高密度城市形態(tài)對飛機噪聲分布的影響

文／張紅虎 浙江大學建筑工程學院 副教授

紀 月 浙江大學建筑工程學院 碩士研究生（通訊作者）

引言

我國城市在高密度發(fā)展模式下向郊區(qū)快速擴張[1,2]，且居民對航空交通的需求日益增加，導致住宅、學校等噪聲敏感區(qū)域與機場越來越近，飛機噪聲污染已經(jīng)成為影響公眾身心健康的重要環(huán)境因素之一[3]，高密度城市形態(tài)下飛機噪聲的防治亦成為城市化進程中的焦點問題。

目前對于低噪聲飛行器設計、飛行程序、航班、航跡優(yōu)化等聲源端降噪和用地規(guī)劃、建筑圍護結(jié)構(gòu)隔聲、植被輔助降噪等傳播降噪方面的研究較為成熟[4-8]。但針對高密度城市形態(tài)對飛機噪聲分布的影響研究較少，已有研究大多以街道幾何特征[9-11]和低密度城市[12,13]為研究對象，主要結(jié)論包括航跡高度100 ～200ft、水平距離1000m 以內(nèi)，低密度城市形態(tài)對飛機噪聲分布影響顯著，高頻差異約4.6dB 等[12]，無法為高密度城市形態(tài)下的降低飛機噪聲提供支撐。

本文以國內(nèi)某典型高密度城市空間為研究對象，考慮客運飛機對城市噪聲影響最顯著的離港低空飛行階段（距地面高度1000m 以下），通過對低空飛行的飛機噪聲地面分布情況進行仿真，研究航跡與中尺度城市形態(tài)結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系、建筑立面吸聲以及城市形態(tài)學特征對飛機噪聲傳播的影響，旨在為高密度城市設計建設與飛機噪聲環(huán)境評價提供參考。

1 研究方法

1.1 樣本選取

如圖1 所示，基于主要城市用地功能和建筑形態(tài)，選取20 個500m×500m 中尺度規(guī)模的高密度城市樣本（樣本編號由縱坐標字母A ～D 和橫坐標數(shù)字1 ～5 組成）。

圖1 500m×500m×20 個國內(nèi)典型城市形態(tài)樣本（圖片來源：作者自繪）

1.2 形態(tài)學參數(shù)選擇

飛機的噪聲在城市中的分布，與城市建筑形態(tài)布局因素息息相關(guān)[14]。這些因素可以通過一些城市形態(tài)參數(shù)進行描述。基于國內(nèi)外對于城市形態(tài)的量化研究[12,14-16]，本文從城市用地強度、城市形態(tài)復雜度以及聲源（航跡）特征三個角度，初步選擇了12 個城市形態(tài)學參數(shù)進行研究，它們的具體計算方法及所選樣本的數(shù)值范圍如表1 所示。由于某些參數(shù)之間相關(guān)性較高，進一步通過因子分析和敏感性系數(shù)篩選方法[17]最終確定7 個靈敏度較高、能綜合反映城市形態(tài)特征的參數(shù)：容積率（FAR）、全覆蓋密度（CAR）、建筑高度均值（AVG_H）、建筑形狀指數(shù)（LSI_B）、緊湊度（CI）、天空開闊度（SVF）、建筑密度（BPAF），如表1 中序號*的粗體所示。

表1 形態(tài)學參數(shù)（表格來源：作者自繪）

1.3 噪聲模擬

本文使用在城市噪聲預測中廣泛認可的Cadna/A[18]模擬飛機噪聲分布，將低空直線飛行的航跡等效為線聲源。依據(jù)Khardi[19]和Yiying Hao[12]的研究，選擇飛機噪聲的主要頻率1600Hz（中）并設定線聲源的單位聲功率級為100dB。考慮建筑物的立面吸聲性質(zhì)，傳播反射次數(shù)和吸聲系數(shù)分別設為3 和0.3[20]。受聲點設置在地面以上1.6m 高度的5m×5m 網(wǎng)格上。聲學參量選擇四個統(tǒng)計百分比聲級：L10、L50、L90和平均聲壓級Lavg[12,15]。具體研究內(nèi)容及模擬參數(shù)設置如表2 所示。其中航跡與樣本的角度關(guān)系共選擇16 個，以航跡在樣本南側(cè)東西走向為0°，逆時針旋轉(zhuǎn)所得。

表2 研究內(nèi)容及模擬參數(shù)設置（表格來源：作者自繪）

2 研究結(jié)果與討論

2.1 航跡與城市相對位置的影響

為分析航跡角度對飛機噪聲的影響，選擇具備典型結(jié)構(gòu)（排除形態(tài)相似的樣本）并包括形態(tài)參數(shù)最值的10 個樣本進行模擬統(tǒng)計。圖2 為16個航跡角度下的L10、L50、L90和Lavg衰減量。可以看出，角度變化引起的L10、L50、Lavg的衰減量變化在2dB 以內(nèi)，呈現(xiàn)各向同性；L90受角度影響明顯，樣本A4、C2、C3 和D5 的衰減量極差均超過3dB，主觀響度差異明顯[21]。上述結(jié)果表明，航跡角度對飛機噪聲在城市空間內(nèi)的峰值和中值影響不顯著。對于背景噪聲來說，0°和180°左右是抗噪效果較好的角度，而90°和270°相對較差，所以對于高空聲源，建筑仍存在一定的屏蔽作用。由于我國建筑主朝向為南向，即建筑正立面與航跡平行時，飛機噪聲的空間背景水平較低。樣本A4、C2、C3 和D5 均為中高層、行列式布局小區(qū)，故機場附近建設此類小區(qū)時，避免主朝向與航跡垂直有助于降低背景噪聲。

圖2 航跡與城市的角度關(guān)系對L10、L50、L90 和Lavg 衰減的影響（圖片來源：作者自繪）

2.2 航跡距城市的水平距離的影響

（1）航跡距離的影響

圖3 為距離從0m 分別增加至100m ～2000m 時，研究樣本與空地內(nèi)L10、L50、L90和Lavg的衰減量。空地與樣本的L10、L50、L90和Lavg衰減量的最小值及平均值相近，但樣本的衰減量最大值明顯大于空地。該結(jié)果表明，雖然城市內(nèi)飛機噪聲的衰減量受距離的影響，但城市形態(tài)對飛機噪聲衰減的影響更明顯。值得注意的是，空地內(nèi)L10的衰減量大于樣本的最小值，說明某些城市形態(tài)對L10存在增強作用。

圖3 樣本和空地的L10、L50、L90 和平均聲壓級Lavg 隨距離增加的衰減量/dB（圖片來源：作者自繪）

變異系數(shù)反映了數(shù)據(jù)偏離總體平均水平的相對差距。由于本文樣本之間L10、L50、L90和Lavg的均值不同，因此采用變異系數(shù)來描述樣本之間的離散程度，計算方式如式（1）所示[22]：

圖4 為樣本間L10、L50、L90和Lavg衰減量的變異系數(shù)，L50、Lavg、L90總體大于L10，說明城市形態(tài)可能對中值和背景噪聲衰減的影響更明顯。因此，要減少飛機噪聲的影響，除了增大噪聲敏感區(qū)域與航跡的距離外，也需考慮城市建筑的影響。

圖4 樣本間L10、L50、L90 和平均聲壓級Lavg 衰減量的變異系數(shù)（圖片來源：作者自繪）

（2）建筑立面的影響

為比較建筑立面吸聲特性對飛機噪聲傳播的影響，分析了表2 所示兩種立面的L10、L50、L90和Lavg差異，其中R0 和R3 分別代表光滑的強吸聲立面與粗糙的強反射立面。如表3 所示，航跡距離城市超過600m 時，建筑立面的吸聲差異對聲環(huán)境幾乎沒有影響，僅在距離600m 以內(nèi)時強吸聲立面才有降噪效果。L10的差值很小，因此，改變立面對峰值的影響不大。

表3 強反射立面與強吸聲立面的L10、L50、L90 和Lavg 之差/dB（表格來源：作者自繪）

2.3 航跡高度的影響

圖5 為不同高度的航跡產(chǎn)生的L10、L50、L90和Lavg分布情況。L10變化顯著，而L90的變化量很小，從100m 增加到1000m 僅降低約5dB。此外，隨著航跡高度增加，各聲級指數(shù)的數(shù)值趨向一致。由圖6 可見，各噪聲參數(shù)衰減量的變異程度差距不大，且隨航跡高度的增加呈現(xiàn)變小的趨勢。說明航跡高度增加時，空間中飛機噪聲強度分布差異減小，城市形態(tài)對噪聲衰減的影響變小。

圖5 不同航跡高度下L10、L50、L90 和Lavg 的平均值（圖片來源：作者自繪）

圖6 不同航跡高度下樣本間L10、L50、L90 和Lavg 衰減量的變異系數(shù)（圖片來源：作者自繪）

飛機航跡不同于高架道路，后者高度越高，基座形成的聲影區(qū)越大，前排建筑也能有效屏蔽道路直達聲，因此降噪效果越好[14]。而航跡是由一系列運動的點聲源（飛機）形成的軸對稱柱狀噪聲源[23]，周圍無遮擋，所以航跡越高到達地面空間的直達聲越多，建筑的屏蔽效果越弱。

2.4 城市形態(tài)的影響

對不同距離處7 個形態(tài)學參數(shù)與L10、L90和Lavg衰減量進行Spearman相關(guān)性分析，呈顯著相關(guān)的參數(shù)如表4 所示，可以看出，L90、Lavg對城市形態(tài)參數(shù)更敏感。形態(tài)學參數(shù)中，SVF、CAR 與L10、L90和Lavg衰減量均顯著相關(guān)；FAR 與Lavg和L90衰減量相關(guān)性顯著；CI 僅與L10的衰減顯著負相關(guān)；LSI_B 與L10和Lavg衰減量顯著相關(guān)；BPAF 僅在300m 范圍內(nèi)與Lavg和L90衰減呈現(xiàn)相關(guān)性。

表4 L10、L90 和Lavg 衰減量與7 個形態(tài)學參數(shù)的Spearman 相關(guān)分析（表格來源：作者自繪）

統(tǒng)計城市形態(tài)參數(shù)與L10、L90和Lavg衰減量顯著相關(guān)的個數(shù)如表5 所示。可見改變城市的建筑高度特征對飛機噪聲的影響不大；CAR 的相關(guān)性最強，LSI_B、SVF 和FAR 次之，BPAF 僅當距離航跡較近時（300m）呈現(xiàn)相關(guān)性。這說明研究區(qū)域內(nèi)，建成區(qū)面積越大、覆蓋率越高，越有益于飛機噪聲衰減；建筑的形態(tài)結(jié)構(gòu)越復雜，對峰值和中值的降噪效果越好。

表5 水平距離0 ～2000m 城市形態(tài)參數(shù)和L10、L90 和Lavg 衰減量相關(guān)性數(shù)量（表格來源：作者自繪）

結(jié)語

本文通過模擬探究了中尺度下高密度城市形態(tài)對飛機噪聲的影響，結(jié)論如下：

（1）中高層小區(qū)的主朝向與航跡平行可以在一定程度上降低背景噪聲。

（2）增大城市與航跡之間的水平距離可以有效減少飛機噪聲對高密度城市的影響。

（3）建筑立面吸聲對L50、Lavg、L90降噪的有效距離為600m 以內(nèi)，而對L10影響很小。

（4）航跡高度增加對L90影響不大，城市空間內(nèi)飛機噪聲分布趨于平均，城市形態(tài)的影響變小。

（5）城市形態(tài)參數(shù)與飛機噪聲衰減的相關(guān)性顯著。需要重點考慮與用地強度和建筑覆蓋率相關(guān)的形態(tài)參數(shù)（CAR、LSI_B、SVF 和FAR），且城市形態(tài)結(jié)構(gòu)越復雜，越有益于峰值和平均值的衰減。