周鑫 盧力 胡笑滸

歐盟環(huán)境噪聲預(yù)測模型CNOSSOS-EU之道路交通噪聲源強(qiáng)預(yù)測模型簡介

周鑫 盧力 胡笑滸

介紹了歐盟最新環(huán)境噪聲預(yù)測方法CNOSSOS-EU中的道路交通源強(qiáng)預(yù)測模型。CNOSSOS-EU方法于2012年8月發(fā)布，包括工業(yè)、道路交通、鐵路、機(jī)場四類模型。介紹了道路交通噪聲模型的源強(qiáng)計算方法，該方法考慮了車型、聲源簡化以及路面材料與結(jié)構(gòu)、車速變化、溫度、坡度等因素；與我國聲環(huán)境預(yù)測中所采用的道路交通噪聲模型進(jìn)行了對比和分析，可供我國開展進(jìn)一步的公路環(huán)境噪聲影響評價研究借鑒參考。

環(huán)境噪聲預(yù)測；道路交通噪聲；噪聲預(yù)測模型

歐盟于2002年6月頒布了《環(huán)境噪聲指引2002/49/ EC》 （Environmental Noise Directive 2002/49/EC），要求各成員國進(jìn)行環(huán)境噪聲預(yù)測，繪制城市噪聲地圖，發(fā)布噪聲污染情況，并要據(jù)此制定防治措施。在第一輪和第二輪各國城市噪聲地圖繪制中，因其采用模型不同，導(dǎo)致噪聲地圖差異較大，不能進(jìn)行比較。

歐盟認(rèn)為評估噪聲水平是改善聲環(huán)境的重要前提，繪制噪聲地圖可幫助歐盟各成員國對比噪聲污染情況數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，《環(huán)境噪聲指引2002/49/EC》第6.2條規(guī)定，環(huán)境噪聲評估需要統(tǒng)一的方法框架。因此2009年歐盟委員會決定開發(fā)CNOSSOS-EU模型，其中包括道路交通、鐵路交通、飛機(jī)和工業(yè)噪聲。它基于歐盟最先進(jìn)的科學(xué)、技術(shù)和環(huán)境噪聲評估實踐知識，同時考慮了周期性進(jìn)行噪聲預(yù)測時的成本問題。CNOSSOS-EU歐盟方法框架的核心[1]由以下部分組成：

（1）目標(biāo)和要求的質(zhì)量框架；

（2）描述了道路交通、鐵路交通、工業(yè)噪聲源排放和聲音的傳播；

（3）飛機(jī)噪聲預(yù)測和其相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫；

（4）建筑物人口數(shù)據(jù)和建筑物外墻的噪聲等級；

（5）“CNOSSOS-EU的使用指導(dǎo)”的概念和范圍，CNOSSOS應(yīng)該在實施階段得到充分開發(fā)。

歐盟CNOSSOS-EU模型研發(fā)包括三個階段：第一階段為模型方法框架研究，第二階段為模型工具和驗證研究，第三階段為模型的應(yīng)用階段。歐盟有近150名噪聲專家參與了模型的研發(fā)工作。2010—2012年為CNOSSOS-EU預(yù)測模型的基礎(chǔ)研發(fā)階段，計劃于2012—2015年執(zhí)行，最終目標(biāo)是作為歐盟通用的環(huán)境噪聲預(yù)測模型，以期應(yīng)用于2017年歐盟新一輪環(huán)境噪聲預(yù)測和噪聲地圖繪制。

本文主要針對道路交通源強(qiáng)預(yù)測模型進(jìn)行討論。歐盟CNOSSOS-EU道路交通預(yù)測模型提供了一個理論框架，其算法基于數(shù)學(xué)、物理理論以及實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上推導(dǎo)和建立，模型算法考慮了不同車型的差異，分析了滾動噪聲與動力系統(tǒng)噪聲的影響，并討論了路面、車速、溫度、坡度等因素的影響。該模型值得我國環(huán)境噪聲領(lǐng)域工作者學(xué)習(xí)與借鑒，以深入開展道路交通噪聲源強(qiáng)模型的研究工作。

1 歐盟CNOSSOS-EU預(yù)測模型聲源[1]

1.1 聲源描述

不同類型的車輛組成了車流，這些車輛發(fā)出的噪聲形成了道路交通噪聲。按照車輛噪聲排放的特點將其分為5類，如表1所示。其中，類別1～4為輕型、中型汽車、重型汽車和兩輪車，并預(yù)留一個類別5，以便日后增加新的車型。

1.2 聲源簡化

在聲功率測定和噪聲傳播過程中，通常需要將聲源簡化為1個或多個點聲源。模型將每輛車簡化為1個點聲源，聲源距路面高度為0.05 m，如圖1所示。

表1 車輛分類

圖1 車輛簡化為點聲源

2 歐盟CNOSSOS-EU噪聲預(yù)測模式

在進(jìn)行道路交通噪聲預(yù)測時，歐盟CNOSSOS-EU模型考慮了滾動噪聲和輪胎噪聲的影響，并考慮了道路材料與結(jié)構(gòu)、車輛加速或減速、溫度、以及坡度等因素的影響，此外模型還分析了防滑釘輪胎和道路使用壽命的影響，車輛輻射聲級計算公式為：

其中：

LW,i,m(vm):車輛輻射噪聲級，單一車輛滾動噪聲和動力系統(tǒng)噪聲之和；

Δ Lroad,i,m：路面結(jié)構(gòu)與材料對車輛噪聲影響的修正項；

Δ Lacc,i,m：速度對車輛噪聲影響的修正項；

Δ Lw,temp(τ)：溫度對車輛噪聲影響的修正項；

Δ Lgrad,i,m：坡度對車輛噪聲影響的修正項。

2.1 車輛的輻射聲級

車輛噪聲主要來源于兩方面：首先是輪胎與地面相互作用產(chǎn)生的滾動噪聲；其次是車輛動力系統(tǒng)噪聲，包括發(fā)動機(jī)、排氣管、進(jìn)氣管等。當(dāng)車速介于20～130 km/h時，車輛輻射聲級為：

其中，Ai,m和Bi,m為常數(shù)，是與車速相關(guān)的函數(shù)，在滾動噪聲和動力系統(tǒng)噪聲中為對數(shù)函數(shù)，在動力系統(tǒng)噪聲中為線性函數(shù)。

當(dāng)m=1、2、3時，車輛聲功率為滾動噪聲和動力系統(tǒng)噪聲的能量總和：

其中，輪胎噪聲：

動力系統(tǒng)噪聲：

式中，Vref為參考車速通常取70km/h。

當(dāng)m=4時，即車型為兩輪車時，噪聲主要來源于動力系統(tǒng)噪聲，輻射聲級為：

2.2 路面材料與結(jié)構(gòu)修正

路面材料與結(jié)構(gòu)，對車輛輻射噪聲有較大影響。歐盟各國的路面材料和結(jié)構(gòu)差異很大，對輪胎滾動噪聲影響顯著；多孔表面有一定的吸聲作用，故也會對動力系統(tǒng)噪聲的傳播有一定影響。對于普通路面，路面材料和結(jié)構(gòu)的修正項只考慮對輪胎噪聲的影響；對于多孔路面，路面材料和結(jié)構(gòu)影響的修正項需要同時考慮輪胎滾動和動力系統(tǒng)的影響，如下式所示。

路面結(jié)構(gòu)與材料對于輪胎噪聲影響的修正計算公式為：

其中，αi,m為對于不同車輛類型的倍頻程修正（125～4 000 Hz，單位dB）；βm為速度對輪胎噪聲影響的參數(shù)，通常為常數(shù)。

多孔路面對動力系統(tǒng)噪聲影響的修正計算公式為：

2.3 車速修正

車輛加速或減速（尤其到達(dá)或離開十字路口時），對車輛輻射聲級影響較大。在平直路面上加、減速時，滾動噪聲和動力系統(tǒng)噪聲分別采用公式(10)和公式(11)進(jìn)行修正，式中CR,m,k和CP,m,k等參數(shù)可通過查表2獲得。

表2 當(dāng)車輛到達(dá)或離開十字路口或環(huán)島時的修正系數(shù)取值

2.4 溫度修正

溫度也對車輛噪聲輻射聲級有顯著影響，例如溫度升高時，輪胎噪聲降低。通常假設(shè)空氣平均溫度為20℃，如年平均溫度為τ，則路面修正系數(shù)為：

當(dāng)溫度低于20℃時，修正項為正值，噪聲值增大；當(dāng)溫度高于20℃時，修正項為負(fù)值，噪聲值減小。系數(shù)K 由道路表面和輪胎的特性共同決定。在CNOSSOS-EU道路交通噪聲預(yù)測模型中，125～4 000 Hz倍頻程，可以作如下簡化：

輕型車輛（m=1），K=0.08；中型車和重型車（m =2，3），兩輪車（m =4）， K=0.04。

2.5 道路坡度修正

圖2 前三種車型滾動噪聲的聲功率級（不同車型的溫度修正量）

道路坡度的影響有兩方面，首先影響車輛速度，由此影響輪胎噪聲和動力系統(tǒng)噪聲；其次影響發(fā)動機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)速擋位選擇，由此影響動力系統(tǒng)噪聲。道路坡度的影響，被考慮到修正項中：

當(dāng)m=1時，即輕型車輛的修正項為：

當(dāng)m=2時，即中型車輛的修正項為：

當(dāng)m=3時，即重型車輛的修正項為：

當(dāng)m=4時，即兩輪車的修正項為：

修正項包括坡度對車速的影響，尤其是輪胎噪聲在上坡和下坡時速度變化的影響，因此不必單獨做上坡或下坡的速度影響修正。在道路交通模型中，可以將同一道路的不同坡度路段，設(shè)置成多個有限長的線聲源。坡度變化不超過2%的，作為同一線聲源。同一路段內(nèi)，坡度取這一路段的平均值。

2.6 帶有防滑釘?shù)妮喬バ拚?/p>

在歐盟少數(shù)國家如瑞典、挪威、芬蘭等輕型車輛在每年中會有幾個月的時間需要使用帶有防滑釘?shù)妮喬?，必須考慮其對滾動噪聲的影響，其對噪聲的影響隨速度變化，可以用公式（17）進(jìn)行計算：

其中：ai和bi可以查看附表1,對于沒有使用防滑釘輪胎的車輛，此項修正值為0。

2.7 道路使用年限修正

路面吸聲特性會隨著使用年限和路面保養(yǎng)情況而發(fā)生變化。通常低噪聲路面隨著使用年限增加，吸聲能力減弱，低噪聲路面的吸聲性能年限會低于密實型吸聲表面，尤其是混凝土表面。因此路面吸聲系數(shù)修正，要考慮道路平均使用壽命。路面系數(shù)中應(yīng)該如何考慮路面壽命的影響，歐盟計劃在《Guidelines for the competent use of CNOSSOS-EU》中進(jìn)一步說明，歐盟計劃于2015年完成該指南。

3 歐盟CNOSSOS-EU模型與我國標(biāo)準(zhǔn)比較

3.1 歐盟CNOSSOS-EU模型與《環(huán)境噪聲影響評價技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境》（HJ 2.4—2009）

歐盟CNOSSOS-EU模型中對車輛進(jìn)行了詳細(xì)劃分，并據(jù)此給出不同車型的噪聲輻射水平計算公式，與此對比，我國《聲環(huán)境導(dǎo)則》中將車輛劃分為大、中、小三種類型車輛，詳見表3。

表3 車型分類對比表

3.2 源強(qiáng)預(yù)測模型對比

在我國《聲環(huán)境導(dǎo)則》中，在“8.4.2公路、城市道路交通運(yùn)輸噪聲預(yù)測”中，關(guān)于聲源參數(shù)說明為“8.4.2.1 b)聲源參數(shù)按照附錄中大、中、小車型的分類，利用相關(guān)模式計算各類型車的聲源源強(qiáng)，也可通過類比測量進(jìn)行修正”?！堵暛h(huán)境導(dǎo)則》沒有給出具體的模式，在環(huán)境噪聲預(yù)測中，如源強(qiáng)參數(shù)不準(zhǔn)確，則預(yù)測失去了基礎(chǔ)，預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性也就無從談起。建議我國環(huán)境噪聲領(lǐng)域相關(guān)科研單位、工作人員能夠深入開展道路交通噪聲源強(qiáng)模型研究工作。

3.3 聲源簡化問題對比

歐盟CNOSSOS-EU模型中，將聲源簡化后的高度定為0.05 m的點聲源。而在我國環(huán)境噪聲影響評價中，通常車輛簡化為0.5 m高的點源，兩者存在一定的差異，筆者建議利用聲陣列方法對車輛通過噪聲進(jìn)行聲源識別測試，進(jìn)一步探討聲源簡化和定位問題。

歐盟CNOSSOS-EU模型的源強(qiáng)模型采用聲功率級進(jìn)行評價，較好地反映了車輛噪聲輻射能量，我國《公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范》（JTG B03—2006）主要采用參考點位的聲壓級評價車輛噪聲的輻射水平，聲源的指向性對參考點位的聲壓級的影響并沒有考慮，因此應(yīng)開展車輛噪聲源聲功率確定的研究工作。

3.4 歐盟CNOSSOS-EU模型與我國《公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范》（JTG B03—2006）單車輻射噪聲級比較

《公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范》中單車行駛輻射噪聲級，第i種車型車輛在參照點（7.5 m 處）的平均輻射噪聲級（dB）按下式[3]計算：

式中，S、M、L：分別表示小、中、大型車；

Vi：車型車輛的平均行駛速度，km/h。

通過對比可以看出，《公路環(huán)評規(guī)范》中車輛源強(qiáng)簡化為一個線性函數(shù)，小型車只考慮路面影響修正，不考慮坡度影響修正，中型車和重型車只考慮坡度影響修正，不考慮路面影響修正；其中路面和坡度影響采取簡化常數(shù)取值的方法；而歐盟CNOSSOS-EU模型中，車輛源強(qiáng)為對數(shù)函數(shù)，修正項包括路面影響、車速影響、溫度影響、坡度影響，且每個修正量提供了詳細(xì)的計算方法。

4 結(jié)論

歐盟CNOSSOS-EU模型提供了一個理論框架，其道路交通噪聲源強(qiáng)模型基于數(shù)學(xué)、物理理論以及實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上建立和推導(dǎo)出來的，單一車輛源強(qiáng)計算公式充分考慮了不同車型的差異，提供了滾動噪聲與動力系統(tǒng)噪聲的計算公式，并充分考慮了路面、車速、溫度、坡度等因素的影響，該模型值得我國環(huán)境噪聲領(lǐng)域工作者學(xué)習(xí)與借鑒，并深入開展我國道路交通噪聲源強(qiáng)模型研究工作。

我國《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境》中，關(guān)于車輛噪聲源強(qiáng)的規(guī)定為“利用相關(guān)模式計算各類型車的聲源源強(qiáng)，也可通過類比測量進(jìn)行修正”，沒有給出具體車輛噪聲源強(qiáng)的計算方法。在實際工作中，環(huán)評單位通常自行選擇預(yù)測模型，導(dǎo)致同一項目應(yīng)用不同模型的預(yù)測結(jié)果差異較大。因此，借鑒國外經(jīng)驗，開展道路交通噪聲預(yù)測模型進(jìn)行研究，將對我國公路和城市道路建設(shè)項目噪聲預(yù)測工作有一定的推動作用。

[1] Stylianos Kephalopoulos, Marco Paviotti, Fabienne Anfosso-Lédée. Common Noise Assessment Methods in Europe (CNOSSOS-EU)[R]. Italy: Joint Research Centre of Institute for Health and Consumer Protection of European Commission, 2012: 31-44.

[2] 環(huán)境保護(hù)部. HJ 2.4—2009 環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 聲環(huán)境[S]. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2009.

[3] 交通部. JTG B03—2006 公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2006.

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2095-6444(2014)05-0054-05

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環(huán)境保護(hù)部環(huán)境影響評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)項目（1441402450017-2）作者簡介：盧力，環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心高級工程師，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境影響評價數(shù)值模擬重點實驗室；周鑫、胡笑滸，環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境影響評價數(shù)值模擬重點實驗室。