中外轨道交通噪声标准探析

石凯琴，张 楠，王 晨，高振鲲

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044；2.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；3.北京环安检测工程有限责任公司，北京 100036)

0 引言

轨道交通的快速发展极大地方便了居民的日常出行，提高了人民的生活水平，有效地推动了中小城市的发展，但同时带来了一系列环境噪声污染问题。人们在提高生活质量的同时对噪声标准的要求也在不断提高。目前，国外轨道交通项目在噪声方面的设计标准、评价方式和降噪策略不尽相同，甚至有比国内更加严格的噪声排放标准，这为海外项目的顺利开展带来了一定的难度，研读与分析国内外噪声标准的异同，可以提出合理的环保设计目标，解决噪声污染带来的问题。

对不同的噪声标准，学者们从声环境噪声、铁路噪声、城市轨道交通噪声、社会生活排放噪声等多方面进行了诸多研究。这些研究主要从噪声限值入手，如不同标准列车轮轨噪声评价指标数值不同，据此对噪声限值的制定提出意见。本文从噪声测点位置、噪声评价量和计权方式、噪声计算方法以及噪声限值等不同层面对比，分析各国标准的噪声限值差异，从原理上解决由于规范差异带来的局限性，为轨道交通噪声标准评价提供参考，同时有助于中国建筑企业海外项目的拓展。

1 噪声标准对比分析

1.1 噪声评价量

国内外噪声标准评价量有等效连续声级、昼夜声级、最大声级和最大噪声水平，使用功能不同，评价量不同，测量对象不同，评价量也不同。各国统一使用的评价量是等效连续A声级，其余指标作为一个参考量，各评价量交叉使用，部分标准噪声评价量见表1[1-17]。

表1 各国的噪声评价量测试时长[1-17]Table 1 Noise evaluation parameters in different countries

1.2 计权方式

声学测量领域中，声级计是较为广泛使用的声压级测量仪器，时间计权特性和频率计权特性是检验声级计性能的两项重要技术指标。

1.2.1 时间计权

常见的声源如音乐、演讲、噪声，这些声压级波动极快，要在一个显示器上实时读取非常困难，声级计需要对这些突发的变化做出一定的反应，以获取一个稳定的读数，这一过程就是时间计权[18]，时间计权图如图1所示。计权方式有两种：F(Fast)计权，时间常数为125 ms，一般用于测量波动较大的非稳态噪声和交通噪声等；S(Slow)计权，时间常数为1 000 ms，一般用于测量稳态噪声，测得的数值为有效值。

图1 时间计权图[19]Fig.1 Time weighting diagram[19]

1.2.2 频率计权

频率计权[20]就是应用滤波器根据不同的频率对各个频率的幅值进行衰减或者增加。声压频率计权有A、B、C、D四种等级，未计权的声压级称为线性计权或Z计权。D计权专用于飞机噪声的测量。A、B、C三种计权方式的主要差别在于对噪声低频成分的衰减程度，衰减程度从高到低依次是A、B以及C。计权特性曲线如图2所示，各国计权方式如表2所示。

图2 声压计权曲线Fig.2 Weighting curves of sound pressure gauge

表2 各国计权方式Table 2 Standard weighting methods in different countries

1.3 测点位置

综合各国的噪声标准，噪声测点类型主要分为敏感建筑物测量点和列车噪声测量点。对于敏感建筑物噪声的测量，测点位置的主要影响因素是距离障碍物的远近，考虑到噪声的折射与反射，应该尽量避免障碍物的遮挡。各国标准具体测点位置如表3[1-17]所示。

各标准敏感建筑物测点的选择因建筑物规格、材质和测量设备不同，测量时距离建筑物的远近、距离地面的高低存在差异；列车噪声测点位置主要以ISO 3095为基准，测点距离轨道中心7.5 m，高于轨道1.5 m。欧盟列车噪声测量主要分为静止、运行情况，静止时测点距离轨道中心7.5 m，运行时距离轨道中心25 m。美国噪声测点基准位置距离轨道50 foot(1 foot=0.304 8 m)。

1.4 噪声评价量计算方法

目前各国的规范中噪声测量还没有统一的标准，也没有形成系统有效的评价方式。在物理学中描述声波的基本物理量有频率、波长、声速，声压和声压级是评价噪声强度的基本指标，声压级越高，噪声越强。通过对主要国家如中国、美国、日本以及ISO的噪声评价量计算方法进行对比分析[1-11]，结果表明各标准在声学量的选取与计算原理上基本一致，现以中国噪声标准为例，列出了各声学量的计算公式，如表4所示。

表4 声学评价量及其计算公式Table 4 Acoustic evaluation parameters and their calculation formulas

1.5 噪声限值

噪声限值有两种，一个称为绝对极限，另一个称为相对极限。绝对极限一般适用于环境噪声或现有噪声有限的较安静的地区；相对极限通常是考虑到现有环境背景噪声。各国噪声限值多采用绝对极限，一般认为现有环境噪声较低，对待建项目产生的噪声水平不会有太大影响，或者背景噪声接近项目噪声时，对测量工程项目的噪声进行修正。美国交通部、联邦运输管理局(FTA)发布的《运输噪声和振动影响评估手册》[6]提供了一种采用相对极限噪声限值来评价噪声，考虑到现有环境噪声对待建工程噪声水平的影响。

1.5.1 相对极限

相对极限考虑现有噪声对工程项目噪声的影响，背景噪声比较高的地区采用相对极限来限制工程噪声既符合真实情况，对工程项目噪声做有效测评，又对工程项目噪声范围有一定参考，可以减少减振降噪措施的使用，更加经济合理。根据文献[6]中的规定，按照波哥大现有的背景噪声，表5给出了波哥大待建地铁1号线建成运行时的噪声范围。

表5 待建波哥大地铁一号线在不同区域的轨道交通噪声相对限值(dB(A))Table 5 Relative limits of railway traffic noise in different regions for Bogota metro Line 1 to be constructed(dB(A))

1.5.2 绝对极限

表6列出了各国标准部分敏感建筑物噪声的限值。从数值上对各国噪声标准进行比较，波哥大地区对于噪声的限制标准值大于中国、日本的各声环境功能区的噪声限值要求，即比中国和日本要求宽松；与美国相比，各功能区噪声限值基本一致，较为符合美国的环境噪声限值，这与波哥大地铁一号线设计单位参照的文献标准[6]有关。

表6 各国对不同区域的噪声绝对限值(dB(A))Table 6 Absolute noise limits for different regions in different countries(dB(A))

2 噪声试验

上述内容对噪声标准从理论层面进行了定性分析，给出了一个基本的研究方向，通过噪声试验将理论的内容具体化，进行定量研究。由于噪声大小随测点位置的远近变化，故试验主要以时间计权为变量进行探究，采集一段轨道交通噪声和稳态噪声(环境背景噪声)，用不同噪声标准来计算这一噪声信号的评价量，分析基于同一噪声信号各标准之间的差异。

2.1 信号处理

试验过程中轨道交通噪声测试时间为30 s，稳态噪声测试时间为20 s，采样频率为51.2 kHz，现就轨道交通噪声的试验数据进行前期信号分析处理，时程曲线如图3所示。

图3 轨道交通噪声时程曲线图Fig.3 A certain time-history curve of railway traffic noise

前期数据分析采用DASP(Data Acquisition&Signal Processing)信号处理软件，分析形式设定为1/3倍频程，加窗形式为矩形窗，得到频域内的声压级结果，如图4所示。同时，为了了解设备的计算原理和后期数据分析的需要，基于FFT变换自编程进行信号处理，按照1/3倍频程划定的频带范围，使用能量求和法计算频带内声压和声压级，然后将能量求和得到总声压级。

由图4的对比分析结果可以发现，按照1/3倍频程划定的频带范围内DASP信号处理结果与自编程信号处理结果高度吻合，误差精度控制在4%以内，验证了基于FFT变换下的1/3倍频程信号处理算法的正确性与准确性，便于后期试验过程中多时段多测点信号处理，解决了DASP使用过程中不能与其他软件很好接合以及无法计算测试过程中最大的等效连续声压级的局限性。

图4 自编程和DASP处理得到的声压谱级Fig.4 Sound pressure spectrum levels obtained by self-programming and DASP processing

2.2 时间计权计算结果

时间计权的基本定义是规定时间常数的时间指数函数，该函数是对瞬时声压的平方进行计权。

IEC 61672-2013规定的时间计权声压级计算公式为[18]：

式中：

下标f为频率计权，通常是A、C或Z计权；

τ为时间计权F或S的指数时间常数(s)；

ξ为从过去的某时刻，例如积分下限-∞，到观测的时刻t的时间积分的变量；

P2f(ξ)为频率加权瞬时声压信号(其中频率加权为A、C或Z)；

P0为基准声压20μPa(被认为是人类听力的阈值)。

根据式(1)，计算30 s轨道交通噪声和20 s稳态噪声(环境背景噪声)在不同时间计权下的声压级，计算结果如图5～6。

图5 不同时间计权的轨道交通噪声总声压级Fig.5 Total sound pressure level of rail traffic noise under different time weighting

采用时间计权声级是因为它更接近人耳感知声音的方式。早期测量采用的是模拟信号，仪器上只有一根指针，指针会随着声压级上下移动得很快，以至于变得模糊，故用模拟元件实现减速，同时正确报告能量水平。由图5、6中的结果可知，F计权声压级比S计权得到的总声压级水平高7 dB左右。图5中20 s处的峰值和图6中的2、6和16 s处的峰值，F计权突变程度比S计权的突变程度大，且稳态噪声比轨道交通噪声差异小。这一现象很好地解释了F计权对突变信号的反应比S计权快，F计权更适合轨道交通噪声。

图6 不同时间计权的稳态噪声总声压级Fig.6 Total sound pressure level of steady-state noise under different time weighting

2.3 声学评价量计算结果

根据表3所列公式计算有效声压、声压级，瞬时A声级计算时间为1 s计算总声压级，最后求和得到等效连续声压级。等效连续声压级是某段时间内能量的均值，反应的是在测量时间段内测量对象的平均噪声水平，计算结果如图7、8所示。

表3 各国噪声测点位置Table 3 Locations of noise measuring points in different countries

图7 轨道交通噪声的等效连续声压级Fig.7 Equivalent continuous sound pressure levels of rail transit noise

由以上分析结果可知，各国噪声标准在算法上一致，故对同一段噪声信号，其总声压级和等效连续声压级是相同的。这一结论说明了在分析国内外噪声标准时，噪声计算方法不作为一个可变参量，而从噪声测点位置和计权方式去分析其计算结果的差异，不同标准测点位置布设差异如表3所示。

图8 稳态噪声的等效连续声压级Fig.8 Equivalent continuous sound pressure levels of steadystate noise

3 结论

噪声评价标准并不是单一变量，不能仅从噪声限值的数值上进行比较。单纯的数值比较没有实际的意义，不同的噪声限值只有在具体的应用环境中才有其真实的作用，只有在保证测量方法、测点位置、计权方式、噪声评价量一致的情况下才可以进行比较。

目前国内外噪声评价标准多以ISO为标准，噪声限值标准采用的是绝对极限，只有美国交通部、联邦运输管理局(FTA)发布的《运输噪声和振动影响评估手册》中采用了相对极限，考虑工程项目背景噪声的影响，较高的现有背景可能会使噪声控制应用于项目的必要性消失，因为其益处并不显著，所以采用相对极限提高了工程项目的经济性。

对噪声而言，等效连续声压级从宏观角度进行噪声水平评定，时间计权声压级从微观角度反映噪声随时间变化的结果，更符合人耳对声音的感知方式。两者结合使用，对评价噪声水平的评价会更加准确可靠。