吳星怡， 康愛紅， 董星海， 王本帥， 孔賀譽

(揚州大學 建筑科學與工程學院， 江蘇 揚州 225127)

隨著交通強國建設的推進，道路建設取得了巨大成效，但與此同時，交通噪聲污染成為了人們?nèi)找胬_的問題。城市噪聲污染的主要來源之一是交通噪聲，同時也是一個亟需解決的環(huán)境問題[1～3]。國內(nèi)外學者對降噪型路面的降噪效果已進行了一些研究，統(tǒng)計經(jīng)過法、近場測試法和控制經(jīng)過法是現(xiàn)階段最常用的3種收集噪聲的方法[4～11]，吸聲系數(shù)是評價材料聲學性能的重要指標[12～14]，而現(xiàn)階段的研究以如何測定材料吸聲系數(shù)和如何采集路面行車噪聲為主。路面濕度、路面材質(zhì)、行車速度和道路周圍環(huán)境的差異會導致行車噪聲在頻段分布、傳播影響范圍和總體聲級上存在明顯差異。有針對性地設計路面，選擇合適的試驗及評價方案，更好地評估行駛噪聲在不同交通場景下的表現(xiàn)，得到行駛噪聲和交通場景的相關性顯得尤為重要。本研究為了獲取行駛噪聲與不同交通場景的本質(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種行車場景下的行車噪聲，為分析瀝青混合料降噪材料對降噪性能的影響提供基礎。

1 試驗方案

本研究涉及的交通噪聲采集方案主要為近場測試和遠場測試。近場測試方案為近場聲壓測試，遠場測試方案為統(tǒng)計通過法。選用的聲強傳感器型號為INV9212，傳感器大小為1/2英寸，可實現(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施性、安全性和交通控制等因素的影響，本研究對常規(guī)城市路面和裝有隔音板的路面采用近場測試和遠場測試相結(jié)合的方案；對隧道和高架路面采用近場試驗，最后將收集和分析結(jié)果進行對比。

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

在近場測試中，傳聲器的方向應保持與行車方向一致，為了減少風噪對測試結(jié)果的影響，同時應在其前端安裝鼻錐并通過穩(wěn)定儀器固定在距離路面25 cm、距離輪胎10 cm處。試驗過程中應保證風速小于5 km/h，路況應清潔、干燥，無明顯異物；車輛和乘客的總重量應一致；車輛應保持整體清潔；在采集噪聲的過程中，車窗和天窗應保證緊閉；試驗時，行駛速度與目標速度的誤差應控制在±3 km/h以內(nèi)，路面溫度與所需測試溫度的誤差為±3 ℃；試驗過程中應盡量避免并行車輛的干擾，保持車輛在最右側(cè)車道。

遠場試驗中，在傳聲器前端安裝風球，以減少行駛噪聲采集過程中風噪聲的影響，傳聲器放置在路肩處，離地25 cm，傳聲器的位置應正對行車道。保持試驗過程中風速小于5 km/h，選擇沒有大型遮擋物并且車流量較小的試驗場地；試驗車輛應靠右行駛并保持傳聲器的方向固定，試驗過程中車速與目標速度的誤差應控制在±3 km/h以內(nèi)，路面溫度與目標溫度的誤差應控制在±3 ℃以內(nèi)，過程如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場噪聲測試

2 試驗結(jié)果分析

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

2.1 遠場測試結(jié)果分析

首先，對常規(guī)路面和裝有隔聲板路面的遠場試驗結(jié)果進行分析。試驗車輛通過時測得的行駛噪聲時域波形如圖2所示。

圖2 遠場測試行車噪聲時域波形

利用自頻譜分析驅(qū)動噪聲的時域波形，在分析時可以選擇對測試波形進行全過程分析，也可以選擇一段時間間隔使用傅里葉變換公式，將噪聲信號的時域波形換算成頻域波形。為了精準反映行車噪聲的特點，再對噪聲信號進行區(qū)間波形信號傅里葉變換，而不是對整個信號進行處理，這樣可以有效減小周邊噪聲對分析結(jié)果的不利影響。所選有效波形以及行車噪聲頻域波形如圖3所示。

圖3 遠場測試的噪聲頻域波形

通過對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(Sound Pressure Level，SPL)顯著大于1000 Hz以上的頻率。通過對噪聲聲波頻域波形的計算和分析，可以得到相應聲波的頻譜峰值。分析常規(guī)城市路面測試結(jié)果，在40 ℃路面溫度下，行駛噪聲信號在不同行駛速度下對應的頻域波形峰值如圖4所示，60 km/h行車速度不同路表溫度條件對應的行車噪聲信號頻域波形峰值情況如圖5所示。

圖5 不同路表溫度線性總體聲壓級情況

由圖4，5可以看出，試驗現(xiàn)場車輛行駛速度變化和路面溫度變化對噪聲頻域波形峰值影響較小，在95.61～96.99 dB之間。因此，本研究認為，行駛噪聲聲波信號的頻域峰值分析和捕獲結(jié)果不能準確有效地評價行駛噪聲水平。

圖4 不同行駛速度頻域波形峰值

評價噪聲的聲學特征時，若只分析單一頻率或頻帶內(nèi)的噪聲聲壓，具有片面性，無法準確評價其整體水平，只有綜合考慮不同頻率下的聲壓分布，才能得到更準確的分析結(jié)果，更好地評價噪聲波形信號的整體水平。若直接分析行車噪聲波形信號的頻域波形，由于噪聲信號處理結(jié)果復雜，很難進行準確有效的定量分析。頻譜分析通過在所研究的頻域內(nèi)采集聲波信號來解釋聲波的頻率結(jié)構(gòu)，并構(gòu)造圖形以此進行具體分析。本研究的頻率范圍與人類聽覺系統(tǒng)的感知范圍一致，為20～20000 Hz。在噪聲聲譜的具體分析過程中，采用1/3倍頻程方案進行比較，其中橫坐標為中心頻率，縱坐標為研究聲級，繪制1/3倍頻程直方圖進行分析，如圖6所示。

由圖6可以得到第i個頻帶聲壓級Lp(i)，噪聲的線性總體聲壓級Lp可以通過式(1)計算得到。

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

(1)

在40 ℃路面溫度下，行駛噪聲信號在不同行駛速度條件下對應的線性總聲壓級如圖7所示，在60 km/h行駛速度下，行駛噪聲信號在不同路表溫度條件下對應的線性總聲壓級如圖8所示。

圖7 不同行駛速度下線性總體聲壓級(40 ℃路面溫度)

圖8 不同路面溫度下線性總體聲壓級(60 km/h車速)

通過對普通城市道路遠場試驗的行駛噪聲信號波形分析，發(fā)現(xiàn)隨著行駛速度和路面溫度的變化，整體線性聲壓級變化明顯。當車速為40 km/h，路面溫度為40 ℃時，線性總聲壓級為91.18 dB。隨著車速提高到80 km/h，整體聲壓級可達94.31 dB。從數(shù)值上看，當試驗車速翻倍，相應的行駛噪聲線性整體聲壓級提高了3.43%。然而，從聲壓級的定義來看，當線性總聲壓級為91.18 dB時，有效聲壓pe為0.72 Pa，當線性總聲壓級為94.31 dB時，有效聲壓為1.03 Pa，這意味著當行駛速度從40 km/h增加到80 km/h時，有效聲壓增加了43.1%。

當路面溫度為10 ℃，行駛速度為60 km/h時，線性總聲壓級為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 ℃，總聲壓級降至91.95 dB，換算成有效聲壓pe為0.79 Pa，根據(jù)上述計算方案，隨著路面溫度的升高，整體聲壓級僅下降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結(jié)果相比，安裝隔聲板的路面行駛噪聲總體線性聲壓級略高，因為隔聲板能將聲波反射到環(huán)路域，同時降低了行駛噪聲對路面的影響導致道路區(qū)域內(nèi)的整體聲壓級增加。簡化隔聲板對聲波的反射作用，近似可視為同一聲壓級的另一點聲源，根據(jù)聲壓疊加原理，總聲壓級可提高3 dB。但噪聲在實際行車場景中，在傳播過程中會被周圍環(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，聲波頻率的高低對聲波傳播過程中的能量消耗具有較大的影響。當聲波頻率較高時，能量消耗較小，當聲波頻率較低時，能量消耗較大。當路面溫度為40 ℃、行駛速度為40～80 km/h時，采用隔聲板的道路噪聲平均線性總聲壓級比常規(guī)道路高1.24 dB；當行駛速度為60 km/h、路面溫度為20～50 ℃時，采用隔聲板的道路噪聲平均線性總聲壓級比常規(guī)道路噪聲平均線性總聲壓級高1.49 dB。

2.2 近場測試結(jié)果分析

對常規(guī)路面、裝有隔聲板路面、隧道和高架路面進行近場試驗，并分析其試驗結(jié)果，得到了行車噪聲的時域波形。與遠場測試相比，近場測試的結(jié)果更穩(wěn)定。

使用A計權(quán)聲級評價方法對近場試驗的試驗數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)聲波信號耗散最多的為低頻部分。把測試得到的噪聲1/3倍頻程譜與40 phon弗萊徹芒森曲線倒置曲線的A計權(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，最后計算A計權(quán)總體聲壓級。近場測試結(jié)果匯總?cè)鐖D9，10所示。

圖9 不同行駛速度下A計權(quán)總體聲壓級

圖10 不同路面溫度下A計權(quán)總體聲壓級

觀察可發(fā)現(xiàn)，在相同的行駛速度和路面溫度下，四種情況車輛行駛噪聲的A計權(quán)總聲壓級為：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最小。這取決于道路周圍障礙物對噪聲聲波的整體反射，而隧道路面周圍是由比較光滑的水泥材料砌成的，對行車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最大的原因。對試驗數(shù)據(jù)進行分析得到，當路面溫度為40 ℃、行駛速度為40～80 km/h時，隧道路面行車噪聲的A計權(quán)總體聲壓級與高架路面相比大4.88 dB；當行駛速度為60 km/h、路面溫度為10～50 ℃時，隧道路面行駛噪聲的A計權(quán)總體聲壓級與高架路面相比大4.36 dB。

通過分析四種場景下車速改變時輪胎-路面噪聲A計權(quán)總體聲壓級的變化發(fā)現(xiàn)，隨著車速的增長，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了4.7%和5.8%。在車速為60 km/h的情況下，當試驗路面溫度從10 ℃升高到50 ℃時，四種方案的A計權(quán)總體聲壓級降低率分別為7.7%，6.7%，7.2%，7.4%，相應的有效聲壓降低率分別為46.9%，45.2%，45.5%，43.1%。

與遠場試驗結(jié)果相比，近場A計權(quán)1/3倍頻程譜分析得到的總體聲壓級與行駛速度和路面溫度有更為顯著的關聯(lián)性。分別對兩種試驗結(jié)果中噪聲水平與行車速度和路面溫度的關系進行了擬合，擬合結(jié)果見表1。根據(jù)遠場和近場，在擬合結(jié)果中畫出R2的箱型圖，如圖11所示。

圖11 遠場及近場擬合結(jié)果中R2關系圖

表1 不同條件下噪聲水平關系擬合結(jié)果

以A計權(quán)總體聲壓級評價近場試驗結(jié)果，與試驗控制的行駛速度和路面溫度變化線性有較好的擬合關系。遠場線性分析的中位數(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；近場線性擬合結(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。這可能是由于近場測試受周圍環(huán)境的影響較小，因此更有利于分析不同條件對道路區(qū)域行駛噪聲的影響。而在遠場試驗結(jié)果中，汽車發(fā)動機的聲音、周圍障礙物反射等因素對行駛噪聲的測試結(jié)果產(chǎn)生較顯著的影響。另外，采用A計權(quán)1/3倍頻程頻譜對行車噪聲進行了分析，1～15號頻段(即中心頻率20～500 Hz)的校正值ΔLA可達到-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變化的權(quán)重，進一步突出630～10000 Hz。

3 結(jié) 論

本文采用近場和遠場測試相結(jié)合的方案對常規(guī)道路路面和配備隔音板道路路面進行測試分析，采用近場測試方案對隧道路面和高架路面進行測試分析，采用1/3倍頻程方案對遠場測試結(jié)果進行評價分析，采用A計權(quán)聲壓級的評價方案對近場測試結(jié)果進行評價分析，研究發(fā)現(xiàn)：

(1)以A計權(quán)總體聲壓級評價近場試驗結(jié)果，與試驗控制的行駛速度和路面溫度變化線性有較好的擬合關系，相較于遠場試驗，近場測試受周圍環(huán)境的影響更??；

(2)通過遠場試驗分析常規(guī)城市道路路面的噪聲可以發(fā)現(xiàn)，其線性總體聲壓級受行車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性總體聲壓級；

(3)近場試驗時對不同交通場景下的測試車輛行車噪聲A計權(quán)總體聲壓級進行比較，發(fā)現(xiàn)隧道路面最大，高架路面最小，且行車噪聲隨車速增長規(guī)律明顯，近場A計權(quán)1/3倍頻程譜分析得到的A計權(quán)總體聲壓級和行駛速度和路面溫度有更為明顯的關聯(lián)性。