李 鋒 蔡 銘

(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院汽車學(xué)院，廣東 廣州 510665；2.中山大學(xué)工學(xué)院，廣東省智能交通系統(tǒng)重點實驗室，廣東 廣州 510006)

城市交通噪聲污染是影響人們生活和工作的重要環(huán)境問題之一。對道路交通噪聲的預(yù)測是科學(xué)防治交通噪聲的重要基礎(chǔ)工作。道路交通噪聲預(yù)測模型是計算和評估交通噪聲污染程度的主要工具。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者在道路交通噪聲預(yù)測方面做了大量的研究工作，并建立了各種有效的交通噪聲預(yù)測模型[1-5]。早期的大部分模型均是在車輛勻速行駛的假設(shè)條件下建立起來，在車輛速度變化不大的道路上已達(dá)到了較高的預(yù)測準(zhǔn)確度，但直接應(yīng)用在道路交叉口等車輛速度變化較大的局部路段仍有一定誤差。因此，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注車輛加、減速頻繁的局部路段的交通噪聲預(yù)測模型和噪聲變化規(guī)律。如林郁山等[6]、蔡銘等[7]考慮車輛加、減速的影響，采用實驗方法建立了車輛噪聲源排放模型；MAKAREWICZ等[8-10]針對車速限制和減速帶等因素的影響，建立了間斷交通流交通噪聲預(yù)測模型；王波等[11]、常玉林等[12]、王超等[13]、ABO QUDAIS等[14]分析了道路交叉口交通流的特點，提出了信號控制十字交叉口交通噪聲預(yù)測模型； COVACIU等[15]、蔡銘等[16]考慮車輛曲線行駛的特性，建立了環(huán)形交通口噪聲預(yù)測模型。行人過街信號控制路口是城市常見的道路形態(tài)之一，然而國內(nèi)對這種路口交通噪聲預(yù)測模型的研究仍不多見。

本研究在考慮車輛加、減速狀態(tài)下噪聲排放的基礎(chǔ)上，根據(jù)行人過街信號控制路口交通流的運行特性，利用能量疊加原理建立行人過街信號控制路口交通噪聲預(yù)測模型，然后采用實驗數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討該類路口交通噪聲的分布規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 單輛車的噪聲計算

圖1 車輛行駛階段的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化Fig.1 Coordinate transformation of vehicle traveling process

車輛通過信號控制路口的過程可簡化為兩種情況：若車輛到達(dá)路口時恰好為綠燈時間，則車輛按原來的速度勻速通過；若車輛到達(dá)路口時為紅燈時間，則車輛必須經(jīng)過勻速、減速、停車、加速、再勻速行駛的過程，對此過程進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化(見圖1)，令停車點處的坐標(biāo)為(0,0)，停車點上游減速段長度為l1m，停車點下游加速段長度為l2m，預(yù)測任一時刻接收點(X,Y)處的噪聲。

車道上的單個車輛可看作半自由聲場的點聲源，忽略空氣吸收和障礙物的影響，對于勻速通過的車輛，接收點(X,Y)處的噪聲可表示為：

(1)

式中：LpC,i(X,Y)為接收點(X,Y)處的噪聲，dB(A)；i為車型；LC,i為單輛車勻速行駛時在參照點的噪聲，dB(A)；r0為車輛距參照點的距離，m，根據(jù)《公路建設(shè)項目環(huán)境影響評價規(guī)范》(JTG B03—2006)，r0取7.5 m；v為勻速通行的車速，m/s；t為車輛相對于停車點的行駛時間，s。

將道路近似看作無限長，則單輛車勻速通過時，接收點(X,Y)的等效聲級為：

(2)

式中：Leq1,i(X,Y)為單輛車勻速通過時對接收點(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級，dB(A)；T為計算時間，s。

對于需停車的車輛，接收點(X,Y)的等效聲級由以下幾個過程組成：

(1) 勻速段等效聲級：

(3)

式中：LeqC,i(X,Y)為單輛車在勻速段行駛時對接收點(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級，dB(A)。

(2) 減速段等效聲級：

(4)

式中：LeqD,i(X,Y)為單輛車在減速段行駛時對接收點(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級，dB(A)；LD,i為車輛行駛時在參考距離r0處的噪聲,dB(A);v減為減速段的平均車速，m/s。

(3) 停車怠速時的等效聲級：

(5)

式中：LeqS,i(X,Y)為單輛車在停車怠速時對接收點(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級，dB(A)；LS,i為單輛車停車怠速時在參考距離r0處的噪聲，dB(A)；tS為停車時間，s。

(4) 加速段等效聲級：

(6)

式中：LeqA,i(X,Y)為單輛車在加速段行駛時對接收點(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級，dB(A)；LA,i為單輛車加速行駛時在參考距離r0處的噪聲，dB(A)；v加為加速段的平均車速，m/s。

因此，對于需停車的車輛，單輛車在整個行駛過程中，接收點(X,Y)的等效聲級(Leq2,i(X,Y),dB(A))為：

Leq2,i(X,Y)=10lg(100.1LeqC,i(X,Y)+100.1LeqD,i(X,Y)+
100.1LeqS,i(X,Y)+100.1LeqA,i(X,Y))

(7)

1.2 單向單車道的噪聲計算

在不出現(xiàn)二次排隊的情況下，一個信號周期內(nèi)需停車的車輛數(shù)為：

(8)

式中：NS為一個信號周期內(nèi)需停車的車輛數(shù)，輛；q為車輛平均到達(dá)率，輛/s；tr為紅燈時間，s；S為飽和流量，輛/s。

一個信號周期內(nèi)可直接通行的車輛數(shù)為：

NC=q(tr+tg)-NS

(9)

式中：NC為一個信號周期內(nèi)可直接通行的車輛數(shù)，輛；tg為綠燈時間，s。

在停車排隊的車輛中，第j輛車的停車時間為：

(10)

式中：tSj為停車車輛中第j輛車的停車時間，s。

設(shè)第i種車型的流量比例為pi，共有w種車型，則一個信號周期內(nèi)，可直接通行車輛的等效聲級為：

(11)

式中：LeqCC(X,Y)為一個信號周期內(nèi)直接通行車輛對接收點(X,Y)處產(chǎn)生的等效聲級，dB(A)。

對于停車排隊的車輛，由于各車的停車位置和停車時間不同，假設(shè)停車排隊時的車輛間距為dm，則第j輛車對接收點(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級可以用(X+j·d,Y)代替式(7)中的(X,Y)進(jìn)行計算。其中，在單輛車停車怠速等效聲級計算時，單輛車的停車時間根據(jù)式(10)計算。綜上，停車排隊的車輛在接收點(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級為：

(12)

式中：LeqSC(X,Y)為停車排隊的車輛在接收點(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級，dB(A)。

單車道在一段時間內(nèi)(通常為1 h)的等效聲級為：

(13)

式中：LeqLane(X,Y)為單車道在一段時間內(nèi)對接收點(X,Y)處產(chǎn)生的等效聲級，dB(A)；tC為信號周期，s。

1.3 雙向多車道的噪聲計算

對于雙向多車道的道路，以道路中心線為x軸，兩停車線距離的中點為坐標(biāo)原點建坐標(biāo)系(見圖2)，假設(shè)兩停車線之間的距離為lm；道路中心線到第一車道的距離為d0m；車道寬度為dLm。由于坐標(biāo)改變，可用(X+l/2,Y+d0+(n-1)dL)代替式(13)中的(X,Y)，得到正向第n車道的噪聲。由于正向和反向車道具有中心對稱性，因此可用坐標(biāo)變換的方法計算反向車道的噪聲。反向第n車道的噪聲則可用(-X+l/2,-Y+d0+(n-1)dL)代替式(13)中的(X,Y)進(jìn)行計算。因此，雙向多車道對接收點(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級為：

(14)

式中：Leq(X,Y)為雙向多車道對接收點(X,Y)產(chǎn)生的等效聲級，dB(A)；m為單向車道數(shù)。

2 模型驗證

對廣州市新港東路某行人過街信號控制路口的交通流量和交通噪聲進(jìn)行測量，測量時間為上午9：00—12：00。共布設(shè)11個監(jiān)測點平行于道路分布，監(jiān)測點間的距離為30 m，監(jiān)測點高度均為1.2 m，如圖2所示。該道路為雙向8車道，車道寬度約3.5 m。交通流受兩方向的交通信號控制，綠燈時間為50 s，紅燈時間為40 s。交通噪聲采用CENTER322型聲級計進(jìn)行測量，每隔1 s記錄一次A計權(quán)聲級。用測速計測得該道路的平均車速為61.2 km/h。交通量采用人工計數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。

圖2 雙向多車道坐標(biāo)轉(zhuǎn)化Fig.2 Coordinate transformation of multilane two-way streets

表1 交通量統(tǒng)計

表2 車輛噪聲排放測量結(jié)果

在前期工作中，對大型車、中型車、小型車3種車型的車輛在勻速、加速、減速和停車時排放的噪聲進(jìn)行了實驗測量，結(jié)果如表2所示[17]。

為比較本模型(以下簡稱信號控制路口模型)與不考慮車輛加、減速影響的長直道路交通噪聲預(yù)測模型[18](以下簡稱長直道路模型)的差別，用實測的車流量、車流速度、信號周期等參數(shù)分別代入2個模型進(jìn)行計算。計算時間取1 h，飽和流量取1 800 輛/h，加速段和減速段的長度均設(shè)為80 m，單輛車的噪聲排放按表2進(jìn)行計算。

將兩種模型預(yù)測的監(jiān)測點等效聲級計算結(jié)果與實測值進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，由于車輛行駛速度的變化，路口附近噪聲也有不同程度的起伏。不考慮車輛加、減速影響的長直道路模型不能反映路口附近的噪聲變化，而本研究構(gòu)建的信號控制路口模型預(yù)測與實測值吻合相對較好。信號控制路口模型對路口上游(負(fù)坐標(biāo)段)停車線附近(-60～-30 m)噪聲的預(yù)測值普遍低于實測值，原因可能由小部分車輛在停車線附近鳴笛引起。另外，部分車輛剎車時產(chǎn)生的噪聲也將導(dǎo)致實測值偏高。此外，信號控制路口模型在路口上游段的預(yù)測效果較好，預(yù)測值與實測值較一致，而在路口下游段(正坐標(biāo)段)，預(yù)測值比實測值高，最大誤差約3 dB(A)。主要原因有兩方面：一是路口下游段模型計算輸入的車速與實際車速可能存在一定偏差，即實際車輛經(jīng)過短距離的加速后車速未達(dá)到61.2 km/h；二是實測路口上游車輛排隊經(jīng)過路口時，交通量均勻分布在各車道，通過路口后部分車輛為獲得較快速度而變道進(jìn)入超車道，使路口下游靠近噪聲傳感器的右側(cè)車道車流量較小，而信號控制路口模型未考慮車輛變道問題。

將信號控制路口模型與長直道路模型進(jìn)行比較，并按圖2所示的坐標(biāo)系，根據(jù)兩模型預(yù)測值的差值繪制等值線圖，如圖4所示。

由圖4可見，與長直道路模型相比，信號控制路口模型的計算結(jié)果在減速段和加速段附近均有不同程度的降低，其中減速段附近噪聲降低明顯(約3 dB(A))，在兩個方向的停車區(qū)域出現(xiàn)了關(guān)于坐標(biāo)原點呈中心對稱的“凹陷區(qū)”，而加速段附近噪聲則下降較少。由此可知，利用長直道路模型預(yù)測行人過街信號控制路口的交通噪聲是不適宜的。

3 結(jié) 語

根據(jù)能量疊加原理和交通流相關(guān)理論建立信號控制路口噪聲預(yù)測模型，經(jīng)與實測數(shù)據(jù)檢驗，該模型總體能正確反映路口附近車輛的加、減速給交通噪聲帶來的影響。與不考慮車輛加、減速影響的長直道路模型相比，信號控制路口模型的計算結(jié)果更接近實測值。根據(jù)信號控制路口模型預(yù)測結(jié)果，由于車輛速度下降的原因，行人過街信號控制路口減速段附近的噪聲有約3 dB(A)的下降，在兩個方向的停車區(qū)域出現(xiàn)了關(guān)于坐標(biāo)原點呈中心對稱的“凹陷區(qū)”，而加速段附近噪聲則下降較少。

圖3 預(yù)測值與實測值比較Fig.3 Comparison of predicted values and measured values

圖4 差值分布Fig.4 Distribution of difference

[1] STEELE C.A critical review of some traffic noise prediction models[J].Applied Acoustics,2001,62(3):271-287.

[2] Federal Highway Administration.FHWA traffic noise model technical manual[EB/OL].[2015-07-20].http://www.fhwa.dot.gov/environment/noise/traffic_noise_model/old_versions/tnm_version_10/tech_manual/TNM10TechManual.pdf.

[3] TSUKUI K,OSHINO Y,BLOKLAND G V,et al.Study of the road traffic noise prediction method applicable to low-noise road surfaces[J].Acoustical Science & Technology,2010,31(1):102-112.

[4] CHO D S,MUN S.Development of a highway traffic noise prediction model that considers various road surface types[J].Applied Acoustics,2008,69(11):1120-1128.

[5] 張玉芬，錢炳華，戴明新．交通運輸與環(huán)境保護(hù)[M].北京：人民交通出版社，2003．

[6] 林郁山，蔡銘，李鋒．考慮加速度的交通噪聲源強研究[J].應(yīng)用聲學(xué)，2012(4)：282-286．

[7] 蔡銘，謝林華，張磊．考慮行駛狀態(tài)的水泥路機動車噪聲排放模型[J].應(yīng)用聲學(xué)，2015(2)：175-182．

[8] MAKAREWICZ R,FUJIMOTO M,KOKOWSKI P.A model of interrupted road traffic noise[J].Applied Acoustics,1999,57(2):129-137.

[9] MAKAREWICZ R,KOKOWSKI P.Prediction of noise changes due to traffic speed control[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2007,122(4):2074-2081.

[10] MAKAREWICZ R,KOKOWSKI P.Efficiency of noise reduction by a road speed bump[J].Archives of Acoustics，2007,32(3):631-642.

[11] 王波，王煒，劉浩．無控制交叉口交通噪聲分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2000，30(3)：96-99．

[12] 常玉林，王煒，王春燕．道路交叉口交通噪聲預(yù)測模型研究[J].土木工程學(xué)報，2003，36(1)：75-79．

[13] 王超，蔡銘，丁建立．城市信號控制交叉口交通噪聲預(yù)測模型研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38(6)：252-257．

[14] ABO QUDAIS S,ALHIARY A.Statistical models for traffic noise at signalized intersections[J].Building and Environment,2007,42(8):2939-2948.

[15] COVACIU D,FLOREA D,TIMAR J.Estimation of the noise level produced by road traffic in roundabouts[J].Applied Acoustics,2015,98:43-51.

[16] 蔡銘，王璐，李鋒．考慮車流分布特性的環(huán)形交叉口交通噪聲預(yù)測模型[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35(9)：163-166．

[17] 李鋒．道路交通噪聲傳播衰減計算模型及動態(tài)模擬研究[D].廣州：中山大學(xué)，2011．

[18] 張玉芬．道路交通環(huán)境工程[M].北京：人民交通出版社，2001．