道路交通噪聲預測模型實踐探析

戶文成，王蓓蓓，吳瑞，蔣從雙

(北京市勞動保護科學研究所，北京　100054)

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道路交通噪聲預測模型實踐探析

戶文成，王蓓蓓，吳瑞，蔣從雙

(北京市勞動保護科學研究所，北京100054)

摘要：通過介紹國外多種較為常用的道路交通噪聲預測模型，從聲源和傳播模型方面進行對比分析，對目前主要道路噪聲預測模型中存在的問題進行歸納總結，并對全國7個典型城市進行實測。在此基礎上，提出了符合我國國情的道路交通噪聲預測模型構建方法與思路，并初步建立了基于我國國情的道路交通噪聲預測模型。

關鍵詞：道路；交通；噪聲預測模型

目前，道路交通噪聲環境影響評價在許多國家和地區都得到重視。20世紀70年代以來，各國相繼開發了基于當地實際情況的道路交通噪聲預測模型。但國外預測模型的建立，都是以本國國情為基礎，在使用條件和參數選取等方面存在不同，預測結果存在較大差異，具有一定的地區應用特色。因此，有必要建立基于我國國情的道路交通噪聲預測模型。

1國內外道路噪聲預測模型對比分析

國外常見的道路噪聲預測模型主要有美國的FHWA TNM模型[1]、法國的NMPB模型[2]、日本的ASJ RTN 2008模型[3]和歐盟近年來提出的CNOSSOS-EU模型[4]等。我國主要采用《環境影響評價技術導則 聲環境》(HJ 2.4—2009)[5]和《公路建設項目環境影響評價規范》(JTG B03—2006)[6](以下簡稱JTG模型)中的模型。幾乎所有的道路交通噪聲預測都具有相似形式，即預測點噪聲由源強模型和聲傳播修正模型兩部分組成。

1.1聲源模型對比

源強模型部分影響因素眾多，包括車速、車輛類型、車齡、路面類型、加減速以及路面坡度等，這些影響因素又隨著國家和地區的不同而不同，因而噪聲源強模型差異較大。

(1)在聲源數量的劃分方面，ASJ模型、CNOSSOS-EU模型和JTG模型將車輛簡化為一個點聲源；而FHWA TNM模型和NMPB模型則將車輛簡化為兩個點聲源，一個主要由發動機噪聲決定，另一個主要由輪胎噪聲決定。

(2)在聲源高度方面，CNOSSOS-EU模型將聲源簡化后的高度定為0.05 m，而在我國噪聲評價中，通常將車輛簡化為0.5 m高的點源。

(3)在坡度修正及路面類型方面，所有的模型均有所考慮卻并不相同。如NMPB模型針對不同的坡度范圍分上下坡提出修正量，并針對普通路面和低噪聲路面提出輪胎噪聲模型。而JTG模型主要針對不同坡度提出不同修正量，并對瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面分別提出修正量。

(4)在車輛指向性方面，ASJ模型、CNOSSOS-EU模型提出車輛噪聲在水平方向的指向性不明顯，垂直方向受車身遮擋指向性較強，而JTG模型未考慮車輛噪聲的指向性。

(5)在車輛速度方面，ASJ模型將車輛運行狀態分為穩定運行(40～140 km/h)和非穩定運行(10～60 km/h)；JTG模型適用于車速大于48 km/h的預測；NMPB模型對于不同速度段分別提出模型參數。

1.2聲傳播模型對比

各國均參考ISO9613建立了本國的聲傳播模型，通過對國外幾個重點模型的聲傳播部分開展了比對分析，結果見表1。

表1　國外聲傳播模型對比Table 1　Comparison of foreign sound transmission models

注：表中的“特殊”指建立了具有自身特點的、與ISO 9613不同的模型。

我國聲傳播模型計算可參考《聲學戶外聲傳播》(GB/T 17247.2—1998)，等同于ISO相應標準。而聲導則確定的交通噪聲戶外聲傳播計算方法，基本延續了國標計算方法，并將其運用到交通噪聲預測中。

2我國道路噪聲預測模型構建方法與思路

通過對國內外道路交通噪聲預測模型的對比研究可知，國內道路噪聲預測模型聲源部分來源于FHWA模型，傳播部分來源于ISO9613。國外幾種模型在聲源和聲傳播方面均做出細化，減少了模糊、不確定之處，但也帶來了模型使用復雜的問題。國外模型均有詳細的技術支撐文件，具有非常豐富的交通噪聲數據庫，形成了比較系統的道路交通噪聲預測體系。相比之下，我國模型在內容體系和數據支撐方面尚較薄弱，且缺乏詳細的指導性文件，預測能力較低，尤其是針對城市復雜道路條件下的道路交通噪聲的預測。通過借鑒國外模型特點，可建立基于我國國情的道路交通噪聲預測模型。

2.1思路流程

為建立基于我國國情的道路交通噪聲預測模型，需進行系列測試與研究，主要流程如圖1所示。

針對聲源模型，聲環境導則并未給出具體的模式。在環境噪聲預測中，如源強參數不準確，則預測結果的準確性、可靠性也就無從談起。JTG模型雖然給出單車噪聲排放模型，但僅適用于車速大于48 km/h的道路交通預測，對于較低車速則無法使用。因此，需針對低車速的道路建立噪聲模型。可通過大量實測數據建立聲功率級(或聲壓級)與車速之間的回歸曲線方程式。

針對聲源簡化，我國噪聲環評中通常將車輛簡化為0.5 m高的點源，與國外聲源高度位置不太一致，可通過聲陣列的方法對車輛通過噪聲源進行聲源識別測試來確定。

針對車型、速度以及聲源高度，可分速度區間、按車型分別提出單車噪聲排放模型，并進一步研究車輛的等效聲源高度。

針對路面條件，可將路面分為瀝青和水泥路面進行研究，建立路面修正量，并針對不同坡度區間分上下坡提出坡度修正量。

針對車輛的指向性，可研究不同路面類型、不同坡度下單車噪聲在垂直方向的指向性。

圖1　建立基于我國國情的道路交通噪聲預測模型流程圖Fig.1　Flow chart of establishing the road traffic noise prediction model in China

針對道路交通噪聲源強特性、排放特性、特殊路段噪聲排放特性，因各地差異較大，缺乏相關成熟的研究模型，因此采取實地測量并在實測基礎上歸納總結的方法。

針對噪聲衰減特性和計算參數影響特性，則采用參考現有模型并進行驗證的方法。

2.2測試方法

2.2.1聲源測試

(1)單車源強測試，主要研究單車源強與車輛、道路條件的關系，分析車型、車速、坡度、氣候等的影響。在距離目標車道7.5 m處布置源強觀測點，在觀測點前后設置速度區間，用高速攝像機記錄車速。

(2)單車噪聲指向性測試，主要研究不同路面類型、不同坡度下單車輻射噪聲在垂直方向的指向性。在距離目標車道7.5 m處布置一根7.5 m高的桿，分別在桿的0.2、1.2、2、3.5、5.3、7.5 m處布置傳聲器，與車道中心線的夾角正好是2°、9°、15°、25°、35°、45°。并用高速攝像機記錄車輛速度。

(3)單車等效聲源高度測試，主要研究單車等效噪聲源強的高度。在距離目標車道7.5 m處布置聲陣列。并用高速攝像機記錄車輛速度。

2.2.2聲傳播測試

(1)空曠地中的傳播，主要研究空曠地中點聲源的傳播規律，研究風速、風向、溫濕度等氣候條件對點聲源傳播的影響。可分別距離標準聲源25、50、100、200 m布置觀測點，測點高度均為1.5 m。

(2)建筑群中的傳播，主要研究建筑群中點聲源的傳播規律。建筑物一側布置標準聲源，聲源旁布置一個觀測點，第一排與第二排建筑物后面均布置一個觀測點。

2.2.3特殊路段測試

特殊路段測試主要包括交叉口測試和高架/路塹的測試。交叉口測試主要研究道路交叉口的噪聲特性，所有測點與最外側機動車道中心線的距離保持一致。高架/路塹的測試主要是為了研究高架/路塹的噪聲特性及其傳播規律。

2.3傳播衰減研究

ISO 9613給出了有利于聲傳播條件下幾何發散、大氣吸收、地面效應、屏障等因素引起的聲衰減。但是實際情況卻往往存在差異，因此需根據實際情況對利于聲傳播條件下的聲衰減進行修正。

(1)溫度引起的衰減。在晝間和夜間不同溫度梯度下測試點聲源在不同測點處的噪聲值，將測試結果與ISO 9613計算值進行對比，得出溫度梯度對聲傳播的影響，并提出溫度梯度修正量[7]。

(2)風速風向引起的衰減。在不同風速風向條件下進行測試，計算不考慮風影響的噪聲值，將其與實測值對比，確定不考慮風影響導致的誤差。利用標準聲源，針對不同風速、風向測試噪聲衰減情況，提出風向和風速的修正方法。

2.4研究結論

道路交通噪聲聲源模型和傳播衰減模型涉及很多方面，本文僅對聲源模型主要結論進行說明。

(1)車輛劃分。預測模型中將車輛劃分為中小型車和大型車。中小型車指車長小于6 m且乘坐人數小于20人的載客汽車，總質量小于12 t的載貨汽車和掛車，以及摩托車，其余為大型車。

(2)水平路面單車排放噪聲模型。在北京市蘆求路、杭州市五一路、南昌市X052縣道、南昌市金沙二路、蘇州市貢山路、蘇州市渚鎮路、西寧市美麗水街、長春市東勝利大街、沈陽市新蔡線、哈爾濱市長勝路、拉薩市納木錯鄉等道路測試瀝青路面單車噪聲排放大小，共測試有效樣本量1 249組。車速與單車噪聲源強之間的關系如圖2所示。

圖2　水平瀝青路面單車噪聲排放曲線Fig.2　Noise emission curve of vehicle on horizontal asphalt roads

單車在r0=7.5 m處的A聲壓級計算公式為：

Lr0=a+b·lgV+ΔLsour

(1)

式中，r0為測點距目標車道中心線的距離；Lr0為單車排放噪聲在7.5 m處的A聲壓級，dB(A)；V為單車運行速度，km/h；ΔLsour為聲源修正項；a、b為模型參數。

通過對圖2中的水平單車噪聲排放數據運用最小二乘法擬合，得出水平路面單車噪聲排放模型參數。對于中小型車，適用車速范圍為15～200 km/h，a為15，b為32.3；對于大型車，適用車速范圍為20～100 km/h，a為41，b為22。

當小型車速度低于15 km/h、中型車或大型車速度低于20 km/h時，認為車輛處于起步、停止或頻繁加減速階段，此階段車輛加減速比較頻繁，排放噪聲與速度的相關性較差，可認為車輛排放噪聲恒定，中小型車噪聲為53 dB(A)，大型車為69.6 dB(A)。

(3)路面類型修正。車輛在水泥路面行駛時噪聲較高，通過對瀝青路面和水泥路面大量不同類型單車進行測試，式(2)給出了水泥路面下單車排放噪聲的修正項。

ΔLsurf=ksurfv

(2)

式中，ksurf為水泥路面修正系數；v為車輛運行速度，km/h。中小型車和大型車的ksurf值分別為0.02和0.04。

(4)聲源高度。針對聲源高度，通過聲陣列的實測分析可知，當車輛以大于30 km/h的速度在瀝青路面上行駛時，中小型車的等效聲源高度為0.3 m；大型車的等效聲源高度為0.44 m。

(5)坡度修正。針對坡度修正，分別根據上下坡，給出修正公式。車輛上坡的修正公式為：

ΔLgrad=kuβ

(3)

式中，ku為上坡修正系數；β為縱坡道路坡度，%。對于中小型車，適用車速范圍為20～80 km/h，ku為0.12；對于大型車，適用車速范圍為20～60 km/h，ku為0.55。

車輛下坡時的修正公式為：

ΔLgrad=kd1β+kd2log(β)

(4)

式中，kd1、kd2為下坡修正系數；β為縱坡道路坡度，%。對于中小型車，適用車速范圍為20～75 km/h，kd1為0.9，kd2為-8；對于大型車，適用車速范圍為20～55 km/h，kd1為0.4，kd2為-5。下坡修正模型適用于坡度值大于3%的縱坡道路。對于坡度值小于3%的縱坡道路，修正值取坡度值為0和3%對應修正值的線性插值。

3結語

本文在對比分析國內外道路交通噪聲預測模型的基礎上，提出了建立我國道路交通噪聲預測模型的方法和思路，并通過對7個典型城市開展針對交通噪聲源及特殊交通形式噪聲源特性的實地測試和系統研究，初步建立基于我國國情的道路交通噪聲預測模型，為建立符合我國實際情況，基于我國車輛、道路、環境標準的道路交通噪聲預測通用模型提供了思路和案例。

雖然初步建立了模型，但是一些具體細節上還可進行進一步研究，如城市復雜道路(上為高架，下為地面道路的復合道路)的模型建立方法及其影響因素、高海拔對聲源的影響等，以期能提出更為詳盡、更加系統、基于我國交通噪聲聲源數據庫的道路交通噪聲預測體系。

參考文獻(References)：

[1]Lau M C, Lee C S Y, Boeker E R,etal. FHWA Traffic Noise Model, Version 2.5: User’s Guide Addendum[R]. Cambridge, MA: Volpe National Transportation Systems Center Acoustics Facility, 2004.

[2]Besnard F, Hamet J F, Lelong J,etal. Road noise prediction 1- alculating sound emission from road traffic[R].Sétra Service d’étudessurles transports les routes etleursaménagements, 2009.

[3]Kohei Y. Road traffic noise prediction model“ASJ RTNModel2008”: Report of the Research Committee on Road Traffic Noise[R]. Ottawa Canada: Acoustical Science and Technology, 2010.

[4]Stylianos Kephalopoulos, Marco Paviotti, FabienneAnfosso-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.

[5]環境保護部. HJ2.4-2009環境影響評價技術導則聲環境[S]. 北京: 中國環境科學出版社, 2009.

[6]交通部. JTG B03-2006公路建設項目環境影響評價規范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2006.

[7]蔣從雙, 吳瑞, 戶文成. 溫度梯度對戶外聲傳播影響的實驗研究[J]. 噪聲與振動控制, 2013, 33(s1): 64- 66.

收稿日期：2016-04-11

基金項目：環保部環保公益性行業專項(201309066)；北京市自然科學基金(L150007)

作者簡介：戶文成(1974—)，男，河北廊坊人，研究員，碩士，主要從事噪聲與振動控制研究，E-mail：who518@126.com 通訊作者：王蓓蓓(1981—)，女，安徽蕪湖人，高級工程師，碩士，主要從事噪聲與振動控制研究，E-mail：wangbeibei_2000@163.com

DOI:10.14068/j.ceia.2016.04.004

中圖分類號：X593

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6444(2016)04-0014-04

A Study on Practices of Road Traffic Noise Prediction Model

HU Wen-cheng, WANG Bei-bei, WU Rui, JIANG Cong-shuang

(Beijing Municipal Institute of Labor Protection, Beijing 100054, China)

Abstract:This paper introduced a variety of foreign road traffic noise prediction models, analyzed them in terms of the sound source model and sound transmission model, and summed up the current issues existing in the main road noise prediction models. This paper provided a systematic summary of the domestic and overseas road traffic noise prediction models, collected data from 7 typical cities in China, proposed the methods and concepts for constructing road traffic noise prediction models based on China’s national conditions, and established the preliminary road traffic noise prediction model.

Key words:road; traffic; noise prediction model