傅秀章 艾 荔 胡文林

(1 東南大學建筑學院，南京 210096)(2 東南大學城市與建筑遺產(chǎn)保護教育部重點實驗室，南京 210096)(3 中國鐵路設計集團有限公司城市軌道交通數(shù)字化建設與測評技術國家工程實驗室，天津 300308)

隨著我國高鐵建設的快速發(fā)展，高鐵站成為了集軌道交通、鐵路、公交、商業(yè)于一體的大型綜合交通樞紐，其流線組織形式偏向于機場化.立體化的布局在減少換乘路線、提高旅客通行效率優(yōu)勢的同時，也給候車廳噪聲治理工作帶來了很大問題.高鐵候車廳體量較大，聲環(huán)境較傳統(tǒng)封閉空間更為復雜，屬于大空間聲學問題[1-3].根據(jù)以往研究，候車廳內(nèi)的聲環(huán)境主要包括人群活動噪聲、公共廣播聲、列車經(jīng)過時的噪聲3類[4].在已有的高鐵候車廳聲環(huán)境研究中，研究者大多直接將3類聲音疊加的聲場作為一個整體的研究對象，探究內(nèi)容主要包括候車廳空間聲場特點[5-6]、候車廳聲學評價與控制指標[7-8]、旅客主觀評價與客觀聲場參數(shù)之間的關系[9-10]以及聲場優(yōu)化措施與設計建議[11-12].這些研究并沒有對比分析這3類噪聲的頻譜特性，缺乏針對列車經(jīng)過時噪聲特點的深入探討.

為了進一步了解高鐵候車廳內(nèi)的聲環(huán)境特性，本文在既有研究的基礎上，對1個高架候車廳和3個線下式候車廳開展了現(xiàn)場噪聲測試，得到了3類聲音各自的頻譜曲線.通過現(xiàn)場實測的方式掌握高鐵候車廳聲環(huán)境狀況，為改善候車廳聲環(huán)境設計提供參考意見.

1 研究對象

高鐵候車廳常見的形式有高架候車廳和線下式候車廳2種.高架候車廳是指候車廳在鐵路軌道的正上方，常被用于大型或特大型規(guī)模的高鐵站；線下式候車廳是指候車廳在鐵路軌道正下方，一般用于中型或小型規(guī)模的高鐵站.本文選取2種類型的高鐵候車廳作為研究對象，以比較候車廳的不同結構形式對聲環(huán)境的影響.選取對象分別為杭州東站、無錫東站、蘇州北站和昆山南站.杭州東站候車廳為高架式，建筑平面為矩形，長463.5 m，寬143.6 m，剖面為矩形，局部區(qū)域設有夾層，天棚高度為5.5～28.6 m，界面材料無特殊聲學處理.其余3個車站候車廳均為線下式，建筑平面為矩形，界面材料均無特殊聲學處理.無錫東站候車廳長120 m，寬65 m，剖面為矩形，天棚高度為5.3 m.蘇州北站候車廳長70 m，寬47 m，剖面為矩形，天棚高度為5.7～5.9 m.昆山南站候車廳長95 m，寬58 m，剖面為矩形，天棚高度為4.5～5.9 m.各車站的基本信息見表1.

表1 各車站基本信息表

2 研究方法

本研究主要通過實地測試2種類型候車廳在不同工況下的A聲級大小和頻譜特性，了解其空間聲場的聲學特性.

3種工況分別為：①列車未經(jīng)過候車廳且無廣播聲響起的聲環(huán)境狀況，此時的噪聲僅為人群活動噪聲；②列車未經(jīng)過候車廳但有廣播聲響起的聲環(huán)境狀況，此時的噪聲為人群活動噪聲和公共廣播聲；③列車經(jīng)過候車廳但無廣播聲響起的聲環(huán)境狀況，此時的噪聲為人群活動噪聲和二次結構噪聲.

研究人群活動噪聲的影響因素時重點關注旅客數(shù)量.以每個測點所在的坐席區(qū)為一個區(qū)域，統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)的旅客數(shù)并測量A聲級.將4個候車廳內(nèi)各測點A聲級與旅客數(shù)進行對應，得出人群活動噪聲與人群數(shù)量的變化規(guī)律.

研究公共廣播聲時，各候車廳的A聲級通過測點取平均值的方式獲得.由于人群活動噪聲一直存在，通過聲能量相減法，剔除工況2中的人群噪聲成分，獲得公共廣播聲的A聲級.將計算得到的公共廣播聲與人群活動噪聲相減，得到各候車廳的信噪比.對比分析工況1和工況2的頻譜曲線，獲得公共廣播聲的能量分布規(guī)律.

研究列車經(jīng)過時的噪聲時，通過對比分析工況1與工況3的噪聲頻譜，得到列車經(jīng)過候車廳時對2類候車廳聲環(huán)境的影響差異.通過聲能量相減法，剔除工況3中的人群噪聲成分，獲得候車廳內(nèi)二次結構噪聲級，并將其與標準限值進行對比，分析判定該類噪聲的影響程度.

3 現(xiàn)場實測

在實地測量過程中，使用N140型手持式聲級計，聲級計距地面高度為1.5 m.在各測點處主要記錄A計權等效聲級以及1/3倍頻程頻譜，頻譜范圍為6.3～12 500 Hz.

測點按旅客坐席分區(qū)布置.杭州東站、無錫東站、蘇州北站和昆山南站候車廳分別設置7、9、6、10個測點，測點位置見圖1.

測試人群活動噪聲時，各測點的測試時長為15 s.為避免鄰近人聲的干擾，除測點水平位置外，測試時選擇抬高傳感器.測試過程中，當周邊出現(xiàn)偶發(fā)的高噪聲(如大聲喧嘩、手機鈴聲等)，測試人員立即停止測量，待噪聲消失后再重新進行測量.每個測點測試4組數(shù)據(jù)，將平均值作為該點在工況1下的聲壓級.

(a) 杭州東站

(b) 無錫東站

(c) 蘇州北站

(d) 昆山南站

圖1 高鐵候車廳內(nèi)測點布置

測試人群活動噪聲+公共廣播聲時，以廣播聲響起至結束作為測試時長.各測點測試時長不等，約為5～15 s.每個測點測試4組數(shù)據(jù)，將平均值作為該點在工況2下的聲壓級.

測試人群活動噪聲+二次結構噪聲時，以感覺到列車駛來至列車離去為測試時長.各測點測試時長不等，約為3～15 s.每個測點測試4組數(shù)據(jù)，將平均值作為該點在工況3下的聲壓級.

為研究人群活動噪聲與人群數(shù)量的關系，人數(shù)統(tǒng)計按照坐席分區(qū)原則，以測點所在的坐席區(qū)為邊界進行現(xiàn)場統(tǒng)計，僅計算各坐席區(qū)內(nèi)部的人數(shù)，忽略走道處人數(shù).

4 結果與討論

4.1 人群活動噪聲

選取工況1作為研究對象，將4個候車廳各測點測得的A聲級與該測點坐席區(qū)統(tǒng)計的人數(shù)進行一一對應.對這32組數(shù)據(jù)進行相關性求解，得到人群活動噪聲與旅客數(shù)量之間的關系(見圖2).由圖可知，人群數(shù)量與A聲級成對數(shù)關系，其決定系數(shù)R2=0.638 2.隨著人數(shù)的增加，聲壓級先顯著增加而后逐漸變緩.究其原因在于，人的語言聲功率受周邊噪聲級影響，當人數(shù)增加時，人的語言聲功率逐漸提高以達到交流的目的；當噪聲增加到一定水平后，受自身限制，人的語言聲功率不再提高，即使人數(shù)增加，候車廳內(nèi)的總聲壓級則逐漸趨于一個平穩(wěn)的狀態(tài).現(xiàn)場測試表明，高鐵候車廳人群活動噪聲A聲級范圍為62～68 dB.

圖2 人群活動噪聲與旅客數(shù)量的關系

4.2 公共廣播聲

通過對比工況1與工況2，得到公共廣播聲的A聲級，結果見表2.由表可知，在既有公共廣播聲又有人群活動噪聲的情況下，候車廳內(nèi)的A聲級為72.6～77.0 dB，計算得到的公共廣播A聲級為71.6～77.0 dB，信噪比為6.9～11.1 dB.此時的信噪比并不能確保廣播聲能清晰傳遞信息，但考慮到進一步提高廣播聲級可能影響聲舒適性，故更適宜通過分散式強指向廣播系統(tǒng)來保證廣播信息的有效傳播.

表2 候車廳內(nèi)公共廣播A聲級與信噪比 dB

研究公共廣播聲頻譜有利于了解其能量分布特性，通過對比各候車廳內(nèi)工況1和工況2的平均聲壓級頻譜曲線,得到各候車廳在2種工況下的頻譜特點(見圖3).由圖可知，各候車廳內(nèi)工況1和工況2下的頻譜曲線在低頻段和高頻段吻合度較高，但中頻段出現(xiàn)了明顯差異，說明廣播聲的能量主要分布在500～1 000 Hz的中高頻率段.高架候車廳和線下候車廳的頻譜曲線吻合度較高，說明公共廣播的影響與候車廳類型無關.

4.3 列車經(jīng)過時的噪聲

列車經(jīng)過候車廳引起的噪聲不僅可以通過空氣直接傳遞到候車廳，而且列車運行的荷載將激起房屋結構的二次振動，導致候車大廳部分構件的結構噪聲輻射，從而加劇了候車廳內(nèi)的聲環(huán)境污染.圖4和圖5分別對比了各候車廳工況1和工況3下的平均等效A聲級和平均聲壓級頻譜曲線.由圖可知，當列車經(jīng)過時，高架候車廳內(nèi)的平均等效A聲級為68.6 dB,較人群活動噪聲平均等效A聲級(67.3 dB)高1.3 dB.3個線下式候車廳內(nèi)的平均等效A聲級分別為68.5、70.7、69.8 dB,人群活動噪聲平均等效A聲級分別為64.7、65.9、63.7 dB, 前者較后者高3.8～6.1 dB.分析頻譜曲線可知，高架候車廳和線下式候車廳分別在50～80 Hz和25～63 Hz中心頻率處出現(xiàn)顯著峰值.這2類候車廳出現(xiàn)低頻峰值的頻段雖有所區(qū)別，但其能量高峰都集中在低于100 Hz的頻段，說明列車經(jīng)過時的噪聲主要分布在低頻段.高架候車廳的峰值頻率處聲壓級低于70 dB,而線下式候車廳的峰值頻率處聲壓級幾乎在80 dB左右.聲壓級的差異表明列車經(jīng)過時的噪聲對線下式候車廳的影響要高于高架候車廳.

圖3 工況1和工況2的平均聲壓級頻譜曲線

圖4 工況1與工況3的平均等效A聲級

圖5 工況1與工況3的平均聲壓級頻譜曲線

通過將工況1和工況3進行聲能量相減運算，估算出列車經(jīng)過時產(chǎn)生的二次結構噪聲,結果如表3所示.4座候車廳的測量均在晝間，參考《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》(JGJ/T 170—2009)[13]對二次結構噪聲的規(guī)定要求，將各車站候車廳內(nèi)的二次結構噪聲與JGJ/T 170—2009標準中的晝間限值45 dB進行對比.由表可知，當列車經(jīng)過時，2類候車廳內(nèi)的二次結構噪聲都遠超過晝間限值45 dB，其中高架式候車廳超限值為19.6 dB，線下式候車廳超限值為21.5～23.8 dB.表明這4座高鐵候車廳的二次結構噪聲影響均較為明顯，線下式候車廳的二次結構噪聲影響高于高架式侯車廳.此外，在線下候車廳中，列車經(jīng)過時產(chǎn)生的二次結構噪聲影響已超過人群活動噪聲的影響.

表3 候車廳內(nèi)二次結構噪聲A聲級估算表 dB

5 結論

1) 針對人群活動噪聲而言，旅客數(shù)量與人群活動噪聲呈現(xiàn)一定的對數(shù)關系.前期隨著人數(shù)的增加，聲壓級不斷增加；但在后期，隨著人數(shù)的增加，聲壓級增加變得越來越緩慢.現(xiàn)場測試表明，高鐵候車廳人群活動噪聲A聲級大約為62～68 dB.

2) 針對公共廣播聲而言，調(diào)研車站候車廳內(nèi)的廣播聲能量主要分布在500～1 000 Hz的中高頻率段，信噪比為6.9～11.1 dB.考慮到進一步提高廣播聲級可能影響聲舒適度，故適宜通過分散式強指向廣播系統(tǒng)提高候車廳內(nèi)語言清晰度的方式來確保廣播信息的有效傳播.

3) 針對列車經(jīng)過時的噪聲而言，列車經(jīng)過時的噪聲頻譜中，在低于100 Hz的頻譜段存在明顯的低頻噪聲峰值，該噪聲對線下式候車廳的影響要高于高架候車廳.通過對比標準限值與車站候車廳的二次結構噪聲，發(fā)現(xiàn)后者超標20 dB左右.

4) 本文在研究人群活動噪聲的影響因素時只考慮了人數(shù)，忽略了人群的其他特性，且在公共廣播聲和列車經(jīng)過時的噪聲測試是以測試人員主觀感受到該聲音的起止時間作為測試時長，故存在一定的局限性,后續(xù)將采用更為精準的方法確定測試時長.