新能源汽車應(yīng)用對城市聲環(huán)境影響分析

摘" 要：城市道路交通噪聲污染防治壓力巨大，目前在貫徹落實我國低碳環(huán)保的理念下新能源汽車大力普及推廣，新能源車的噪音原理與傳統(tǒng)燃油車不同，該文從點、線、面3個角度，根據(jù)聲能量疊加原理和1小時等效連續(xù)A聲級，通過現(xiàn)場實測采集內(nèi)燃機汽車和新能源汽車車外通過噪聲樣本，并選取城市某區(qū)域進行聲學模型預(yù)測，結(jié)合道路車流量等方法，研究新能源汽車比例的變化對區(qū)域聲環(huán)境的影響情況。

關(guān)鍵詞：聲學；交通噪聲變化；聲能量疊加；新能源汽車；通過噪聲

中圖分類號：B845.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0085-04

Abstract： There is a great pressure on the prevention and control of urban road traffic noise pollution. At present， under the implementation of the concept of low-carbon environmental protection in China， new energy vehicles are popularized. The noise principle of new energy vehicles is different from that of traditional fuel vehicles. In this paper， according to the sound energy superposition principle and 1 h equivalent continuous A sound level， the passing noise samples of internal combustion engine vehicles and new energy vehicles are collected， and a certain area of the city for acoustic model prediction is selected through on-site measurement， and using road traffic flow and other methods， we studied the impact of the proportion of new energy vehicles on the regional acoustic environment.

Keywords： acoustics; traffic noise change; sound energy superposition; new energy vehicle; passing noise

新能源汽車作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，對我國改善能源消費結(jié)構(gòu)、減少空氣污染具有積極意義，在噪聲方面較內(nèi)燃機汽車噪聲也有顯著的不同，目前關(guān)于新能源汽車車外通過噪聲的研究甚少。

秦勤等[1]對電動汽車和內(nèi)燃機汽車的噪聲特性進行了對比，文中小型電動車與汽油車噪聲污染水平相當；電動公交車比柴油公交車噪聲污染水平低4～12 dB。邵志躍[2]采集電動車和內(nèi)燃機汽車的車外通過噪聲，發(fā)現(xiàn)電動小汽車較燃油小汽車通過噪聲小5.8 dB（A），電動公交車較燃油公交車通過噪聲小9.8 dB（A）。車況、路況等因素影響下新能源汽車較內(nèi)燃機汽車的車外噪聲是改善還是無變化無明確結(jié)論。同時現(xiàn)有研究結(jié)果無法明確新能源汽車比例上升后對城市聲環(huán)境的整體噪聲影響情況。

本文將通過現(xiàn)場實測獲得新能源汽車與內(nèi)燃機汽車的車外通過噪聲值，并研究新能源汽車在不同占比情況下，對城市區(qū)域居住區(qū)聲環(huán)境的影響情況。

1" 聲源采集

城市交通中道路狀況復(fù)雜：交通信號燈、公交車進出站、出租車載客、車輛禮讓行人和交通擁堵等，在這些場景條件下汽車需要從靜止進行加速，且加速過程中發(fā)動機或電機負荷增大，轉(zhuǎn)速變大，噪聲影響也最大，因此，本文主要針對汽車從靜止到加速通過這個過程對比新能源汽車與內(nèi)燃機汽車的車外噪聲差異，采集汽車加速通過過程中產(chǎn)生的噪聲并加以分析。

1.1" 測試方案與條件

聲源樣本采集方案參考國家標準GB 1495—2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》[3]。圖1為測量場地和測量區(qū)及傳聲器的布置示意圖。

為保證測試數(shù)據(jù)的有效性，盡量選擇干擾性較小的道路作為試驗場地。測點需符合以下條件：選擇路段附近噪聲源除了交通噪聲外，基本沒有其他噪聲干擾。道路上車流量較小，背景噪聲較低，能夠采集到一輛車通過的噪聲樣本；采樣場地周邊較開闊，無較大的噪聲反射面，無遮擋物、無吸聲材料；道路路段平直。測試路面為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)；監(jiān)測點與路口之間距離大于100 m。

1.1.1" 試驗車輛

試驗車輛為榮威ei5（純電動車）、榮威ei6（混動）和大眾途安（內(nèi)燃機汽車）3輛車。

通過對GB/T 38146.1—2019《中國汽車行駛工況 第1部分：輕型汽車》中的工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，中國汽車實際車速在30～70 km/h的運行里程內(nèi)比較集中，就運行時間而言，70 km/h以下時間更長，反映了中國日常生活中常用的汽車工況。考慮到城市的駕駛模式和城市道路的限速影響，一般不超過60 km/h，試驗方案：純電動汽車、混動汽車和內(nèi)燃機汽車3輛車在30、50、60 km/h加速行駛3種工況，采集時，保證無其他車輛在該路段行駛。

1.1.2" 試驗設(shè)備

采樣時間為2021年11月17日10：00至13：00，天氣晴，溫度17 ℃，風速約1 m/s。聲源采樣儀器為德國HEAD acoustics 公司的SQuadriga II便攜式多通道采集系統(tǒng)、丹麥GRAS 1/2英寸傳聲器。傳聲器采用三角架支撐，離地面高約1.2 m。

1.2" 監(jiān)測結(jié)果

將采集到的噪聲樣本導(dǎo)入德國HEAD acoustics 公司的Artemis軟件進行回放，排除受到其他噪聲干擾的樣本，每種車不同車速情況下選擇4～5個不受干擾的噪聲樣本，進行分析計算。

各種車通過噪聲的等效連續(xù)A聲級。其中等效連續(xù)A聲級可由式（1）計算

式中：LAeq為等效連續(xù)A聲級，N與時間長度和時間間隔有關(guān)， LAi為每個時間間隔對應(yīng)的A聲級。

獲取單純的汽車通過噪聲，需要去掉測量結(jié)果中本底噪聲的貢獻，根據(jù)聲能量疊加的原理，按式（2）進行計算

每種車型在3種速度加速行駛時，分別進行4次采樣，并運用聲能量疊加原理扣除本底噪聲后，得出的汽車路面噪聲計算結(jié)果匯總見表1。

通過對表1和圖2中的實測數(shù)據(jù)進行分析，可以看出：

1）3種汽車通過的總A聲級均隨著速度的提升而增加，且均在60 km/h時最大。

2）在30、60 km/h 加速行駛狀態(tài)下，新能源車車外噪聲均小于內(nèi)燃機汽車，聲級降低1.0～1.7 dB；在50 km/h勻速行駛狀態(tài)下，新能源車經(jīng)過測量點的聲級與汽油車輛十分接近，變化不明顯。

本研究測得的噪聲結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在行駛速度較高，達到60 km/h時，新能源汽車均依然具有輕微降噪的優(yōu)勢，而在速度為50 km/h時，兩者幾乎相當，與以往的理論不完全一致。丹麥公路局[4]試驗研究發(fā)現(xiàn)在低速10 km/h的速度下，新能源汽車比傳統(tǒng)燃油汽車顯著低5 dB，在速度高于30 km/h，輪胎噪聲占主導(dǎo)地位，兩者差異很小。

2" 城市聲環(huán)境噪聲預(yù)測分析

本研究選擇CadnaA作為仿真軟件，包括噪聲源模型和ISO9613的聲傳播模型[5]。在軟件仿真中，將道路交通噪聲作為主要噪聲源。

選取上海某小區(qū)（劍河路、哈密路、青溪路和平溪路地塊），利用CadnaA進行軟件模擬，研究新能源汽車的比例上升對城市區(qū)域聲環(huán)境的影響情況。在模型中通過將車流量、重車占比、車速限值以及道路參數(shù)輸入到模型中后，經(jīng)過軟件的模擬計算，輸出預(yù)測點的聲級值。預(yù)測點選取了具有特征性的沿道路四周和距離衰減的腹地位置。

2.1" 車流量情況

收集周邊4條道路的晝夜車流量數(shù)據(jù)，對每條道路在晝間和夜間各計數(shù)一次，每次20 min。每次計數(shù)時區(qū)分小車和大車，大車為大卡車、巴士和公交車，其余的為小車。4條道路的車流量見表2。

4條道路中劍河路車流量最大。通過近年來新能源汽車的大力推廣，道路上新能源汽車的占比逐漸增高。目前晝間小型新能源汽車占比為21.1%～38.8%，大型新能源車占比為0%～54.5%。夜間小型新能源汽車占比為41.8%～62.9%，大型新能源車占比為0%～62.5%。新能源汽車在夜間的比例明顯高于晝間見表3。

2.2" 1小時等效A聲級變化分析

由于道路上的噪聲情況是隨著時間發(fā)生變化的，當有車輛通過時，噪聲聲級上升，車輛通過后噪聲聲級下降。對于這種起伏的噪聲，通常采用噪聲能量按時間平均的方法進行評價。在實際應(yīng)用中，常以1小時等效連續(xù)A聲級進行評價，即1小時內(nèi)噪聲總能量按1小時進行平均。數(shù)學公式也可以認為是公式（1）的變形，如式（3）

式中：LAeq，1H為1小時等效A聲級，LAi為1小時中的第i個A聲級，n為1小時內(nèi)A聲級數(shù)據(jù)個數(shù)，取決于時間間隔，如前文時間間隔為0.1 s，則n為36 000。

單輛車通過的聲能量乘以車流量，可以得到總的汽車噪聲聲能量，再加上本底噪聲的聲能量，在1 h內(nèi)進行能量平均，就可以得到一定車流量條件下LAeq，1H。

2.3" 模型有效性驗證

選擇CadnaA進行模擬計算，將測點的模擬聲壓值與實測值進行比較，由表4模型校核點處實測點與模擬值之間最大的差值為0.6 dB（A）。根據(jù)HJ 2.4—2021《環(huán)境影響評級技術(shù)導(dǎo)則》中計算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)（小于等于3）時，可利用模型計算其他聲環(huán)境保護目標的現(xiàn)狀噪聲值。本報告中兩者之間的數(shù)值較為接近，說明設(shè)置的參數(shù)模型與參數(shù)輸入對研究區(qū)域內(nèi)聲環(huán)境模擬的有效性較高。

2.4" 預(yù)測結(jié)果

考慮到新能源車替內(nèi)燃機汽車是一個逐步的過程，同時基于目前階段新能源汽車的占比情況，本研究將新能源汽車的比例設(shè)定為以下3種情景：現(xiàn)狀、80%新能源汽車、100%新能源汽車。因此，可以計算在這3種情況下的LAeq，1H數(shù)值，并比較不同情況下的A聲級變化如圖3—圖4所示。

腹地處的點位晝間和夜間均小于35 dB，受車輛交通噪聲影響較小。受車輛交通噪聲影響較大的邊界處的9個觀察點，其中青溪路哈密路交界處3-1點位聲級最大。當新能源汽車比例上升到80%，各點位的晝間聲級較現(xiàn)狀下降0.3～1.1 dB（A），夜間聲級下降0.2～0.5 dB（A），如圖5所示。當新能源汽車比例上升到100%，各點位的晝間聲級較現(xiàn)狀下降0.8～1.6 dB（A）， 夜間聲級下降0.5～0.9 dB（A），如圖6所示。

根據(jù)12個點位的聲級值可得該區(qū)域內(nèi)整體降噪效果不顯著，特別是當新能源汽車比例上升到100%，較現(xiàn)狀聲級降低僅0.9%～3.1%。該區(qū)域周邊4條道路中劍河路車流量最大，受交通噪聲影響最大的是靠近劍河路側(cè)的1-1、1-2、1-3 3個點位，這3個點位也是新能源汽車占比變高后降噪效果最大的點位，新能源車100%普及晝間聲級最大降低1.6 dB，夜間最大降低0.8 dB。

3" 結(jié)論

1）新能源車在低速和高速行駛時，均具有噪聲輕微優(yōu)勢。一般認為，電動車在低速行駛時的噪聲與燃油車差異最大，高速行駛時沒有噪聲優(yōu)勢。而本研究發(fā)現(xiàn)，新能源汽車與燃油汽車在不同速度行駛時的噪聲差異并不是很大，在30 km/h低速和60 km/h高速勻速行駛時小型新能源車經(jīng)過測量點的最大A聲級數(shù)值比燃油車輛低1.0～1.7 dB。

2）居住小區(qū)的噪聲環(huán)境不僅受到道路車流量的影響，還受到建筑布局的影響，臨街建筑因正對道路導(dǎo)致噪聲影響較大。新能源汽車比例提高至100%與現(xiàn)狀相比，觀察點晝間噪聲下降0.8～1.6 dB（A），夜間噪聲下降0.5～0.9 dB（A）。在城市布局無法調(diào)整的情況下，新能源車比例提升，使居住小區(qū)的整體噪聲環(huán)境得到了改善，但改善效果不顯著。

根據(jù)新能源汽車車外通過噪聲聲源數(shù)據(jù)情況，新能源汽車較內(nèi)燃機汽車在中高速上無顯著降噪效果，歐洲地區(qū)環(huán)境噪聲會議上也有專家提出發(fā)展低噪聲路面能從根源上解決行車噪聲污染問題，最為經(jīng)濟和有效。未來將研究采用低噪聲路面來降低交通道路噪聲，進而顯著改善城市區(qū)域聲環(huán)境情況。

參考文獻：

[1] 秦勤，肖偉民，蔣從雙，等.電動汽車和燃油汽車的噪聲特性對比[J].噪聲與振動控制，2014（2）：63-65.

[2] 邵志躍.電動汽車引起城市交通噪聲變化初探[J].噪聲與振動控制，2018（4）：128-133.

[3] 中華人民共和國環(huán)境保護總局.汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法：GB 1495—2002[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2002.

[4] Rasmus Stahlfest Holck Skov or Lykke Moller Iversen. Noise Of" Electric vechicles[Z].public，2015（3）.

[5] 康鐘緒，戶文成，肖偉民，等.城市公交車輪胎噪聲測試與分析[C]//2012全國環(huán)境聲學學術(shù)會議論文集.杭州：中國聲學學會，2012：289-292.