石凱琴，張 楠，王 晨，高振鯤

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；3.北京環(huán)安檢測(cè)工程有限責(zé)任公司，北京 100036)

0 引言

軌道交通的快速發(fā)展極大地方便了居民的日常出行，提高了人民的生活水平，有效地推動(dòng)了中小城市的發(fā)展，但同時(shí)帶來(lái)了一系列環(huán)境噪聲污染問(wèn)題。人們?cè)谔岣呱钯|(zhì)量的同時(shí)對(duì)噪聲標(biāo)準(zhǔn)的要求也在不斷提高。目前，國(guó)外軌道交通項(xiàng)目在噪聲方面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)方式和降噪策略不盡相同，甚至有比國(guó)內(nèi)更加嚴(yán)格的噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)，這為海外項(xiàng)目的順利開(kāi)展帶來(lái)了一定的難度，研讀與分析國(guó)內(nèi)外噪聲標(biāo)準(zhǔn)的異同，可以提出合理的環(huán)保設(shè)計(jì)目標(biāo)，解決噪聲污染帶來(lái)的問(wèn)題。

對(duì)不同的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)者們從聲環(huán)境噪聲、鐵路噪聲、城市軌道交通噪聲、社會(huì)生活排放噪聲等多方面進(jìn)行了諸多研究。這些研究主要從噪聲限值入手，如不同標(biāo)準(zhǔn)列車(chē)輪軌噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值不同，據(jù)此對(duì)噪聲限值的制定提出意見(jiàn)。本文從噪聲測(cè)點(diǎn)位置、噪聲評(píng)價(jià)量和計(jì)權(quán)方式、噪聲計(jì)算方法以及噪聲限值等不同層面對(duì)比，分析各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的噪聲限值差異，從原理上解決由于規(guī)范差異帶來(lái)的局限性，為軌道交通噪聲標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)提供參考，同時(shí)有助于中國(guó)建筑企業(yè)海外項(xiàng)目的拓展。

1 噪聲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

1.1 噪聲評(píng)價(jià)量

國(guó)內(nèi)外噪聲標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)量有等效連續(xù)聲級(jí)、晝夜聲級(jí)、最大聲級(jí)和最大噪聲水平，使用功能不同，評(píng)價(jià)量不同，測(cè)量對(duì)象不同，評(píng)價(jià)量也不同。各國(guó)統(tǒng)一使用的評(píng)價(jià)量是等效連續(xù)A聲級(jí)，其余指標(biāo)作為一個(gè)參考量，各評(píng)價(jià)量交叉使用，部分標(biāo)準(zhǔn)噪聲評(píng)價(jià)量見(jiàn)表1[1-17]。

表1 各國(guó)的噪聲評(píng)價(jià)量測(cè)試時(shí)長(zhǎng)[1-17]Table 1 Noise evaluation parameters in different countries

1.2 計(jì)權(quán)方式

聲學(xué)測(cè)量領(lǐng)域中，聲級(jí)計(jì)是較為廣泛使用的聲壓級(jí)測(cè)量?jī)x器，時(shí)間計(jì)權(quán)特性和頻率計(jì)權(quán)特性是檢驗(yàn)聲級(jí)計(jì)性能的兩項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。

1.2.1 時(shí)間計(jì)權(quán)

常見(jiàn)的聲源如音樂(lè)、演講、噪聲，這些聲壓級(jí)波動(dòng)極快，要在一個(gè)顯示器上實(shí)時(shí)讀取非常困難，聲級(jí)計(jì)需要對(duì)這些突發(fā)的變化做出一定的反應(yīng)，以獲取一個(gè)穩(wěn)定的讀數(shù)，這一過(guò)程就是時(shí)間計(jì)權(quán)[18]，時(shí)間計(jì)權(quán)圖如圖1所示。計(jì)權(quán)方式有兩種：F(Fast)計(jì)權(quán)，時(shí)間常數(shù)為125 ms，一般用于測(cè)量波動(dòng)較大的非穩(wěn)態(tài)噪聲和交通噪聲等；S(Slow)計(jì)權(quán)，時(shí)間常數(shù)為1 000 ms，一般用于測(cè)量穩(wěn)態(tài)噪聲，測(cè)得的數(shù)值為有效值。

圖1 時(shí)間計(jì)權(quán)圖[19]Fig.1 Time weighting diagram[19]

1.2.2 頻率計(jì)權(quán)

頻率計(jì)權(quán)[20]就是應(yīng)用濾波器根據(jù)不同的頻率對(duì)各個(gè)頻率的幅值進(jìn)行衰減或者增加。聲壓頻率計(jì)權(quán)有A、B、C、D四種等級(jí)，未計(jì)權(quán)的聲壓級(jí)稱為線性計(jì)權(quán)或Z計(jì)權(quán)。D計(jì)權(quán)專用于飛機(jī)噪聲的測(cè)量。A、B、C三種計(jì)權(quán)方式的主要差別在于對(duì)噪聲低頻成分的衰減程度，衰減程度從高到低依次是A、B以及C。計(jì)權(quán)特性曲線如圖2所示，各國(guó)計(jì)權(quán)方式如表2所示。

圖2 聲壓計(jì)權(quán)曲線Fig.2 Weighting curves of sound pressure gauge

表2 各國(guó)計(jì)權(quán)方式Table 2 Standard weighting methods in different countries

1.3 測(cè)點(diǎn)位置

綜合各國(guó)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，噪聲測(cè)點(diǎn)類(lèi)型主要分為敏感建筑物測(cè)量點(diǎn)和列車(chē)噪聲測(cè)量點(diǎn)。對(duì)于敏感建筑物噪聲的測(cè)量，測(cè)點(diǎn)位置的主要影響因素是距離障礙物的遠(yuǎn)近，考慮到噪聲的折射與反射，應(yīng)該盡量避免障礙物的遮擋。各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)具體測(cè)點(diǎn)位置如表3[1-17]所示。

各標(biāo)準(zhǔn)敏感建筑物測(cè)點(diǎn)的選擇因建筑物規(guī)格、材質(zhì)和測(cè)量設(shè)備不同，測(cè)量時(shí)距離建筑物的遠(yuǎn)近、距離地面的高低存在差異；列車(chē)噪聲測(cè)點(diǎn)位置主要以ISO 3095為基準(zhǔn)，測(cè)點(diǎn)距離軌道中心7.5 m，高于軌道1.5 m。歐盟列車(chē)噪聲測(cè)量主要分為靜止、運(yùn)行情況，靜止時(shí)測(cè)點(diǎn)距離軌道中心7.5 m，運(yùn)行時(shí)距離軌道中心25 m。美國(guó)噪聲測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)位置距離軌道50 foot(1 foot=0.304 8 m)。

1.4 噪聲評(píng)價(jià)量計(jì)算方法

目前各國(guó)的規(guī)范中噪聲測(cè)量還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有形成系統(tǒng)有效的評(píng)價(jià)方式。在物理學(xué)中描述聲波的基本物理量有頻率、波長(zhǎng)、聲速，聲壓和聲壓級(jí)是評(píng)價(jià)噪聲強(qiáng)度的基本指標(biāo)，聲壓級(jí)越高，噪聲越強(qiáng)。通過(guò)對(duì)主要國(guó)家如中國(guó)、美國(guó)、日本以及ISO的噪聲評(píng)價(jià)量計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析[1-11]，結(jié)果表明各標(biāo)準(zhǔn)在聲學(xué)量的選取與計(jì)算原理上基本一致，現(xiàn)以中國(guó)噪聲標(biāo)準(zhǔn)為例，列出了各聲學(xué)量的計(jì)算公式，如表4所示。

表4 聲學(xué)評(píng)價(jià)量及其計(jì)算公式Table 4 Acoustic evaluation parameters and their calculation formulas

1.5 噪聲限值

噪聲限值有兩種，一個(gè)稱為絕對(duì)極限，另一個(gè)稱為相對(duì)極限。絕對(duì)極限一般適用于環(huán)境噪聲或現(xiàn)有噪聲有限的較安靜的地區(qū)；相對(duì)極限通常是考慮到現(xiàn)有環(huán)境背景噪聲。各國(guó)噪聲限值多采用絕對(duì)極限，一般認(rèn)為現(xiàn)有環(huán)境噪聲較低，對(duì)待建項(xiàng)目產(chǎn)生的噪聲水平不會(huì)有太大影響，或者背景噪聲接近項(xiàng)目噪聲時(shí)，對(duì)測(cè)量工程項(xiàng)目的噪聲進(jìn)行修正。美國(guó)交通部、聯(lián)邦運(yùn)輸管理局(FTA)發(fā)布的《運(yùn)輸噪聲和振動(dòng)影響評(píng)估手冊(cè)》[6]提供了一種采用相對(duì)極限噪聲限值來(lái)評(píng)價(jià)噪聲，考慮到現(xiàn)有環(huán)境噪聲對(duì)待建工程噪聲水平的影響。

1.5.1 相對(duì)極限

相對(duì)極限考慮現(xiàn)有噪聲對(duì)工程項(xiàng)目噪聲的影響，背景噪聲比較高的地區(qū)采用相對(duì)極限來(lái)限制工程噪聲既符合真實(shí)情況，對(duì)工程項(xiàng)目噪聲做有效測(cè)評(píng)，又對(duì)工程項(xiàng)目噪聲范圍有一定參考，可以減少減振降噪措施的使用，更加經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的規(guī)定，按照波哥大現(xiàn)有的背景噪聲，表5給出了波哥大待建地鐵1號(hào)線建成運(yùn)行時(shí)的噪聲范圍。

表5 待建波哥大地鐵一號(hào)線在不同區(qū)域的軌道交通噪聲相對(duì)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 絕對(duì)極限

表6列出了各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)部分敏感建筑物噪聲的限值。從數(shù)值上對(duì)各國(guó)噪聲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，波哥大地區(qū)對(duì)于噪聲的限制標(biāo)準(zhǔn)值大于中國(guó)、日本的各聲環(huán)境功能區(qū)的噪聲限值要求，即比中國(guó)和日本要求寬松；與美國(guó)相比，各功能區(qū)噪聲限值基本一致，較為符合美國(guó)的環(huán)境噪聲限值，這與波哥大地鐵一號(hào)線設(shè)計(jì)單位參照的文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)[6]有關(guān)。

表6 各國(guó)對(duì)不同區(qū)域的噪聲絕對(duì)限值(dB(A))Table 6 Absolute noise limits for different regions in different countries(dB(A))

2 噪聲試驗(yàn)

上述內(nèi)容對(duì)噪聲標(biāo)準(zhǔn)從理論層面進(jìn)行了定性分析，給出了一個(gè)基本的研究方向，通過(guò)噪聲試驗(yàn)將理論的內(nèi)容具體化，進(jìn)行定量研究。由于噪聲大小隨測(cè)點(diǎn)位置的遠(yuǎn)近變化，故試驗(yàn)主要以時(shí)間計(jì)權(quán)為變量進(jìn)行探究，采集一段軌道交通噪聲和穩(wěn)態(tài)噪聲(環(huán)境背景噪聲)，用不同噪聲標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算這一噪聲信號(hào)的評(píng)價(jià)量，分析基于同一噪聲信號(hào)各標(biāo)準(zhǔn)之間的差異。

2.1 信號(hào)處理

試驗(yàn)過(guò)程中軌道交通噪聲測(cè)試時(shí)間為30 s，穩(wěn)態(tài)噪聲測(cè)試時(shí)間為20 s，采樣頻率為51.2 kHz，現(xiàn)就軌道交通噪聲的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行前期信號(hào)分析處理，時(shí)程曲線如圖3所示。

圖3 軌道交通噪聲時(shí)程曲線圖Fig.3 A certain time-history curve of railway traffic noise

前期數(shù)據(jù)分析采用DASP(Data Acquisition&Signal Processing)信號(hào)處理軟件，分析形式設(shè)定為1/3倍頻程，加窗形式為矩形窗，得到頻域內(nèi)的聲壓級(jí)結(jié)果，如圖4所示。同時(shí)，為了了解設(shè)備的計(jì)算原理和后期數(shù)據(jù)分析的需要，基于FFT變換自編程進(jìn)行信號(hào)處理，按照1/3倍頻程劃定的頻帶范圍，使用能量求和法計(jì)算頻帶內(nèi)聲壓和聲壓級(jí)，然后將能量求和得到總聲壓級(jí)。

由圖4的對(duì)比分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，按照1/3倍頻程劃定的頻帶范圍內(nèi)DASP信號(hào)處理結(jié)果與自編程信號(hào)處理結(jié)果高度吻合，誤差精度控制在4%以內(nèi)，驗(yàn)證了基于FFT變換下的1/3倍頻程信號(hào)處理算法的正確性與準(zhǔn)確性，便于后期試驗(yàn)過(guò)程中多時(shí)段多測(cè)點(diǎn)信號(hào)處理，解決了DASP使用過(guò)程中不能與其他軟件很好接合以及無(wú)法計(jì)算測(cè)試過(guò)程中最大的等效連續(xù)聲壓級(jí)的局限性。

圖4 自編程和DASP處理得到的聲壓譜級(jí)Fig.4 Sound pressure spectrum levels obtained by self-programming and DASP processing

2.2 時(shí)間計(jì)權(quán)計(jì)算結(jié)果

時(shí)間計(jì)權(quán)的基本定義是規(guī)定時(shí)間常數(shù)的時(shí)間指數(shù)函數(shù)，該函數(shù)是對(duì)瞬時(shí)聲壓的平方進(jìn)行計(jì)權(quán)。

IEC 61672-2013規(guī)定的時(shí)間計(jì)權(quán)聲壓級(jí)計(jì)算公式為[18]：

式中：

下標(biāo)f為頻率計(jì)權(quán)，通常是A、C或Z計(jì)權(quán)；

τ為時(shí)間計(jì)權(quán)F或S的指數(shù)時(shí)間常數(shù)(s)；

ξ為從過(guò)去的某時(shí)刻，例如積分下限-∞，到觀測(cè)的時(shí)刻t的時(shí)間積分的變量；

P2f(ξ)為頻率加權(quán)瞬時(shí)聲壓信號(hào)(其中頻率加權(quán)為A、C或Z)；

P0為基準(zhǔn)聲壓20μPa(被認(rèn)為是人類(lèi)聽(tīng)力的閾值)。

根據(jù)式(1)，計(jì)算30 s軌道交通噪聲和20 s穩(wěn)態(tài)噪聲(環(huán)境背景噪聲)在不同時(shí)間計(jì)權(quán)下的聲壓級(jí)，計(jì)算結(jié)果如圖5～6。

圖5 不同時(shí)間計(jì)權(quán)的軌道交通噪聲總聲壓級(jí)Fig.5 Total sound pressure level of rail traffic noise under different time weighting

采用時(shí)間計(jì)權(quán)聲級(jí)是因?yàn)樗咏硕兄曇舻姆绞?。早期測(cè)量采用的是模擬信號(hào)，儀器上只有一根指針，指針會(huì)隨著聲壓級(jí)上下移動(dòng)得很快，以至于變得模糊，故用模擬元件實(shí)現(xiàn)減速，同時(shí)正確報(bào)告能量水平。由圖5、6中的結(jié)果可知，F(xiàn)計(jì)權(quán)聲壓級(jí)比S計(jì)權(quán)得到的總聲壓級(jí)水平高7 dB左右。圖5中20 s處的峰值和圖6中的2、6和16 s處的峰值，F(xiàn)計(jì)權(quán)突變程度比S計(jì)權(quán)的突變程度大，且穩(wěn)態(tài)噪聲比軌道交通噪聲差異小。這一現(xiàn)象很好地解釋了F計(jì)權(quán)對(duì)突變信號(hào)的反應(yīng)比S計(jì)權(quán)快，F(xiàn)計(jì)權(quán)更適合軌道交通噪聲。

圖6 不同時(shí)間計(jì)權(quán)的穩(wěn)態(tài)噪聲總聲壓級(jí)Fig.6 Total sound pressure level of steady-state noise under different time weighting

2.3 聲學(xué)評(píng)價(jià)量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3所列公式計(jì)算有效聲壓、聲壓級(jí)，瞬時(shí)A聲級(jí)計(jì)算時(shí)間為1 s計(jì)算總聲壓級(jí)，最后求和得到等效連續(xù)聲壓級(jí)。等效連續(xù)聲壓級(jí)是某段時(shí)間內(nèi)能量的均值，反應(yīng)的是在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)測(cè)量對(duì)象的平均噪聲水平，計(jì)算結(jié)果如圖7、8所示。

表3 各國(guó)噪聲測(cè)點(diǎn)位置Table 3 Locations of noise measuring points in different countries

圖7 軌道交通噪聲的等效連續(xù)聲壓級(jí)Fig.7 Equivalent continuous sound pressure levels of rail transit noise

由以上分析結(jié)果可知，各國(guó)噪聲標(biāo)準(zhǔn)在算法上一致，故對(duì)同一段噪聲信號(hào)，其總聲壓級(jí)和等效連續(xù)聲壓級(jí)是相同的。這一結(jié)論說(shuō)明了在分析國(guó)內(nèi)外噪聲標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，噪聲計(jì)算方法不作為一個(gè)可變參量，而從噪聲測(cè)點(diǎn)位置和計(jì)權(quán)方式去分析其計(jì)算結(jié)果的差異，不同標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)位置布設(shè)差異如表3所示。

圖8 穩(wěn)態(tài)噪聲的等效連續(xù)聲壓級(jí)Fig.8 Equivalent continuous sound pressure levels of steadystate noise

3 結(jié)論

噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不是單一變量，不能僅從噪聲限值的數(shù)值上進(jìn)行比較。單純的數(shù)值比較沒(méi)有實(shí)際的意義，不同的噪聲限值只有在具體的應(yīng)用環(huán)境中才有其真實(shí)的作用，只有在保證測(cè)量方法、測(cè)點(diǎn)位置、計(jì)權(quán)方式、噪聲評(píng)價(jià)量一致的情況下才可以進(jìn)行比較。

目前國(guó)內(nèi)外噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)多以ISO為標(biāo)準(zhǔn)，噪聲限值標(biāo)準(zhǔn)采用的是絕對(duì)極限，只有美國(guó)交通部、聯(lián)邦運(yùn)輸管理局(FTA)發(fā)布的《運(yùn)輸噪聲和振動(dòng)影響評(píng)估手冊(cè)》中采用了相對(duì)極限，考慮工程項(xiàng)目背景噪聲的影響，較高的現(xiàn)有背景可能會(huì)使噪聲控制應(yīng)用于項(xiàng)目的必要性消失，因?yàn)槠湟嫣幉⒉伙@著，所以采用相對(duì)極限提高了工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)噪聲而言，等效連續(xù)聲壓級(jí)從宏觀角度進(jìn)行噪聲水平評(píng)定，時(shí)間計(jì)權(quán)聲壓級(jí)從微觀角度反映噪聲隨時(shí)間變化的結(jié)果，更符合人耳對(duì)聲音的感知方式。兩者結(jié)合使用，對(duì)評(píng)價(jià)噪聲水平的評(píng)價(jià)會(huì)更加準(zhǔn)確可靠。