城市軌道交通聲環境影響計算公式的修正＊

龔 凱 劉林芽

（華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心，330013，南昌／／第一作者，碩士研究生）

近年來，隨著我國社會經濟的迅猛發展，軌道交通作為一種重要的城市交通工具也得到了快速的發展。但是，軌道交通尤其是高架形式的軌道交通噪聲帶來的城市環境問題也日益嚴重，影響著軌道交通沿線兩側居民的正常工作和生活。因此，為避免工程項目建成后由噪聲問題帶來經濟損失，進行噪聲預測以及采取有效的降噪措施是十分必要的。通過對我國現階段軌道交通噪聲預測模式進行研究，發現我國的模式仍然存在著不足。本文將從參考點噪聲輻射源強，聲屏障衰減模型和聲屏障等效頻率計算等三個方面對我國現階段的噪聲預測模式進行修正，以期能使我國的軌道交通噪聲預測模式更加完善，計算更加簡便、精確。

1 城市軌道交通聲環境影響預測計算公式簡介

隨著我國軌道交通的快速發展，以軌道噪聲為主的環境問題日益嚴重，已經引起了人們的廣泛關注。國內學者開始進行相關課題的研究，獲得了一些研究成果，并逐步指導著工程的設計和實施。目前，我國采用的軌道交通噪聲預測模式是2008年12月發布的“環境影響評價技術導則－城市軌道交通”（Technical guidelines for Enviroment Impact Assessment of Urban Rail Transit）中提出的[1]，該模式將列車運行時產生噪聲源視為不相干的有限長偶極子線聲源，并認為輪軌噪聲為列車運行時的主要噪聲源。同時該模式既可以采用A計權聲壓級表示列車通過預測點的等效聲級，也可以采用頻帶聲壓級表示，單一類型的列車通過預測點的等效聲級如式（1）所示：

式中：

Lp0，i——列車最大垂向指向性方向上的噪聲輻射源強，列車通過時段的參考點等效聲級，dB；

m——列車通過的列數（一般取5～10列），列；

C——噪聲修正項，C＝Cv＋Ct＋Cθ＋Cd＋Ca＋Cg＋Cb；

Cv——速度修正；

Ct——線路和軌道結構的修正；

Cd——幾何發散衰減；

Ca——空氣吸收衰減；

Cg——地面效應引起的衰減；

Cb——屏障插入損失；

Cθ——垂向指向性修正。

經研究表明，該方法可分為兩部分的計算：前一部分為列車通過時段的參考點等效聲級計算；后一部分為噪聲修正項計算。列車最大垂向指向性方向上的噪聲輻射源強是計算列車通過時段的參考點等效聲級前提條件，但我國現階段的預測模式中仍然沒有制定出一套較完善的參考點噪聲輻射源強標準，這將給噪聲預測工作帶來許多的不便，常常只能通過參照類似工況下已測出參考點噪聲輻射源強進行預測計算。而在噪聲修正計算中，聲屏障插入損失計算仍然存在著不足，如采用頻譜計算法進行噪聲預測計算，聲屏障的插入損失計算量比較大，同時我國模式將聲屏障模型假設為無限長聲屏障，將列車運行時的線聲源假設為無線長線聲源，這與實際情況是不符合的，預測結果會有誤差。

2 參考點噪聲源強修正

由我國預測模式原理表明，在對受聲點聲能量預測的整個過程中，確定聲源處的噪聲輻射源強是預測工作的前提條件，現有模式在對線路兩側聲環境進行預測時，一般采用的是噪聲輻射源強即距軌道中心線一定距離的參考點處的聲能量值。但我國現階段仍然沒有制定出一套可行的參考點噪聲輻射源強標準，大多數是通過參考部分實地監測而得到源強值，國際上的一些發達國家通過對大量的實測數據進行總結，已經制定出了一些可行的參考點噪聲輻射源強標準，如：美國軌道交通噪聲預測模式中15m處的參考暴露聲級[2]（見表1）。

表1 距軌道中心線15m處參考暴露聲級

由于參考點輻射源強受多種因素的影響，如：車輛的類型、車輛轉向架的類型、線路條件及運行時速等，不同條件下所得的噪聲輻射源強是不同的，需要假定一個比較合理的條件。本文認為線路、氣象和環境條件須具備以下幾點：①高路堤、焊接長鋼軌、混凝土軌枕、碎石渣道床、線路平直和軌面良好等；②天氣晴朗、氣溫適宜、風速小于5m／s且測點周圍1km內無高大建筑物和樹木等。同時參考點的位置選取也是影響噪聲輻射源強的重要因素之一。經過實地監測并參考相關資料表明，當參考點距聲源很近時，參考值將受到列車運行氣流的影響；當參考點距聲源較遠時，聲波的衰減逾量對參考點處噪聲輻射源強影響較大且易產生誤差。因此，本文認為參考點位置宜選擇在距外側軌道15m處且與軌面位置同高。通過對數據進行整理、統計和計算后，得到列車時速客貨均為V＝70km／h且參考點距軌道外側15m處各頻帶的噪聲輻射源強，并認為在噪 聲預測中可以使用如表2所示數據。

表2 距軌道外側15m處噪聲輻射源強Lp0／dB

3 聲屏障衰減模型修正

近年來，隨著軌道交通大量的貫穿城市，其產生的噪聲嚴重影響著線路兩側居民的正常工作和生活，若使線路兩側居民遠離軌道線路，將必定導致大量的土地浪費和帶來巨大的經濟損失。因此，在軌道交通的一側或兩側設置聲屏障成為了現階段最為有效的降噪措施之一。

聲屏障的設計受到多種因素的影響，其中聲屏障的插入損失是聲屏障設計的核心參數之一。經研究表明，在我國現階段的軌道交通預測模式中，其聲屏障插入損失的計算是以假定聲屏障和聲源均為無限長條件下推導出來的計算式，其聲波傳播路徑和插入損失計算式如圖1、式（2）、（3）所示。

圖1 聲波傳播路徑

式中：

fi——聲波頻譜中第i個中心頻率值，Hz；

c——聲波在空氣中的傳播速度，m／s；

δ——A＋B－C為聲程差，m。

由實地調查表明，聲屏障的長度是有限長的。聲屏障一般設置在敏感建筑物的區域，若采用我國現階段預測模式中聲屏障插入損失計算方法進行計算，將降低預測結果的可靠度，同時也加大了聲屏障的設置數量，帶來不必要的經濟損失。因此，當線聲源為無限長且聲屏障為有限長時，可根據圖2進行修正，如圖2所示[3]。

圖2 無線長線聲源和有限長聲屏障修正圖

研究表明，當列車通過或接近敏感點時，其產生線聲源對敏感建筑是有影響的；當列車遠離敏感點之后，敏感點附近的線聲源是不存在的。因此，列車運行時產生的線聲源是有限長的。假定聲源和聲屏障均為有限長，通過對聲屏障插入損失計算模型及大量實地監測結果進行研究，我國預測模式中聲屏障插入損失計算公式可進行如式（4）所示修正。

t＝20 N0／3；

N0＝2δ0／λ；

λ——聲波波長；

δ0——受聲點到聲源距離最近時的聲程差；

θ1——受聲點到聲屏障的垂直方向與到聲屏障左側邊緣方向的夾角；

θ2——受聲點到聲屏障的垂直方向與到聲屏障右側邊緣方向的夾角；

ΔLP——無限長線聲源且有限長聲屏障繞射聲衰減量（計算方法如圖2所示）。

4 聲屏障計算頻率修正

由聲屏障插入計算公式表明，當計算聲屏障插入損失時，常常需要將頻程范圍內（倍頻程或1／3倍頻程）的每一個中心頻率代入計算式，計算對應中心頻率下的聲屏障衰減量，且還需對其進行疊加計算，才能計算出總的衰減量，這將大大增加聲屏障插入損失的計算量，使得整個計算過程相當復雜而且易產生累積誤差，降低預測精度。因此，為使預測計算更加簡便、精確，可采用一個等效頻率值代替整個頻程中各中心頻率進行聲屏障插入損失計算。

等效頻率是指鐵路列車運行噪聲中能量最集中的頻率成分，它能夠表征噪聲源的特性。在聲屏障插入損失計算中，采用等效頻率進行計算，將大大簡化插入損失的計算量。根據國內外相關文獻資料表明，我國在等效頻率這一領域的研究較少，并且在我國現階段的預測模式中還沒有制定出一套可行等效頻率標準。本文主要以等效頻率的計算原理為基礎，針對不同機車情況下客車等效頻率進行了測試計算，提出了不同機車類型下的客車等效頻率[4]，如表3所示。

表3 各機車類型下的客車等效頻率

5 實例分析

為驗證上述修正的可行性，通過對秦沈客運專線上提速列車（時速為120km／h～180km／h）運行的倍頻程噪聲頻譜進行采集[5]，以該數據為基礎，預測聲屏障在不同高度下、不同空間位置處，聲屏障阻礙聲能量衰減的程度，此處將聲屏障高度劃分為3 m、4m和5m，其距噪聲源的位置為4m和5m。設置兩處受聲點，受聲點R1距噪聲源30m、相對噪聲源高8m，受聲點R2距噪聲源30m、相對噪聲源高17m。經計算可以得到各個工況下聲屏障衰減量，其采集數據和計算結果分別如表4、表5所示。

表4 提速列車運行噪聲頻譜

由表5可知，以1 000Hz為等效頻率代入公式進行聲屏障衰減計算，并針對不同時速下、采用倍頻程范圍內各中心頻率代入公式計算總聲屏障衰減量，同時將兩衰減值相減，其差值的絕對值基本控制在1dB以內，僅有列車時速為145km／h時的計算值偏差較大，但控制在1.5dB以內，偏差是允許的。因此，通過以實測數據為基礎，將等效頻率和各中心頻率代入公式計算，其差值的絕對值是可信的，由此可以得出其修正是可信的。

表5 等效頻率衰減情況比較dB（A）

[1]HJ 453—2008環境影響評價技術導則——城市軌道交通[S].

[2]U S Department of Transportion. High－speed ground transportion noise and vibration impact assessment[R].U S Department of Transportion，2005.

[3]HJ／T 90—2004聲屏障聲學設計和測量規范[S].

[4]陳林.鐵路聲屏障插入損失的研究與計算[D].南昌：華東交通大學，2009.

[5]GB 12525—90鐵路邊界噪聲限值及其測量方法[S].