某高架城际铁路近场环境噪声的心理声学评价指标研究

2019-02-22 09:46刘冬娅王刘翀赵才友
铁道标准设计 2019年3期
关键词:环境噪声响度声压级

刘冬娅,王刘翀,李 祥,赵才友,易 强

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031;2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

近些年来,城际列车因其安全快速、运输量大、高效快捷等优点已逐渐成为附近城市间联络的主要交通工具,其中高架桥因其不占用地下空间、不影响道路交通等优势被广泛应用。但与此同时高架段也产生了环境噪声污染问题。列车通过桥梁时产生的振动能量,通过轨道结构传递到桥面和其他桥梁构件,并激发其振动,辐射了大量桥梁结构噪声,对周边居民的日常生活乃至身心健康造成不利影响[1]。因此,从心理声学角度评价环境噪声对人的影响,对未来环境噪声评价方法的规范与完善具有重要意义。

城市轨道交通高架线路噪声是由不同类型的噪声组合而成的,按噪声产生部位可分为轮轨噪声、桥梁结构噪声等[2-5]。轮轨噪声是由于车轮与钢轨相互作用引起振动而产生,主要以中高频成分为主,分布范围为400~4 000 Hz,峰值集中在125~2 000 Hz,且受车速影响大,速度越大,轮轨噪声越大[4-5]。桥梁结构噪声主要是车辆通过高架桥梁时,轮轨激发桥梁的各个构件产生振动形成的二次辐射噪声,主要以低频成分为主,分布在200 Hz以下的范围内,在空气中传播远,衰减慢,穿透力很强,能够轻易穿越墙壁、玻璃窗等障碍物,长期处于低频噪声环境会逐渐影响人的身心健康[6]。因此,主要针对环境噪声的高频噪声声源和低频噪声声源进行研究。

国内关于铁路高架铁路环境噪声的研究成果丰富,但主要针对低速和高速铁路,城际铁路的环境噪声研究甚为少见。易强、王平等采用插值方法分析环境噪声测试结果研究其空间分布特征,测试铁路设计速度为80 km/h[1]。西南交通大学邓俊通过对设计时速为350 km的京津城际铁路沿线噪声的测量,分析了线路形式、距离及声屏障对环境噪声的影响[7]。刘达德、齐峰建立了GM模型预测设计速度30~90 km/h时的高架环境噪声,发现速度越大,环境噪声水平越高[8]。高飞、夏禾等应用声学理论,建立列车通过高架桥梁时的噪声预测模型,对由结构噪声和轮轨噪声引起的高架结构附近的噪声传播规律进行研究[9]。因此,本文研究设计速度200 km/h下铁路高架环境噪声的频谱分析,进一步完善国内对于高架环境噪声的认识。

在评价指标上,国内外标准都是采取A计权声压级评价环境噪声。但现代心理声学研究表明,A计权声压级在度量低频成分为主的噪声、离散噪声和语音频率范围噪声时,会产生误差导致评价结果偏离人的主观感受[10],故A计权声压级无法准确反映环境噪声对人造成的烦恼度,需要引入其他标准评价环境噪声对人的主观感受的影响。已有研究表明,心理声学的声品质过程是一个通过人耳的听觉感知来“测量”声音涵义的过程,总响度、尖锐度、粗糙度、波动度等则是人耳对于声音品质的客观评价指标。声音的烦恼度表征由于噪声而引发令人不愉快的程度,能够更加真实地反映噪声对于人耳的主观感受的影响,烦恼度是由多个声音品质的客观评价指标共同影响的结果[11]。

目前,国内研究大多对车内噪声进行心理声学分析。张捷、肖新标等基于心里声学参数,包括响度、尖锐度、粗糙度等,详细分析新型卧铺动车组不同“坐卧型式”下的包间声品质特性[12]。高印寒等引入响度、尖锐度和粗糙度3个声品质客观心理声学参数,对驾驶室声振特性和驾驶室内的噪声分布进行分析研究[13]。李芳、左言言建立匀速车内噪声主观评价烦恼度与心理声学客观参数间的数学模型,研究车内噪声主观评价主观烦恼度与心理声学客观参数间的影响,结果表明,在良好路面和匀速工况下,车内声品质烦恼度主要受低沉度和音调度影响[14]。关于环境噪声的心理声学分析研究很少。因此,选取部分声音品质的客观评价指标作为环境噪声评价的新指标。

通过线性声压级进行频谱分析识别每个测点主要环境噪声成分,然后分别用传统的A计权声压级和多个主要心理声学指标与主观烦恼度之间进行线性拟合,提取各测点相关性最优的指标再结合频谱分析结果,分别选取以低频噪声为主和以高频噪声为主的环境噪声的最优心理声学指标,为未来环境噪声评价方法的规范与完善提供参考。

1 现场试验概况

1.1 断面选择

测试断面位于国内某城际铁路高架直线段,断面处为32 m双线混凝土简支箱梁,两侧无声屏障,存在防撞墙,设计速度为200 km/h。高架桥梁底面距离地面高度约为4.2 m。

1.2 测点布置

噪声测试按《铁路沿线环境噪声测量技术规定》(TB/T3050—2002)[15]的标准进行,环境噪声测点布置在垂直于线路方向(横向)60 m范围内,分别在距铁路外侧轨道中心线0,7.5,15,30,45,60 m处布置6个测点,依次编号1~6,每个测点距地面高度为1.2 m,避免声波传至地面后的反射对测点结果造成影响,同时模拟人耳的听觉。测点具体布置如图1所示。

图1 现场噪声测点布置示意(单位:m)

2 心理声学评价指标

心理声学把声音的物理特性和人的主观感觉对应起来,其中包括众多的心理声学参数,而总响度、尖锐度、粗糙度、波动度和烦恼度作为主要的客观评价参数在心理声学评价中所占的权重在90%以上[16],故主要计算以上5种心理声学参数,计算方法如下。

总响度反映了人耳对于声音强弱的主观感受,符号为N,单位为宋(sone)。本文采用Zwicker模型计算总响度,该模型考虑了人耳的掩蔽效应。首先计算1/3倍频程后各频带的声压级,然后根据式(1)计算临界频带的特征响度N′,考虑掩蔽效应,在特征响度中加入斜坡响度,再根据式(2)得到总响度N[17]。

(1)

(2)

ETQ——安静听阈的激励级;

E0——参考声强为I0=10-12W/m2激励级;

E——各临界频带的激励级。

尖锐度描述了声音的刺耳程度,符号为S,单位为acum,主要跟噪声频率有关,频率较高的声音对应的尖锐度也较大,尖锐度的计算公式见式(3)[17]。

(3)

式中N′(z)——某个Bark上的响度谱;

g(z)——附加系数,临界频带函数。

粗糙度和波动度都是反映声音的幅值调制特性,当调制频率高于20 Hz时为粗糙度特性,反之为波动度特性。粗糙度符号为R,单位为asper;波动度符号为F,单位为vacil。分别使用式(4)和式(5)进行计算[17]。

(4)

(5)

式中 dL——调制深度,dB;

fmod——调制频率,Hz。

烦恼度描述声音对人们造成的厌烦程度,它受到总响度、尖锐度、粗糙度、波动度等多个心理声学参数的影响,符号为PA,是无量纲系数,根据式(6)进行计算[17]。

(6)

式中N——累积百分比响度,sone;

ws——尖锐度的影响系数;

wFR——粗糙度和波动度影响系数。

3 频谱特性分析

本次实测均为过路车辆,速度在(195±5) km/h范围内,每趟车的车况及载客情况是未知的。试验共采集到25组数据,为了保证结果的可靠性,消除随机误差影响,故选取其中波形完整、无明显畸变、信噪比高、无工频干扰或干扰不严重的10组实测数据进行平均,得到最终结果。

我国环境噪声限值规定采用A计权,抑制了噪声的低频成分,而低频成分占主导的噪声相较于高频更让人感到烦扰[18-19]。因此为避免低估低频噪声的影响,采用线性计权进行频谱分析。图2为采用线性计权所得各个测点的声压级频谱曲线。

图2 各测点的1/3倍频程谱对比曲线

本次试验中,桥梁自身结构和防撞墙都是声波传播途径上的障碍物,从而产生了一定范围轮轨噪声等梁面以上的其他噪声无法绕射到的区域,称之为声影区,声影区内主要环境噪声成分为低频噪声[20]。

由图2可以发现,测点1~6的环境噪声声能量主要集中在25~500 Hz,而且在40 Hz频段存在最大幅值,该峰值与桥梁结构固有频率有关;该频段测点1~6的线性声级相差较小,是因为低频噪声传播远,衰减慢。测点1在315 Hz频段出现第2个峰值,该峰值产生原因是箱梁空腔共鸣[20]。而轮轨噪声幅值出现在630 Hz,且传播距离越远,幅值越明显。

测点2和测点3的线性计权声压级频谱曲线的变化规律大致相同,且声压级差别较小,说明主要噪声成分是低频噪声,低频噪声传播远,衰减慢。测点2在40 Hz频段的声压级峰值大于测点1,是因为箱梁结构噪声主要集中于桥梁斜下方[20]。

测点4在低频范围内的声压级略小于测点3,但在高频范围内与测点3的综合声压级相差不大,故测点4不在桥梁结构声影区范围内。此时噪声成分除了低频噪声以外,还有透射和绕射至此的轮轨噪声,高频噪声占主要成分。因此,传播距离虽然增加,但其综合噪声声压级与测点3相差较小。

测点5、测点6位置的环境噪声则受低频噪声和高频噪声的综合影响。

4 环境噪声评价

4.1 传统的A计权评价

计算频谱分析中筛选的10组实测数据中各测点的A计权声压级和主观烦恼度,将两者进行线性回归分析,结果如图3所示。

图3 A计权声压级与主观烦恼度的关系

由图3可知,测点1的A计权声压级与主观烦恼度之间相关度低且呈负相关(即随着A计权声压级的增加,烦恼度降低),说明在测点1采用A计权声压级作为评价指标不合适;测点2和测点3的相关系数较高,但是拟合所用的多组实测数据明显偏离线性拟合直线,故测点2和测点3的A计权声压级与主观烦恼度的相关系数虽较大,但是评价误差也较大。由频谱分析结果可知,测点1~3都位于桥梁结构声影区的范围内,环境噪声的主要成分是低频噪声,因此以低频噪声为主的环境噪声采用A计权声压级进行评价并不能真实反映噪声对人们的影响。

测点4位置的A计权声压级与主观烦恼度之间的相关性最好,即在距离铁路外轨中心线30 m位置处,传统的A计权声压级是可以较好地评价环境噪声对人们造成的影响。测点5、测点6处A计权声压级与主观烦恼度的相关性同样较好,且测点4~测点6拟合所用的实测数据与线性拟合直线偏离小,评价误差小。但测点4~测点6的相关系数呈明显减小趋势,说明随着距离的增加,A计权声压级的评价可靠度降低。由频谱分析可知,测点4~测点6位于桥梁结构声影区范围外,此时环境噪声的主要成分是轮轨噪声。由于高频噪声随距离传播快速衰减,低频成分占比逐渐上升,因此在非声影区范围内以高频噪声为主的环境噪声,采用A计权声压级评价的可靠度随着传播距离的增加而逐渐减小,采用A计权声压级进行评价也是不科学的。

4.2 心理声学评价

由以上分析结果可知,传统的A计权声压级用来评价环境噪声仅在桥梁结构非声影区的一定范围内可靠度较高,而在其他范围内并不能较好地评价环境噪声对于人们造成的影响,故新引入心理声学指标总响度、尖锐度、粗糙度和波动度评价环境噪声对人的影响。将各测点10组实测数据的主观烦恼度与心理声学评价指标的结果进行线性回归分析,结果见图4~图7。

图4 总响度与主观烦恼度的关系

图5 尖锐度与主观烦恼度的关系

图6 粗糙度与主观烦恼度的关系

图7 波动度与主观烦恼度的关系

由图4~图7可知,测点1处尖锐度与主观烦恼度之间的相关度最优,相关系数为0.650;此外,波动度与主观烦恼度之间相关度较低且呈负相关(即随着波动度的增加,烦恼度降低),而波动度反映了人耳主观感受到的声音响亮起伏程度。声音响亮起伏越大,声能量越大,主观烦恼度越小。说明影响人耳主观感受的因素不仅仅是声能量大小,有时声能量小的声音可能会让人更难受[21]。粗糙度与烦恼度低度相关,总响度与主观烦恼度之间则无线性相关关系。

测点2和测点3处总响度、尖锐度和波动度都与主观烦恼度之间高度线性相关,而粗糙度与烦恼度之间相关度低。其中,测点2处尖锐度的相关度最优,相关系数0.926,而测点3处则是总响度的相关度最优,相关系数为0.924,同时尖锐度与主观烦恼度之间相关度也较好,相关系数为0.848。

测点4~测点6处都是总响度与主观烦恼度之间的相关系数最优,分别为0.797,0.827和0.824,可以看出总响度与主观烦恼度的相关系数随距离的变化规律跟A计权声压级不同。在非声影区的一定范围内,随着距离增加,相关度明显增大,该范围以外,距离增加,相关度几乎不变,可以看出距离增加对总响度评价指标的可靠度影响较小。测点4~测点6处尖锐度和波动度与主观烦恼度相关系数较高,相关度较好,而粗糙度与主观烦恼度之间在测点4和测点5处低度线性相关,在测点6处几乎无相关关系。

由频谱分析可知,测点1~测点3位于桥梁结构声影区内,主要环境噪声成分是低频噪声。测点1和测点2处环境噪声最优心理声学评价指标为尖锐度,测点3位置的环境噪声最优心理声学评价指标为总响度,推测是因为低频噪声主要集中在桥梁斜下方,且沿着水平方向传播存在衰减,故测点3的最优评价指标不是尖锐度,但其尖锐度与烦恼度也具备高度线性关系。综合考虑,以低频噪声为主要成分的环境噪声选取尖锐度作为心理声学评价指标最具有代表性。

测点4~测点6位于非声影区,主要环境噪声成分是高频噪声。测点4~测点6位置的环境噪声最优心理声学评价指标为总响度,且测点4~测点6的尖锐度与烦恼度之间的相关关系明显低于测点1~测点3,说明此时低频噪声对烦恼度的影响小于轮轨噪声,因此,以高频噪声为主要成分的环境噪声,选取总响度作为心理声学评价指标最具有代表性。

5 结论

对城际列车高架段环境噪声进行现场测试,分别用传统的A计权声压级和新引入的心理声学评价指标分析环境噪声与人的主观感受的相关关系,研究结论如下。

(1)对于该城际铁路高架线,低频噪声主要集中在25~500 Hz,且分别在频率40 Hz和315 Hz处出现峰值,轮轨噪声在630 Hz处出现峰值。

(2)传统的A计权方式与人的主观烦恼度,在桥梁声影区范围内相关度低或相关度高,但评价误差大,可靠度低;而在桥梁非声影区范围,相关度随着传播距离增加而显著减小,可靠度也逐渐减小。

(3)当城际铁路高架环境噪声主要成分为低频噪声时,选取尖锐度作为心理声学评价指标最具有代表性,而以高频噪声为主要成分的环境噪声,选取总响度作为心理声学评价指标最具有代表性。

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