交通噪声特性分析与绿化带降噪效果研究

1第一章绪论1.1 选题背景 从上世纪九于年代开始，随着我国经济建设的迅猛发展和人口的迅速膨胀，公路建设逐渐步入了持续、快速发展的轨道，一种立体纵横、网络棋布的新型道路交通格局正在逐步形成，据统计，到 2004 年底，我国高速公路通车里程已达 3.4 万公里，位居世界第二，全国公路通车总里程达 170 多万公里。在公路为国民经济和社会发展做出巨大贡献的同时，公路的修建及交通的运行也给沿线的物理环境及生态环境带来了许多不利的影响，在一些大、中型城市尤为严峻。由图 1-1 北京市 1985 年至 1996 年交通噪声曲线便可略知一斑。道路交通噪声污染现今已逐步成为我国城市环境的一大公害，严重威胁着人们的正常生活和身心健康。据调查统计，我国大中城市中，1995 年交通干线两侧区域噪声超标的城市达71.4%，全国 2/3 的城市居民生活在噪声超标的环境中。1997 年，在城市噪声源中，交通噪声占 46.8%，社会生活噪声占 28.9%。建筑施工噪声占 5.1，工业噪声占 8.3，其它噪声占 10.9%。目前城市环境噪声主要以交通噪声和社会生活噪声为主。但交通噪声的比例有逐年上升的趋势，近年来已达到 60%以上。据研究测算，中国每年因道路交通噪声污染导致的经济损失约合人民币 216 亿兀。1995 年以来城市居民对噪声的投诉比例占所有环境投诉的 62%，这一比例仍有逐年上升的趋势。随着城市规模的不断扩大和交通的口渐繁忙，道路交通噪声问题会逐渐加剧，并成为制约居民生活质量提高的重要因素。交通噪声还会影响到公路沿线的经济发展。例如，受交通噪声影响严重的房地产、工厂、商厦等地方，它们的经济效益和生产效益都有不同程度的下降，噪声还直接影响到公路周围的土地价值。有资料表明:交通噪声每升高 1 分贝，土地的价格就会下降 0.08%-1.26%，平均 0.9%左右。反过来说，将交通噪声水平降低 1 分贝，则相当于沿线土地增值 0. 9，对于土地批租来说，这是一个可观的数值。国外发达国家非常重视环境保护问题，对公路环境评价做了相当深入的研究工作，特别是美国、口本及加拿大等先进国家，不仅从技术角度，目前从立法角度，形成了较为完善的公路环境防护与影响评价的方法体系在我国，政府管理部门也颁布了交通建设项目环境保护管理办法和公路建设项目环境影响评价规范 ，对公路环境影响评价的方法进行了具体规定。这些规定基本上是借用国外的研究成果，国内目前的研究主要是针对评价参数、指标体系进行校正不调整在大型公路建设项目建设之前，对建成后的交通状况以及噪声的影响进行预测分析，这种交通噪声预测的理论、模式己经比较成熟。但随着公路项目实际运营、交通量和建设情况与预测有所变化，往往按照预测结果进行施工防噪措施的实际降噪效果并不太理想。据 1999 年的初步测算，我国仍有 3390 万人受到公路噪声的影响，其中 2700 多万人仍2在高于 70dB 的噪声严重污染的环境中生活 f2l。目前，项目建成后对公路生态环境影响的研究非常薄弱，同时过去单方面、单因子的噪声预测模式现今将受到质疑。因此，防治公路沿线噪声污染的工作已成为公路、交通、环保部门当前急待解决的首要问题。减少交通噪声，对其进行防治，要从振动源、传播途径、受声点二个方面着手。切断噪声传播途径的方法通常有 2 种，即修建声屏障和种植绿化带，其中修建声屏障造价较高，难于维护，只适用于降噪目标范围小的区域，布设绿化带则是公认的简便易行的方法。从长期可持续发展保护生态环境的角度考虑，研究的精力应逐步转移到如何布设绿化林带，生态防噪的策略上来。2 研究的目的和意义公路绿化是一门综合性较强的自然科学，它与公路美学、建筑学、生物学、环境学、自然地理学等科学，与水、电、路、桥工程及历史、文学、艺术、心理学都有密切的关系，它是国土绿化的重要组成部分，是公路建设中不可缺少的重要内容。国外在公路交通行业，对于公路沿线生态环境的保护与公路的绿化工作是非常重视的 l，公路绿化以往综合考虑生态学功能、美化景观功能、同周边环境协调功能、交通附属设施功能等多功能的完美结合，使公路建设与大自然融为一体。我国交通部门历来都于分重视公路绿化，始终把公路绿化列为公路管理工作的一部分。随着高速公路在我国的大量兴建，公路绿化的模式和建设规模都发生了深刻的变化。从最初的种行道树，到公路边坡绿化，直到高等级公路的中央分隔带、边坡和互通、服务区等全方位、立体式绿化;绿化的设计思想也从单纯的见绿，到GBM 绿化工程要求(即“一路两沟四行树，直到进行景观生态绿化模式的设计和营建;绿化的功能也从较单纯的水土保持功能，到要求兼具交通视线诱导功能，直至发展为追求一种融科学、艺术、园林、生态、环保、美学等多功能集成的绿化美化景观工程。公路绿化具有吸收 C0, N02, S02 等有害气体，滤除灰尘，减少排气污染的作用 ;调节小气候，改善公路环境; 保持水土，维护公路及生态环境 ;具有美化路容、诱导视线和减轻眼睛疲劳等功能，可以减少交通事故的发生;还具有减弱噪声，拟制噪声的作用。公路绿化根据不同的种植目的，可分为景观种植和功能种植两大类，功能种植是通过绿化来达到某种功能上的效果。公路绿化防噪林带是指公路两旁人工栽植的成行列分布，以乔木或灌木为主的林带，是降低公路交通噪声的主要手段之一。利用隔声绿化林带降噪的方法来保护生态环境，是长期可持续改善生态环境的降噪方法，对环境保护的作用于分突出。利用绿化防护等生态保护的措施降低公路噪声是有效、环保的措施之一，在实际的道路建设中，绿化林带的种植方式与噪声的防护效果具有很强的相关性。根据道路建设的情况优化设置绿化林带，能够有效降低噪声污染，为人们的生活提供保障。3 国内外研究概况1.3.1 国外研究国外对绿化降噪的研究起步较早，提出的理论和方法较多，美国对于降噪隔声绿化带的研究由来已久，对隔声植被对噪声的降低效果进行了广泛的测试。如美国的C.F.Eyring、前苏联的 E . II.萨莫柳克、美国国家 C0necti0ut 农业实验站的 D0naldAly0r、澳大利业的 R.Bullen 和 F.Fricke、新加坡国立大学的 S.H.Tang 和工业标准研究院的P.P.0ng、加拿大国家研究会的应用物理所的 T.F. W EVmblet0n 等，但研究的结果有很大差异，甚至有互相矛后的地方。最早真正对绿化降噪作用进行研究并正式发表论文的是美国的 C.F.Eyrig，他于 1946 年在 Jungle Ungle Ac0ustics一文中认为:在绿化林中，距声源为xi, x:米的两点之间声波的衰减量可表示为:3文中仅用一个参数。来计算绿化带的附加衰减，虽然相当简便，但对于林带及地面特征等多种因素对衰减系数的影响，显得过于粗糙，且 无法定性和定量。然而 Eyring 的早期研究对后面学者的研究产生了深远的影响。前苏联的 E.II.萨莫柳克在城市建设噪声控制51(谢德安译)一书中。对前苏联利用绿化防噪进行了一定的理论分析和总结，并在马伊斯捷而和鲁尔别尔格提出的公式基础上，采用下式计算绿化林带的降噪量:公式中由于吸声衰减采用了单位声吸收系数 (定义为树林每米纵深的吸声量) ，使对绿化林带声衰减的计算更加规范和量化，为实际应用打下了基础。萨莫柳克的理论对我国开展的这方面研究产生了很大影响，如我国早期对此进行研究的柳孝图、焦大化和钱德生、郑长聚和洪宗辉等人，都建议采用单位吸收系数 值(dB/m)与有效林带宽度的乘积来计算绿化林带的附加声衰减，我国铁路部门推荐的绿化降噪计算公式基本与此一致。美国人 Ayl0r 于 1972 年提出了植物是一种天然的降噪材料。1973 1976 年间又若干个知名人士对绿化林带降噪设计的原则提出了一些定性的建议，普遍认为，高篱笆墙和林带可以明显降低交通噪声fill 隔声林带必须具有相当的宽度(横向纵深)，才能达到较为显著的降噪效果。Huddart 等人经过试验种植一条 30m 宽的草地隔声林带能够降低交通噪声 4-8dB（A） 。在 Perfate 的研究中，居民住宅的高篱笆墙对噪声也有着显著的降低效果，而且篱笆墙离道路越近效果越明显。美国公众也形成了意识，要求在道路旁边种植降噪绿化植物，有的人甚至自发在住宅周围种上高大的篱笆墙或者树木。在口本，对于新建公路，当其通过居民区时，通常设计有 20m 宽的绿化带。德国、芬兰等也研究了利用绿化林带来控制交通噪声。芬兰的公路绿化是环境政策的一部分。芬兰公路局重视环境保护，做了大量的工作。经过努力，现在全芬兰只有 32 万受噪声影响人口，重要的减噪目标 80 处。芬兰公路绿化有较完善的管理体制。形成了先种树，再修路的模式，因而绿化设计与我国先修路、再种树时采用的规划式绿化形式有很大的不同。因为它们采用的大多数是自然式绿化设计，树木生长更加茂盛，所以有效预防了噪声污染。英国的声屏障检测实验室 C NB TF)也曾经研究过绿化林带对模仿的交通噪声的影响。4并且测试了不同稠密度的松树、金属篱笆墙和柳树等绿化声屏障对噪声降低效果。其中柳树降噪带的效果比较好，15m 宽 3m 高的柳树隔声带可以比不用隔声带降低 7dB。1.3.2 国内研究在国内，虽然公路绿化应用相当普遍，但对公路绿化减噪效果的研究相对较少。公路规划院翟志涛的研究认为，树术能够降低噪音，是由于树术能够将投射到树叶上的噪声反射到各个方向上，树叶的轻微震动使得噪声能量消耗而减弱，据测定，快车道的汽车噪声，在穿过 12m 宽的林带后可以降低噪声 3-SdB，穿过 40m 宽的防护林带时，噪声会 l 泽低10-15dB 。绿化降噪研究成为 2004 年上海科技攻关项目，到 2005 年底，上海市已建成首个减噪绿地。研究人员推荐了 15 种减噪效果良好的植物，10 类可减小噪声 4-10 分贝的植物群落。这说明不同的植物对噪声的减弱效果是不尽相同的。同济大学的姚成等通过对沪嘉公路降噪效果的测试和公路绿化降低交通噪声理伦的分析，得到理论降噪 2.6dB，实际测量降噪 2.9dB。他们还对沪杭高速公路上海段的降噪绿化带进行了设计，并在两个路段进行了工程实施 。上海港环保中心的罗海霞，丁建生通过理论及实际研究复合式绿化林带降噪效果，设想通过在港区边界种植复合式绿化林带来解决港区噪声超标的问题。肖荣波等以 316 国道鄂州段枫杨的单行绿带和其双行绿带为研究对象，同步侧公路绿带旁不同距离的噪声值，分析计算出不同绿带后公路噪声传播的最佳模型。陈振兴等人对不同结构形式的绿篱减噪效果的测试证明，以高中低不同层次的灌木、乔木组成的密集绿篱，其减噪效果最好。丁业超等人对武汉市多处林带的研究表明，利用绿化林带降低噪声，其效果主要取决于林带的能见度和宽度两个因子。张邦俊等在研究道路旁绿化带对交通噪声的影响时，发现它在很大程度上是心理上的，对于同样的噪声，有绿化带环境下的烦恼概率均比无绿化带的环境低，这说明绿化带对环境噪声引起的烦恼有心理上的改善作用 。关于绿化带降噪的若干研究中草坪降噪效果研究很少，本文将以此为出发点，对草坪降噪规律进行研究;针对西北地区绿化林带的结构形式、林带密度、树种与降噪量的关系，林带在垂直空间的降噪效果、林带周年降噪规律及林带对不同频率噪声的衰减效果将在本文中得到进一步研究。第二章声音的特性分析众所周知，声音源于物体的振动，这个振动的物体就称之为声源。声波是一种能量，传播时要经过一定的介质。声波是依靠介质分子振动向外传播能量一一声能的，介质的分子只是振动而不移动，所以声音是一种波动。介质分子的振动传播到人的耳朵，从而引起人耳鼓膜的振动，通过听觉结构的“翻译” ，并发出信号，刺激听觉神经产生声音的感觉。声音具有如下特性2.1 频率、波长与声速2.1.1 频率振动的声源完成一次振动所经历的时间称为周期，记作 T，单位是秒(s)一秒钟内振动的次数称为频率，记作 f，单位是赫兹 (Hz)，它是周期的倒数，即频率是影响声波强度的主要因素之一。2.1.2 波长5声波在传播途径上，两相邻相位质点之间的距离称为波长，记作入，单位是米(m)。2.1.3 声速声波在弹性介质中传播速度称为声速，记作 c，单位是 m/s。声波不是质点振动的速度而是振动状态的传播的速度; 它的大小与振动的特性有关，也与介质的弹性、密度以及温度有关。在空气中，声速与温度的关系如下:声速、波长和频率有如下关系:在一定介质中声速是确定的，因此频率越高，波长就越短。通常室温下空气中的声速为 340m/s（ =15 摄氏度) ，100 至 4000Hz 的声波波长范围大约在 3.4m 至 8. 5 cm 长之间。人耳能听到的声波的频率范围约在 2020000Hz 之间。低于 20Hz 的声波称为次声，高于 20000Hz 的称为超声。次声和超声不能使人产生声音的神经感觉。我们控制噪声的频率应尽量使其频率在 20Hz 以下或 20000Hz 以上。2.2 声波的绕射与反射2.2.1 波阵面与声线所谓的波阵面，即是空间行波在同一时刻相位相同各点的轨迹曲面。波阵面为平面的称为“平面波” ，波阵面为球面的称为“球面波” 。由一点声源辐射的声波就是球面波，但在离声源足够远的局部范围内可以近似地把它看做平面波。所谓声线，表示声波传播的途径，在各向介质中，声线与波阵面相垂直。2.2.2 声波的绕射如果声波在传播过程中遇到一块带有小孔的障碍板时，假如孔的尺度(直径 d)与声波入相比较时很小，小孔处的质点可以近似地看作一个集中的新声源，产生新的球面波。它与原来的波形无关。当孔的尺度大于波长的时候，即 d )入，则新的波形较复杂。从上面的两个例子可以看出，当声源通过障板的孔洞时，并不象光线那样直线传播，而是能绕到障板的背面fU 改变原来的传播方向，在它的背后继续传播，这种现象称为绕射。声源的频率越低，绕射的现象越明显。2.2.3 声波的反射声波在传播过程中，如果遇到一尺寸比波长大得多的障板时，声波将被反射。如声源发出的是球面波，经反射后仍是球面波。同一时刻反射波与入射波的波阵面半径相等，如用声线表示前进的方向，反向声线可以看做是从虚声源发出的。所以利用声源与虚声源的对称关系，以几何声学作图法就能很容易地确定反射波的方向。根据声源与虚声源的对称关系，可以说明反射定律，它的基本内容是:(1入射线、反射线和反射面的法线在同一平面内。(2)入射线和反射线分别位于法线两侧。(3)入射角与反射角相等。2.3 声波的透射与吸收当声波入射到建筑构件(如墙、天花板 )时，声能的一部分被反射，一部分透过构件，还有一部分由于构件的振动，或者由于其在介质内部传播时产生摩擦热fu 被消耗，通常把这种现象称之为材料的吸收。根据能量守恒定律，如果单位时间内入射到构件上的总声能为 E0，反射的声能为Er，构件吸收的声能为 Et，透过构件的声能为 Et，则互相之间有如下的关系 :透射声能与入射声能之比称为透射系数，记作 t;反射声能与入射声能之比称为反射6系数，记作 r，即这里，把 值小的材料称为隔声材料，把 r 值小的材料称为吸声材料。吸声系数可由下式确定:在进行噪音控制时，必须了解各种材料的隔声、吸声特性，从而合理地选用材料。第三章噪声特性及传播机理分析3.1 噪声特性分析3.1.1 噪声的概念噪声是指引起人们不适感而必须用一定措施加以控制的声音的总称。噪声(n0ise)是一种声音认识，具有声音的一切特性。由物体的机械振动而产生，振动的物体称为声源，在通常情况下，声音对人造成了影响，人们往往把那些不希一望听见的声音称为噪声，如建筑噪声、交通噪声等。噪声从物理学角度讲，是各种不同频率和强度的声音无规律的杂乱组合; 从生理学的角度来讲，是大家都不需要的声音。不论机器发出来的声音，还是乐音，只要令人生厌，对人们形成干扰，就被称为噪音。3.1.2 噪声的时间特性按照噪声的时间变化特性fl，可分为四种情况: 若噪声的强度随时间变化不显著，则称为稳定噪声，如电机噪声。噪声的强度随时间有规律地起伏，周期性地时大时小的出现，称为周期性变化噪声，如蒸汽机车的噪声。噪声随时间起伏变化无一定的规律，称为无规律噪声，如街道交通噪声。如果噪声突然爆发又很快消失，持续时间不超过 1s，并目两次连续爆发声之间间隔大于 is，则称为脉冲声，如枪炮噪声等。3.1.3 噪声分类与计量噪声是户外各种噪声的总称。按照声源类别可将环境噪声分为交通噪声、工业噪声、社会生活噪声、建筑施工噪声及其他噪声 5 种fll 。交通噪音是一种特殊的声音，其传播非常复杂，它与交通量、交通组成、道路结构、道路周围的建筑物、地形及路面状况等一系列因素均有关f00l. fml。仅从声速、频率和波长等基本物理量来描述是不够的，还必须引入其它计量单位。在国际上现在较为通用的是声功率、声强和声压以及声压级、声强级和声功率。3.1.3.1 声功率 W声源辐射声波时对外作功，声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声能，符号为W，单位为瓦。声源声功率是指在全部可听频率范围所辐射的功率，或指在有限频率范围所辐射的功率(通常称为频带声功率 )3.1.3.2 声强 I声强是衡量声波在传播过程中声音强弱的物理量。声场中某一点的声强，即在单位时间内，在垂直挥传播方向的单位面积上所通过的声能，符号为 I，单位是 W/m2。73.1.3.3 声压 P声压是指某个瞬时，介质中的压强相对于无声波时压强的改变量，所以声压的单位就是压强的单位，即牛顿/平方米、或帕 (pa)。任一点的声压都是随时间而不断变化的，每一瞬间的声压称为瞬时声压，某段时间内瞬时声压的均方根称为有效声压。3.1.3.4 声压级、声强级、声功率级在有足够的声强与声压的条件下，能引起正常人耳听觉的频率范围约 20Hz 到 20KHz.对频率 1 000Hz 的声音，人耳刚能听见的下限声强为 10-l0W/ m2,相应的声压为 2 X 10-5N/m2;使人感到疼痛的上限声强为 W/ m2,相应的声压为 20N/ m2。可以看出，人耳的容许声强范围为一万亿倍，声压相差也达一百万倍。同时，声强与声压的变化范围与人耳感觉的变化也不是成比例关系的，而是近似地与它们的对数值成正比。(1)级所谓的级是作相对比较的无量纲量。如声压以 10 倍为一级划分，从而可以划分为 10a, 101, 102, 103, 104, 105, 106 等七级。声压比值写成 10a 形式时，级值就是 n 的数值。但这时又嫌过少，所以以 20 倍之，这时声压级的变化为。一 120.,即从上式可以看出，声压变化 10 倍，于声压级变化 40 分贝。声压变化(2)声强级声强级是以 10-12W/m2 为参考值，相当于声压级变化 20 分贝，声压变化 100 倍，相当 1000 倍，则相当于声压级变化 60 分贝。任一声强与其比值的对数乘以 10，单位为分贝，即(3)声功率级声功率以“级”表示便是声功率级，单位也是分贝。即:8这里的声强、声压级、声功率级均是无量纲的量。只是相对比较的值，其数年值的大小与所规定的参考值有关。(4)声级的叠加当有几个不同的声源同时作用于某一点时，该点的总声强是各个声强的代数和，即:而它们的总声压(有效声压)是各声压的均方根值，即:当有 n 个相同的声源同时发声时，总声压级应为:声压级、声强级叠加时，不能进行简单的算术相加，而要求按对数运算规律进行。例如，n 个声压相等的声音，每个声压级为 n 20 1g p/p0, 而应为:从上式可以看出，两个数值相等的声压级叠加时，只比原来增加 3dB, 而不是增加了一倍，如 100 dB 加 100 dB 只是 103 dB, 而不是 200 dB。这一结论同样使用于声强级与声功率级的叠加。93.1.4 噪声的主观量度人耳对声音的感觉不仅与声音强度有关，还与声音的频率特性有关。在可听声频率范围内，人耳对高频声感觉灵敏，对低频声感觉迟钝。可见，声压、声压级等物理量只能反映声音在物理上的强弱，不能表现人对声音的主观感觉。噪声最终作用在人耳上，按照人对噪声的心理和生理特点，引出相应的主观量度，确定噪声的物理量与人的主观听觉之间的关系更为重要。3.1.4.1 响度、响度级与等响曲线响度级的确定是同基准音比较得出的。国际标准化组织规定:以 1 000HZ 纯音为基准，当噪声听起来与该纯音一样响时，其噪声的响度级就等于该纯音的声压级。响度级用符号LN 表示，单位为“方” 。由于响度级在确定时，考虑了人耳特性，并将声音的强度下频率用同一单位一响度级统一了起来，既反映了声音客观物理量上的强弱，以反映了声音主观感觉上的强弱。利用与基准音相比较的方法，可以得到整个可听范围内纯音的响度级。如果把响度级相同的点都连接起来，便得到一组曲线簇，即等响曲线。 。在等响曲线的每一条曲线上，尽管各个噪声的声压级和频率各不相同，但是听起来同样响，即具有相同的响度级。3.1.4.2 噪声的表示方法(1)等效连续 A 声级由于 A 计权声级以等响曲线为基准，将人耳对噪声的主观感觉与客观量度较好地结合起来，评价连续的稳态噪声与人的感觉相吻合，得到了广泛应用。对非稳态噪声，如交通噪声，随车流量呈现起伏或不连续变化，提出了用一个在相同时间内声能与之相等的连续稳定 A 声级表示该时段内不稳定噪声的声级，即用等效连续 A 声级来评价不稳态噪声对人的影响。等效连续 A 声级用符号 Leg 表示，单位为 dB，它反映了在噪声起伏变化的情况下，噪声受者实际接受噪声能量的大小。2)统计声级等效连续 A 声级解决了用一个数值表示不稳态噪声大小的问题。但对噪声能量进行平均后难以看出噪声的起伏变化情况，可使用统计的方法来解决这一问题，即使用统计声级。在规定测量时间 T 内，有 N%时间的声级超过某一 Lra 值，该值叫做统计声级。通常用 LN表示。交通噪声常采用统计声级作为评价量。常采用 L10“ L50“ L90 二个统计值，其中L10 表示 10%的时间超过此声级，相当于噪声的平均峰值 ;L50 表示 50%的时间超过此声级，相当于噪声的平均值;L90 表示 90%的时间超过此声级，相当于噪声的本底值。(3)噪声的频谱噪声除强度不同外，也有音调的高低之分。声强、声压、声功率是衡量噪声强度的物理量，而音调是人对声音的主观感觉。音调高低与声的物理特性一一频率相关，即声源振动的快慢( 频率)决定了辐射出来的声音的音调的高低，频率越大，音调越高。所以在同一声压级下，前者听起来比后者音调高，感觉更加响一些。可见，仅用强度衡量噪声是不够的，还应对噪声的频谱进行研究。把宽广的声频范围划分为若干较小的段落，叫做频带