某高架城際鐵路近場環境噪聲的心理聲學評價指標研究

劉冬婭,王劉翀,李 祥,趙才友,易 強

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031；2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

近些年來，城際列車因其安全快速、運輸量大、高效快捷等優點已逐漸成為附近城市間聯絡的主要交通工具，其中高架橋因其不占用地下空間、不影響道路交通等優勢被廣泛應用。但與此同時高架段也產生了環境噪聲污染問題。列車通過橋梁時產生的振動能量，通過軌道結構傳遞到橋面和其他橋梁構件，并激發其振動，輻射了大量橋梁結構噪聲，對周邊居民的日常生活乃至身心健康造成不利影響[1]。因此，從心理聲學角度評價環境噪聲對人的影響，對未來環境噪聲評價方法的規范與完善具有重要意義。

城市軌道交通高架線路噪聲是由不同類型的噪聲組合而成的，按噪聲產生部位可分為輪軌噪聲、橋梁結構噪聲等[2-5]。輪軌噪聲是由于車輪與鋼軌相互作用引起振動而產生，主要以中高頻成分為主，分布范圍為400～4 000 Hz，峰值集中在125～2 000 Hz，且受車速影響大，速度越大，輪軌噪聲越大[4-5]。橋梁結構噪聲主要是車輛通過高架橋梁時，輪軌激發橋梁的各個構件產生振動形成的二次輻射噪聲，主要以低頻成分為主，分布在200 Hz以下的范圍內，在空氣中傳播遠，衰減慢，穿透力很強，能夠輕易穿越墻壁、玻璃窗等障礙物，長期處于低頻噪聲環境會逐漸影響人的身心健康[6]。因此，主要針對環境噪聲的高頻噪聲聲源和低頻噪聲聲源進行研究。

國內關于鐵路高架鐵路環境噪聲的研究成果豐富，但主要針對低速和高速鐵路，城際鐵路的環境噪聲研究甚為少見。易強、王平等采用插值方法分析環境噪聲測試結果研究其空間分布特征，測試鐵路設計速度為80 km/h[1]。西南交通大學鄧俊通過對設計時速為350 km的京津城際鐵路沿線噪聲的測量，分析了線路形式、距離及聲屏障對環境噪聲的影響[7]。劉達德、齊峰建立了GM模型預測設計速度30～90 km/h時的高架環境噪聲，發現速度越大，環境噪聲水平越高[8]。高飛、夏禾等應用聲學理論，建立列車通過高架橋梁時的噪聲預測模型，對由結構噪聲和輪軌噪聲引起的高架結構附近的噪聲傳播規律進行研究[9]。因此，本文研究設計速度200 km/h下鐵路高架環境噪聲的頻譜分析，進一步完善國內對于高架環境噪聲的認識。

在評價指標上，國內外標準都是采取A計權聲壓級評價環境噪聲。但現代心理聲學研究表明，A計權聲壓級在度量低頻成分為主的噪聲、離散噪聲和語音頻率范圍噪聲時，會產生誤差導致評價結果偏離人的主觀感受[10]，故A計權聲壓級無法準確反映環境噪聲對人造成的煩惱度，需要引入其他標準評價環境噪聲對人的主觀感受的影響。已有研究表明，心理聲學的聲品質過程是一個通過人耳的聽覺感知來“測量”聲音涵義的過程，總響度、尖銳度、粗糙度、波動度等則是人耳對于聲音品質的客觀評價指標。聲音的煩惱度表征由于噪聲而引發令人不愉快的程度，能夠更加真實地反映噪聲對于人耳的主觀感受的影響，煩惱度是由多個聲音品質的客觀評價指標共同影響的結果[11]。

目前，國內研究大多對車內噪聲進行心理聲學分析。張捷、肖新標等基于心里聲學參數，包括響度、尖銳度、粗糙度等，詳細分析新型臥鋪動車組不同“坐臥型式”下的包間聲品質特性[12]。高印寒等引入響度、尖銳度和粗糙度3個聲品質客觀心理聲學參數，對駕駛室聲振特性和駕駛室內的噪聲分布進行分析研究[13]。李芳、左言言建立勻速車內噪聲主觀評價煩惱度與心理聲學客觀參數間的數學模型，研究車內噪聲主觀評價主觀煩惱度與心理聲學客觀參數間的影響，結果表明，在良好路面和勻速工況下，車內聲品質煩惱度主要受低沉度和音調度影響[14]。關于環境噪聲的心理聲學分析研究很少。因此，選取部分聲音品質的客觀評價指標作為環境噪聲評價的新指標。

通過線性聲壓級進行頻譜分析識別每個測點主要環境噪聲成分，然后分別用傳統的A計權聲壓級和多個主要心理聲學指標與主觀煩惱度之間進行線性擬合，提取各測點相關性最優的指標再結合頻譜分析結果，分別選取以低頻噪聲為主和以高頻噪聲為主的環境噪聲的最優心理聲學指標，為未來環境噪聲評價方法的規范與完善提供參考。

1 現場試驗概況

1.1 斷面選擇

測試斷面位于國內某城際鐵路高架直線段，斷面處為32 m雙線混凝土簡支箱梁，兩側無聲屏障，存在防撞墻，設計速度為200 km/h。高架橋梁底面距離地面高度約為4.2 m。

1.2 測點布置

噪聲測試按《鐵路沿線環境噪聲測量技術規定》(TB/T3050—2002)[15]的標準進行，環境噪聲測點布置在垂直于線路方向(橫向)60 m范圍內，分別在距鐵路外側軌道中心線0，7.5，15，30，45，60 m處布置6個測點，依次編號1～6，每個測點距地面高度為1.2 m，避免聲波傳至地面后的反射對測點結果造成影響，同時模擬人耳的聽覺。測點具體布置如圖1所示。

圖1 現場噪聲測點布置示意(單位：m)

2 心理聲學評價指標

心理聲學把聲音的物理特性和人的主觀感覺對應起來，其中包括眾多的心理聲學參數，而總響度、尖銳度、粗糙度、波動度和煩惱度作為主要的客觀評價參數在心理聲學評價中所占的權重在90%以上[16]，故主要計算以上5種心理聲學參數，計算方法如下。

總響度反映了人耳對于聲音強弱的主觀感受，符號為N，單位為宋(sone)。本文采用Zwicker模型計算總響度，該模型考慮了人耳的掩蔽效應。首先計算1/3倍頻程后各頻帶的聲壓級，然后根據式(1)計算臨界頻帶的特征響度N′，考慮掩蔽效應，在特征響度中加入斜坡響度，再根據式(2)得到總響度N[17]。

(1)

(2)

ETQ——安靜聽閾的激勵級；

E0——參考聲強為I0=10-12W/m2激勵級；

E——各臨界頻帶的激勵級。

尖銳度描述了聲音的刺耳程度，符號為S，單位為acum，主要跟噪聲頻率有關，頻率較高的聲音對應的尖銳度也較大，尖銳度的計算公式見式(3)[17]。

(3)

式中N′(z)——某個Bark上的響度譜；

g(z)——附加系數，臨界頻帶函數。

粗糙度和波動度都是反映聲音的幅值調制特性，當調制頻率高于20 Hz時為粗糙度特性，反之為波動度特性。粗糙度符號為R，單位為asper；波動度符號為F，單位為vacil。分別使用式(4)和式(5)進行計算[17]。

(4)

(5)

式中 dL——調制深度，dB；

fmod——調制頻率，Hz。

煩惱度描述聲音對人們造成的厭煩程度，它受到總響度、尖銳度、粗糙度、波動度等多個心理聲學參數的影響，符號為PA，是無量綱系數，根據式(6)進行計算[17]。

(6)

式中N——累積百分比響度，sone；

ws——尖銳度的影響系數；

wFR——粗糙度和波動度影響系數。

3 頻譜特性分析

本次實測均為過路車輛，速度在(195±5) km/h范圍內，每趟車的車況及載客情況是未知的。試驗共采集到25組數據，為了保證結果的可靠性，消除隨機誤差影響，故選取其中波形完整、無明顯畸變、信噪比高、無工頻干擾或干擾不嚴重的10組實測數據進行平均，得到最終結果。

我國環境噪聲限值規定采用A計權，抑制了噪聲的低頻成分，而低頻成分占主導的噪聲相較于高頻更讓人感到煩擾[18-19]。因此為避免低估低頻噪聲的影響，采用線性計權進行頻譜分析。圖2為采用線性計權所得各個測點的聲壓級頻譜曲線。

圖2 各測點的1/3倍頻程譜對比曲線

本次試驗中，橋梁自身結構和防撞墻都是聲波傳播途徑上的障礙物，從而產生了一定范圍輪軌噪聲等梁面以上的其他噪聲無法繞射到的區域，稱之為聲影區，聲影區內主要環境噪聲成分為低頻噪聲[20]。

由圖2可以發現，測點1～6的環境噪聲聲能量主要集中在25～500 Hz，而且在40 Hz頻段存在最大幅值，該峰值與橋梁結構固有頻率有關；該頻段測點1～6的線性聲級相差較小，是因為低頻噪聲傳播遠，衰減慢。測點1在315 Hz頻段出現第2個峰值，該峰值產生原因是箱梁空腔共鳴[20]。而輪軌噪聲幅值出現在630 Hz，且傳播距離越遠，幅值越明顯。

測點2和測點3的線性計權聲壓級頻譜曲線的變化規律大致相同，且聲壓級差別較小，說明主要噪聲成分是低頻噪聲，低頻噪聲傳播遠，衰減慢。測點2在40 Hz頻段的聲壓級峰值大于測點1，是因為箱梁結構噪聲主要集中于橋梁斜下方[20]。

測點4在低頻范圍內的聲壓級略小于測點3，但在高頻范圍內與測點3的綜合聲壓級相差不大，故測點4不在橋梁結構聲影區范圍內。此時噪聲成分除了低頻噪聲以外，還有透射和繞射至此的輪軌噪聲，高頻噪聲占主要成分。因此，傳播距離雖然增加，但其綜合噪聲聲壓級與測點3相差較小。

測點5、測點6位置的環境噪聲則受低頻噪聲和高頻噪聲的綜合影響。

4 環境噪聲評價

4.1 傳統的A計權評價

計算頻譜分析中篩選的10組實測數據中各測點的A計權聲壓級和主觀煩惱度，將兩者進行線性回歸分析，結果如圖3所示。

圖3 A計權聲壓級與主觀煩惱度的關系

由圖3可知，測點1的A計權聲壓級與主觀煩惱度之間相關度低且呈負相關(即隨著A計權聲壓級的增加，煩惱度降低)，說明在測點1采用A計權聲壓級作為評價指標不合適；測點2和測點3的相關系數較高，但是擬合所用的多組實測數據明顯偏離線性擬合直線，故測點2和測點3的A計權聲壓級與主觀煩惱度的相關系數雖較大，但是評價誤差也較大。由頻譜分析結果可知，測點1～3都位于橋梁結構聲影區的范圍內，環境噪聲的主要成分是低頻噪聲，因此以低頻噪聲為主的環境噪聲采用A計權聲壓級進行評價并不能真實反映噪聲對人們的影響。

測點4位置的A計權聲壓級與主觀煩惱度之間的相關性最好，即在距離鐵路外軌中心線30 m位置處，傳統的A計權聲壓級是可以較好地評價環境噪聲對人們造成的影響。測點5、測點6處A計權聲壓級與主觀煩惱度的相關性同樣較好，且測點4～測點6擬合所用的實測數據與線性擬合直線偏離小，評價誤差小。但測點4～測點6的相關系數呈明顯減小趨勢，說明隨著距離的增加，A計權聲壓級的評價可靠度降低。由頻譜分析可知，測點4～測點6位于橋梁結構聲影區范圍外，此時環境噪聲的主要成分是輪軌噪聲。由于高頻噪聲隨距離傳播快速衰減，低頻成分占比逐漸上升，因此在非聲影區范圍內以高頻噪聲為主的環境噪聲，采用A計權聲壓級評價的可靠度隨著傳播距離的增加而逐漸減小，采用A計權聲壓級進行評價也是不科學的。

4.2 心理聲學評價

由以上分析結果可知，傳統的A計權聲壓級用來評價環境噪聲僅在橋梁結構非聲影區的一定范圍內可靠度較高，而在其他范圍內并不能較好地評價環境噪聲對于人們造成的影響，故新引入心理聲學指標總響度、尖銳度、粗糙度和波動度評價環境噪聲對人的影響。將各測點10組實測數據的主觀煩惱度與心理聲學評價指標的結果進行線性回歸分析，結果見圖4～圖7。

圖4 總響度與主觀煩惱度的關系

圖5 尖銳度與主觀煩惱度的關系

圖6 粗糙度與主觀煩惱度的關系

圖7 波動度與主觀煩惱度的關系

由圖4～圖7可知，測點1處尖銳度與主觀煩惱度之間的相關度最優，相關系數為0.650；此外，波動度與主觀煩惱度之間相關度較低且呈負相關(即隨著波動度的增加，煩惱度降低)，而波動度反映了人耳主觀感受到的聲音響亮起伏程度。聲音響亮起伏越大，聲能量越大，主觀煩惱度越小。說明影響人耳主觀感受的因素不僅僅是聲能量大小，有時聲能量小的聲音可能會讓人更難受[21]。粗糙度與煩惱度低度相關，總響度與主觀煩惱度之間則無線性相關關系。

測點2和測點3處總響度、尖銳度和波動度都與主觀煩惱度之間高度線性相關，而粗糙度與煩惱度之間相關度低。其中，測點2處尖銳度的相關度最優，相關系數0.926，而測點3處則是總響度的相關度最優，相關系數為0.924，同時尖銳度與主觀煩惱度之間相關度也較好，相關系數為0.848。

測點4～測點6處都是總響度與主觀煩惱度之間的相關系數最優，分別為0.797，0.827和0.824，可以看出總響度與主觀煩惱度的相關系數隨距離的變化規律跟A計權聲壓級不同。在非聲影區的一定范圍內，隨著距離增加，相關度明顯增大，該范圍以外，距離增加，相關度幾乎不變，可以看出距離增加對總響度評價指標的可靠度影響較小。測點4～測點6處尖銳度和波動度與主觀煩惱度相關系數較高，相關度較好，而粗糙度與主觀煩惱度之間在測點4和測點5處低度線性相關，在測點6處幾乎無相關關系。

由頻譜分析可知，測點1～測點3位于橋梁結構聲影區內，主要環境噪聲成分是低頻噪聲。測點1和測點2處環境噪聲最優心理聲學評價指標為尖銳度，測點3位置的環境噪聲最優心理聲學評價指標為總響度，推測是因為低頻噪聲主要集中在橋梁斜下方，且沿著水平方向傳播存在衰減，故測點3的最優評價指標不是尖銳度，但其尖銳度與煩惱度也具備高度線性關系。綜合考慮，以低頻噪聲為主要成分的環境噪聲選取尖銳度作為心理聲學評價指標最具有代表性。

測點4～測點6位于非聲影區，主要環境噪聲成分是高頻噪聲。測點4～測點6位置的環境噪聲最優心理聲學評價指標為總響度，且測點4～測點6的尖銳度與煩惱度之間的相關關系明顯低于測點1～測點3，說明此時低頻噪聲對煩惱度的影響小于輪軌噪聲，因此，以高頻噪聲為主要成分的環境噪聲，選取總響度作為心理聲學評價指標最具有代表性。

5 結論

對城際列車高架段環境噪聲進行現場測試，分別用傳統的A計權聲壓級和新引入的心理聲學評價指標分析環境噪聲與人的主觀感受的相關關系，研究結論如下。

(1)對于該城際鐵路高架線，低頻噪聲主要集中在25～500 Hz，且分別在頻率40 Hz和315 Hz處出現峰值，輪軌噪聲在630 Hz處出現峰值。

(2)傳統的A計權方式與人的主觀煩惱度，在橋梁聲影區范圍內相關度低或相關度高，但評價誤差大，可靠度低；而在橋梁非聲影區范圍，相關度隨著傳播距離增加而顯著減小，可靠度也逐漸減小。

(3)當城際鐵路高架環境噪聲主要成分為低頻噪聲時，選取尖銳度作為心理聲學評價指標最具有代表性，而以高頻噪聲為主要成分的環境噪聲，選取總響度作為心理聲學評價指標最具有代表性。