吳星怡， 康愛(ài)紅， 董星海， 王本帥， 孔賀譽(yù)

(揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225127)

隨著交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)的推進(jìn)，道路建設(shè)取得了巨大成效，但與此同時(shí)，交通噪聲污染成為了人們?nèi)找胬_的問(wèn)題。城市噪聲污染的主要來(lái)源之一是交通噪聲，同時(shí)也是一個(gè)亟需解決的環(huán)境問(wèn)題[1～3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)降噪型路面的降噪效果已進(jìn)行了一些研究，統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)法、近場(chǎng)測(cè)試法和控制經(jīng)過(guò)法是現(xiàn)階段最常用的3種收集噪聲的方法[4～11]，吸聲系數(shù)是評(píng)價(jià)材料聲學(xué)性能的重要指標(biāo)[12～14]，而現(xiàn)階段的研究以如何測(cè)定材料吸聲系數(shù)和如何采集路面行車(chē)噪聲為主。路面濕度、路面材質(zhì)、行車(chē)速度和道路周?chē)h(huán)境的差異會(huì)導(dǎo)致行車(chē)噪聲在頻段分布、傳播影響范圍和總體聲級(jí)上存在明顯差異。有針對(duì)性地設(shè)計(jì)路面，選擇合適的試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方案，更好地評(píng)估行駛噪聲在不同交通場(chǎng)景下的表現(xiàn)，得到行駛噪聲和交通場(chǎng)景的相關(guān)性顯得尤為重要。本研究為了獲取行駛噪聲與不同交通場(chǎng)景的本質(zhì)聯(lián)系，采集并分析了常規(guī)城市道路、裝有隔聲板道路、隧道和高架道路4種行車(chē)場(chǎng)景下的行車(chē)噪聲，為分析瀝青混合料降噪材料對(duì)降噪性能的影響提供基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

本研究涉及的交通噪聲采集方案主要為近場(chǎng)測(cè)試和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。近場(chǎng)測(cè)試方案為近場(chǎng)聲壓測(cè)試，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方案為統(tǒng)計(jì)通過(guò)法。選用的聲強(qiáng)傳感器型號(hào)為INV9212，傳感器大小為1/2英寸，可實(shí)現(xiàn)相位校正，1/3倍頻程中心頻率為50～6300 Hz。采用的數(shù)據(jù)采集分析儀為INV3062T0云智能，有4個(gè)輸入通道。其采樣頻率范圍從0.5～204800 Hz。

考慮到交通噪聲采集的可實(shí)施性、安全性和交通控制等因素的影響，本研究對(duì)常規(guī)城市路面和裝有隔音板的路面采用近場(chǎng)測(cè)試和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方案；對(duì)隧道和高架路面采用近場(chǎng)試驗(yàn)，最后將收集和分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

在交通噪聲收集過(guò)程中，本研究綜合考慮了行車(chē)速度和路面溫度兩個(gè)影響因素，當(dāng)溫度條件相同時(shí)，分別以行駛速度40，50，60，80 km/h為控制變量，當(dāng)行駛速度相同時(shí)，分別以路面溫度0，10，20，30，40，50 ℃為控制變量。

在近場(chǎng)測(cè)試中，傳聲器的方向應(yīng)保持與行車(chē)方向一致，為了減少風(fēng)噪對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，同時(shí)應(yīng)在其前端安裝鼻錐并通過(guò)穩(wěn)定儀器固定在距離路面25 cm、距離輪胎10 cm處。試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)保證風(fēng)速小于5 km/h，路況應(yīng)清潔、干燥，無(wú)明顯異物；車(chē)輛和乘客的總重量應(yīng)一致；車(chē)輛應(yīng)保持整體清潔；在采集噪聲的過(guò)程中，車(chē)窗和天窗應(yīng)保證緊閉；試驗(yàn)時(shí)，行駛速度與目標(biāo)速度的誤差應(yīng)控制在±3 km/h以?xún)?nèi)，路面溫度與所需測(cè)試溫度的誤差為±3 ℃；試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)盡量避免并行車(chē)輛的干擾，保持車(chē)輛在最右側(cè)車(chē)道。

遠(yuǎn)場(chǎng)試驗(yàn)中，在傳聲器前端安裝風(fēng)球，以減少行駛噪聲采集過(guò)程中風(fēng)噪聲的影響，傳聲器放置在路肩處，離地25 cm，傳聲器的位置應(yīng)正對(duì)行車(chē)道。保持試驗(yàn)過(guò)程中風(fēng)速小于5 km/h，選擇沒(méi)有大型遮擋物并且車(chē)流量較小的試驗(yàn)場(chǎng)地；試驗(yàn)車(chē)輛應(yīng)靠右行駛并保持傳聲器的方向固定，試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)速與目標(biāo)速度的誤差應(yīng)控制在±3 km/h以?xún)?nèi)，路面溫度與目標(biāo)溫度的誤差應(yīng)控制在±3 ℃以?xún)?nèi)，過(guò)程如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)噪聲測(cè)試

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了避免路面溫差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在研究行駛速度對(duì)行駛噪聲的影響時(shí)，選擇了同一時(shí)段內(nèi)40 ℃的相同路面溫度進(jìn)行試驗(yàn)。同樣，為了避免不同行駛速度對(duì)結(jié)果的影響，在研究相同路面溫度條件下路面溫度對(duì)行駛噪聲的影響時(shí)，不必改變不同時(shí)段的路面溫度，試驗(yàn)選用60 km/h的勻速行駛速度。

2.1 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

首先，對(duì)常規(guī)路面和裝有隔聲板路面的遠(yuǎn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。試驗(yàn)車(chē)輛通過(guò)時(shí)測(cè)得的行駛噪聲時(shí)域波形如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試行車(chē)噪聲時(shí)域波形

利用自頻譜分析驅(qū)動(dòng)噪聲的時(shí)域波形，在分析時(shí)可以選擇對(duì)測(cè)試波形進(jìn)行全過(guò)程分析，也可以選擇一段時(shí)間間隔使用傅里葉變換公式，將噪聲信號(hào)的時(shí)域波形換算成頻域波形。為了精準(zhǔn)反映行車(chē)噪聲的特點(diǎn)，再對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行區(qū)間波形信號(hào)傅里葉變換，而不是對(duì)整個(gè)信號(hào)進(jìn)行處理，這樣可以有效減小周邊噪聲對(duì)分析結(jié)果的不利影響。所選有效波形以及行車(chē)噪聲頻域波形如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的噪聲頻域波形

通過(guò)對(duì)行駛噪聲的頻域波形分析，發(fā)現(xiàn)1000 Hz以下頻率的噪聲聲壓級(jí)(Sound Pressure Level，SPL)顯著大于1000 Hz以上的頻率。通過(guò)對(duì)噪聲聲波頻域波形的計(jì)算和分析，可以得到相應(yīng)聲波的頻譜峰值。分析常規(guī)城市路面測(cè)試結(jié)果，在40 ℃路面溫度下，行駛噪聲信號(hào)在不同行駛速度下對(duì)應(yīng)的頻域波形峰值如圖4所示，60 km/h行車(chē)速度不同路表溫度條件對(duì)應(yīng)的行車(chē)噪聲信號(hào)頻域波形峰值情況如圖5所示。

圖5 不同路表溫度線(xiàn)性總體聲壓級(jí)情況

由圖4，5可以看出，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)車(chē)輛行駛速度變化和路面溫度變化對(duì)噪聲頻域波形峰值影響較小，在95.61～96.99 dB之間。因此，本研究認(rèn)為，行駛噪聲聲波信號(hào)的頻域峰值分析和捕獲結(jié)果不能準(zhǔn)確有效地評(píng)價(jià)行駛噪聲水平。

圖4 不同行駛速度頻域波形峰值

評(píng)價(jià)噪聲的聲學(xué)特征時(shí)，若只分析單一頻率或頻帶內(nèi)的噪聲聲壓，具有片面性，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其整體水平，只有綜合考慮不同頻率下的聲壓分布，才能得到更準(zhǔn)確的分析結(jié)果，更好地評(píng)價(jià)噪聲波形信號(hào)的整體水平。若直接分析行車(chē)噪聲波形信號(hào)的頻域波形，由于噪聲信號(hào)處理結(jié)果復(fù)雜，很難進(jìn)行準(zhǔn)確有效的定量分析。頻譜分析通過(guò)在所研究的頻域內(nèi)采集聲波信號(hào)來(lái)解釋聲波的頻率結(jié)構(gòu)，并構(gòu)造圖形以此進(jìn)行具體分析。本研究的頻率范圍與人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的感知范圍一致，為20～20000 Hz。在噪聲聲譜的具體分析過(guò)程中，采用1/3倍頻程方案進(jìn)行比較，其中橫坐標(biāo)為中心頻率，縱坐標(biāo)為研究聲級(jí)，繪制1/3倍頻程直方圖進(jìn)行分析，如圖6所示。

由圖6可以得到第i個(gè)頻帶聲壓級(jí)Lp(i)，噪聲的線(xiàn)性總體聲壓級(jí)Lp可以通過(guò)式(1)計(jì)算得到。

Lp=10lg(10Lp(1)/10+10Lp(2)/10+…+
10Lp(n)/10)

(1)

在40 ℃路面溫度下，行駛噪聲信號(hào)在不同行駛速度條件下對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性總聲壓級(jí)如圖7所示，在60 km/h行駛速度下，行駛噪聲信號(hào)在不同路表溫度條件下對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性總聲壓級(jí)如圖8所示。

圖7 不同行駛速度下線(xiàn)性總體聲壓級(jí)(40 ℃路面溫度)

圖8 不同路面溫度下線(xiàn)性總體聲壓級(jí)(60 km/h車(chē)速)

通過(guò)對(duì)普通城市道路遠(yuǎn)場(chǎng)試驗(yàn)的行駛噪聲信號(hào)波形分析，發(fā)現(xiàn)隨著行駛速度和路面溫度的變化，整體線(xiàn)性聲壓級(jí)變化明顯。當(dāng)車(chē)速為40 km/h，路面溫度為40 ℃時(shí)，線(xiàn)性總聲壓級(jí)為91.18 dB。隨著車(chē)速提高到80 km/h，整體聲壓級(jí)可達(dá)94.31 dB。從數(shù)值上看，當(dāng)試驗(yàn)車(chē)速翻倍，相應(yīng)的行駛噪聲線(xiàn)性整體聲壓級(jí)提高了3.43%。然而，從聲壓級(jí)的定義來(lái)看，當(dāng)線(xiàn)性總聲壓級(jí)為91.18 dB時(shí)，有效聲壓pe為0.72 Pa，當(dāng)線(xiàn)性總聲壓級(jí)為94.31 dB時(shí)，有效聲壓為1.03 Pa，這意味著當(dāng)行駛速度從40 km/h增加到80 km/h時(shí)，有效聲壓增加了43.1%。

當(dāng)路面溫度為10 ℃，行駛速度為60 km/h時(shí)，線(xiàn)性總聲壓級(jí)為94.93 dB，換算成有效聲壓pe為1.12 Pa；隨著路面溫度升高至50 ℃，總聲壓級(jí)降至91.95 dB，換算成有效聲壓pe為0.79 Pa，根據(jù)上述計(jì)算方案，隨著路面溫度的升高，整體聲壓級(jí)僅下降3.1%，換算成有效聲壓pe，有效聲壓下降28.2%。

與常規(guī)城市路面行駛噪聲試驗(yàn)結(jié)果相比，安裝隔聲板的路面行駛噪聲總體線(xiàn)性聲壓級(jí)略高，因?yàn)楦袈暟迥軐⒙暡ǚ瓷涞江h(huán)路域，同時(shí)降低了行駛噪聲對(duì)路面的影響導(dǎo)致道路區(qū)域內(nèi)的整體聲壓級(jí)增加。簡(jiǎn)化隔聲板對(duì)聲波的反射作用，近似可視為同一聲壓級(jí)的另一點(diǎn)聲源，根據(jù)聲壓疊加原理，總聲壓級(jí)可提高3 dB。但噪聲在實(shí)際行車(chē)場(chǎng)景中，在傳播過(guò)程中會(huì)被周?chē)h(huán)境不斷消耗能量，而隔聲板本身并不能反射所有的噪聲聲波。另外，聲波頻率的高低對(duì)聲波傳播過(guò)程中的能量消耗具有較大的影響。當(dāng)聲波頻率較高時(shí)，能量消耗較小，當(dāng)聲波頻率較低時(shí)，能量消耗較大。當(dāng)路面溫度為40 ℃、行駛速度為40～80 km/h時(shí)，采用隔聲板的道路噪聲平均線(xiàn)性總聲壓級(jí)比常規(guī)道路高1.24 dB；當(dāng)行駛速度為60 km/h、路面溫度為20～50 ℃時(shí)，采用隔聲板的道路噪聲平均線(xiàn)性總聲壓級(jí)比常規(guī)道路噪聲平均線(xiàn)性總聲壓級(jí)高1.49 dB。

2.2 近場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)常規(guī)路面、裝有隔聲板路面、隧道和高架路面進(jìn)行近場(chǎng)試驗(yàn)，并分析其試驗(yàn)結(jié)果，得到了行車(chē)噪聲的時(shí)域波形。與遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試相比，近場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果更穩(wěn)定。

使用A計(jì)權(quán)聲級(jí)評(píng)價(jià)方法對(duì)近場(chǎng)試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)聲波信號(hào)耗散最多的為低頻部分。把測(cè)試得到的噪聲1/3倍頻程譜與40 phon弗萊徹芒森曲線(xiàn)倒置曲線(xiàn)的A計(jì)權(quán)校正頻譜相加，得到行駛噪聲聲波的A加權(quán)1/3倍頻程譜，最后計(jì)算A計(jì)權(quán)總體聲壓級(jí)。近場(chǎng)測(cè)試結(jié)果匯總?cè)鐖D9，10所示。

圖9 不同行駛速度下A計(jì)權(quán)總體聲壓級(jí)

圖10 不同路面溫度下A計(jì)權(quán)總體聲壓級(jí)

觀(guān)察可發(fā)現(xiàn)，在相同的行駛速度和路面溫度下，四種情況車(chē)輛行駛噪聲的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)為：隧道路面最大；其次為裝有隔音板路面和常規(guī)城市路面；高架路面的總體聲壓級(jí)最小。這取決于道路周?chē)系K物對(duì)噪聲聲波的整體反射，而隧道路面周?chē)怯杀容^光滑的水泥材料砌成的，對(duì)行車(chē)噪聲具有較為明顯的反射作用，這也是隧道路面噪聲的總體聲壓級(jí)最大的原因。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到，當(dāng)路面溫度為40 ℃、行駛速度為40～80 km/h時(shí)，隧道路面行車(chē)噪聲的A計(jì)權(quán)總體聲壓級(jí)與高架路面相比大4.88 dB；當(dāng)行駛速度為60 km/h、路面溫度為10～50 ℃時(shí)，隧道路面行駛噪聲的A計(jì)權(quán)總體聲壓級(jí)與高架路面相比大4.36 dB。

通過(guò)分析四種場(chǎng)景下車(chē)速改變時(shí)輪胎-路面噪聲A計(jì)權(quán)總體聲壓級(jí)的變化發(fā)現(xiàn)，隨著車(chē)速的增長(zhǎng)，行駛噪聲明顯增加。在路面溫度保持在40 ℃的條件下，隨著行駛速度從40 km/h提高到80 km/h，常規(guī)路面噪聲從86.91 dB增加到91.92 dB，增加率為5.8%，有效聲壓增加率為78.0%；裝有隔聲板的道路噪聲由89.61 dB增加到95.18 dB，增幅為6.2%，換算有效聲壓增幅為89.9%；隧道路面噪聲和高架路面噪聲分別增長(zhǎng)了4.7%和5.8%。在車(chē)速為60 km/h的情況下，當(dāng)試驗(yàn)路面溫度從10 ℃升高到50 ℃時(shí)，四種方案的A計(jì)權(quán)總體聲壓級(jí)降低率分別為7.7%，6.7%，7.2%，7.4%，相應(yīng)的有效聲壓降低率分別為46.9%，45.2%，45.5%，43.1%。

與遠(yuǎn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相比，近場(chǎng)A計(jì)權(quán)1/3倍頻程譜分析得到的總體聲壓級(jí)與行駛速度和路面溫度有更為顯著的關(guān)聯(lián)性。分別對(duì)兩種試驗(yàn)結(jié)果中噪聲水平與行車(chē)速度和路面溫度的關(guān)系進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)，在擬合結(jié)果中畫(huà)出R2的箱型圖，如圖11所示。

圖11 遠(yuǎn)場(chǎng)及近場(chǎng)擬合結(jié)果中R2關(guān)系圖

表1 不同條件下噪聲水平關(guān)系擬合結(jié)果

以A計(jì)權(quán)總體聲壓級(jí)評(píng)價(jià)近場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，與試驗(yàn)控制的行駛速度和路面溫度變化線(xiàn)性有較好的擬合關(guān)系。遠(yuǎn)場(chǎng)線(xiàn)性分析的中位數(shù)R2為0.9610，均值為0.9483，1.5IQR范圍的上下限分別為0.9845，0.8866，25%～75%的范圍為0.9137～0.9832；近場(chǎng)線(xiàn)性擬合結(jié)果的中位R2為0.9901，平均值為0.9795，1.5IQR的上下限分別為0.9989，0.9720，25%～75%的范圍為0.9738～0.9939。這可能是由于近場(chǎng)測(cè)試受周?chē)h(huán)境的影響較小，因此更有利于分析不同條件對(duì)道路區(qū)域行駛噪聲的影響。而在遠(yuǎn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果中，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音、周?chē)系K物反射等因素對(duì)行駛噪聲的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較顯著的影響。另外，采用A計(jì)權(quán)1/3倍頻程頻譜對(duì)行車(chē)噪聲進(jìn)行了分析，1～15號(hào)頻段(即中心頻率20～500 Hz)的校正值ΔLA可達(dá)到-50.5～-3.2 db，它能大大減輕低頻ΔLA噪聲穿透性差引起的整體聲壓級(jí)變化的權(quán)重，進(jìn)一步突出630～10000 Hz。

3 結(jié) 論

本文采用近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方案對(duì)常規(guī)道路路面和配備隔音板道路路面進(jìn)行測(cè)試分析，采用近場(chǎng)測(cè)試方案對(duì)隧道路面和高架路面進(jìn)行測(cè)試分析，采用1/3倍頻程方案對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，采用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的評(píng)價(jià)方案對(duì)近場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)以A計(jì)權(quán)總體聲壓級(jí)評(píng)價(jià)近場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，與試驗(yàn)控制的行駛速度和路面溫度變化線(xiàn)性有較好的擬合關(guān)系，相較于遠(yuǎn)場(chǎng)試驗(yàn)，近場(chǎng)測(cè)試受周?chē)h(huán)境的影響更??；

(2)通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)試驗(yàn)分析常規(guī)城市道路路面的噪聲可以發(fā)現(xiàn)，其線(xiàn)性總體聲壓級(jí)受行車(chē)速度和路面溫度影響較大，且略高于裝有隔聲板道路路面的行駛噪聲線(xiàn)性總體聲壓級(jí)；

(3)近場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)對(duì)不同交通場(chǎng)景下的測(cè)試車(chē)輛行車(chē)噪聲A計(jì)權(quán)總體聲壓級(jí)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)隧道路面最大，高架路面最小，且行車(chē)噪聲隨車(chē)速增長(zhǎng)規(guī)律明顯，近場(chǎng)A計(jì)權(quán)1/3倍頻程譜分析得到的A計(jì)權(quán)總體聲壓級(jí)和行駛速度和路面溫度有更為明顯的關(guān)聯(lián)性。