得到。因此，根據(jù)電動和燃油汽車通過帶來的聲能量的差異，結(jié)合1小時車流量及本底噪聲水平，可計算電動汽車替代燃油汽車引起的1小時等效A聲級變化量。

2.1 汽車通過噪聲

李曉和毛東興[6]利用車速、車流密度(與車頭距有關(guān))和單輛車的聲功率級建立了交通噪聲預測的動態(tài)模型，預測結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好。通過車輛的聲功率級研究車輛的通過噪聲是一種比較合理的方法，但本文研究汽車加速過程的通過噪聲，車速與車輛的聲功率級均持續(xù)變化，難以應用上述模型進行交通噪聲的預測。因此，本文只能通過實測獲取車輛的通過噪聲。

將采集到的噪聲樣本導入德國HEAD acoustics公司的Artemis軟件進行回放，排除受到其他環(huán)境噪聲干擾的樣本，每種車選擇3個不受干擾的噪聲樣本，進行分析計算。利用軟件中的Level vs.Time(聲壓級隨時間變化)功能對樣本進行分析，聲壓級設置為A聲級。頻譜分析采用的數(shù)據(jù)長度為4 096/44 100，重疊率50%。軟件計算A聲級值的默認時間間隔為256/44 100秒，約0.005 8秒，也可以指定時間間隔。經(jīng)過計算對比，對于汽車通過時段的等效連續(xù)A聲級，采用0.01秒和0.1秒時間間隔，結(jié)果相差小于0.1 dB。因此，考慮提高運算效率，采用0.1秒時間間隔進行后續(xù)計算，具體數(shù)據(jù)見圖4至圖7，分別為燃油公交車、電動公交車、燃油小汽車和電動小汽車通過噪聲的A聲級隨時間變化。

圖4 燃油公交車通過噪聲

由圖可見，本次測試中，燃油公交車的最大A聲級高達81 dB(A)，電動公交車只有約67 dB(A)，燃油和電動小汽車的最大A聲級分別為73和63 dB(A)。此外，電動小汽車測試時，本底環(huán)境噪聲有所上升，約53 dB(A)，之前3種車測試時，本底基本維持在50 dB(A)左右。

圖5 電動公交車通過噪聲

圖6 燃油小汽車通過噪聲

圖7 電動小汽車通過噪聲

2.2 通過噪聲的等效連續(xù)A聲級

燃油公交車通過噪聲持續(xù)時間為13.8秒，電動公交車和小汽車均為10.2秒，燃油小汽車為11.2秒。據(jù)此，可由等效連續(xù)A聲級的概念計算各種車通過噪聲的等效連續(xù)A聲級。等效連續(xù)A聲級可由式(1)計算[7]

其中：LAeq為等效連續(xù)A聲級，N與時間長度和時間間隔有關(guān)，如燃油公交車為138，LAi為每個時間間隔對應的A聲級。

獲取單純的汽車通過噪聲，需要去掉測量結(jié)果中本底噪聲的貢獻，根據(jù)聲能量疊加的原理，按式(2)進行計算

其中：L測為2.1小節(jié)中通過噪聲A聲級，L本底為本底噪聲A聲級，除電動小汽車測量時為53 dB(A)，其余時間為49 dB(A)，L車即為單純汽車通過噪聲的A聲級。

根據(jù)上述公式計算得到本底修正前后4種汽車通過噪聲的等效連續(xù)A聲級，每種車型的3次測試結(jié)果取平均值，如表1所示。

表1 4種汽車通過噪聲的等效連續(xù)A聲級/dB(A)

由表1可知，電動小汽車由于加速噪聲較低，測量時如果本底噪聲較高，需要進行修正，才能反映出其真實的噪聲水平。

2.3 1小時等效連續(xù)A聲級變化量計算

交通噪聲的聲級是隨時間變化的，當有車輛通過時，噪聲聲級上升，車輛通過后噪聲聲級下降，見圖4至圖7。通常，對于這種起伏的噪聲，采用噪聲能量按時間平均的方法來進行評價。實際應用中，通常以1小時等效連續(xù)A聲級進行評價，即1小時內(nèi)噪聲總能量按1小時進行平均。如果A聲級數(shù)據(jù)的時間間隔為0.1秒，則計算公式為

其中：LAeq,1H為1小時等效連續(xù)A聲級，LAi為1小時中的第i個A聲級。

單輛車通過的聲能量乘以車流量，可以得到總的汽車噪聲聲能量，再加上本底噪聲的聲能量，在1小時內(nèi)進行能量平均，就可以得到一定車流量條件下LAeq,1H。本底噪聲設為50 dB(A)，考慮到實際公交線路數(shù)量及班次，公交車1小時車流量上限設為100輛/小時，根據(jù)城市道路實際流量情況，地面道路小汽車車流量上限設為3 000輛/小時。

計算通過MATLAB編程實現(xiàn)，QCB和QCC、QEB和QEC分別代表燃油公交車和小汽車、電動公交車和小汽車的車流量。道路上只有燃油汽車時，可以計算得到LAeq,1H與燃油公交車和小汽車車流量的關(guān)系LAeq,1H(QCB，QCC)。考慮現(xiàn)實條件，電動汽車替代燃油汽車是一個逐步進行的過程，在此簡化為3種替代情況，如表2所示，其中?QCC和?QEC代表原有燃油小汽車的一半被電動小汽車代替。

這樣，就可以計算3種替代情況下，LAeq,1H的變化量D1、D2、D3，分別如圖8至10所示。

表3列出3種替代情況下，2種車型車流量變化時對應的1小時等效A聲級降低量。其中QB和QC分別為公交車和小汽車的1小時車流量。

表2 電動汽車替代燃油汽車的3種情況

圖8 情況1 LAeq,1H降低量

圖9 情況2 LAeq,1H降低量

圖10 情況3 LAeq,1H降低量

由表2可以看出，3種情況下，小汽車車流量較低時，電動公交車車流量的增加，可以帶來LAeq,1H降低量的顯著增加，即使燃油小汽車仍然保留，LAeq,1H降低量也可達到8.9 dB(A)，如果燃油小汽車也完全被電動小汽車替代，則LAeq,1H降低量可達10.3 dB(A)。如果隨著小汽車車流量增加，3種情況的LAeq,1H降低量差別逐漸變大。第1種情況下，燃油小汽車完全保留，電動公交車帶來的LAeq,1H降低量逐漸減小，最終趨近于零；第3種情況下，燃油小汽車完全被電動小汽車替代，LAeq,1H的降低量雖然也逐漸降低，但不會無限降低，將趨近于電動小汽車帶來的LAeq,1H降低量。此外，需要注意的是，電動汽車帶來的交通噪聲降低，與該區(qū)域本底噪聲的高低密切相關(guān)，在本底噪聲較低的區(qū)域，降噪效果更為明顯。

3 主觀感受的變化

3.1 實驗環(huán)境及實驗儀器

為避免評價人員在聽音過程中受到外界噪聲干擾，確保評價結(jié)果準確、可靠，主觀評價實驗在上海市環(huán)境科學研究院的半消聲室中進行，本底噪聲約為25 dB(A)。實驗信號通過HEAD acoustics公司的多通道均衡器HPS IV與Sennheiser HD650耳機組成的高保真回放系統(tǒng)進行播放，采用HEAD acoustics公司的Artemis軟件控制信號播放。

3.2 實驗內(nèi)容及結(jié)果分析

從汽車通過噪聲樣本中對于每種車型隨機選擇兩個作為主觀評價實驗的樣本，共8個。為反映人對汽車通過噪聲的真實感受，不對樣本進行其他處理，通過高保真回放系統(tǒng)進行聽音可以比較真實地還原采樣現(xiàn)場的聽覺體驗。8個樣本的播放順序隨機。

實驗共招募9名評價人員，5男4女，年齡在28－58歲之間，均無聽力障礙。評價前，向評價人員介紹評價內(nèi)容，即聽到汽車通過噪聲后，設想身處城市道路路邊，對這種汽車噪聲的感受如何，按滿意度進行評價，從非常不滿意到非常滿意分為5個等級。

將評價結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)值，即非常不滿意為1，比較不滿意為2，一般為3，比較滿意為4，非常滿意為5，評價結(jié)果如表4所示。

其中CC代表燃油小汽車，EC代表電動小汽車，CB代表燃油公交車，EB代表電動公交車。個體數(shù)據(jù)與總體數(shù)據(jù)均高度相關(guān)，除評價人員7的數(shù)據(jù)與總平均值數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.89外，其他均超過0.9，表明評價結(jié)果一致性很高。

相同車型的兩個評價結(jié)果取平均值，列于表5?？梢钥闯觯妱庸卉囃ㄟ^噪聲的滿意度值比燃油公交車提升2.5，從接近非常不滿意提升到介于一般和比較滿意之間；類似的，電動小汽車通過噪聲的滿意度值比燃油小汽車提升1.61，從介于比較不滿意和一般之間提升到比較滿意與非常滿意之間。因此，從人們對汽車通過噪聲聽覺感受的角度來看，電動車替代燃油車可以很大程度上提高城市聲環(huán)境的品質(zhì)。

表3 3種情況下電動車替代燃油車1小時等效A聲級降低量D1－D3

表4 評價結(jié)果

同時表五列出4種車型通過噪聲的等效A聲級，可以看出，等效A聲級的大小是影響滿意程度的重要因素，A聲級越高，滿意度越低。

表5 4種車型通過噪聲滿意度及等效A聲級

分析通過噪聲頻率特性可以發(fā)現(xiàn)，燃油汽車通過噪聲低頻成分更顯著，如圖11所示。

圖11 4種汽車通過噪聲頻譜

相關(guān)研究表明，等A聲級條件下低頻成分顯著的噪聲更易使人煩惱。因此，即使燃油汽車通過噪聲的等效A聲級降低到與電動汽車相同，聽覺滿意度仍不及電動汽車。

4 結(jié)語

(1)本文考慮環(huán)境噪聲是由汽車通過噪聲與本底噪聲構(gòu)成，通過采集汽車通過噪聲樣本，分析計算單純的汽車通過噪聲等效A聲級，根據(jù)聲能量疊加原理和1小時等效連續(xù)A聲級的定義，計算電動汽車替代燃油汽車后1小時等效連續(xù)A聲級的降低量。雖然文中只涉及汽車加速噪聲，且車型較少，但是該方法具有一定的普適性，更為完備的汽車通過噪聲數(shù)據(jù)可以使預測結(jié)果更具有實際意義；

(2)通過分析3種替代情況下LAeq,1H的降低量可以看出，3種情況下，在小汽車車流量較小時，隨著公交車車流量的增加，降低量顯著增加，最大可超過10 dB(A)。當小汽車車流量增加時，相當于等效連續(xù)A聲級在升高。①如果燃油小汽車完全保留，電動公交車帶來的LAeq,1H降低量逐漸減小，最終趨近于零；②如果燃油小汽車完全被電動小汽車替代，LAeq,1H的降低量雖然也逐漸降低，但將趨近于電動小汽車帶來的LAeq,1H降低量。由此可知，電動汽車帶來的交通噪聲降低，與該區(qū)域本底噪聲的高低密切相關(guān)，在本底噪聲較低的區(qū)域，降噪效果更為明顯；

(3)通過進行主觀評價實驗得到人對電動汽車和燃油汽車通過噪聲的聽覺感受，分析電動汽車替代燃油汽車后人對環(huán)境中汽車噪聲滿意度的改善情況。結(jié)果顯示，人對電動汽車的通過噪聲普遍比較滿意，即使對于公交車，評價結(jié)果也介于一般和比較滿意之間，相比于燃油車具有質(zhì)的提升。而且，燃油汽車通過噪聲的低頻成分明顯高于電動汽車，即使其A聲級降低到與電動汽車相等，也更易使人煩惱。