劉冬婭,王劉翀,李 祥,趙才友,易 強(qiáng)

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

近些年來，城際列車因其安全快速、運(yùn)輸量大、高效快捷等優(yōu)點(diǎn)已逐漸成為附近城市間聯(lián)絡(luò)的主要交通工具，其中高架橋因其不占用地下空間、不影響道路交通等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。但與此同時(shí)高架段也產(chǎn)生了環(huán)境噪聲污染問題。列車通過橋梁時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)能量，通過軌道結(jié)構(gòu)傳遞到橋面和其他橋梁構(gòu)件，并激發(fā)其振動(dòng)，輻射了大量橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，對(duì)周邊居民的日常生活乃至身心健康造成不利影響[1]。因此，從心理聲學(xué)角度評(píng)價(jià)環(huán)境噪聲對(duì)人的影響，對(duì)未來環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)方法的規(guī)范與完善具有重要意義。

城市軌道交通高架線路噪聲是由不同類型的噪聲組合而成的，按噪聲產(chǎn)生部位可分為輪軌噪聲、橋梁結(jié)構(gòu)噪聲等[2-5]。輪軌噪聲是由于車輪與鋼軌相互作用引起振動(dòng)而產(chǎn)生，主要以中高頻成分為主，分布范圍為400～4 000 Hz，峰值集中在125～2 000 Hz，且受車速影響大，速度越大，輪軌噪聲越大[4-5]。橋梁結(jié)構(gòu)噪聲主要是車輛通過高架橋梁時(shí)，輪軌激發(fā)橋梁的各個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生振動(dòng)形成的二次輻射噪聲，主要以低頻成分為主，分布在200 Hz以下的范圍內(nèi)，在空氣中傳播遠(yuǎn)，衰減慢，穿透力很強(qiáng)，能夠輕易穿越墻壁、玻璃窗等障礙物，長期處于低頻噪聲環(huán)境會(huì)逐漸影響人的身心健康[6]。因此，主要針對(duì)環(huán)境噪聲的高頻噪聲聲源和低頻噪聲聲源進(jìn)行研究。

國內(nèi)關(guān)于鐵路高架鐵路環(huán)境噪聲的研究成果豐富，但主要針對(duì)低速和高速鐵路，城際鐵路的環(huán)境噪聲研究甚為少見。易強(qiáng)、王平等采用插值方法分析環(huán)境噪聲測試結(jié)果研究其空間分布特征，測試鐵路設(shè)計(jì)速度為80 km/h[1]。西南交通大學(xué)鄧俊通過對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km的京津城際鐵路沿線噪聲的測量，分析了線路形式、距離及聲屏障對(duì)環(huán)境噪聲的影響[7]。劉達(dá)德、齊峰建立了GM模型預(yù)測設(shè)計(jì)速度30～90 km/h時(shí)的高架環(huán)境噪聲，發(fā)現(xiàn)速度越大，環(huán)境噪聲水平越高[8]。高飛、夏禾等應(yīng)用聲學(xué)理論，建立列車通過高架橋梁時(shí)的噪聲預(yù)測模型，對(duì)由結(jié)構(gòu)噪聲和輪軌噪聲引起的高架結(jié)構(gòu)附近的噪聲傳播規(guī)律進(jìn)行研究[9]。因此，本文研究設(shè)計(jì)速度200 km/h下鐵路高架環(huán)境噪聲的頻譜分析，進(jìn)一步完善國內(nèi)對(duì)于高架環(huán)境噪聲的認(rèn)識(shí)。

在評(píng)價(jià)指標(biāo)上，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)都是采取A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)評(píng)價(jià)環(huán)境噪聲。但現(xiàn)代心理聲學(xué)研究表明，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)在度量低頻成分為主的噪聲、離散噪聲和語音頻率范圍噪聲時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤差導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果偏離人的主觀感受[10]，故A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)無法準(zhǔn)確反映環(huán)境噪聲對(duì)人造成的煩惱度，需要引入其他標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)環(huán)境噪聲對(duì)人的主觀感受的影響。已有研究表明，心理聲學(xué)的聲品質(zhì)過程是一個(gè)通過人耳的聽覺感知來“測量”聲音涵義的過程，總響度、尖銳度、粗糙度、波動(dòng)度等則是人耳對(duì)于聲音品質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。聲音的煩惱度表征由于噪聲而引發(fā)令人不愉快的程度，能夠更加真實(shí)地反映噪聲對(duì)于人耳的主觀感受的影響，煩惱度是由多個(gè)聲音品質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)共同影響的結(jié)果[11]。

目前，國內(nèi)研究大多對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行心理聲學(xué)分析。張捷、肖新標(biāo)等基于心里聲學(xué)參數(shù)，包括響度、尖銳度、粗糙度等，詳細(xì)分析新型臥鋪動(dòng)車組不同“坐臥型式”下的包間聲品質(zhì)特性[12]。高印寒等引入響度、尖銳度和粗糙度3個(gè)聲品質(zhì)客觀心理聲學(xué)參數(shù)，對(duì)駕駛室聲振特性和駕駛室內(nèi)的噪聲分布進(jìn)行分析研究[13]。李芳、左言言建立勻速車內(nèi)噪聲主觀評(píng)價(jià)煩惱度與心理聲學(xué)客觀參數(shù)間的數(shù)學(xué)模型，研究車內(nèi)噪聲主觀評(píng)價(jià)主觀煩惱度與心理聲學(xué)客觀參數(shù)間的影響，結(jié)果表明，在良好路面和勻速工況下，車內(nèi)聲品質(zhì)煩惱度主要受低沉度和音調(diào)度影響[14]。關(guān)于環(huán)境噪聲的心理聲學(xué)分析研究很少。因此，選取部分聲音品質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)作為環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)的新指標(biāo)。

通過線性聲壓級(jí)進(jìn)行頻譜分析識(shí)別每個(gè)測點(diǎn)主要環(huán)境噪聲成分，然后分別用傳統(tǒng)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和多個(gè)主要心理聲學(xué)指標(biāo)與主觀煩惱度之間進(jìn)行線性擬合，提取各測點(diǎn)相關(guān)性最優(yōu)的指標(biāo)再結(jié)合頻譜分析結(jié)果，分別選取以低頻噪聲為主和以高頻噪聲為主的環(huán)境噪聲的最優(yōu)心理聲學(xué)指標(biāo)，為未來環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)方法的規(guī)范與完善提供參考。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)概況

1.1 斷面選擇

測試斷面位于國內(nèi)某城際鐵路高架直線段，斷面處為32 m雙線混凝土簡支箱梁，兩側(cè)無聲屏障，存在防撞墻，設(shè)計(jì)速度為200 km/h。高架橋梁底面距離地面高度約為4.2 m。

1.2 測點(diǎn)布置

噪聲測試按《鐵路沿線環(huán)境噪聲測量技術(shù)規(guī)定》(TB/T3050—2002)[15]的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，環(huán)境噪聲測點(diǎn)布置在垂直于線路方向(橫向)60 m范圍內(nèi)，分別在距鐵路外側(cè)軌道中心線0，7.5，15，30，45，60 m處布置6個(gè)測點(diǎn)，依次編號(hào)1～6，每個(gè)測點(diǎn)距地面高度為1.2 m，避免聲波傳至地面后的反射對(duì)測點(diǎn)結(jié)果造成影響，同時(shí)模擬人耳的聽覺。測點(diǎn)具體布置如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場噪聲測點(diǎn)布置示意(單位：m)

2 心理聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

心理聲學(xué)把聲音的物理特性和人的主觀感覺對(duì)應(yīng)起來，其中包括眾多的心理聲學(xué)參數(shù)，而總響度、尖銳度、粗糙度、波動(dòng)度和煩惱度作為主要的客觀評(píng)價(jià)參數(shù)在心理聲學(xué)評(píng)價(jià)中所占的權(quán)重在90%以上[16]，故主要計(jì)算以上5種心理聲學(xué)參數(shù)，計(jì)算方法如下。

總響度反映了人耳對(duì)于聲音強(qiáng)弱的主觀感受，符號(hào)為N，單位為宋(sone)。本文采用Zwicker模型計(jì)算總響度，該模型考慮了人耳的掩蔽效應(yīng)。首先計(jì)算1/3倍頻程后各頻帶的聲壓級(jí)，然后根據(jù)式(1)計(jì)算臨界頻帶的特征響度N′，考慮掩蔽效應(yīng)，在特征響度中加入斜坡響度，再根據(jù)式(2)得到總響度N[17]。

(1)

(2)

ETQ——安靜聽閾的激勵(lì)級(jí)；

E0——參考聲強(qiáng)為I0=10-12W/m2激勵(lì)級(jí)；

E——各臨界頻帶的激勵(lì)級(jí)。

尖銳度描述了聲音的刺耳程度，符號(hào)為S，單位為acum，主要跟噪聲頻率有關(guān)，頻率較高的聲音對(duì)應(yīng)的尖銳度也較大，尖銳度的計(jì)算公式見式(3)[17]。

(3)

式中N′(z)——某個(gè)Bark上的響度譜；

g(z)——附加系數(shù)，臨界頻帶函數(shù)。

粗糙度和波動(dòng)度都是反映聲音的幅值調(diào)制特性，當(dāng)調(diào)制頻率高于20 Hz時(shí)為粗糙度特性，反之為波動(dòng)度特性。粗糙度符號(hào)為R，單位為asper；波動(dòng)度符號(hào)為F，單位為vacil。分別使用式(4)和式(5)進(jìn)行計(jì)算[17]。

(4)

(5)

式中 dL——調(diào)制深度，dB；

fmod——調(diào)制頻率，Hz。

煩惱度描述聲音對(duì)人們?cè)斐傻膮挓┏潭?，它受到總響度、尖銳度、粗糙度、波動(dòng)度等多個(gè)心理聲學(xué)參數(shù)的影響，符號(hào)為PA，是無量綱系數(shù)，根據(jù)式(6)進(jìn)行計(jì)算[17]。

(6)

式中N——累積百分比響度，sone；

ws——尖銳度的影響系數(shù)；

wFR——粗糙度和波動(dòng)度影響系數(shù)。

3 頻譜特性分析

本次實(shí)測均為過路車輛，速度在(195±5) km/h范圍內(nèi)，每趟車的車況及載客情況是未知的。試驗(yàn)共采集到25組數(shù)據(jù)，為了保證結(jié)果的可靠性，消除隨機(jī)誤差影響，故選取其中波形完整、無明顯畸變、信噪比高、無工頻干擾或干擾不嚴(yán)重的10組實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到最終結(jié)果。

我國環(huán)境噪聲限值規(guī)定采用A計(jì)權(quán)，抑制了噪聲的低頻成分，而低頻成分占主導(dǎo)的噪聲相較于高頻更讓人感到煩擾[18-19]。因此為避免低估低頻噪聲的影響，采用線性計(jì)權(quán)進(jìn)行頻譜分析。圖2為采用線性計(jì)權(quán)所得各個(gè)測點(diǎn)的聲壓級(jí)頻譜曲線。

圖2 各測點(diǎn)的1/3倍頻程譜對(duì)比曲線

本次試驗(yàn)中，橋梁自身結(jié)構(gòu)和防撞墻都是聲波傳播途徑上的障礙物，從而產(chǎn)生了一定范圍輪軌噪聲等梁面以上的其他噪聲無法繞射到的區(qū)域，稱之為聲影區(qū)，聲影區(qū)內(nèi)主要環(huán)境噪聲成分為低頻噪聲[20]。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，測點(diǎn)1～6的環(huán)境噪聲聲能量主要集中在25～500 Hz，而且在40 Hz頻段存在最大幅值，該峰值與橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率有關(guān)；該頻段測點(diǎn)1～6的線性聲級(jí)相差較小，是因?yàn)榈皖l噪聲傳播遠(yuǎn)，衰減慢。測點(diǎn)1在315 Hz頻段出現(xiàn)第2個(gè)峰值，該峰值產(chǎn)生原因是箱梁空腔共鳴[20]。而輪軌噪聲幅值出現(xiàn)在630 Hz，且傳播距離越遠(yuǎn)，幅值越明顯。

測點(diǎn)2和測點(diǎn)3的線性計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜曲線的變化規(guī)律大致相同，且聲壓級(jí)差別較小，說明主要噪聲成分是低頻噪聲，低頻噪聲傳播遠(yuǎn)，衰減慢。測點(diǎn)2在40 Hz頻段的聲壓級(jí)峰值大于測點(diǎn)1，是因?yàn)橄淞航Y(jié)構(gòu)噪聲主要集中于橋梁斜下方[20]。

測點(diǎn)4在低頻范圍內(nèi)的聲壓級(jí)略小于測點(diǎn)3，但在高頻范圍內(nèi)與測點(diǎn)3的綜合聲壓級(jí)相差不大，故測點(diǎn)4不在橋梁結(jié)構(gòu)聲影區(qū)范圍內(nèi)。此時(shí)噪聲成分除了低頻噪聲以外，還有透射和繞射至此的輪軌噪聲，高頻噪聲占主要成分。因此，傳播距離雖然增加，但其綜合噪聲聲壓級(jí)與測點(diǎn)3相差較小。

測點(diǎn)5、測點(diǎn)6位置的環(huán)境噪聲則受低頻噪聲和高頻噪聲的綜合影響。

4 環(huán)境噪聲評(píng)價(jià)

4.1 傳統(tǒng)的A計(jì)權(quán)評(píng)價(jià)

計(jì)算頻譜分析中篩選的10組實(shí)測數(shù)據(jù)中各測點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和主觀煩惱度，將兩者進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)與主觀煩惱度的關(guān)系

由圖3可知，測點(diǎn)1的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)與主觀煩惱度之間相關(guān)度低且呈負(fù)相關(guān)(即隨著A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的增加，煩惱度降低)，說明在測點(diǎn)1采用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)不合適；測點(diǎn)2和測點(diǎn)3的相關(guān)系數(shù)較高，但是擬合所用的多組實(shí)測數(shù)據(jù)明顯偏離線性擬合直線，故測點(diǎn)2和測點(diǎn)3的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)與主觀煩惱度的相關(guān)系數(shù)雖較大，但是評(píng)價(jià)誤差也較大。由頻譜分析結(jié)果可知，測點(diǎn)1～3都位于橋梁結(jié)構(gòu)聲影區(qū)的范圍內(nèi)，環(huán)境噪聲的主要成分是低頻噪聲，因此以低頻噪聲為主的環(huán)境噪聲采用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)并不能真實(shí)反映噪聲對(duì)人們的影響。

測點(diǎn)4位置的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)與主觀煩惱度之間的相關(guān)性最好，即在距離鐵路外軌中心線30 m位置處，傳統(tǒng)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)是可以較好地評(píng)價(jià)環(huán)境噪聲對(duì)人們?cè)斐傻挠绊?。測點(diǎn)5、測點(diǎn)6處A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)與主觀煩惱度的相關(guān)性同樣較好，且測點(diǎn)4～測點(diǎn)6擬合所用的實(shí)測數(shù)據(jù)與線性擬合直線偏離小，評(píng)價(jià)誤差小。但測點(diǎn)4～測點(diǎn)6的相關(guān)系數(shù)呈明顯減小趨勢，說明隨著距離的增加，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的評(píng)價(jià)可靠度降低。由頻譜分析可知，測點(diǎn)4～測點(diǎn)6位于橋梁結(jié)構(gòu)聲影區(qū)范圍外，此時(shí)環(huán)境噪聲的主要成分是輪軌噪聲。由于高頻噪聲隨距離傳播快速衰減，低頻成分占比逐漸上升，因此在非聲影區(qū)范圍內(nèi)以高頻噪聲為主的環(huán)境噪聲，采用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)評(píng)價(jià)的可靠度隨著傳播距離的增加而逐漸減小，采用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)也是不科學(xué)的。

4.2 心理聲學(xué)評(píng)價(jià)

由以上分析結(jié)果可知，傳統(tǒng)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)用來評(píng)價(jià)環(huán)境噪聲僅在橋梁結(jié)構(gòu)非聲影區(qū)的一定范圍內(nèi)可靠度較高，而在其他范圍內(nèi)并不能較好地評(píng)價(jià)環(huán)境噪聲對(duì)于人們?cè)斐傻挠绊?，故新引入心理聲學(xué)指標(biāo)總響度、尖銳度、粗糙度和波動(dòng)度評(píng)價(jià)環(huán)境噪聲對(duì)人的影響。將各測點(diǎn)10組實(shí)測數(shù)據(jù)的主觀煩惱度與心理聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)的結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果見圖4～圖7。

圖4 總響度與主觀煩惱度的關(guān)系

圖5 尖銳度與主觀煩惱度的關(guān)系

圖6 粗糙度與主觀煩惱度的關(guān)系

圖7 波動(dòng)度與主觀煩惱度的關(guān)系

由圖4～圖7可知，測點(diǎn)1處尖銳度與主觀煩惱度之間的相關(guān)度最優(yōu)，相關(guān)系數(shù)為0.650；此外，波動(dòng)度與主觀煩惱度之間相關(guān)度較低且呈負(fù)相關(guān)(即隨著波動(dòng)度的增加，煩惱度降低)，而波動(dòng)度反映了人耳主觀感受到的聲音響亮起伏程度。聲音響亮起伏越大，聲能量越大，主觀煩惱度越小。說明影響人耳主觀感受的因素不僅僅是聲能量大小，有時(shí)聲能量小的聲音可能會(huì)讓人更難受[21]。粗糙度與煩惱度低度相關(guān)，總響度與主觀煩惱度之間則無線性相關(guān)關(guān)系。

測點(diǎn)2和測點(diǎn)3處總響度、尖銳度和波動(dòng)度都與主觀煩惱度之間高度線性相關(guān)，而粗糙度與煩惱度之間相關(guān)度低。其中，測點(diǎn)2處尖銳度的相關(guān)度最優(yōu)，相關(guān)系數(shù)0.926，而測點(diǎn)3處則是總響度的相關(guān)度最優(yōu)，相關(guān)系數(shù)為0.924，同時(shí)尖銳度與主觀煩惱度之間相關(guān)度也較好，相關(guān)系數(shù)為0.848。

測點(diǎn)4～測點(diǎn)6處都是總響度與主觀煩惱度之間的相關(guān)系數(shù)最優(yōu)，分別為0.797，0.827和0.824，可以看出總響度與主觀煩惱度的相關(guān)系數(shù)隨距離的變化規(guī)律跟A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)不同。在非聲影區(qū)的一定范圍內(nèi)，隨著距離增加，相關(guān)度明顯增大，該范圍以外，距離增加，相關(guān)度幾乎不變，可以看出距離增加對(duì)總響度評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠度影響較小。測點(diǎn)4～測點(diǎn)6處尖銳度和波動(dòng)度與主觀煩惱度相關(guān)系數(shù)較高，相關(guān)度較好，而粗糙度與主觀煩惱度之間在測點(diǎn)4和測點(diǎn)5處低度線性相關(guān)，在測點(diǎn)6處幾乎無相關(guān)關(guān)系。

由頻譜分析可知，測點(diǎn)1～測點(diǎn)3位于橋梁結(jié)構(gòu)聲影區(qū)內(nèi)，主要環(huán)境噪聲成分是低頻噪聲。測點(diǎn)1和測點(diǎn)2處環(huán)境噪聲最優(yōu)心理聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)為尖銳度，測點(diǎn)3位置的環(huán)境噪聲最優(yōu)心理聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)為總響度，推測是因?yàn)榈皖l噪聲主要集中在橋梁斜下方，且沿著水平方向傳播存在衰減，故測點(diǎn)3的最優(yōu)評(píng)價(jià)指標(biāo)不是尖銳度，但其尖銳度與煩惱度也具備高度線性關(guān)系。綜合考慮，以低頻噪聲為主要成分的環(huán)境噪聲選取尖銳度作為心理聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)最具有代表性。

測點(diǎn)4～測點(diǎn)6位于非聲影區(qū)，主要環(huán)境噪聲成分是高頻噪聲。測點(diǎn)4～測點(diǎn)6位置的環(huán)境噪聲最優(yōu)心理聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)為總響度，且測點(diǎn)4～測點(diǎn)6的尖銳度與煩惱度之間的相關(guān)關(guān)系明顯低于測點(diǎn)1～測點(diǎn)3，說明此時(shí)低頻噪聲對(duì)煩惱度的影響小于輪軌噪聲，因此，以高頻噪聲為主要成分的環(huán)境噪聲，選取總響度作為心理聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)最具有代表性。

5 結(jié)論

對(duì)城際列車高架段環(huán)境噪聲進(jìn)行現(xiàn)場測試，分別用傳統(tǒng)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和新引入的心理聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)分析環(huán)境噪聲與人的主觀感受的相關(guān)關(guān)系，研究結(jié)論如下。

(1)對(duì)于該城際鐵路高架線，低頻噪聲主要集中在25～500 Hz，且分別在頻率40 Hz和315 Hz處出現(xiàn)峰值，輪軌噪聲在630 Hz處出現(xiàn)峰值。

(2)傳統(tǒng)的A計(jì)權(quán)方式與人的主觀煩惱度，在橋梁聲影區(qū)范圍內(nèi)相關(guān)度低或相關(guān)度高，但評(píng)價(jià)誤差大，可靠度低；而在橋梁非聲影區(qū)范圍，相關(guān)度隨著傳播距離增加而顯著減小，可靠度也逐漸減小。

(3)當(dāng)城際鐵路高架環(huán)境噪聲主要成分為低頻噪聲時(shí)，選取尖銳度作為心理聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)最具有代表性，而以高頻噪聲為主要成分的環(huán)境噪聲，選取總響度作為心理聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)最具有代表性。