城市道路交通噪声频率特性及分布

孙凤英，苏男

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

城市道路交通噪声频率特性及分布

孙凤英，苏男

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

为探明城市道路交通噪声频率特性及分布特点，选取哈尔滨市4个区域的8条道路对其进行频率监测。利用声能量和频率重心计算公式，分析各条道路的低频段、中频段、高频段能量分布及其频率重心。结果表明：城市道路交通噪声频段声能量主要呈现为中低频特性，且以低频为主；城市道路交通噪声的频率重心主要分布于100～400 Hz，集中分布在200～250 Hz；噪声频率随水平距离的增加衰减程度不同，距离越大，衰减越明显；不同类型道路的交通噪声频率特性随车速、车流量以及车型的变化而不同，在分析噪声频率特点时，应综合考虑各种因素的影响。对不同频率特性的道路交通噪声频率特性及分布的研究，将为今后依据交通噪声频率特性选择更合理的降噪方法提供理论依据。

道路交通噪声；频率特性；声能量；频率重心

0 引言

随着我国机动车保有量的爆发式增长，城市道路交通噪声成为城市中的主要噪声源。根据《2015年中国环境状况公报-声环境》显示，全国城市昼间区域声环境质量平均值为54.1 dB(A)，昼间道路交通噪声平均值为67.0 dB(A)；其中，道路交通声环境质量为一级的城市占65.4%，比2014年下降3.5个百分点；二级至四级城市所占比例均有不同程度的上升，二级城市上升1.5%、三级城市上升1.0%、四级城市上升1.3%个百分点；相比之下，五级的城市比2014年下降0.3个百分点[1]。全国城市0～4a类功能区达标率同比2014年均不同程度上升，4 b类功能区昼间达标率同比下降，4 a类功能区(即：交通干线两侧区域)夜间噪声污染较为严重；城市区域声环境质量总体保持稳定；城市道路交通噪声强度总体有所升高[2]。研究表明，长期生活在噪声污染的环境中会对人体健康造成不良影响[3]。有数据[4]显示，汽车在正常行驶中产生的噪声为80～90 dB(A)，高峰时车流噪声接近100 dB(A)。因此，需要重视噪声，特别是城市道路交通噪声，最大限度的降低噪声的影响。

国内外学者对于城市道路交通噪声方面进行了大量的分析和研究工作，对于城市道路交通噪声特性进行了相关研究。李本纲[5]、罗鹏[6]等分别对城市道路交通噪声进行总体评价，并提出了相应的防治和减噪措施；贾继德[7]、孙嵩松[8]等深入分析了汽车噪声声源的特性和声功率级；居浩[9]、梁常德[10]、徐洪波[11]等主要分析了车速、车流量和道路宽度等参数对城市道路交通噪声的影响。叶慧海等选取北京市三条不同类型道路进行交通噪声测试分析，小型车占大部分，噪声能量主要集中在中频段[12]；Hai Yen Thi Phan等发现车辆种类不同，噪声特性差异显著[13]；Torija Antonio J等就城市道路交通噪声中低频成分的相对重要性进行了研究，证明城市交通噪声频谱中不同部分变化产生的影响取决于该情况下占据优势的频谱部分[14]；Zuo等对加拿大多伦多市交通噪声在时间和空间上的变异进行了分析[15]。

但是，目前国内外交通噪声的降噪方法研究主要以声强为主，对于综合分析噪声频率的研究尚且较少。仅考虑声强的降噪方法及措施在现实情况的适用性并不理想，对于综合考虑不同道路噪声频率特性进行方法的选择和评价则更为合理。本研究于2016年10月根据哈尔滨市内主要交通干线的道路等级、车流量、车型比、路面条件、地理位置及道路两侧的声学环境，选取8条代表性道路噪声频率特性及分布进行分析研究。与2015年数据项结合，综合分析噪声频率变化状况。本文研究结果对城市道路交通噪声进行实测统计以确定道路交通噪声在不同频率下的声压级分布有重要的意义和推广价值。

1 噪声采样

1.1 典型道路选取

本文根据哈尔滨市内主要交通干线的道路等级、车流量、车型比、路面条件、地理位置及道路两侧的声学环境选择8条具有代表性的道路作为研究对象，分别为：①双拥路、②友协大街、③尚志大街、④哈平路、⑤和兴路、⑥征仪路、⑦南直路、⑧南极街。上述道路主要集中分布于哈尔滨市的主城区，其中包括香坊区、南岗区、道里区、道外区以及平房区。

1.2 测点选择

监测点设置在交通干线交叉口的路边人行道上，两交叉口50 m以上，路段不足100 m的道路选择路段中点处，此处距道路边缘20 cm。监测仪器距地面的垂直距离大于1.2 m，与测量者身体距离应不小于1.5 m。每次每个测点测量10 min，每个测点连续测量3次后取平均值。

1.3 测量时间

本次测量的时间从2016年10月下旬开始到11月初结束，选择星期一至星期五的正常工作日，每条道路交通噪声监测工作在平峰时段进行，上午为8：30 ～11：30，下午为14：00～17：00进行。

1.4 测量仪器及条件

测量仪器为HS6288B型噪声频谱分析仪，根据JJG188-2002《声级计检定规程》检测合格，测量前使用声级计校准器校准后进行监测。在风速不大于5.5 m/s，无雨、雪的气象条件下进行测量。

2 频率分析

2.1 噪声频率

图1 道路交通噪声频谱图Fig.1 Frequency spectrum of road traffic noise

城市道路交通噪声频率特征如图1所示。由图1可知：道路交通噪声覆盖了低、中、高 3个频段，是宽频噪声。各频率成分的声压级在500～2 kHz频段有一定程度的增加，这直接取决于车辆鸣笛；声压级60 dB以上的噪声主要由2 kHz 以下的中低频声音构成，1 kHz以上的噪声基本随频率增加而对应的声压级逐渐降低，低频和中频成分较多。有研究者将声源频谱中最大声压级对应频率所在频段作为该噪声的主要影响频段[16，19]。据此可以得出在所测8条道路中，噪声最大声压级对应频率均位于低频范围。其中①和②最大声压级对应的频率为31.5 Hz，其余6条道路噪声最大值对应的频率为63 Hz。于此同时，在63 Hz和1 kHz处出现两个峰值，该频段附近是道路交通噪声治理重点和难点。

2.2 噪声声频段能量

根据ISO226-1987[17]规范的规定，将噪声划分为20～200 Hz(低频噪声)、200～2 000 Hz(中频噪声)和2 000～20 000 Hz(高频噪声)[18]。但由于没有明确的标准规范，频段的划分在不同的研究中有所不同[19]。为了便于研究道路交通噪声频率特性，把划分的频带与倍频程中心频率对应。倍频程是指以31.5 Hz、63 Hz、125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 kHz、2 kHz、4 kHz和8 kHz这9个频率划分的频带。本研究采集的每组噪声频率数据中，包括了中心频率为31.5 Hz到8 KHz的9个中心频率噪声值，把中心频率为63 Hz到200 Hz为低频段，250 Hz到1 KHz划分为中频段，2 KHz到8 KHz划分为高频段。

根据倍频程分析结果，利用声能量计算公式，计算各频段声能量占噪声总能量比率为[19～20]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ηI为各频段声能量占总噪声能量的比值；EI为各频段声能量；E总为总声能量；ηI为各频段声压；P总为总声压；LI为各频段声压；L总为总声压；LIi为各频段各倍频程声压级。

根据公式(1)(2)(3)计算各功能区道路噪声声能量按频率分布特性，见表1。

表1 2016年道路交通噪声频段声能量分布Tab.1 Acoustic energy distribution of road traffic noise in 2016

由表1可以看出，城市道路噪声声能量主要集中于中低频，且以低频为主。其中③和④低频段噪声所占比例显著，①和⑦中频段噪声所占比例较大。

2.3 频率重心

从道路交通噪声频谱图可以看出，交通噪声曲线的变化趋势平缓，峰值不明显，因此采用频率重心[21-23]的分析方法，计算每条道路的频率重心，以分析道路交通噪声频率特性。频率重心SGC是噪声频谱的几何重心，计算公式见公式(5)：

(5)

式中：i为倍频程中心频率序号，取值范围为{31.5，63，…，8k}；B为倍频程对应的中心频率；L为中心频率声压级，dB(A)。

图2 2016年道路交通噪声频率重心集中分布Fig.2 Road traffic noise frequency concentrated distribution inter annual comparison in 2016

由图2可以看出，2016年道路交通噪声频率重心分布在100～400 Hz之间，集中分布在200～300 Hz。其中②和⑦的频率重心属于低频段，其余6条道路频率重心分布于中频段。2015年的频率重心在100～600 Hz变动分布，仅②的重心位于低频段，其余7条道路均位于中频。

3 测量结果比较分析

3.1 噪声声能量分析

通过图3可以看出相比于2015年而言，2016年上述8条道路的噪声声能量分布均有不同程度的由中频段向低频段移动，高频段所占比例无明显变化。②、③和⑥中低频变化显著，⑦变化幅度很小。与2015年相比，低频段噪声声能量增加百分比：①28.16%、④19.02%、⑤11.94%、⑧19.89%；中频段声能量减少百分比分别为：①28.25%、④18.80%、⑤13.62%、⑧22.07%。由以上数据可以看出，2016年与2015年相比，道路交通噪声低频段比例显著增大，声能量总体特征由中低频变化为低频，这与《2016年哈尔滨环境状况公报》中显示道路声环境质量由二级(较好)直降为四级(较差)密切相关。

图3 2015～2016年交通噪声声频段能量分布比较Fig.3 Comparison in frequency range energy distribution of traffic noise from 2015 to 2016

3.2 频率重心分析

与2015年数据相比较，2016年道路交通噪声频率重心整体有所下移，如图4所示。2015年的频率重心主要分布在中频段(250 Hz

3.3 典型道路交通噪声频率特性分析

从哈尔滨市典型道路测试结果可以看出，道路交通噪声主要呈现中低频特性，且以低频特性为主，结合现场监测情况分析，其低频段部分主要是由车辆系统中的动力和排气系统等组成，并且公交车的动力系统的低频特征尤为明显，而1 000 Hz频带的噪声出现峰值的原因则主要是因为刹车、鸣笛产生。这与以往研究得出结论基本一致[24]。

道路交通噪声频率特性主要与车流量、车型和车速有关，车辆类型不同，车辆产生噪声的中心频率、声能量集中分布的频率范围均不相同[26]。不同类型车辆的噪声频率分布见表2。

图4 道路交通噪声频率重心分布年际比较Fig.4 Road traffic noise frequency center of gravity distribution from 2015 to 2016表2 车辆噪声频率分布Tab.2 The frequency distribution of vehicle noise

车型噪声峰值中心频率频段声能量小型车1kHz1k～2.5kHz中型车500Hz400Hz～2.5Hz大型车63Hz400Hz～2.5Hz公交车低频10Hz～315Hz

小型车和中型车噪声总体呈中高频特性；大型车总体呈中低频特性；而公交车则主要以低频为主，呈现出与其他大型车不一样的规律[25-26]。车辆类型不同，声能量集中分布的频率范围也不同。

城市内道路交通噪声频谱的低频段非常突出，说明低中速行驶的车辆排放的低频噪声污染对城市道路交通噪声有很大影响[27]。车速较低时，发动机为主要噪声源；随着车速的增加，轮胎噪声逐渐成为主要噪声。随着车速的增加小型车噪声声能量变化趋势明显，且向中高频段集中，中型和大型车变化不明显，公交车噪声声能量仍以低频为主。

①和②均是位于哈尔滨市平房工业区地段，双向四车道，属于城市次干路。如图5所示，两条道路的声频段能量和频率重心存在明显差异。而根据现场实测环境可知，①相较于②而言，大货车、工程车以及中型车较多，而大中型车辆的能量主要集在中频段；车流量较大，小型车的数量多于②大街，使得高频段声能量略高于①；车速增加时不仅噪声强度增加，而且汽车噪声中的主要成分向高频方向偏移，也就是说，车速越大，小型车越多，交通噪声的频率越偏向于高频成分[27-29]，因此，①的中频段声能量比例较为显著；②的车流量小，主要车型为小型车和公交车，公交车的低频发挥主要作用，所以友协大街的低频段声能量更为突出。

③、④、⑤以及⑧是分别位于道里区、香坊区、南岗区、道外区的4条城市快速路，车流量大、车速快、车型比较为复杂，但能量主要集中于低频段，但频率重心略有不同。③和④频率重心位于低频段，而⑤和⑧2条路则位于中频段。③和④位于繁华的商业区附近，公交车数量较多，车速较慢，此时以发动机噪声为主，而发动机噪声是主要是低频噪声为主，频率重心会向低频方向移动。较③和④而言，⑤和⑧车速较快，平峰时段不存在拥堵现象，此时轮胎噪声为主要噪声，故其频率重心会移动到中频段。

⑥和⑦均是位于二环路上的城市快速路，尽管分别位于香坊区和道外区，但其车流量、车速和车型比差别并不大，根据图5可以看出，其噪声声能量分布和频率重心所处位置相近。

图5 道路交通噪声频率分布Fig.5 The frequency distribution characteristics of road traffic noise

3.4 道路交通噪声频率横向衰减

为分析交通噪声频率随水平距离的横向衰减，测点在哈平路选择四个测点，对各测点的中心频率的噪声值进行测量，同时记录Leq值。测量时各测点离地面1.2 m，每一测点测量10 min，每个测点连续测量3次后取平均值。测量结果如图6所示。

由图6可知。道路交通噪声频率随水平距离的变化呈现相似的规律性，整体呈下降趋势，在63 Hz处时噪声值最大，1 kHz是次大噪声值，8 kHz是时噪声值最小。测点距路边的距离由小到大，衰减程度分别为：0.9～6.3、3.8～8.6、4.8～9.0 dB(A)。各测点距路边0.5、5、10、25 m的Leq值分别为：83.5、79.9、77.7、74.7 dB(A)。由此可以看出，Leq值高的位置，相应的频段噪声值也会高。

图6 哈平路交通噪声频率横向衰减分布Fig.6 Traffic noise frequency lateral attenuation distribution of Haping Road

4 结论

(1)城市道路交通噪声频率呈现中低频特性，且以低频为主。噪声频谱整体上呈宽频带特性，倍频程频谱的基本走势为随着频率的增加到63 Hz 附近出现噪声级峰值，之后随频率的增加噪声级逐步下降，到1 kHz附近噪声级又略有增加，之后随频率的增加噪声级逐步下降；

(2)交通噪声频率重心分布在100～400 Hz，集中分布在200～250 Hz。其中南直路、友协大街的频率重心属于低频段，其余6条道路频率重心分布于中频段。

(3)噪声频率随水平距离的增加其衰减程度不同，距离越大，衰减越明显；各测点在各频段的频率特征具有相似性，即63 Hz为噪声值最高点，1 kHz为次高低，噪声频率总趋势随频率的增加而降低；Leq值越高，相应频段的噪声值也会越高。

[1]Makerewicz R．Influence of Ground Effect and Refraction on Road Traffic Noise[J].Applied Acoustics，1997，52(2)：125-137.

[2]中华人民共和国环境保护部.中国环境噪声污染防治报告[R].2015.

[3]张玉芬，邓学君.道路交通环境工程[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4]Makerewicz R.Influence of Ground Effect and Refraction on Road Traffic Noise[J].Applied Acoustics，1997，52(2)：125-137.

[5]李本纲，陶澍.城市居住小区交通噪声总体评价与防治对策研究[J].环境科学学报，2002，22(3)：397-401.

[6]罗鹏，蔡铭，马侠霖.城市道路交通噪声分布模拟研究[J].中国环境监测，2013，29(5)：176-179.

[7]贾继德，李春亮，陈一永.汽车车外噪声声源特性分析与识别[J].农业机械学报，2007，38(12)：32-36.

[8]孙嵩松，李志远，陆益民，等.基于声强技术的发动机噪声源识别研究[J].汽车工程，2014，36(1)：48-50.

[9]居浩，黄晓明，虞晓峰.交通管制因素对普通城市道路噪声的影响[J].东南大学学报(自然科学版)，2014，44(2)：420-424.

[10]梁常德，张军波，王大岩，等.噪声预测模式中不同车速取值方法的比较[J].噪声振动与控制，2014，34(1)：104-108.

[11]徐洪波.道路宽度及车速对交通噪声的影响[J].环境保护科学，2007，33(6)：127-128.

[12]叶慧海，魏显威，王彦琴，等.城市交通噪声特性研究[J].噪声与振动控制，2009(S2)：367-370.

[13]Hai Y H P，Yano P，Sato T，et al.Characteristics of Road Traffic Noise in Hanoi and Ho Chi Minh City，Vietnam[J].Applied Acoustics，2010，71(5)：479-485.

[14]Torija A J，Flindell I H.Differences in Subjective Loudness and Annoyance Depending on the Road Traffic Noise Spectrum[J].Journal of the Acoustical Society of America，2014，135(1)：1-4.

[15]Zuo F，Li Y，Johnson J，et al.Temporal and Spatial Variability of Traffic-related Noise in the City of Toronto，Canada[J].Science of the Total Environment，2014，472(15)：1100-1107.

[16]李杰，姜亢，郭建中.北京市公交车站噪声环境特性[J].噪声与振动控制，2012，28(5)：201-202.

[17]ISO226-1987.Normal Equal-loudness Level[S].

[18]Persson K，Rylande R，Benton S，et al.Effects on Performance and Work Quality Due to Low Frequency Ventilation Noise[J].Journal of Sound and Vibration，1997，205(4)：467-474.

[19]余鹏，翟国庆，黄逸凡，等.城市居住区噪声频率特性分析[J].中国环境科学，2006，26(4)：491-495.

[20]罗鹏，蔡铭，王海波.不同速度的各类型机动车噪声频率特性[J].噪声与振动控制，2013，33(5)：86-89.

[21]Raimbault M，Lavadier C，Berengier M.Ambient Sound Assessment of Urban Environments：Field Studies in Two French Cities[J].Applied Acoustics，2003，64(64)：1241-1256.

[22]张晓辉，余宁梅，习岗，等.基于小波消噪的植物电信号频谱特性分析[J].西安理工大学学报，2011，27(4)：411-416.

[23]Can A，Leclereq L，Lelong J，et al.Traffic Noise Spectrum Analysis：Dynamic Modeling vs.Experimental Observations[J].Applied Acoustics，2010，71(8)：173-175.

[24]徐民.北京城市交通系统噪声特性及缓解对策初探[J].噪声与振动控制，2013，33(S1)：444-447.

[25]汪贇，魏峻山，张守斌，等.匀速行驶小型载客汽车噪声频谱研究[J].中国环境监测，2013，29(5)：411-416.

[26]丁真真，赵剑强，陈莹，等.公路交通噪声频率特征及等效频率研究[J].应用声学，2015，34(1)：40-44.

[27]魏峻山，张守斌，刘砚华.机动车不同速度下外噪声变化与衰减关系研究[J].中国环境监测，2012，28(1)：93-96.

[28]韶钢，俞悟周.道路交通噪声等效频率研究[J].声学技术，2009，28(5)：201-202.

[29]乔建刚，梁晓琳.低噪声路面的动力响应分析[J].公路工程，2014，39(6)：138-141.

Frequency Characteristics and Distribution of Urban Road Traffic Noise

Sui Fengying，Su Nan

(School of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to investigate the frequency and distribution characteristics of urban road traffic noise，this paper selects 8 roads of 4 areas in Harbin to carry out frequency monitoring.The sound energy and frequency center of gravity formulas are used to analyze low，middle and high frequency energy distribution and frequency center of the roads.The results show that the sound energy of urban road traffic noise is mainly low and middle frequency and the low frequency plays a dominant role.Furthermore，the frequency center of gravity is distributed in 100～400 Hz and is mainly distributed in 200～250 Hz.Attenuation of noise frequency varies with the increase of horizontal distance.The greater the distance is，the more the frequency attenuates.Traffic noise frequency of different types of roads varies with speed，vehicle flow and vehicle type and the influence of various factors should be considered while analyzing noise frequency characteristics.The study on the frequency characteristics and distribution of road traffic noise with different frequency will provide a theoretical basis for choosing a more reasonable noise reduction method based on the traffic noise frequency characteristics.

Urban road traffic noise；frequency；sound energy；frequency center of gravity

2016-12-13

哈尔滨市科技局学科带头人专项基金项目(2012RFXXS089)

孙凤英，教授。研究方向：交通运输管理与安全。E-mail：sfy7811@163.com

孙凤英，苏男.城市道路交通噪声频率特性及分布[J].森林工程，2017，33(3)：104-109.

U 491.91

A

1001-005X(2017)03-0104-06