（载运工具运用工程专业论文）城市道路交通噪声的评价与预测研究.pdf

摘要 摘要 随着科技的进步和经济的发展，城市道路建设也日趋完善，各类车辆数量 急剧上升，这些在给经济的发展、人们的生活带来方便的同时，也给沿线的物 理环境和生态环境带来许多不利影响，引起了一系列的环境问题。特别是由机 动车辆产生的城市道路交通噪声，严重地威胁着人们的正常生活和身心健康， 也越来越受到人们的普遍关注。本文将以环境工程、预测科学、声学等有关领 域的基础理论及最新研究成果为基础，通过收集石家庄市北二环路实际调查数 据，针对道路两侧交通噪声污染现状，交通噪声影响因素及现有道路交通噪声 预测模型等开展系统、深入的研究。本文的工作有以下四部分： ( 1 ) 通过对单个车辆在匀速行驶时噪声辐射强度的实际监测，分析单个机动 车辆匀速行驶噪声级与车速的相关关系：并与原有单车噪声辐射预估模型进行 对比，验证了以往经验模型与实际情况有明显的差异，探索了机动车噪声强度 降低的原因。最后，结合实测数据，在统计意义上获得了小、中、重型车辆噪 声辐射强度预估模型。 ( 2 ) 以石家庄北二环路为例，采用l e q 、l 1 0 、l m , 等评价参数，考察了城市道 路两侧噪声的时间特性、空间特性、统计特性、噪声的起伏、噪声的能量级别 以及超标情况等，全面分析了各种因素对交通噪声的影响效果。 ( 3 ) 应用实测结果与现有交通噪声预测模型进行了对比验证，在此基础上， 借鉴和参考国内外已有的交通噪声预测模型，运用能量叠加原理，引入等效系 数方法，对道路交通噪声预测模式进行了进一步的改进。同时，综合考虑了路 面坡度、交通量、地面植被及路面类型修正等，建立了适合我国城市道路交通 噪声预测模型。 ( 4 ) 开发了基于v b 的道路交通噪声预测系统，该系统不仅具有预测功能，还 可为各种道路交通噪声控制方法提供科学、可靠的依据。 关键词：交通噪声，噪声评价，噪声预测 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h es c i e n t i f i ca d v a n c e m e n ta n de c o n o m i c a lg r o w t h ，t h ec o n s t r u c t i o n o fu r b a nr o a da n dt h eq u a n t i t yo fv e h i c l ed e v e l o pr a p i d l y , w h i c hh a sb r o u g h tu sn o t o n l yc o n v e n i e n c et oe c o n o m i c a ld e v e l o p m e n ta n dp e o p l e sl i f e ，b u ta tt h es a n l et i m e b a de f f e c to np h y s i c a la n de c o l o g ye n v i r o n m e n t ，r e s u l t i n gi nas e r i e so fe n v i r o n m e n t p r o b l e m s p a r t i c u l a r l y , t h et r a f f i cn o i s eo fu r b a nr o a dc a u s e db ya u t o m o b i l e sh a s s e r i o u s l ya f f e c t e dp e o p l e sn o r m a ll i f ea n dp h y s i e a la n dm e n t a lh e a l t h ，a n da r o u s e d r i f ea t t e n t i o n t h i sp a p e r , b a s e do nt h eb a s a lt h e o r ya n dn e wr e s e a r c hr e s u l to f m u t u a l i t yd o m a i n si n c l u d i n ge n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ，p r e d i c t i o ns c i e n c e ，a n d a c o u s t i c s ，b yg a t h e r i n gt h ed a t ao fp r a c t i c a li n v e s t i g a t i o n ，m a k e sas y s t e m i ca n d p r o f o u n ds t u d yo nt h et r a f f i cn o i s ep o l l u t i o nc o n d i t i o no fu r b a nr o a d ，t h ee f f e c t f a c t o r s a n dt h er e c e n tp r e d i c t i o ns y s t e mf o rt r a f f i cn o i s e t h e r ea r ef o u rp a r t si nt h e t h e s i s f i r s t l y , t h ep r a c t i c a lr a d i a ln o i s el e v e lo fs i n g l em o t o rv e h i c l ew h i c hi so nu n i f o r m v e l o c i t yw a sm e a s u r e d i tc e g i f i e st h a tt h er a d i a ln o i s el e v e lo fs i n g l em o t o rv e h i c l e h a sl i n e rr e l a t i o n s h i pw i t ht h ev e l o c i t y i tp r o v e st h eo b v i o u sd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e o l dm o d e la n dp r a c t i c a lc o n d i t i o nt h r o u g hc o m p a r i s o n ，e x p l o r e st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r f o rt h ed r o p p i n go fn o i s el e v e l a tl a s t ，w i t hal a r g eq u a n t i t yo fd a t a , i ta c q u i r e s s t a t i s t i c sp r e d i c t i o nm o d e lo f s m a l l ，m e d i u ma n dl a r g ea u t o m o b i l e s s e c o n d l y ，t h i sa r t i c l et a k e ss h i j i a z h u a n g b e i e r h u a nr o a da sa ne x a m p l ef o rs t u d y ， t h ea s s e s s m e n tf a c t o r so fl e qo rl l o a n dka r ea d o p t e dt or e v i e wt h ev a r i a n t c h a r a c t e r i s t i c ( s u c ha st r a f f i cn o i s e st i m er e s p o n s e ，s t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，a n d s p a c ec h a r a c t e r i s t i c s ) ，t h en o i s eu n d u l a t e ，t h en o i s ee n e r g y , a n dt h ee x c e s sc o n d i t i o n a l lk i n d so f s u b j e c t i v ef a c t o r se f f e e t i n gn o i s ea l ea n a l y z e d a f t e rt h a t ，a p p l y i n gt h ec o n t r a s tr e s u l t sb e t w e e np r a c t i c a ld a t aa n dp r e d i c t i o n ，o n t h eb a s i co ft h e s ep r a c t i c a ld a t a , a c c o r d i n gt ot r a f f i cn o i s ep r e d i c t i o nm o d e li no u r c o u n t r ya n da b r o a d ，u s i n gt h ea d d i n gt h e o r yo fe n e r g yb ys t u d y i n gt h ec o m i r l o n m e t h o d ，i ti m p r o v e st h et r a l 陌cn o i s ep r e d i c t i o nm o d e lo fu r b a nr o a d b e s i d e st h i s ， c o n s i d e r i n gt h ea m e n d i n go fg r a d i e n t ，t r a f f i eq u a n t i t y , g r a n dc o v e r i n g ，a n dr o a d w a y n a t u r e ，t h et r a f f i cn o i s ep r e d i c t i o nm o d e la d a p t i n go u rc o n d i t i o na r ee s t a b l i s h e d f i n a l l y , t h ep r e d i c t i o ns y s t e ms o f t w a r eo ft r a f f i cn o i s ei sc o n t r i v e d ，w h i c hn o t o n l yh a v ep r e d i c t i o nf u n c t i o nb u ta l s os u p p l ys c i e n t i f i ca n dt r u ed a t af o rc o n t r o l l i n g m e t h o d so f t h et r a f f i en o i s eo f u r b a nr o a d k e yw o r d s ：t r a f f i cn o i s e ，n o i s ee v a l u a t i n g ，n o i s ep r e d i c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签 名：霎丝导师签名：蹲1 日 期：丝i ：， 第一章绪论 1 1问题的来源与意义 第一章绪论 随着科技的进步和经济的发展，城市道路建设也日趋完善，一种立体纵横， 网络棋布的新型道路交通格局正在形成，城市的各类车辆数量急剧上升，这些 在给经济的发展、人们的生活带来方便的同时，也给沿线的物理环境和生态环 境带来许多不利影响，引起了一系列的环境问题。特别是由机动车辆产生的城 市道路交通噪声，由于其声级较高、污染范围广、公众抱怨情绪大，与空气、 水质污染同样，严重地威胁着人们的正常生活和身心健康，也越来越受到人们 的普遍关注，自2 0 世纪7 0 年代以来噪声污染就被列为城市环境的三大公害之 一，环保专家称之为城市的无形杀手1 1 1 。 城市道路交通噪声的危害主要表现在以下几个方面【2 】： ( 1 ) 噪声影响人体健康，如听觉疲劳、听力损伤、视力下降、内分泌疾病以 及心血管方面的疾病等。 ( 2 ) 噪声影响人们的工作和正常活动。 ( 3 ) 噪声容易引发交通事故。研究资料表呼”，高振动和高噪声易使司机疲劳， 思维发生紊乱和注意力分散，从而引发各种交通事故。 ( 4 ) 噪声还能导致临街房地产使用价值以及机动车辆商品价值的下降 4 1 。 可以预见，随着今后城市规模的不断扩大、城市交通的日渐繁忙，城市道 路交通噪声问题会进一步加剧并成为制约城市人居环境质量提高的一个重要因 素。因此，城市道路交通噪声分析预测是目前环境、交通、声学等领域较为活 跃的研究课题，对提高人民生活水平和保护人民身体健康有着极其重要意义。 1 2 国内外研究现状及发展方向 1 2 1 国内外研究现状 对道路交通噪声的工程性研究大约产生于2 0 世纪6 0 年代，直接引起的原 第一章绪论 因是发达国家的城市化和机动车的迅速增加引起抱怨增加。从一开始这种研究 主要集中在四个方面1 5 】：一是噪声对人的影响以及评价指标；二是噪声传播规律 的研究；三是噪声的生成机制的研究；四是建立在上述三个方面研究成果基础 上，并结合其他相关技术的噪声控制策略与降低技术的研究。其中针对道路交 通噪声传播规律的研究主要包括实测分析方法和间接分析方法( 理论计算方法、 经验模型方法) 。 ( 1 ) 道路交通噪声的实测分析方法。 实测分析并建立声场与相关条件之间的关系，是声学和噪声研究使用最早 的也是最基本的方法【6 1 。早在7 0 年代，世界上许多国家和地区就很重视交通噪 声的评价研究【_ ”，g r i f i e t h s l d 和e j l a n g d o n 等人在伦敦西北的1 2 个噪声现场 调查了交通噪声污染和公众对交通噪声刺激的主观反映，得出公众的不满意率 与三l o 和三9 0 的组合项( 交通噪声指数) 之间有较好的相关性，相关系数为o 8 8 。 g a c i a 等在西班牙7 个主要城市5 0 多个固定监测点进行了长达2 0 年共4 2 0 0 多 个小时道路交通噪声实际监测，在此基础上，分析了西班牙主要城市城区交通噪 声的时间变化特性。a x a n a 等在1 8 5 个监测点对西班牙p a r n p o n a 市主要居民区 进行了交通噪声2 4h 连续监测，并结合4 9 6 份居民调查问卷，分析了该市居住 区交通噪声的总体状况和时间分布，发现有5 9 的居民生活在昼夜等效连续一 声级超过6 5d b a 的环境中。l a m 等对中国香港荃湾区2 1 个居住小区超过3 90 0 0 个居住单元的交通噪声l t 0 用c r t 8 8 模型进行了预测，结合3 0 9 个实测点的监 测数据，分析了该区交通噪声状况，发现最少有5 5 的住户交通噪声三加超过7 0 d b ，2 超过8 0d b 。b r o w n 等详细研究了城市不同功能区交通噪声评价的监 测布点原则、分析方法及评价指标。在澳大利亚s y d n e y 、m e l b o u r n e 等1 1 个大 城市用c r t n 8 8 模型进行了交通噪声预测，并结合2 6 4 点交通噪声监测结果， 分析了该国城市交通噪声状况。b r o w n 等人还在4 6 2 5 个居住单元交通噪声实测 的基础上，采用c r t n 模型预测了澳大利亚l o g a n 市城区4 1 7 5 8 个居住单元的 交通噪声的“、三l o ，上跏，结果表明其中1 1 以上( 4 1 7 5 8 中的46 7 4 个) 居民生活在交通噪声严重超标环境中。h e n g 、h o n o 、o n g 、m e n u l t y 等人也在 大量实测数据的基础上，对新加坡、马来西亚、日本、韩国的城市交通噪声状 况作了客观的评价。 我国城市环境噪声污染的研究起步比较晚。2 0 世纪7 0 年代以前，我国噪声 研究侧重工业噪声，研究领域主要集中在消声、吸声、隔声等方面( 5 1 。7 0 年代， 2 一 第一章绪论 中国科学院声学研究所等单位对全国七十多个城市环境噪声进行了调查，并在 此基础上提出了一些评价指标和噪声环境标准，但这一时期我国城市环境噪声 研究仍停留在普查阶段，噪声治理研究尚处在试点范围川。改革开放以来，我国 的城市环境噪声污染研究步入了快速发展期。当前，城市交通噪声监测采用定 点的方法，由于这种方法工作量大，人力、物力消耗多。因此，许多学者对噪 声监测布点的优化进行了研究，通过减少实测数据，应用数理统计学和不确定 性数学原理解决这一问题。赵彦淑等人把工程数学数理统计中的抽样论运用到 优化噪声监测布点，通过确定实际测点数目、取样点数目的分配和点位优化数 学模型达到减少测点的目的1 8 】。于连生等用模糊数学中的最大矩阵元法和费歇尔 最优分割法解决众多噪声测点优化问题 9 1 。马东生等人采用灰色理论关联度分析 法研究了朝阳市市区交通干线两侧环境噪声测点优化，将测点数由原来的9 个 减到了3 州1 0 l 。李生文等人采用多元统计主成分分析法优化确定等效声级为优 化布点的基础，对鞍山市环境噪声监测方法进行模糊批判优化和系统分析，选 出基本符合情况的优化点【“j 。陈向党和陈光华运用数理统计方法对城市环境噪 声达标区网格监测资料进行了分析研究，从而确定出小型区域环境噪声网格监 测的最佳测点数【l ”。同时，也有不少学者对噪声监测过程中影响因素、数据处 理和噪声监测的时效性、以及噪声环境评价方法进行了一定的探讨和研究。徐 福留等人将模糊聚类与层次分析相结合，提出多级模糊综合评价法【1 2 】，该方法 采用层次分析法，较好的解决了各评价要素的权值分配问题，并且在宣州市进 行了实际验证。周志龙对噪声冲击指数法在城市环境噪声评价中应用、存在问 题等内容进行了详实的探究【”。 ( 2 ) 道路交通噪声的理论计算方法1 1 3 1 。 对动态、复杂、运动噪声源产生的任意接收点处的声场估计，一直是这一 领域研究的热点问题。在过去的1 0 0 多年里，声场理论解算方法得到了很大的 发展。一些简单( 理想) 条件下的声场严密求解问题被解决。这些简单理想条 件下的理论解虽然不多，但他们是分析问题的重要依据。已找到严密解的情况 例如，各向同性点声源的声场；偶极子的自由声场；自由空间恒稳线声源的卢 场；平面及在两均质介质无限大分界平面上的反向和透射声场；平面声波穿过 无限大平面等厚均质介质的透射声场以及室内稳定混响声场院( 赛宾公式) 等。 硬平面上直立矩形面存在时的直达声和反射声场的严密计算方法被提出。如用 于模拟道路交通噪声在街巷内传播的稳恒线声源在帽水平面与直立面围成的廊 第一章绪论 道内的声场模型；用于模拟由建筑物形成的平行街道内的交通噪声以及硬平面 上无限长直等高平面边界条件下的点声源声场模型；以及用于模拟道路平行声 屏障插入损失的无限大硬平面上两无限长等高平行平面间的点声源的“谷”外 声场等。某些理想条件下的声场严密数学模型只能用近似方法求解或者根本无 法求解。这类模型由于是在理论假定下推倒的，它的“严密性”往往只是数学 上的。将它们用于真实条件会存在理论误差以及条件描述误差等。在实际问题 中一般是将真实条件作简化或理想化后直接使用这些理想模型。因此它们对于 声场的理论研究与实际问题的解决是必须的。 ( 3 ) 道路交通噪声的经验模型方法。 随着人们对环境质量的要求不断提高和环境质量调查的逐步细化，交通噪 声污染状况调查的耗资也逐渐增多，而定点实测获得的数据有时也很难保证典 型性和客观性，所以交通噪声的预测研究日益被各国所重视，各国相继开发了 基于当地实际情况的道路交通噪声预测模型【m 1 8 1 。主要有美国联邦高速公路管 理局( f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ) 于1 9 7 8 年1 2 月发布的f h w a 1 5 1 高速公 路交通模型。该模型以等效连续一声级t e q a 为评价指标，自发布以来经过数次 改进，现已日趋完善并在许多国家得到广泛应用。英国交通部( u k d e p a r t m e n t o f t r a n s p o r t ) 于1 9 7 5 年发布了c r t n 模型【1 6 1 ( c a l c u l a t i o no f r o a dt r a f f l en o i s e ) ， 1 9 8 8 年又发布了其改进的c r t n 8 8 。该模型以交通噪声峰值厶。为评价指标，自 发布以来在所有的英联邦国家和中国香港地区广泛应用，并成为这些国家和地 区法院在处理有关交通噪声诉讼案件时唯一认可的标准模型。德国交通部公路 建设司( r o a dc o n s t r u c t i o ns e c t i o no f t h ef e d e r a lm i n i s t r yf o rt r a n s p o r t ) 分别于 1 9 8 1 年和1 9 9 0 年发布了r l s 8 1 模型及其改进的r l s 9 0 模型1 1 7 1 ，该模型以等效 连续爿声级l e q a 为评价指标，共包括声源模型和声传播模型两个子模型。法 国、奥地利、瑞士、丹麦、芬兰、挪威、瑞典、意大利、日本、西班牙、新加 坡、泰国也都相继发布了自己的道路交通噪声预测模型。 目前，国内很多学者在城市交通噪声预测方面做了大量的研究工作【1 9 l ，建 立了相应的噪声预测模型。城市交通噪声预测方法，主要可归纳为两大类。一 类是根据不确定性数学原理，引用统计分析方法提出的预测方法。这类方法以 实测数据在时问序列上的规律为基础，应用时不受噪声的物理机制和周边环境 条件限制，但预测模型公式使用的局限性很大。随着信息处理系统和技术的发 展，这类预测方法也在不断的完善。林志周，周国玲等运用灰色系统的理论模 一4 一 第一章绪论 型对城市环境噪声进行综合预测；张继萍，吴硕贤【l9 】等研究了人工神经网络在 道路交通噪声预测中的应用。另一类是根据噪声产生与传播的物理原理所提出 的理论计算预测方法，这类方法受噪声源和传播介质的限制大，不一定符合理 想的泊松流和自由声场或半自由声场条件，而且参数众多，有较为复杂的表达 式。但这类以预测为主、实测验证的方法而建立的预测模型能和先进的地理信 息系统技术结合，具有预测、分析、评价、空间查询等功能，是许多国家目前 所采用的主要方法。我国以往研究多以介绍和分析国外预测评价模型为主，对 建立符合我国实际环境状况、环境标准的预测模型的研究报道比较少。 任何通用的预测模型都有各自的适用范围和缺陷1 5 】。首先是预测精度误差问 题，这是衡量道路交通噪声预测模型最重要的方面，预测误差一般由平均误差 误差r m s 表示。误差来源于模拟误差、计算误差等。f h w a 模型预测的误差 为- 0 8 士2 0d b ，c o r t n 8 8 模型预测的误差为0 2 - q ：2 0d b 。一般情况下，当预测点 到声源距离适中时，预测结果可以达到模型发布时公布的误差精度，且道路车 流的车型、车龄、车况、轮胎类型、路面状况在不同地区、不同时间差异甚大， 这使得预测模型在其它地方使用预测精度会有一定程度的降低。其次是预测模 型与实际交通状况的失真现象。f h w a 模型没有考虑道路坡度和路面类型对声 源强度的影响，这明显不符合实际情况：没有考虑空气温度、湿度、风以及多 重反射对噪声传播特性的影响，在地面覆盖系数a 的确定上过于简单。c o r t n 模型在计算因声屏障而产生的声程差时，采用的是预测点到线声源和声屏障的 垂直距离，也具有明显的缺陷；该模型在计算墙体反射修正时仅考虑相对预测 点位于道路另一侧的反射面，且仅考虑一次反射，处理方法过于简单；没有考 虑交通中断情况，评价指标没有等效声级。r l s 9 0 模型考虑了车速、气象条件、 路面性质及噪声在道路旁边隔声设施间的多重反射，非常适用于路旁隔声设旌 的效果评估；但它在考虑地面吸收衰减时没有考虑软硬地面的区别，即不考虑 地面的阻尼系数和地面植被导致的逾量衰减，当预测点到声源距离较大时，预 测误差较大。现有的预测模式在考虑声屏障引起的噪声衰减时，没有考虑吸声 声屏障的吸声效果，仅仅作为一个刚性表面看待，即忽略透射仅考虑反射和衍 射的情况，这也不符合实际情况。 1 2 2 道路交通噪声的发展方向 从以上研究报道看嘲，早期城市区域交通噪声大多采用实际监测采样或经验 一5 - 第一章绪论 模型预测的方法。然而，对城市道路交通噪声而言，一方面，实测只能用于评 价已有交通道路的噪声影响，对于在建或规划中的道路则无能为力，且交通噪 声实测考虑仅仅代表测量时的噪声状况，而该段时间未必就有代表性；另一方 面，预测可以根据需要用一天平均交通流量成一定时间段内最大流量，求出相 应的一天的等效声级和一定时间内的最大噪声级，但是，以往的经验模型都存 在一定的缺陷与不足，预测精度难以保证。因此，通过采用国内外成熟的预测 模式和实际监测数据相结合的方法，利用现代技术和信息系统为工具，全面表 征城市道路交通污染水平与空间分布，以为城市区域环境综合治理，城市规划 与建设，政府决策提供理论依据，更好的控制道路交通噪声应该是今后的发展 方向。 1 3 本文的主要工作和创新点 1 3 1 本文的主要工作 城市道路交通噪声环境影响评价及预测技术研究是一个跨学科的研究课 题，涉及到交通运输工程、环境工程、预测科学、声学等领域。本文将以环境 工程、预测科学、声学等有关领域的基础理论及最新研究成果为基础，通过收 集石家庄市- l - - 环路实际调查的数据，针对道路两侧交通噪声污染现状，交通 噪声影响因素及现有道路交通噪声预测模型等开展系统、深入的研究。 第一章绪论中，阐述了城市道路交通噪声分析预测的重要意义，介绍了城 市道路交通噪声分析预测的研究进展与不足，总结了本文的主要研究内容与创 新点。 第二章主要介绍了主要介绍了有关交通噪声的基本知识，包括噪声的定义、 传播、分布规律、评价量、评价标准以及测量技术等。 第三章介绍了单一机动车辆噪声的组成及其常用分析方法。通过对石家庄 北二环路各种类型的单个车辆在不同的载荷下以不同的速度匀速行驶时的不同 噪声辐射强度的监测研究，验证现有经验模型与实际情况有明显的差异，探索 了机动车噪声强度降低的原因。最后，结合大量实测数据，利用自回归分析建 立了新的机动车单车噪声辐射强度预估模型。 第四章介绍了道路交通噪声的产生、特点、监测方法和常用的预测模型。 一6 一 第一章绪论 以石家庄市北二环路为例，根据交通状况和道路环境特征布设十个测点作为交 通噪声监测点，以交通噪声的等效连续声级、累积百分比声级、噪声污染级为 评价指标，对每一测点从8 ：o o 1 8 ：o o 进行实时监测，分析研究道路交通噪声 空问特性、统计特性、时间特性等。在此基础上，与现有交通噪声预测模型进 行了对比验证，并借鉴和参考国内外已有的交通噪声预测模型，运用自回归分 析、统计方法、综合评价相结合等方法建立了适合我国城市道路交通噪声预测 模型。 第五章是结合改进了的道路交通噪声预测理论，开发了基于v i s u a lb a s i c 语 言的城市道路交通噪声预测软件，实现数据载入，道路交通噪声的各项修正， 道路交通噪声的预测、输出、等功能。采用在石家庄市北二环路所测得的交通 特性数据进行实例分析，详细说明软件的功能和使用方法。 第六章则总结了取得的研究成果，并指出了存在的问题和今后的研究方向。 1 3 2 创新点 主要创新点有： ( 1 ) 根据石家庄北二环路交通噪声源的实测数据，对石家庄道路交通噪声源 辐射强度作了客观的评价；获得了小、中、重型车辆单车交通噪声源强与车速 的数学模型，这些关系式不仅可用于石家庄市道路项目环境影响评价中，对全 国其它城市的道路项目环境影响评价也具有参考价值。 ( 2 ) 本文采用三。l l o 、厶岬等评价参数，考察了城市道路两侧噪声的起伏、 噪声的能量级别和超标情况，全面分析了各种因素对交通噪声的影响效果，获 得了第一手的数据，为相关人员进行城市道路交通噪声研究提供了参考资料， 也为石家庄市城市规划和北二环路的降噪提供了依据。 ( 3 ) 与现有交通噪声预测模型进行了对比验证，并借鉴和参考国内外已有的 交通噪声预测模型，运用自回归分析、统计方法、综合评价相结合等方法建立 了适合我国城市道路交通噪声预测模型。 ( 4 ) 开发了基于v i s u a lb a s i c 语言的城市道路交通噪声预测软件，该软件不仅 可以实现城市道路交通噪声的预测功能，还可为不同的噪声控制策略提供科学、 有效的依据。 7 第二章噪声的基本理论 第二章噪声的基本理论 人们生活在充满着各种声音的世界里，生活离不开声音。判断一总声音是 否属于噪声，很大程度上取决于接受者的主观因素。什么是噪声，概括起来， 凡是使人烦恼不安，对人体有害，人们所不需要的声音统称为噪声。 2 1 噪声的基本知识 2 1 1 噪声在空气中传播 声源振动辐射的声波在媒质中传播时，在某一时刻声波到达的各点所形成 的包迹面称为波阵面。根据波阵面的形状，可以将声波分为平面波、球面波和 柱面波。由于点声源辐射的声波为球面波，如当一辆汽车的尺度远小于其到观 察点的距离时，可视作为点声源。线声源辐射的声波为柱面波，如一列火车或 公路上的车流，可堪称线声源。媒质中有声波传播的区域叫声场，声波传播无 边界影响或边界影响可以忽略的区域称为自由声场【2 0 1 。 ( 1 ) 声波的声速、波长与频率。 声波在媒体中传播的速度称为声速，习惯用符号c 表示，单位是r r g s 。声速 与声源的性质无关，而与媒质的弹性、密度及温度有关。在空气中声波的传播 速度为 c= ( 2 - i ) 式中，占空气的体积弹性模量，n m 2 ； 尸空气的密度，k 。m 3 。 在声波传播过程中，空气中的压强和密度发生迅速变化，该变化近似绝热 过程。根据理想气体绝热方程，声速表达式( 2 1 ) 演化为 r 一皿r 。一、了 一8 一 ( 2 2 ) 第二章噪声的基本理论 式中，气体的定压比热与定容比热的比值，对于空气( 双原子气体) y = 1 4 0 ； r 普适气体常数，r = 8 3 1j ( m 0 1 k ) ； 丁空气的绝对温度，k ； 空气的摩尔质量，在标准状态下，= 2 8 7 1 0 _ 2 k g m o l 。 将上述各项常数代入式( 2 ，2 ) ，得空气中声速于温度得关系如下式。由此， 在常温下( 口；1 5 。c ) 声速仁3 4 0 m s 。 c = 3 3 1 4 l + 去硝3 1 4 + o t 6 0 7 目( 2 - 3 ) 波声传播路径上，两相邻同相位质点之间的距离称为波长，记作五，单位为 m 。声波传播一个波长所需的时间称为周期，记作丁，单位是秒( s ) 。周期的倒 数称为声波的频率，记作，单位为上出。声速与波长、频率有如下关系 c = 形或c = ( 2 - 4 ) 人耳能感觉到的声波频率( 称音频) 范围在2 0 2 0 0 0 0h z 之间，其对应的 波长范围为1 7 o o 0 1 7m 之间。低于2 0h z 的声波称为次声波，高于2 0 0 0 0h z 的称为超声，次声和超声不能使人耳产生听觉。 ( 2 ) 声波随传播距离的衰减。 噪声在空气中传播时，由于波阵面随传播距离而扩张，使声压( 有效声压) 相应衰减。声压级的衰减量表示如下 她= 2 0 l g 尘( 点声源) ( 2 5 ) 1 0 1 9r o ( 蝴) 式中，厶声压级随传播距离的衰减量，d g 由式可见，点声源辐射的声波 传播距离加倍时，声压级衰减6d b ；线声源辐射的声波传播距离加倍，声压级 衰减3d b , 参照点距离声源的距离，m ； r 接收点距噪声源的距离，i n 。 一9 一 第二章噪声的基本理论 ( 3 ) 空气对声波的吸收。 空气对声波的吸收由两部分组成：一是由空气的粘滞性、热传导及空气分 子转动弛豫等因素产生的声能量损耗，称为经典吸收，一般可忽略不计：二是 由空气中氧分子和氮分子振动弛豫产生的声能量损耗，称为分子吸收，分子吸 收与空气的温度、湿度及声波的频率有关。空气吸收产生的声压级衰减量可表 示为a ( r t o ) ，口为空气的声压级衰减系数，单位为d b i n 。空气中声压级衰减 系数的实验值可参考有关手册。在噪声控制中，当声波的频率不太高( 低于 2 0 0 0 h z ) 时，空气吸收衰减可忽略不计。 ( 4 ) 地面吸收的附加衰减。 地面吸收对噪声的附加衰减量，取决于地表性质、植被类型等。对于灌木 丛和草地的衰减量可用下式估算 a 如= ( o 1 8 1 9 f 一0 3 1 ) r( 2 - 6 ) 式中，厶地面吸收对噪声的附加衰减量，d b ： 厂噪声的频率，h z ； r 噪声在草地或灌木丛上衰减的距离，m 由上面讨论可见，在自由声场条件下如距噪声源r o ( 参照点) 处的声压级为 厶，则距离r ( 接受点) 处的声压级助为 二p = 厶+ 1 0 l g ( r 。) 。一口( ，一，0 ) + r 2 1 2 噪声的计量 2 0 t gr 。( ) r ( 2 7 ) 1 0 l g 鱼( 线声源) ， 噪声的主要参数有：频率，声压，声强，声功率和方向系数等。但在实际 测量中常采用这些参量的相对值，如：声强级、声压级和声功率级等【2 ”。 2 1 2 1 声功率、声强和声压 ( 1 ) 声源的声功率。 声功率是声源在单位时间内辐射的总声能量。声功率用表示，单位为w 。 一1 n 一 第二章噪声的基本理论 定义为 式中，卜_ 声强，w m 2 ； w ：c f 胁 j f 一围绕声源的传播面积，m 2 。 ( 2 ) 声强。 声强是在垂直于声波传播方向的单位面积上、 与声压的关系为 ，：鱼 单位时间内通过的能量。它 ( 2 - 9 ) 式中，p 介质密度，k g m 3 ； c 声音在介质中传播的速度，m s 。 乘积肼称为声阻抗率。与听闽声压、痛闽声压相对应的听阈声强为： 1 0 m w ，m 2 ，痛闽声强为：1 w m 2 。 ( 3 ) 声压。 介质中有声波传播时与无声波时相比，介质内最大的压力变化称为声压。 一般测量声压的均方根值，即 = 柠m f ) a t ( 2 - l o ) 式中，卜积分时间( 平均时间) ，h ； 卜介质内压力变化值，p a 。 2 1 2 2 声强级、声压级、声功率级 从听阈到痛阈，声压的绝对值数量级之比是1 0 6 ：l ，即相差1 百万倍，声 强的绝对值之比是1 0 1 2 ：l ，即相差亿万倍。用声压的绝对值表示声音的强弱， 或用声强的绝对值表示能量的大小很不方便，在声学中采用对数标度，即用“级” 来度量声压和声级，称为声压级、声强级和声功率级。 ( 1 1 声压级。 声压级以符号岛表示，其定义为 第二章噪声的基本理论 三，= z 。l g 万p 式中，p o = 2 0 1 0n m 2 为基准声压。 ( 2 ) 声强级。 声强级用符号三i 表示，其定义为 扣s 毒 式中，l o - 1 0 “w m2 为基准声强。 ( 3 ) 声功率级。 声功率级用符号l w 定义为 铲川g 去 ( 2 - 1 1 ) r 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 式中，w o = 1 0 “2w 为基准声功率。 ( 4 ) 声压级与声强级的关系。 岛，而分别是1 0 0 0h z 的听阈声压及其相应的声强。低于这一声压或声强。 人耳就不能察觉这声音的存在了。声压级和声强级数值上近似相等，二者的关 系由下式表示 上，；4 + 1 0 1 9 4 0 _ _ 0 0 p o e r 2 1 4 ) 在一般情况下，上式的第二项很小。 声压级、声强级、声功率级的单位是分贝，一般记做d b 。d b 是级的单位， 没有量纲。以d b 表示的数不表示实际数值，只是表示输出值对输入值的比值。 1 0 d b 的增益意味着按l o 比1 的增加，2 0d b 的增益意味着1 0 0 比1 的增加。等 等。 ( 5 ) 声压级的叠加。 当几个不同的声源同时作用时，它们在某处产生的总声压并不是各个声压 的代数和，应按照能量法则进行叠加。它们的总声压为 一1 2 一 第二章噪声的基本理论 卑= 日2 十碍+ - - - - - - 砰( 2 1 5 ) 叠加后的总声压级为 k _ 2 0 l g 等。2 0 l g i p + 1 0 1 9 n = l p + 1 0 l g ” ( 2 _ 1 6 ) 2 1 3 噪声的频谱 对于噪声控制，不仅需要知道噪声声压级的大小，还必须了解躁声的频谱， 只有首先降低或消除那些主要的频率成分，才能有效地降低噪声。噪声地频谱 往往是连续的，测量其频谱时不可能一个一个频率的测，而是通过带通滤波器 测得相应频带的声级，将频率为横坐标，声级为纵坐标作图，即可得被测噪声 的频谱图【2 2 1 。 噪声测量中，常用的频带是1 倍频程或1 3 倍频程。倍频程是对频率作相对 比较的单位，两个频率之间的相距倍频倍数 由下式决定 鲁以增肛1 0 9 2 鲁( 2 - 1 7 ) 式中，频带( 频程) 的下限频率，h z ； 正频带( 频程) 的上限频率，h z ； 胛频程的倍数。 当f ；1 时，五= 2 f ，厶与石之间称为1 倍频程( 简称倍频程) 。当胛= 1 3 时，五= 2 “3 ，五与f , z f n q 称为1 3 倍频程。1 个倍频程可分为3 个1 ，3 倍频 程。l 倍频程或1 3 倍频程通常用频带的中心频率表示，频带的中心频率屉是上 下限频率的几何均值，即 f c = , i 2 ( 2 - 1 8 ) 2 2 噪声的主观评价及噪声容许标准 2 2 1 噪声的主观评价 一1 3 第= 章噪声的基本理论 道路交通噪声和车流量、车辆种类有密切关系。这种噪声在一天2 4l l r 内， 完全是无规则的随机变化。交通噪声对人们的影响程度不仅与声级、频谱有关， 而且与它的持续时间、起伏变化幅度有关。采用一个声级数值来评价机器的稳 态噪声那样来评价交通噪声，就会产生很大困难。但是人们仍然希望用几个数 值来表示一条街道的噪声大小，这样就要用统计和计权的方法。所谓统计方法 就是从一段时间测量的大量变化的数据中，按统计学方法，求出几个统计参数， 按照它们和人们主观烦恼度的关系，适当组合来描述这段时间的噪声大小【2 i j 。 ( 1 ) 响度和响度级。 声压和声压级只能表征声音在物理上的强弱，不能表征人对声音的主观感 觉。而研究噪声是为人类服务的，是人听声音，因此，对噪声的主观评价在一 定程度上比对噪声的客观评价更为重要。 响度是表征人耳对声音强弱程度的主观感觉程度，是表示声响的大小。响 度级是表示声音响度的量，它把声压级和频率用一个单位统一起来，既考虑声 音的物理效应，又考虑声音对人耳听觉的生理效应，它是人们对噪声的主观评 价的基本量之一。响度级的单位是方。响度级是个相对量，有时需要把它化为 自然数，即用绝对值来表示。这就引出一个响度的单位一宋。响度级每改变1 0 方，响度相应改变一倍，4 0 方为1 宋。用公式表示则为 s = 2 ( b 一4 0 ) n o 或三。= 4 0 十1 0 1 9 ，s = 4 0 + 3 3 2 2 1 9 s ( 2 1 9 ) 式中，s 为响度，厶为响度级。 ( 2 ) 计权声级。 在噪声测量中，试图用声级计直接测定噪声的“响度级”，但实际与响度级 并非完全一致，因此，读数称为声级，单位是l b 。为了使声音的客观物理量与 人耳听觉的主观感受近似取得一致，在测量仪器中对不同频率的声压级，人为 地给予适当的增减，这种修正方法称为频率计权。实现频率计权的电网络称为 计权网格，经过计权网格测得的声级称为计权声级。 在实践中发现4 声级与人耳的主观反映非常接近，一声级分贝数的大小与人 们主观上响度的感觉近乎一致。所以近年来，国际、国内各种噪声标准和规范 多数采用一声级作为评价量。习惯上，a 声级的单位可以记作d b ，如果没有注 明时，单位d b 即表示一声级。 一1 4 一 第二章噪声的基本理论 ( 3 ) 连续等效声级。 当评价噪声对人体的影响时，不但要考虑噪声的强度，而且要考虑它的作 用时间。有时候噪声的声级很高，但作用时间却很短；有时候噪声的声级虽然 相对低一些，但作用时间却很长。为比较这二者对环境的影响程度，比较适当 的评价量可采用等效连续声级k 。等效连续声级的定义是：在声场某一位置上， 用某一段时间内能量平均的方法，将间歇暴露的几个不同声级的噪声或非稳态 的噪声，以一个声级表示该段时间内的噪声大小。这个声级即为等效连续4 声 级，单位为d b a 。等效连续声级的积分表达式为 ，生 l e q ：1 0 l o 甙；1f1 0 1 0 d f ) ( 2 2 0 ) q 式中，r 总时间，h ； 三a - 随时间t 变化的4 声级，d b a 。 等效声级是评价城市环境噪声的一个重要量。国际标准化组织( i s o ) 已采 用这一方法，许多国家，包括我国在内，在环境噪声标准中也已采用等效声级 作为主要评价量。 ( 4 ) 昼夜