張中平，郭建輝

(北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心，北京 100048)

0 前言

國家城市化建設過程中，交通問題已越發(fā)受到重視，為了緩解地面交通壓力，各大城市均開始大力發(fā)展軌道交通。但隨之而來，由于城市空間利用的限制，許多地下軌道交通設施均沿道路鋪設，致使周邊居民或其他環(huán)境敏感受眾群體常年受到地下軌道交通運行所產(chǎn)生的噪聲污染影響。

在地面軌道環(huán)境噪聲監(jiān)測中，通常以測量噪聲源所輻射的空氣性噪聲為主，但地下軌道交通所產(chǎn)生的空氣聲傳播通常由于封閉的環(huán)境得到了較大程度的屏蔽。受影響的敏感建筑物內部噪聲主要由列車運行產(chǎn)生的振動通過枕木、隧道等地鐵基礎設施傳導，并激發(fā)周邊建筑物基礎或結構振動，從而在室內產(chǎn)生的二次輻射噪聲(結構傳聲)為主，其頻率組成主要由20～200 Hz的低頻部分為主［1］。就以結構傳聲為對象，對受影響敏感建筑物室內同時進行噪聲與振動頻譜監(jiān)測，并結合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析地下軌道交通噪聲與振動排放頻率的相關性，初步探索結構傳聲在室內二次輻射的特征頻率，為今后的地下軌道交通污染排放分析和標準制修定作參考。

1 結構傳聲監(jiān)測方法與討論

1.1 噪聲監(jiān)測方法討論

結構傳聲顧名思義為通過結構傳播的噪聲，實質上是建筑物結構經(jīng)過外因振動作用后在結構上如地面、墻體等隨之發(fā)生振動而在室內輻射噪聲的現(xiàn)象。國家現(xiàn)行標準中對結構傳聲做出相關規(guī)定主要有《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》(GB 12348－2008);《社會生活噪聲排放標準》(GB 22337－2008);《環(huán)境影響評價技術導則城市軌道交通》(HJ 453－2008);《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及測量方法標準》(JGJ/T 170－2009)等。在不同標準中對于結構傳聲的定義基本一致，如JGJ/T 170－2009中規(guī)定的二次輻射噪聲定義為被激勵產(chǎn)生振動的建筑構件，其固體表面振動向周圍空氣介質輻射的聲壓波［2］。

但區(qū)別在于各標準對其各自針對排放對象的監(jiān)測方法與評價量不盡相同，在國家標準 GB 12348－2008與GB 22337－2008中規(guī)定，對于相應噪聲源結構傳聲排放監(jiān)測應在噪聲敏感建筑物室內測量，測點應距任一反射面至少0.5 m以上、距地面1.2 m、距外窗1 m以上，窗戶關閉狀態(tài)下測量，被測房間內的其他可能干擾測量的聲源應關閉［3－4］。其規(guī)定結構傳聲的測量量為 31.5 ～500 Hz倍頻程線性聲壓級，并將各中心頻率聲壓級參照NR曲線的各頻率值單獨進行評價。JGJ/T 170－2009規(guī)定，進行二次輻射噪聲測量除關窗及反射距離等與前述兩標準相同的要求之外，還將監(jiān)測頻率規(guī)定為16～200 Hz，測量結果以1 h等效A聲級評價。在HJ 453－2008附錄C中對二次結構噪聲預測給出經(jīng)驗公式如下［5］。

式中：Lp——建筑物內的A計權聲壓級，dB(A);Lp(f)——未計權的建筑物內的聲壓級，dB;Li(f)——與頻率相對應的 A 計權值，dB;VL——建筑物內的振動加速度級，dB;f——倍頻程中心頻率，Hz。

綜合國內外分析報告及標準規(guī)定不難發(fā)現(xiàn)，結構傳聲所造成的二次輻射噪聲以低頻段為主。探究其聲強大小主要與建筑結構、空氣特性阻抗、空氣密度、聲速、室內面積等諸多因素相關，在此不再做具體分析。故以低頻噪聲為重點監(jiān)測結構傳聲應首先被采納，反觀現(xiàn)行方法標準，JGJ/T 170－2009最為貼切，但以其規(guī)定內容進行監(jiān)測評價并非最佳。首先，A計權網(wǎng)絡對聲音的低頻部分有十分嚴重的衰減，使用A聲級為評價量將無法正確反映低頻噪聲與煩惱度關系;其次，1 h連續(xù)監(jiān)測不但增加了監(jiān)測過程中其他噪聲引入的可能性，而且在環(huán)境背景相對低的狀態(tài)下，1 h內列車通過時二次噪聲輻射能量將在長時間的能量平均中大大降低;其三，以標準中所規(guī)定16～200 Hz監(jiān)測頻率范圍進行監(jiān)測實施困難相對較大，在對現(xiàn)有儀器不做信號帶通處理的條件下，計算量與統(tǒng)計量都比較復雜。而GB 12348－2008與GB 22337－2008標準中所規(guī)定低頻倍頻程測量方法，相較住建部二次輻射噪聲標準，在實際應用中更能反映由于列車通過所產(chǎn)生的結構傳聲聲學特性。綜合上述原因，該次監(jiān)測將采取1/3倍頻程時間歷程方法進行監(jiān)測，在數(shù)據(jù)處理中引入聲暴露級概念將二次噪聲以事件的形式分別截取并做頻率分析。

1.2 振動監(jiān)測方法討論

在JGJ/T 170－2009中將建筑物振動定義為“運行列車引起沿線固體介質的往復運動而導致地面、建筑物基礎或結構的振動，這種由軌道路基擴散的振動在巖土體中以壓縮波和剪切波或地面瑞利波的形式激勵建筑物基礎”［2］。在測量上標準規(guī)定測量1/3倍頻程中心頻率Z計權鉛垂向振動加速度，按計權因子修正后得到各中心頻率的振動加速度級，采用1/3倍頻程中心頻率最大振動加速度級(分頻最大振級)進行評價。

該監(jiān)測方法基本涵蓋了環(huán)境振動頻率1～80 Hz部分，并增加測量范圍至200 Hz。使得振動測量頻率數(shù)據(jù)與低頻噪聲測量數(shù)據(jù)有更好的可比性。為后續(xù)探索結構噪聲與振動頻率關系提供了更為有效的數(shù)據(jù)保障，故此次測量依照此方法進行。

1.3 小結

綜上所述，為準確捕獲由于地鐵列車運行所引起的結構噪聲與振動，并使得測量數(shù)據(jù)能更加全面地反映結構噪聲與振動頻率特性。參考國家現(xiàn)行標準中相關規(guī)定，將結構傳聲與振動分別做1/3倍頻程測量，無論從反映實際污染情況方面，還是從后期數(shù)據(jù)分析方面都更為貼切，并將使得數(shù)據(jù)之間可比性大大增加。

2 點位布設及實際測量方案

2.1 測量方法

參照現(xiàn)行國家標準中對于結構傳聲的相關測量要求以及JGJ/T 170－2009中振動測量規(guī)定，分別進行1/3倍頻程時間歷程噪聲測量與1/3倍頻程振動測量。

2.2 監(jiān)測點位設置

為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性，參照標準內容選取距離地鐵線路最近的第一排敏感建筑物室內進行測量(一層)。傳聲器設置高度為1.2～1.5 m，距離墻面和任意反射面大于1.5 m，遠離窗戶(約1.5 m)，傳聲器指向房間中央。拾振器防止于室內中央平坦、堅實的地面上，靈敏度主軸方向為鉛垂方向。具體示意圖如圖1所示。

圖1 布點位置與主要聲源方位示意

2.3 測量儀器

固體傳聲測量儀器采用B＆K 2250 D型噪聲分析儀。儀器精度等級為1級。具有寬帶(A、C、I、Z聲級)和窄帶(1/3、1/1倍頻程頻譜)噪聲測試功能，并有上述噪聲測試的時間歷程(1組/s數(shù)據(jù))記錄功能。

振動測量儀器采用AWA 6291型振動測量儀。其1/3倍頻程帶通濾波器性能符合《倍頻程和分數(shù)倍頻程濾波器》(GB/T 3241－1998);儀器本身滿足《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》(GB/T 10071－88)及ISO 8041－1990等相關標準規(guī)定。

2.4 測量設置

考慮到地下軌道交通噪聲是通過固體傳聲影響室內的，該次測試進行1/3倍頻帶聲壓級的測試，并采用時間歷程功能記錄測量全過程。振動測量則采用限值觸發(fā)，一旦超過觸發(fā)值，儀器自動進行測量并記錄。觸發(fā)值及測量時間需在正式測量之前預先初測，并做初步判斷。

測量時記錄地鐵列車通過的時刻、上下行等信息。測量時關閉門窗，減少道路交通噪聲對測試結果的影響。

2.5 測量時間

晝間10：02—11：02(地鐵列車晝間運行時段)。

2.6 測量量

1/3倍頻程噪聲/振動線性聲級/振級。

3 數(shù)據(jù)處理

通過測量得到了1h結構傳聲1/3倍頻程時間歷程數(shù)據(jù)與同一小時振動分頻振級數(shù)據(jù)。測量過程共捕獲地下軌道交通列車21車次，上行(距離靠近)11車次，下行(距離稍遠)10車次。時間歷程數(shù)據(jù)如圖2所示。

3.1 聲暴露級數(shù)據(jù)處理

對單次或離散的噪聲事件，可用聲暴露級LAE來表示噪聲事件的大小，計算公式如下：

式中：PA(t)——聲壓;P0——參考聲壓級;(t2－t1)——該噪聲事件對聲能有顯著貢獻的足夠長的時間間隔;t0——參考時間，通常取1秒。

圖2 1 h結構傳聲與道路交通混合噪聲時間歷程數(shù)據(jù)(A聲級)

在噪聲事件截取上，通常取最大聲級減10 dB計算總能量，以避免引起不可忽略的誤差。在該次測試的過程中，由于周邊其他聲源的影響(如地鐵上層的城市交通噪聲)，致使環(huán)境噪聲本底值較高，列車通過時峰值變化不明顯，A聲級時間歷程數(shù)據(jù)與軌道交通噪聲固體傳聲規(guī)律擬合度不強。如以A聲級時間歷程數(shù)據(jù)進行事件截取，不能滿足LAmax－10 dB的數(shù)據(jù)質量要求，故事件的截取應考慮使用1/3倍頻程中其他頻率數(shù)據(jù)作為事件截取參考依據(jù)。

圖3 不同頻率時間歷程聲壓級

通過對國內外針對地鐵運行所帶來的結構傳聲與振動已有研究成果的借鑒［6］，對不同中心頻率聲壓級時間歷程數(shù)據(jù)特性進行比較，初步將63 Hz中心頻率數(shù)據(jù)變化作為噪聲事件的判定依據(jù)。圖3為低頻段代表頻率時間歷程圖。

采用上述方法進行事件判定，所獲得的噪聲事件從持續(xù)時間上與測試記錄比較吻合。在持續(xù)時間內，進一步對事件的頻譜數(shù)據(jù)進行分析，得到單次事件頻譜時間歷程與測量時間內所有事件各頻率平均聲壓級圖像(圖4、圖5)。

圖4 單次事件頻譜事件歷程

圖5 所有事件各頻率平均聲壓級分布

通過圖像，可以發(fā)現(xiàn)頻率特性是比較明顯的，即在單次的事件中，63 Hz附近存在聲壓級極大值，這與預先的事件判定條件是相吻合的?？紤]結構傳聲的頻率特性基本穩(wěn)定，在1/3倍頻程測量下數(shù)據(jù)量比較龐大。為提高工作效率，增加數(shù)據(jù)分析可操作性，該次測試數(shù)據(jù)進行事件判斷時主要選擇了1/1倍頻程各中心頻率進行分析。為探究實際結構傳聲頻率特性，需要將噪聲與振動相結合進行綜合考量。

3.2 事件的聲暴露級結果分析

對以圖4事件為代表的1h全部噪聲事件進行聲暴露級值分析。通過公式(3)的計算，不難得出各列車通過時結構傳聲噪聲事件聲暴露級值。見下表1。

表1 事件與聲暴露級值

在1 h連續(xù)測試過程中，有兩組列車通過事件受測試環(huán)境影響較大，造成數(shù)據(jù)離散，故有效數(shù)據(jù)對19組。通過計算，19次事件的平均聲暴露級LAE為45.0 dB(A)，而小時等效 A 聲級LAeq為34.6 dB(A)，兩者數(shù)值相差近10 dB。正如前文中提到，在1 h的連續(xù)測試過程中LAeq受大部分低能量時間影響已大幅降低，而LAE則更好地反映了列車運行造成的結構傳聲排放影響大小。但在評價污染程度上，究竟使用何種方式更具有主觀感受性還需做進一步研究。就個人觀點，即便采用聲暴露級進行評價，也由于A計權網(wǎng)絡對低頻噪聲的大幅修正而存在差異。使用此種計算方式更多的啟發(fā)不在于其計算結果，而在于對噪聲事件的截取方式。

4 振動與噪聲頻率特性比較分析

正如前文中所述，敏感建筑物內的二次輻射噪聲與建筑物的振動密切相關。所以，很自然地在研究結構傳聲頻率分布時聯(lián)想到相應的振動特性是否存在與噪聲規(guī)律相符特征。為更加直觀地觀察頻率特性規(guī)律，選取測試過程中較有代表性的一次事件進行噪聲與振動頻率比對分析。通過振動的1/3倍頻程測試結果，不難發(fā)現(xiàn)，敏感建筑物的振動頻率與結構傳聲頻率有非常強的相關性。圖6為振動1/3倍頻程單次事件數(shù)據(jù)圖像。

圖6 單次事件1/3 OCT振動

結果表明，振動在50 Hz左右存在明顯峰值，而值得注意的是，在100 Hz附近同樣出現(xiàn)峰值，數(shù)值有時甚至高于50 Hz。這種現(xiàn)象產(chǎn)生可能由于多種原因，如環(huán)境振動測量時其他振動的干擾等。如果將結構中振動看作波，100 Hz附近出現(xiàn)峰值也有可能源于以50 Hz為基波頻率的二次諧波引發(fā)的結構共振所致，但在文中未做進一步實驗以證明此點。但就50 Hz振動的峰值，與國內外已經(jīng)得到的研究成果是相吻合的。有結論表明，在對不同挖掘方式所建設的隧道進行通車振動測量時，最大特征頻率集中于40～50 Hz，其主要為輪軌運行時最前端車輪與軌道碰撞所致。由此也從另一個方面說明了在該次測試中的測量方法是相對準確和有效的。

如果將振動1/3倍頻程與同次事件的1/3倍頻程數(shù)據(jù)結合比較時，不難發(fā)現(xiàn)在震動最大頻率(50 Hz)附近噪聲事件同樣存在峰值。如圖7所示。

圖7 單次事件1/3 OCT噪聲

綜合振動與噪聲測試數(shù)據(jù)，其主要頻率范圍均集中于40～60 Hz的低頻部分。換言之，由于地鐵運行造成的建筑物振動與噪聲輻射能量主要由低頻部分組成。此種結果進一步驗證了在利用倍頻程數(shù)據(jù)做聲暴露級方式事件截取時，預先將63Hz作為事件截取判斷依據(jù)的假設。通過聲暴露級方法進行事件判斷與截取，將很大程度地避免由于測試過程中其他環(huán)境因素對測試結果的影響，也將使得截取的事件對反映地鐵運行引起的結構傳聲排放更具有準確性與代表性。

在結果評價中，結合現(xiàn)行國家標準(如 GB 12348及GB 22337)對于低頻噪聲的限值要求，對由于軌道交通地下段引起的建筑物二次輻射噪聲進行監(jiān)測評價時，倍頻程的測量結果也能夠基本滿足評價需要。同時，采用1/1倍頻程測試較1/3倍頻程測試數(shù)據(jù)量小，進行數(shù)據(jù)處理時將相對簡便。但在測量數(shù)據(jù)評價上，應對低頻部分重點考慮。而對于500～2 000 Hz的中頻段以及2 000 Hz以上的高頻段，由結果可以發(fā)現(xiàn)對整個事件的能量貢獻較小，可以適當忽略。

5 總結與展望

對地下軌道交通結構噪聲與結構振動同步測量的方式對結構噪聲頻率特性進行了相關分析。結合現(xiàn)行國家標準中結構噪聲測量方法以及結構噪聲的產(chǎn)生與傳播機理，歸納了現(xiàn)行標準中存在的3點不足：

(1)代表性缺陷，A計權網(wǎng)絡對聲音的低頻部分有十分嚴重的衰減，使用A聲級為評價量將無法正確反映低頻噪聲與煩惱度關系。

(2)準確性缺陷，1 h連續(xù)監(jiān)測不但增加了監(jiān)測過程中其他噪聲引入的可能性，而且在環(huán)境背景相對低的狀態(tài)下1 h內列車通過時二次噪聲輻射能量將在長時間的能量平均中大大降低。

(3)操作性缺陷，以標準中所規(guī)定16～200 Hz監(jiān)測頻率范圍進行監(jiān)測實施困難相對較大，在對現(xiàn)有儀器不做信號帶通處理的條件下，計算量與統(tǒng)計量都比較復雜。

通過對現(xiàn)行標準調研與實際受聲情況和頻率特性分析，結合固體傳聲所產(chǎn)生的聲學機理，在敏感建筑物室內采用噪聲與振動同步1/3倍頻程測量的方式對地鐵污染同步測試，結果如下：

(1)從單次事件的噪聲與振動同步測量結果發(fā)現(xiàn)，無論室內結構噪聲還是結構振動，其極大峰值均出現(xiàn)在50～80 Hz區(qū)間。如果采用1/1OCT，即倍頻程數(shù)據(jù)統(tǒng)計，則峰值均在63 Hz中心頻率覆蓋頻帶范圍內。

(2)數(shù)據(jù)結果或噪聲圖像還可以發(fā)現(xiàn)，結構噪聲聲能量分布絕大部分為500 Hz以下低頻部分。

通過數(shù)據(jù)分析，作者提出了針對地鐵所產(chǎn)生結構噪聲的合理測量方法。即，采用1/3倍頻程或1/1倍頻程的時間歷程測量、記錄整個時段的全過程。再通過頻率分析，選取特征頻率(選擇結果為63 Hz)，結合聲暴露級的事件截取方式，對列車通過所造成的結構傳聲事件進行截取，將截取事件的時間內低頻部分(500 Hz以下)噪聲各頻率平均。

對于上述方法測量結果的評價還需要做進一步研究，但就結構傳聲而言，則采用低頻倍頻程各中心頻率單獨評價已在相關標準中得到體現(xiàn)。究竟如何評價能夠更加準確地反映人體實際感受性還未能定論，并且在使用該方法對地下軌道交通結構噪聲進行監(jiān)測時，測量時段、儀器要求具體實施細節(jié)要求與控制措施還有待進一步驗證和研究。單論方法，使用該數(shù)據(jù)采集時的測量方法，對地下軌道交通結構傳聲排放更加具有針對性，也更能夠反映在建筑物室內的實際排放情況。此外，采用聲暴露級方法本身對環(huán)境本底噪聲做出了修正，從而避免了使用現(xiàn)行標準中監(jiān)測方法測量時其他環(huán)境的影響，從測量結果評價上將較A聲級更為有益。

［1］尹志剛，丁浩民，申躍奎.地鐵引起的建筑物結構振動及噪聲分析［J］.噪聲與振動控制，2008(5)：147－150.

［2］JGJ/T170－2009 城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及測量方法標準［S］.

［3］GB12348－2008 工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準［S］.

［4］GB22337－2008 社會生活環(huán)境噪聲排放標準［S］.

［5］HJ453－2008 環(huán)境影響評價技術導則 城市軌道交通［S］.

［6］GLADWELL G M L，ZIMMERMANN G.On Energy and Complementary Energy Formulation of Acoustic and Structural Vibration Problem［J］.Journal of Sound and Vibration，1996，22(3)：233－241.