姜惠蕓，傅秀章,2

(1. 東南大學(xué)建筑學(xué)院，江蘇南京210096；2. 東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210096)

0 引 言

依據(jù)中國(guó)生態(tài)環(huán)境部統(tǒng)計(jì)，2018年社會(huì)生活噪聲投訴高達(dá)3.69萬(wàn)件，占據(jù)噪聲投訴的15.6%，其中固定設(shè)備噪聲占據(jù)較大比例[1]。建筑設(shè)備數(shù)量與種類隨著城市化過(guò)程不斷增加，低頻噪聲的研究也越來(lái)越受到重視。低頻噪聲會(huì)降低人的學(xué)習(xí)和工作效率，影響人的情緒與睡眠質(zhì)量；長(zhǎng)時(shí)間暴露在噪聲環(huán)境下，甚至導(dǎo)致聽(tīng)力損傷，引發(fā)血壓增高等慢性疾病[2-7]。

國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)于噪聲的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)多采用A聲級(jí)作為評(píng)價(jià)量，然而A計(jì)權(quán)對(duì)于低頻段噪聲的計(jì)權(quán)值較大，無(wú)法準(zhǔn)確反映人耳對(duì)低頻噪聲的感知[8-11]。其次，為了測(cè)量和后期處理相對(duì)容易，采用了基于總噪聲級(jí)(頻率范圍 20 Hz～20 kHz)的最大噪聲限值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于建筑設(shè)備中低頻輻射較強(qiáng)的噪聲源會(huì)產(chǎn)生較大的誤差[11]。不同標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)低頻噪聲采用不同的修正模型和評(píng)估方法，這使得低頻噪聲的評(píng)價(jià)難以橫向?qū)Ρ龋绲聡?guó)DIN45680標(biāo)準(zhǔn)中提出Kai系數(shù)進(jìn)行校正，波蘭提出A計(jì)權(quán)與閾值及背景噪聲之間的差值來(lái)進(jìn)行判斷。我國(guó)的《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB12348-2008)和《社會(huì)生活環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB22337-2008)采用倍頻帶中心頻率聲壓級(jí)限值來(lái)對(duì)低頻噪聲進(jìn)行約束[12-16]。Broner在低頻噪聲對(duì)人產(chǎn)生的心理效應(yīng)研究中，發(fā)現(xiàn)采用主觀煩惱度更適合描述低頻噪聲[17]。煩惱度與響度、波動(dòng)度等是聲品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。心理聲學(xué)采用了數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)人耳感知的噪聲進(jìn)行表述，目前使用最廣泛的計(jì)算模型是由Zwicker等[18]提出的相關(guān)公式。本文嘗試采用心理聲學(xué)的指標(biāo)對(duì)設(shè)備噪聲進(jìn)行分析評(píng)估，對(duì)比現(xiàn)有的低頻噪聲評(píng)價(jià)方法，探究其評(píng)價(jià)結(jié)果的差異性，以進(jìn)一步了解建筑設(shè)備噪聲的聲音特性。

1 建筑設(shè)備噪聲源調(diào)查與采樣

1.1 噪聲煩擾投訴調(diào)查

2017及2018年，國(guó)民對(duì)于緩解噪聲污染的投訴如表1所示，其中設(shè)備噪聲投訴占比率較大，頻繁的設(shè)備噪聲投訴問(wèn)題亟待解決。2017年固定設(shè)備(如冷卻塔、風(fēng)機(jī)等)噪聲案件占社會(huì)生活噪聲投訴的 28.6%[1,19]。

1.2 噪聲采樣

通過(guò)對(duì)南通某辦公建筑的實(shí)地調(diào)查和使用者的投訴信息，確定對(duì)以下常見(jiàn)的 4種噪聲源進(jìn)行采樣，包括水泵、排風(fēng)扇、配電器和室外空調(diào)機(jī)。其中水泵、排風(fēng)扇、配電器位于負(fù)一樓，室外空調(diào)機(jī)位于一樓和八樓屋頂平臺(tái)。

表1 2017及2018年中國(guó)環(huán)境噪聲污染投訴Table 1 China's environmental noise pollution complaints in 2017 and 2018

利用Head Acoustic 數(shù)字式人工頭系統(tǒng)進(jìn)行噪聲采樣，同步使用NOR140噪聲分析儀展開(kāi)噪聲測(cè)量。測(cè)點(diǎn)布置及采樣、測(cè)量方法等參照國(guó)家和ISO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定，同時(shí)記錄相關(guān)聲場(chǎng)景和聲源分布、運(yùn)行工況等。

使用四通道噪聲采集前端SQuadriga記錄儀對(duì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備噪聲進(jìn)行數(shù)字錄音，通過(guò) HUSⅡ.1(Code 1319)HEAD音頻記錄軟件將樣本以波形文件記錄。變頻水泵和8層屋面的室外空調(diào)機(jī)采樣時(shí)間為60 s，其余每個(gè)樣本的采樣時(shí)間為30 s，采樣頻率為 48 kHz，辨析率為 1 Hz，頻率下限為12.5 Hz，頻率上限為21 834 Hz。

2 噪聲頻譜特性分析

2.1 各頻段噪聲聲能量分布

本文為了頻率劃分與倍頻程中心頻率的上、下限頻率相一致，將低、中、高3個(gè)部分頻段設(shè)定位為 20～350 Hz(倍頻程中心頻率 250 Hz的上限頻率)、 350～2.8 kHz(倍頻程中心頻率 2 kHz的上限頻率)和2.8 kHz以上。各頻段的能量占比如表2所示，能量計(jì)算采用式(1)與式(2)[20]：

式中：η低為低頻段聲能量占總聲能量比率；E低為低頻段聲能量；E總為總聲能量；P低為低頻段聲壓；P總為總聲壓；L低為低頻段聲壓級(jí)疊加；L總為總聲壓級(jí)；Li為低頻段各倍頻程聲壓級(jí)。

表2顯示大部分設(shè)備的噪聲能量都集中于低頻段即在350 Hz以下，室外空調(diào)機(jī)低頻噪聲能量的占比甚至能夠達(dá)到90%以上。變頻水泵大部分能量集中于高頻，但是低頻段的能量也能達(dá)到總能量的 1/3左右。

表2 不同設(shè)備噪聲樣品各頻段聲能量占比Table 2 Energy ratios of different equipment noise samples in each frequency band

2.2 噪聲最大聲級(jí)分布

各設(shè)備噪聲頻譜圖如圖 1所示，L表示左聲道。左右聲道頻譜峰值趨勢(shì)較為相似，因此圖內(nèi)選擇顯示典型設(shè)備噪聲左聲道頻譜。

圖1 不同設(shè)備噪聲樣品左聲道頻譜圖Fig.1 Left channel spectrums of different equipment noise samples

從圖 1可以看出，水泵頻譜數(shù)據(jù)在高頻出現(xiàn)峰值，在11.8 kHz時(shí)聲壓級(jí)達(dá)到58.7 dB?？照{(diào)、排風(fēng)扇和配電器峰值存在于低頻，室外空調(diào)機(jī)在高頻段 11.5 kHz處出現(xiàn)局部峰值，聲壓級(jí)值為43.5 dB。

2.3 累積百分?jǐn)?shù)A計(jì)權(quán)聲級(jí)分析

設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)行狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，如圖2所示，運(yùn)行狀態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的噪聲也存在階段性變動(dòng)。用各個(gè)噪聲級(jí)出現(xiàn)的概率或累積概率來(lái)對(duì)各噪聲運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲污染進(jìn)行評(píng)價(jià)。

定義L10為測(cè)量時(shí)間內(nèi) 10% 的時(shí)間超過(guò)的噪聲級(jí)，表示噪聲的峰值聲級(jí)；L50為測(cè)量時(shí)間內(nèi) 50%的時(shí)間超過(guò)的噪聲級(jí)，表示平均噪聲級(jí)；L90為測(cè)量時(shí)間內(nèi)90%的時(shí)間超過(guò)的噪聲級(jí)，表示背景噪聲級(jí)。

圖2 不同設(shè)備噪聲的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)隨時(shí)間變化Fig.2 Variation of A-weighting SPLs of different equipment noise samples with time

噪聲樣品累計(jì)百分?jǐn)?shù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)如圖3和表3所示。排風(fēng)扇、配電器的運(yùn)行狀態(tài)基本保持不變，噪聲大小較為穩(wěn)定，大多數(shù)的設(shè)備噪聲在整個(gè)采樣過(guò)程中都存在突發(fā)峰值?！渡鐣?huì)生活環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB22337—2008)中提出非穩(wěn)態(tài)噪聲的情況，最大聲壓級(jí)限值的幅度不得高于10 dB(A)。

其中水泵、排風(fēng)扇、配電器皆為室內(nèi)設(shè)備，而室外空調(diào)機(jī)信號(hào)在錄制過(guò)程中，屋頂平臺(tái)上可能存在風(fēng)噪聲干擾，背景噪聲也會(huì)存在突發(fā)峰值，對(duì)測(cè)量結(jié)果可能存在有一定的影響。

圖3 不同噪聲的累積百分?jǐn)?shù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)分布Fig.3 Cumulative A-weighting SPL distributions of different equipment noise samples

3 聲品質(zhì)分析

根據(jù)表2聲能量分布顯示，大部分設(shè)備噪聲主要能量集中于低頻段，但 A聲級(jí)并不能完全正確地體現(xiàn)低頻噪聲對(duì)于人們的主觀感受。心理聲學(xué)是以人的感受為衡量標(biāo)準(zhǔn)，主要涉及響度、尖銳度、波動(dòng)度、粗糙度等多項(xiàng)指標(biāo)[17]。

3.1 響度N

響度表示人耳感受到的聲音的強(qiáng)弱，單位是sone。響度和聲音強(qiáng)度的大小不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而與聲音的振幅、頻率等因素都相關(guān)，是聲品質(zhì)評(píng)價(jià)體系中的重要特征量。

3.1.1 各頻段響度分布

本文將錄制的波形文件輸入Artemis軟件，采用ISO 532 中的響度計(jì)算方法(快速傅里葉瞬時(shí)響度計(jì)算)，即Zwicker提出的理論計(jì)算方法，即式(3)、(4)，得出該噪聲樣品在0～24 Bark上的累積響度值N：

其中：N'為特征響度值(sone/Bark)，ETQ為安靜條件下聽(tīng)閾對(duì)應(yīng)的激勵(lì)，參考聲強(qiáng)為其對(duì)應(yīng)的激勵(lì)為E0，E是信號(hào)對(duì)應(yīng)的激勵(lì)。

設(shè)備噪聲的響度圖顯示：空調(diào)噪聲主要集中在0～4 Bark范圍內(nèi)，而水泵噪聲的主要響度值集中于16～20 Bark范圍內(nèi)。

有研究者發(fā)現(xiàn)人耳結(jié)構(gòu)大致會(huì)對(duì)24個(gè)頻率點(diǎn)產(chǎn)生共振，因此提出將聲音信號(hào)分為從 1～24、共24個(gè)臨界頻帶，即Bark域。臨界帶寬與中心頻率之間的關(guān)系如式(5)和式(6)[21]：

表3 不同設(shè)備噪聲樣品累計(jì)百分?jǐn)?shù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)Table 3 The cumulative A-weighting SPLs of different equipment noise samples

式中：z為臨界帶寬，ΔfG為中心頻率為f處1 Bark臨界帶寬的頻帶。低頻對(duì)應(yīng)的頻帶為0～3.4 Bark，中頻對(duì)應(yīng) 3.5～15.2 Bark，15.2 Bark以上為高頻，各頻段響度積分如圖4和表4所示。

從表4可以看出，水泵的響度積分分布約一半集中于高頻段，但中頻段也有38%～42%。排風(fēng)扇、配電器和室外空調(diào)機(jī)的響度積分分布主要集中于中頻段。

圖4 不同設(shè)備噪聲左聲道響度積分分布Fig.4 Loudness integral distribution of different equipment noise samples

3.1.2 累積百分?jǐn)?shù)響度分布

ISO532 中用響度計(jì)所得到的數(shù)值與瞬時(shí)響度相對(duì)應(yīng)，然而對(duì)于隨著時(shí)間不斷變化的聲音，除了分析響度-頻率和響度-時(shí)間函數(shù)外，還可以進(jìn)行累積百分?jǐn)?shù)響度計(jì)算。

圖5為設(shè)備噪聲的累積百分?jǐn)?shù)響度分布，由圖可見(jiàn)，設(shè)備噪聲在測(cè)量階段的響度值幾乎相同，水泵排風(fēng)扇等平均響度值與N10(10%時(shí)間超過(guò)該響度)近似，而空調(diào)等頻率變化較頻繁的設(shè)備平均響度值與N15(15%時(shí)間超過(guò)該響度)相近。

圖5 不同設(shè)備噪聲的累積百分?jǐn)?shù)響度分布Fig.5 Cumulative loudness percentage distributions of different equipment noise samples

3.2 尖銳度S

尖銳度表示聲音尖銳的程度，記為S，單位為acum。采用基于Zwicker的特征響度計(jì)算模型來(lái)計(jì)算尖銳度，其計(jì)算公式為

其中：g(z)為附加系數(shù)，是臨界頻帶的函數(shù)。

表4 不同設(shè)備噪聲樣品響度積分分布Table 4 The loudness integral distribution of different equipment noise samples

3.3 波動(dòng)強(qiáng)度F和粗糙度R

波動(dòng)強(qiáng)度F和粗糙度R表示聲音高低起伏的程度，單位分別是 vacil和asper。聲源級(jí)為 60 dB、頻率為1 kHz的純音在調(diào)制頻率為4 Hz調(diào)制信號(hào)的100%調(diào)幅作用下產(chǎn)生的波動(dòng)度為 1 vacil，聲源級(jí)為60 dB、頻率為1 kHz的純音在調(diào)制頻率為70 Hz的100%調(diào)幅作用下粗糙度為1 asper。F和R分別采用式(8)和式(9)進(jìn)行計(jì)算：

式中：Cf和Cr是計(jì)算系數(shù)，分別為0.008和0.000 3，ΔL表示單位為dB的調(diào)制深度，fmod為調(diào)制頻率。

3.4 煩惱度PA

聲質(zhì)量評(píng)價(jià)理論的煩惱度計(jì)算公式與噪聲尖銳度和粗糙度相關(guān)，單位為au。煩惱度的Zwicker計(jì)算公式為

其中：N5表示以 sone為單位響度的百分比，當(dāng)S≤1.75 acum時(shí)，ωS為0，各噪聲聲品質(zhì)指標(biāo)和煩惱度評(píng)價(jià)值如表5所示。

4 討 論

4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值與ArtemiS頻譜分析數(shù)據(jù)差異

SQuadriga采集的噪聲樣品經(jīng)HEAD ArtemiS軟件分析得出的結(jié)果與 NOR140噪聲分析儀的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果相近，基本能夠還原采樣現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備噪聲的干擾狀況，這是后續(xù)分析的前提條件。Artemis分析出的數(shù)值與 NOR140所測(cè)量的總聲壓級(jí)結(jié)果差值約等于1 dB，大多數(shù)情況下，NOR140結(jié)果數(shù)值偏小，這可能與NOR140使用防風(fēng)罩減少背景噪聲干擾有關(guān)。

NOR140現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和設(shè)備噪聲樣品左、右聲道兩種不同途徑計(jì)算所得的聲能量分布結(jié)果大部分相近。水泵-2 中NOR140測(cè)量數(shù)據(jù)低頻占比較大，但其他組數(shù)據(jù)顯示水泵噪聲低頻占比與高頻數(shù)據(jù)差別不大；配電器左聲道與NOR140結(jié)果相近，右聲道結(jié)果出現(xiàn)異常，總聲壓級(jí)較大，且中頻能量占比比低頻能量高出50%。這可能是測(cè)量時(shí)耳部?jī)蓚€(gè)麥克風(fēng)與聲源傳播位置成一條直線關(guān)系，頭部對(duì)左側(cè)麥克風(fēng)造成遮擋；或者墻角對(duì)右側(cè)麥克風(fēng)有多次反射的作用，造成左右聲道錄制結(jié)果存在偏差。

4.2 不同建筑設(shè)備噪聲源特性

從水泵的噪聲頻譜峰值與聲能量占比的結(jié)果(表 2)來(lái)看，水泵產(chǎn)生的噪聲屬于以高頻成分為主的噪聲，但是低頻能量占比僅次于高頻，達(dá)到30%以上；如表4所示，水泵產(chǎn)生的中頻噪聲對(duì)人煩擾的貢獻(xiàn)達(dá)到了40%以上，僅略低于高頻。

排風(fēng)扇、配電器及室外空調(diào)機(jī)低頻能量占比較高，且聲級(jí)峰值多處于低頻段，如室外空調(diào)機(jī)低頻能量占比達(dá)到了90%以上，可以說(shuō)是低頻噪聲源；但是表2和表4顯示，配電器噪聲中35%的中頻成分對(duì)人煩擾的貢獻(xiàn)占比達(dá)到了60%以上，排風(fēng)扇和室外空調(diào)機(jī)達(dá)到了50%以上，排風(fēng)扇中頻能量占比低于20%，而室外空調(diào)機(jī)的中頻成分則低于10%。

4.3 能量計(jì)算法與響度積分差異

能量計(jì)算法結(jié)果顯示，大多數(shù)設(shè)備噪聲的低頻成分是可觀的，中頻成分與之相差甚遠(yuǎn)。然而，考慮到人耳對(duì)噪聲的感知能力，少量的中頻成分卻更能使人煩躁。例如室外空調(diào)機(jī)噪聲的中頻能量占比不到10%，所造成的響度積分占比卻高達(dá)50%以上。能量計(jì)算僅表示噪聲各頻段能量的分布，噪聲最高聲級(jí)對(duì)應(yīng)的頻段也僅與噪聲本身相關(guān)。響度是考慮了人耳對(duì)聲音的感知作用——頻率越高越為敏感。人耳對(duì)聲音感知的大小并不完全等同于人所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)的煩惱度，也和聲音的銳利程度與波動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)。環(huán)境噪聲引發(fā)的煩惱度與Zwicker響度級(jí)大小相關(guān)性最大，而響度級(jí)一定程度上依賴于聲音等效連續(xù) A 聲級(jí)，同時(shí)也與噪聲的頻率分布密切相關(guān)，在低頻與高頻范圍內(nèi)，還分別與噪聲的波動(dòng)強(qiáng)度、粗糙度以及尖銳度等因素有關(guān)。

4.4 A聲級(jí)與聲品質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)

從表5中可以看出，水泵-1和排風(fēng)扇響度基本相等，水泵-2和排風(fēng)扇的A聲級(jí)相近，但是水泵噪聲的尖銳度比排風(fēng)扇噪聲樣品高出1倍。這是因?yàn)榧怃J度主要與高頻相關(guān)，而水泵的主要頻譜能量集中于高頻。配電器的 A聲級(jí)在所有噪聲樣品中最小，但是水泵噪聲樣品的粗糙度比其他設(shè)備噪聲更小，低頻噪聲成分相比高頻噪聲成分，更容易有粗糙感?？照{(diào)機(jī)-G噪聲的A聲級(jí)比排風(fēng)扇的A聲級(jí)高出5 dB，但是響度值卻高出近9 sone，尖銳度與波動(dòng)強(qiáng)度值相近，但是室外空調(diào)機(jī)噪聲的粗糙度較高，導(dǎo)致了整體的煩惱度高出 40 au。聲音的尖銳程度和聲音的高低起伏程度可以用尖銳度、粗糙度及波動(dòng)強(qiáng)度表示，A聲級(jí)并不能反映聲音的這些特性。幾種噪聲源的A聲級(jí)數(shù)值相近，但是不同設(shè)備噪聲給人的主觀感受是不一樣的，而響度等指標(biāo)更能體現(xiàn)各類噪聲的差異性，從而為針對(duì)不同特性的設(shè)備噪聲采用恰當(dāng)?shù)慕翟氪胧┨峁┛赡堋?/p>

5 結(jié) 論

根據(jù)對(duì)4種建筑設(shè)備噪聲情況的調(diào)查，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)音頻錄制與軟件頻譜分析。最大聲壓級(jí)所在頻段及噪聲能量分布兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)顯示，在所測(cè)試的4種噪聲源中，變頻水泵噪聲的主要成分為高頻。除變頻水泵外，設(shè)備噪聲的聲壓級(jí)峰值多處于低頻段，噪聲源以低頻成分為主，其中室外空調(diào)機(jī)噪聲頻譜的高頻成分存在小型峰值。

考慮到人耳對(duì)不同頻段的感知能力，中頻噪聲雖然不是主要的噪聲成分，但對(duì)煩惱度的貢獻(xiàn)是最大的，其次是低頻噪聲。從響度、尖銳度和煩惱度等心理聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看，室外空調(diào)機(jī)噪聲的各項(xiàng)指標(biāo)皆最高，是最令人煩擾的設(shè)備噪聲，變頻水泵噪聲的尖銳度較大，排風(fēng)扇噪聲的粗糙度較大。響度累積積分分布中，變頻水泵噪聲中高頻占比最大，其余設(shè)備噪聲源的中頻響度積分值較高。

本文所采用的Zwicker提出的計(jì)算模型，是現(xiàn)在使用最為廣泛的計(jì)算模型。但是個(gè)體主觀響度、聲舒適度具有一定的差異性，希望后續(xù)能夠針對(duì)更多的設(shè)備噪聲類型進(jìn)行探討，同時(shí)進(jìn)行基于大量志愿者的噪聲主觀感受評(píng)價(jià)研究。