基于路肩的道路交通噪聲預測方法與聲屏障設計探討

魏如喜， 王勝強， 于宏兵， 馬風杰

(1.天津市交通科學研究院， 天津 300074；2.南開大學 環境科學與工程學院， 天津 300072)

隨著城市機動車保有量的持續增加，道路交通噪聲問題日漸突出。對于人口密度高的大城市，居民往往受到各類道路交通噪聲的困擾。在城市有關噪聲的投訴中，道路交通噪聲約占4%。對于道路交通噪聲投訴問題需調查、分析，且聲屏障的設立需通過可行性論證、招投標和工程建設等過程，因而道路交通噪聲問題不易得到快速解決。道路交通噪聲聲壓級大小主要受車速、車流量和車輛類型等的影響。上下班高峰時段交通流量大，擁堵嚴重，而且時常伴隨著鳴笛，鳴笛時瞬時聲壓級可達到100 dB以上，故高峰時段道路交通噪聲超標最嚴重。大貨車和大客車等大型車輛的聲功率遠大于小型車輛，其產生的噪聲也高于小型車輛，是道路交通噪聲中較大的污染源。車速越高，車輛產生的噪聲升高。另外，隨著城市道路交通網絡越來越復雜，高架快速路越來越多，噪聲聲源的位置抬高，而聲屏障的聲影區范圍有限，立體交通引起的噪聲影響范圍越來越大。

道路交通噪聲預測是對噪聲實測的重要補充，是道路交通噪聲監測與評價的發展方向。道路交通噪聲預測模型的建立需要大量實驗測試和驗證，目前中國在這方面的發展還不十分完善，道路交通噪聲預測模型的準確度也有待提高。建立道路交通噪聲預測模型的基本步驟是先確定車輛類型，再根據不同類型車輛噪聲源強的影響因素確定每類車輛噪聲源強與影響因素的關系，最后進行不同類型車輛的聲級疊加計算。計算步驟較多，每一步都會產生誤差，多個計算步驟累加起來的誤差較大，這是現有很多文獻的監測數據和模型計算結果差異大的原因之一。幾種行業規范的預測和計算模型也是一種半經驗理論，在實際工程應用中，傳統理論有很大作用，也有很大局限性，應隨著實際情況的變化更新道路交通噪聲預測理論。為此，該文采用多項式復合函數計算道路交通噪聲源強值，然后通過道路噪聲實測進行修正和驗證，根據源強計算公式計算不同車速、車流量下道路交通噪聲級，進而對交通噪聲水平進行評價，并就道路聲屏障設計中存在的主要問題進行分析探討。

1 道路交通噪聲聲源的聲壓級預測現狀

影響道路交通噪聲聲壓級的主要因素是車速、車流量和車輛類型，而車速和車流量在一定條件下相互制約。對于高速公路，這種制約關系體現不太明顯，因為多數情況下車流量不算大，只有特殊情形下這種制約關系才會體現明顯，如道路擁堵時，車速會下降。此外，由于高速公路車流量較低，對車速影響很小，平均車速較高。對于國道、省道、外環公路、快速路甚至市內主干道路，平均車速和車流量的相互制約關系較明顯。車流量較低時平均車速較高，車流量增加時平均車速下降，高峰時段的平均車速更低，甚至出現擁堵。在車流量很大、平均車速較低或車流量較低、平均車速較快兩種情形下，道路交通噪聲聲壓級均會在一定范圍內波動。車輛在道路上行駛，車速遠低于聲速，對于多車道的車輛噪聲，可以認為是半自由聲場，噪聲在路肩和隔離帶之間區域的聲壓級相對均勻，其聲壓級可在路肩處測量，這是基于路肩的道路交通噪聲源強預測模型建立的基本思路。此外，假設車輛達到一定數量時車輛在道路上隨機分布但每條車道內車輛數量相對均勻。一般道路設計為多車道，對于平直道路，可認為行車速度基本均勻。實際行駛中，如果原本行駛的車道速度較慢，而其他車道速度較快，則很多駕駛員會選擇變道到車速較快或車輛較少的車道行駛，導致該車道因車輛增加或某一車輛的速度下降而達到和其他車道相近的速度，最終導致車輛在每條車道的分布數量相對均勻。

在環境噪聲控制工程中有時需要知道噪聲源的源強值。噪聲源的源強是指其聲功率級或聲源近處的聲壓級，這兩個量的物理意義不同，應用中需要說明用的是哪一個。噪聲源的源強值是一定限定條件下的值，在應用時需說明數值的條件。如小型車不同車型差異較小，而同樣尺寸的中型和大型車車型多樣，車況多樣，同一類型車空載和滿載不同，同樣是大型車，不同軸數、不同載重、不同功能的車型，噪聲源強值差異可能很大。大型車低速區(20～40 km/h)和高速區(100～120 km/h)的噪聲源強值差異更大，低速區的實際監測噪聲比行業規范的數值高，因低速時很多大型車在加速，實際數值更高。不同車輛不同行駛速度的數據不易大量獲得，大型車高速路上車速100或110 km/h下的數據可以測得，更高速度的數據雖然有的文獻中有，但考慮到高速公路上大型車限速，文獻中大型車120 km/h下數據的準確性值得懷疑。同類型車的數據差異大，導致數據處理時每個步驟的函數擬合度不好，進而導致后續依據模型計算的結果與實際監測差異較大。近些年，隨著汽車噪聲控制技術的逐漸提高和路況的逐漸好轉，汽車噪聲呈現逐漸降低的趨勢，這也是目前各環境影響評價規范或行業技術規范中模型計算結果和實際監測數據差異大的原因之一。因此，道路交通噪聲預測模型的發展方向應是計算結果更準確并符合實際道路噪聲狀況。

2 基于路肩的交通噪聲等效A聲級預測

道路交通噪聲聲壓級的主要影響因素是車速、車流量和車輛類型，故可以車速、車流量和車輛類型為參數進行數據分析和擬合，建立等效A聲級與這3個參數的方程，對道路交通噪聲等效A聲級進行預測計算。經過查閱文獻和數據分析，道路交通噪聲等效A聲級可通過式(1)進行計算，計算結果和實際監測結果的對比見表1。聲壓級監測位置為距離機動車道邊緣20 cm、高1.2 m，連續監測10 min。

LAeq=20.5logv+3.4lnN+10Y1+8Y2+10.3

(1)

式中：v為平均車速(km/h)；N為總的單位時間車流量(輛/h)；Y1、Y2分別為大型車流量、中型車流量與單位時間總車流量的比值。

表1 天津市道路交通噪聲等效A聲級預測計算與實際監測對比

根據城市道路交通噪聲監測結果，大部分主干道路的噪聲等效A聲級為60～80 dB(A)，車流量較低的支路或輔路的噪聲等效A聲級為60 dB(A)左右；對于車流量較大且車速較快的道路或大貨車占比較高的道路，其等效A聲級一般為80 dB(A)左右；車流量大的主干道路，白天的等效A聲級一般為70～80 dB(A)；大型車與小型車在同一車速下的聲壓級差異平均在10 dB(A)左右，中型車與小型車在同一車速下的平均聲壓級差異在8 dB(A)左右。雖然同一車型不同車的噪聲聲壓級會不同，但同類型車的噪聲聲壓級仍然分布在較窄的數值范圍內。因此，預測計算時不用單獨分出不同車型分別計算，只要在預測模型中加入一個參數進行計算，這樣計算誤差不會太大。由表1可知：預測公式的計算結果與實際監測結果的差值在±2 dB(A)以內，該公式能較準確地預測道路交通噪聲等效A聲級。

3 聲屏障設計中幾個問題探討

有一些聲屏障建成后人們感覺仍然很吵，主要原因：一是對噪聲源強的預測值偏低，設計降噪目標也偏低，導致聲屏障設計高度和長度不夠；二是聲屏障設計時對輔路車輛產生的噪聲對敏感區域的影響考慮不夠充分；三是對聲屏障的維護和保養不夠，影響其降噪效果。聲屏障插入損失的計算依據是菲涅爾理論，聲屏障的理論插入損失和聲源、受保護目標和聲屏障三者位置關系密切，其次和噪聲的等效頻率有關。而聲屏障實際插入損失除與上述三者位置關系有關外，還與道路交通噪聲聲壓級、預測點位置、預測點至聲屏障的地面植被、地面坡度及背景噪聲等諸多因素有關。聲屏障必須具有足夠的高度和長度才能達到一定的插入損失，才能滿足設計降噪目標要求。聲屏障要達到一定的插入損失，需要有足夠的高度、延伸長度和滿足技術規范的材質，而高度和長度增加會增加建造成本。因此，聲屏障設計中要兼顧降噪量和經濟成本之間的平衡。

目前主要采用聲屏障生產廠家的15°方法或根據美國聯邦公路署的聲屏障設計規范進行聲屏障長度計算，要求延伸長度為屏障距離受保護目標距離的4倍。按照JTG B04-2010《公路環境保護設計規范》，聲屏障外延長度不小于受保護對象到聲屏障距離的2倍?？梢姡暺琳祥L度計算的區別或爭議點在于延伸長度不一。計算聲屏障插入損失時分成兩種假設情況，即聲屏障是有限長或是無限長。而實際情況是聲屏障都是有限長度的，除需具有與受保護目標一樣的長度外，還需要一定的延伸長度以提高聲屏障插入損失。實際聲屏障實施中，多數生產廠家采用15°方法和原理，也就是聲屏障端頭和受保護目標端頭之間連線與聲屏障之間的夾角為15°，受保護目標到聲屏障直線距離是確定的，則聲屏障安裝長度L=受保護目標長度L1+2×受保護目標到聲屏障距離L2/tg15°。如果聲屏障不夠長，在來車方向，車輛噪聲會直線傳播到敏感點或受保護點，必須有足夠的衰減距離才能減少噪聲對受保護目標的影響。道路交通噪聲等效連續A聲級多數情況下為70～80 dB(A)，需根據具體情況計算噪聲衰減多少距離才能使噪聲聲壓級符合聲質量國家標準要求。因此，建議在來車端適當延長聲屏障長度，減少聲屏障端頭效應的負面影響，改善聲屏障降噪效果較差的現象。

噪聲控制工程設計的難點之一是很多快速路都設置有進出快速路的輔路，聲屏障一般設置在快速路或主干道路的路肩上，即使進出輔路車輛的速度較低，車流量也不高(300～500輛/h)，但和環境背景噪聲疊加，總的道路交通噪聲聲壓級一般也在60 dB(A)以上，噪聲只能靠現有自然條件予以衰減，夜晚的聲環境質量達標較困難。因此，聲屏障設計時應考慮輔路車輛噪聲。而目前很多地區的聲屏障設計并沒有考慮輔路車輛噪聲對敏感區域的影響。

不少聲屏障存在明顯縫隙，如燈柱與聲屏障結合處、聲屏障與橋欄板頂面之間、預留通道門(逃生出口)縫隙等，聲屏障的縫隙或破損會導致聲屏障實際插入損失降低。聲屏障下部與鋼筋砼基礎縫隙一般較大，可采用瀝青麻絲等材料密封。但有的道路對該處沒有加以密封，由于風吹日曬或交通事故，聲屏障遭到人為破壞等多種因素導致破損，長時間無人修補會影響聲屏障降噪效果。因此，對道路聲屏障需進行必要的保養和維護，減少縫隙和破損對降噪效果的影響。

4 結語

經過對道路交通噪聲的影響因素分析，提出道路交通噪聲源強的預測理論基礎和計算公式。通過對基于路肩的道路交通噪聲連續A聲級的實測和計算，對模型可靠性進行分析，結果顯示理論計算值和監測值的誤差較小，在2 dB(A)以內，噪聲預測計算方法可行。道路交通噪聲源強的預測有助于完善聲屏障設計理論，有利于推動聲屏障設計。