中外軌道交通噪聲標準探析

石凱琴，張 楠，王 晨，高振鯤

(1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044；2.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；3.北京環安檢測工程有限責任公司，北京 100036)

0 引言

軌道交通的快速發展極大地方便了居民的日常出行，提高了人民的生活水平，有效地推動了中小城市的發展，但同時帶來了一系列環境噪聲污染問題。人們在提高生活質量的同時對噪聲標準的要求也在不斷提高。目前，國外軌道交通項目在噪聲方面的設計標準、評價方式和降噪策略不盡相同，甚至有比國內更加嚴格的噪聲排放標準，這為海外項目的順利開展帶來了一定的難度，研讀與分析國內外噪聲標準的異同，可以提出合理的環保設計目標，解決噪聲污染帶來的問題。

對不同的噪聲標準，學者們從聲環境噪聲、鐵路噪聲、城市軌道交通噪聲、社會生活排放噪聲等多方面進行了諸多研究。這些研究主要從噪聲限值入手，如不同標準列車輪軌噪聲評價指標數值不同，據此對噪聲限值的制定提出意見。本文從噪聲測點位置、噪聲評價量和計權方式、噪聲計算方法以及噪聲限值等不同層面對比，分析各國標準的噪聲限值差異，從原理上解決由于規范差異帶來的局限性，為軌道交通噪聲標準評價提供參考，同時有助于中國建筑企業海外項目的拓展。

1 噪聲標準對比分析

1.1 噪聲評價量

國內外噪聲標準評價量有等效連續聲級、晝夜聲級、最大聲級和最大噪聲水平，使用功能不同，評價量不同，測量對象不同，評價量也不同。各國統一使用的評價量是等效連續A聲級，其余指標作為一個參考量，各評價量交叉使用，部分標準噪聲評價量見表1[1-17]。

表1 各國的噪聲評價量測試時長[1-17]Table 1 Noise evaluation parameters in different countries

1.2 計權方式

聲學測量領域中，聲級計是較為廣泛使用的聲壓級測量儀器，時間計權特性和頻率計權特性是檢驗聲級計性能的兩項重要技術指標。

1.2.1 時間計權

常見的聲源如音樂、演講、噪聲，這些聲壓級波動極快，要在一個顯示器上實時讀取非常困難，聲級計需要對這些突發的變化做出一定的反應，以獲取一個穩定的讀數，這一過程就是時間計權[18]，時間計權圖如圖1所示。計權方式有兩種：F(Fast)計權，時間常數為125 ms，一般用于測量波動較大的非穩態噪聲和交通噪聲等；S(Slow)計權，時間常數為1 000 ms，一般用于測量穩態噪聲，測得的數值為有效值。

圖1 時間計權圖[19]Fig.1 Time weighting diagram[19]

1.2.2 頻率計權

頻率計權[20]就是應用濾波器根據不同的頻率對各個頻率的幅值進行衰減或者增加。聲壓頻率計權有A、B、C、D四種等級，未計權的聲壓級稱為線性計權或Z計權。D計權專用于飛機噪聲的測量。A、B、C三種計權方式的主要差別在于對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。計權特性曲線如圖2所示，各國計權方式如表2所示。

圖2 聲壓計權曲線Fig.2 Weighting curves of sound pressure gauge

表2 各國計權方式Table 2 Standard weighting methods in different countries

1.3 測點位置

綜合各國的噪聲標準，噪聲測點類型主要分為敏感建筑物測量點和列車噪聲測量點。對于敏感建筑物噪聲的測量，測點位置的主要影響因素是距離障礙物的遠近，考慮到噪聲的折射與反射，應該盡量避免障礙物的遮擋。各國標準具體測點位置如表3[1-17]所示。

各標準敏感建筑物測點的選擇因建筑物規格、材質和測量設備不同，測量時距離建筑物的遠近、距離地面的高低存在差異；列車噪聲測點位置主要以ISO 3095為基準，測點距離軌道中心7.5 m，高于軌道1.5 m。歐盟列車噪聲測量主要分為靜止、運行情況，靜止時測點距離軌道中心7.5 m，運行時距離軌道中心25 m。美國噪聲測點基準位置距離軌道50 foot(1 foot=0.304 8 m)。

1.4 噪聲評價量計算方法

目前各國的規范中噪聲測量還沒有統一的標準，也沒有形成系統有效的評價方式。在物理學中描述聲波的基本物理量有頻率、波長、聲速，聲壓和聲壓級是評價噪聲強度的基本指標，聲壓級越高，噪聲越強。通過對主要國家如中國、美國、日本以及ISO的噪聲評價量計算方法進行對比分析[1-11]，結果表明各標準在聲學量的選取與計算原理上基本一致，現以中國噪聲標準為例，列出了各聲學量的計算公式，如表4所示。

表4 聲學評價量及其計算公式Table 4 Acoustic evaluation parameters and their calculation formulas

1.5 噪聲限值

噪聲限值有兩種，一個稱為絕對極限，另一個稱為相對極限。絕對極限一般適用于環境噪聲或現有噪聲有限的較安靜的地區；相對極限通常是考慮到現有環境背景噪聲。各國噪聲限值多采用絕對極限，一般認為現有環境噪聲較低，對待建項目產生的噪聲水平不會有太大影響，或者背景噪聲接近項目噪聲時，對測量工程項目的噪聲進行修正。美國交通部、聯邦運輸管理局(FTA)發布的《運輸噪聲和振動影響評估手冊》[6]提供了一種采用相對極限噪聲限值來評價噪聲，考慮到現有環境噪聲對待建工程噪聲水平的影響。

1.5.1 相對極限

相對極限考慮現有噪聲對工程項目噪聲的影響，背景噪聲比較高的地區采用相對極限來限制工程噪聲既符合真實情況，對工程項目噪聲做有效測評，又對工程項目噪聲范圍有一定參考，可以減少減振降噪措施的使用，更加經濟合理。根據文獻[6]中的規定，按照波哥大現有的背景噪聲，表5給出了波哥大待建地鐵1號線建成運行時的噪聲范圍。

表5 待建波哥大地鐵一號線在不同區域的軌道交通噪聲相對限值(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 絕對極限

表6列出了各國標準部分敏感建筑物噪聲的限值。從數值上對各國噪聲標準進行比較，波哥大地區對于噪聲的限制標準值大于中國、日本的各聲環境功能區的噪聲限值要求，即比中國和日本要求寬松；與美國相比，各功能區噪聲限值基本一致，較為符合美國的環境噪聲限值，這與波哥大地鐵一號線設計單位參照的文獻標準[6]有關。

表6 各國對不同區域的噪聲絕對限值(dB(A))Table 6 Absolute noise limits for different regions in different countries(dB(A))

2 噪聲試驗

上述內容對噪聲標準從理論層面進行了定性分析，給出了一個基本的研究方向，通過噪聲試驗將理論的內容具體化，進行定量研究。由于噪聲大小隨測點位置的遠近變化，故試驗主要以時間計權為變量進行探究，采集一段軌道交通噪聲和穩態噪聲(環境背景噪聲)，用不同噪聲標準來計算這一噪聲信號的評價量，分析基于同一噪聲信號各標準之間的差異。

2.1 信號處理

試驗過程中軌道交通噪聲測試時間為30 s，穩態噪聲測試時間為20 s，采樣頻率為51.2 kHz，現就軌道交通噪聲的試驗數據進行前期信號分析處理，時程曲線如圖3所示。

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

前期數據分析采用DASP(Data Acquisition&Signal Processing)信號處理軟件，分析形式設定為1/3倍頻程，加窗形式為矩形窗，得到頻域內的聲壓級結果，如圖4所示。同時，為了了解設備的計算原理和后期數據分析的需要，基于FFT變換自編程進行信號處理，按照1/3倍頻程劃定的頻帶范圍，使用能量求和法計算頻帶內聲壓和聲壓級，然后將能量求和得到總聲壓級。

由圖4的對比分析結果可以發現，按照1/3倍頻程劃定的頻帶范圍內DASP信號處理結果與自編程信號處理結果高度吻合，誤差精度控制在4%以內，驗證了基于FFT變換下的1/3倍頻程信號處理算法的正確性與準確性，便于后期試驗過程中多時段多測點信號處理，解決了DASP使用過程中不能與其他軟件很好接合以及無法計算測試過程中最大的等效連續聲壓級的局限性。

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

2.2 時間計權計算結果

時間計權的基本定義是規定時間常數的時間指數函數，該函數是對瞬時聲壓的平方進行計權。

IEC 61672-2013規定的時間計權聲壓級計算公式為[18]：

式中：

下標f為頻率計權，通常是A、C或Z計權；

τ為時間計權F或S的指數時間常數(s)；

ξ為從過去的某時刻，例如積分下限-∞，到觀測的時刻t的時間積分的變量；

P2f(ξ)為頻率加權瞬時聲壓信號(其中頻率加權為A、C或Z)；

P0為基準聲壓20μPa(被認為是人類聽力的閾值)。

根據式(1)，計算30 s軌道交通噪聲和20 s穩態噪聲(環境背景噪聲)在不同時間計權下的聲壓級，計算結果如圖5～6。

圖5 不同時間計權的軌道交通噪聲總聲壓級Fig.5 Total sound pressure level of rail traffic noise under different time weighting

采用時間計權聲級是因為它更接近人耳感知聲音的方式。早期測量采用的是模擬信號，儀器上只有一根指針，指針會隨著聲壓級上下移動得很快，以至于變得模糊，故用模擬元件實現減速，同時正確報告能量水平。由圖5、6中的結果可知，F計權聲壓級比S計權得到的總聲壓級水平高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計權突變程度比S計權的突變程度大，且穩態噪聲比軌道交通噪聲差異小。這一現象很好地解釋了F計權對突變信號的反應比S計權快，F計權更適合軌道交通噪聲。

圖6 不同時間計權的穩態噪聲總聲壓級Fig.6 Total sound pressure level of steady-state noise under different time weighting

2.3 聲學評價量計算結果

根據表3所列公式計算有效聲壓、聲壓級，瞬時A聲級計算時間為1 s計算總聲壓級，最后求和得到等效連續聲壓級。等效連續聲壓級是某段時間內能量的均值，反應的是在測量時間段內測量對象的平均噪聲水平，計算結果如圖7、8所示。

表3 各國噪聲測點位置Table 3 Locations of noise measuring points in different countries

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

由以上分析結果可知，各國噪聲標準在算法上一致，故對同一段噪聲信號，其總聲壓級和等效連續聲壓級是相同的。這一結論說明了在分析國內外噪聲標準時，噪聲計算方法不作為一個可變參量，而從噪聲測點位置和計權方式去分析其計算結果的差異，不同標準測點位置布設差異如表3所示。

圖8 穩態噪聲的等效連續聲壓級Fig.8 Equivalent continuous sound pressure levels of steadystate noise

3 結論

噪聲評價標準并不是單一變量，不能僅從噪聲限值的數值上進行比較。單純的數值比較沒有實際的意義，不同的噪聲限值只有在具體的應用環境中才有其真實的作用，只有在保證測量方法、測點位置、計權方式、噪聲評價量一致的情況下才可以進行比較。

目前國內外噪聲評價標準多以ISO為標準，噪聲限值標準采用的是絕對極限，只有美國交通部、聯邦運輸管理局(FTA)發布的《運輸噪聲和振動影響評估手冊》中采用了相對極限，考慮工程項目背景噪聲的影響，較高的現有背景可能會使噪聲控制應用于項目的必要性消失，因為其益處并不顯著，所以采用相對極限提高了工程項目的經濟性。

對噪聲而言，等效連續聲壓級從宏觀角度進行噪聲水平評定，時間計權聲壓級從微觀角度反映噪聲隨時間變化的結果，更符合人耳對聲音的感知方式。兩者結合使用，對評價噪聲水平的評價會更加準確可靠。