电动汽车引起城市交通噪声变化初探

邵志跃

（1.上海市环境科学研究院，上海 200233；2.上海城市环境噪声控制工程技术研究中心，上海 200233）

2016年底，上海市常住人口高达2 419.7万，中心城区人口密度超过2.4万/平方公里，全市机动车实际保有量高达400多万辆，而且持续增长。机动车行驶过程中会产生大量噪声，困扰道路沿线的居民，给城市环境带来不利的影响。

2016年上海市环境状况公报[1]显示，近5年上海市道路交通噪声昼间时段在69 dB(A)～70 dB(A)之间，夜间稳定在65 dB(A)左右。我国GB 3096-2008《声环境质量标准》[2]中规定，4a类声功能区，即交通干线两侧区域，昼夜间噪声限值分别为70和55 dB(A)；另外，城市支路两侧区域一般为2类或3类声功能区，昼夜间限值分别为60 dB(A)和50 dB(A)以及65 dB(A)和55 dB(A)。因此，道路沿线区域的声环境不容乐观。

近年来，国家正在逐步推广电动汽车，主要基于其尾气排放方面的优势。实际上，电动汽车也具有发动机噪音较小的优点，对于改善城市声环境有一定的效果。但是，目前关于电动汽车通过噪声的研究较少。秦勤等[3]对电动汽车和燃油汽车的噪声特性进行了对比，文中给出了最大A声级及其频谱数据。显然，分析现有研究结果无法明确电动汽车替代燃油汽车后具体的降噪效果，以及人在这种环境中主观感受的变化。本文通过采集电动和燃油汽车的通过噪声样本并进行分析，根据声能量叠加原理和1小时等效A声级的概念，计算电动汽车替代燃油汽车后1小时等效A声级的降低量。此外，利用汽车通过噪声样本进行主观评价实验，分析人对两种汽车通过噪声的主观感受。

1 汽车通过噪声样本采集

城市环境中，有很多场景条件下汽车需要从静止进行加速，如公交车出站、出租车载客出发、车辆等待人行道行人通过后，以及交通信号灯由红变绿等。电动汽车与燃油汽车产生噪声的最大差别是发动机噪声。因此，本文主要针对汽车从静止到加速通过这个过程对比电动汽车与燃油汽车的差异。通过采集汽车从静止到加速的过程产生的噪声并加以分析。一般认为[4]，当车速超过50 km/h时，轮胎噪声在车辆通过噪声中的贡献变得显著。因此，在本文所研究车速的条件下，汽车通过噪声的主要贡献仍然是发动机噪声，车速尚未达到轮胎噪声成为主要贡献的行驶速度，后续计算的噪声降低量适用于城市中以汽车加速工况为主的地点。

样本采集方案参考国家标准GB 1495-2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》[5]。图1为标准中给出的测量场地、测量区及传声器的布置示意图。

具体实施过程中，因为现实条件有限，只能尽量选择符合标准中测量条件的实际测量地点。经过现场调研后发现，浦东新区塘子泾路路边(博成路南约100 m)测量条件比较理想，附近较为开阔，没有较大的反射面；车流量很小，可以采集到单辆车通过的噪声样本。测点布置如图2所示。

测点位置距1098路塘子泾路博成路站20 m，符合标准中的要求。1098路运营车辆既有燃油车也有电动车，车辆尺寸相同，便于对比。燃油和电动小汽车分别为斯柯达明锐和北汽电动EV160。

图1 测量场地和测量区及传声器的布置

图2 测点位置示意图

采样时，天气晴，温度为24℃，风速约为1 m/s。采样仪器为德国HEAD acoustics公司的SQuadriga II便携式多通道采集系统和丹麦GRAS 1/2英寸传声器。采样频率为44 100 Hz。传声器采用三角架支撑，离地面高约1.2 m，如图3所示。

图3 测量示意图

每种车都采集5次从静止到加速通过的噪声，采集时，保证无其他车辆在该路段行驶。测量后期，西侧空地有施工噪声影响，因此，电动小汽车的测量地点向南移动约120 m，仍然保证采集样本时，无其他车辆在该路段行驶。

2 1小时等效A声级变化量

考虑路边测点的环境噪声由汽车通过噪声和本底噪声构成，即实际测量得到的A声级等于汽车通过带来的声能量叠加本底噪声的声能量后换算得到的A声级。1小时等效A声级也可由1小时内汽车通过噪声的总声能量叠加本底噪声的总声能量计算得到。因此，根据电动和燃油汽车通过带来的声能量的差异，结合1小时车流量及本底噪声水平，可计算电动汽车替代燃油汽车引起的1小时等效A声级变化量。

2.1 汽车通过噪声

李晓和毛东兴[6]利用车速、车流密度(与车头距有关)和单辆车的声功率级建立了交通噪声预测的动态模型，预测结果与实测数据吻合较好。通过车辆的声功率级研究车辆的通过噪声是一种比较合理的方法，但本文研究汽车加速过程的通过噪声，车速与车辆的声功率级均持续变化，难以应用上述模型进行交通噪声的预测。因此，本文只能通过实测获取车辆的通过噪声。

将采集到的噪声样本导入德国HEAD acoustics公司的Artemis软件进行回放，排除受到其他环境噪声干扰的样本，每种车选择3个不受干扰的噪声样本，进行分析计算。利用软件中的Level vs.Time(声压级随时间变化)功能对样本进行分析，声压级设置为A声级。频谱分析采用的数据长度为4 096/44 100，重叠率50%。软件计算A声级值的默认时间间隔为256/44 100秒，约0.005 8秒，也可以指定时间间隔。经过计算对比，对于汽车通过时段的等效连续A声级，采用0.01秒和0.1秒时间间隔，结果相差小于0.1 dB。因此，考虑提高运算效率，采用0.1秒时间间隔进行后续计算，具体数据见图4至图7，分别为燃油公交车、电动公交车、燃油小汽车和电动小汽车通过噪声的A声级随时间变化。

图4 燃油公交车通过噪声

由图可见，本次测试中，燃油公交车的最大A声级高达81 dB(A)，电动公交车只有约67 dB(A)，燃油和电动小汽车的最大A声级分别为73和63 dB(A)。此外，电动小汽车测试时，本底环境噪声有所上升，约53 dB(A)，之前3种车测试时，本底基本维持在50 dB(A)左右。

图5 电动公交车通过噪声

图6 燃油小汽车通过噪声

图7 电动小汽车通过噪声

2.2 通过噪声的等效连续A声级

燃油公交车通过噪声持续时间为13.8秒，电动公交车和小汽车均为10.2秒，燃油小汽车为11.2秒。据此，可由等效连续A声级的概念计算各种车通过噪声的等效连续A声级。等效连续A声级可由式(1)计算[7]

其中：LAeq为等效连续A声级，N与时间长度和时间间隔有关，如燃油公交车为138，LAi为每个时间间隔对应的A声级。

获取单纯的汽车通过噪声，需要去掉测量结果中本底噪声的贡献，根据声能量叠加的原理，按式(2)进行计算

其中：L测为2.1小节中通过噪声A声级，L本底为本底噪声A声级，除电动小汽车测量时为53 dB(A)，其余时间为49 dB(A)，L车即为单纯汽车通过噪声的A声级。

根据上述公式计算得到本底修正前后4种汽车通过噪声的等效连续A声级，每种车型的3次测试结果取平均值，如表1所示。

表1 4种汽车通过噪声的等效连续A声级/dB(A)

由表1可知，电动小汽车由于加速噪声较低，测量时如果本底噪声较高，需要进行修正，才能反映出其真实的噪声水平。

2.3 1小时等效连续A声级变化量计算

交通噪声的声级是随时间变化的，当有车辆通过时，噪声声级上升，车辆通过后噪声声级下降，见图4至图7。通常，对于这种起伏的噪声，采用噪声能量按时间平均的方法来进行评价。实际应用中，通常以1小时等效连续A声级进行评价，即1小时内噪声总能量按1小时进行平均。如果A声级数据的时间间隔为0.1秒，则计算公式为

其中：LAeq,1H为1小时等效连续A声级，LAi为1小时中的第i个A声级。

单辆车通过的声能量乘以车流量，可以得到总的汽车噪声声能量，再加上本底噪声的声能量，在1小时内进行能量平均，就可以得到一定车流量条件下LAeq,1H。本底噪声设为50 dB(A)，考虑到实际公交线路数量及班次，公交车1小时车流量上限设为100辆/小时，根据城市道路实际流量情况，地面道路小汽车车流量上限设为3 000辆/小时。

计算通过MATLAB编程实现，QCB和QCC、QEB和QEC分别代表燃油公交车和小汽车、电动公交车和小汽车的车流量。道路上只有燃油汽车时，可以计算得到LAeq,1H与燃油公交车和小汽车车流量的关系LAeq,1H(QCB，QCC)。考虑现实条件，电动汽车替代燃油汽车是一个逐步进行的过程，在此简化为3种替代情况，如表2所示，其中½QCC和½QEC代表原有燃油小汽车的一半被电动小汽车代替。

这样，就可以计算3种替代情况下，LAeq,1H的变化量D1、D2、D3，分别如图8至10所示。

表3列出3种替代情况下，2种车型车流量变化时对应的1小时等效A声级降低量。其中QB和QC分别为公交车和小汽车的1小时车流量。

表2 电动汽车替代燃油汽车的3种情况

图8 情况1 LAeq,1H降低量

图9 情况2 LAeq,1H降低量

图10 情况3 LAeq,1H降低量

由表2可以看出，3种情况下，小汽车车流量较低时，电动公交车车流量的增加，可以带来LAeq,1H降低量的显著增加，即使燃油小汽车仍然保留，LAeq,1H降低量也可达到8.9 dB(A)，如果燃油小汽车也完全被电动小汽车替代，则LAeq,1H降低量可达10.3 dB(A)。如果随着小汽车车流量增加，3种情况的LAeq,1H降低量差别逐渐变大。第1种情况下，燃油小汽车完全保留，电动公交车带来的LAeq,1H降低量逐渐减小，最终趋近于零；第3种情况下，燃油小汽车完全被电动小汽车替代，LAeq,1H的降低量虽然也逐渐降低，但不会无限降低，将趋近于电动小汽车带来的LAeq,1H降低量。此外，需要注意的是，电动汽车带来的交通噪声降低，与该区域本底噪声的高低密切相关，在本底噪声较低的区域，降噪效果更为明显。

3 主观感受的变化

3.1 实验环境及实验仪器

为避免评价人员在听音过程中受到外界噪声干扰，确保评价结果准确、可靠，主观评价实验在上海市环境科学研究院的半消声室中进行，本底噪声约为25 dB(A)。实验信号通过HEAD acoustics公司的多通道均衡器HPS IV与Sennheiser HD650耳机组成的高保真回放系统进行播放，采用HEAD acoustics公司的Artemis软件控制信号播放。

3.2 实验内容及结果分析

从汽车通过噪声样本中对于每种车型随机选择两个作为主观评价实验的样本，共8个。为反映人对汽车通过噪声的真实感受，不对样本进行其他处理，通过高保真回放系统进行听音可以比较真实地还原采样现场的听觉体验。8个样本的播放顺序随机。

实验共招募9名评价人员，5男4女，年龄在28－58岁之间，均无听力障碍。评价前，向评价人员介绍评价内容，即听到汽车通过噪声后，设想身处城市道路路边，对这种汽车噪声的感受如何，按满意度进行评价，从非常不满意到非常满意分为5个等级。

将评价结果转换为数值，即非常不满意为1，比较不满意为2，一般为3，比较满意为4，非常满意为5，评价结果如表4所示。

其中CC代表燃油小汽车，EC代表电动小汽车，CB代表燃油公交车，EB代表电动公交车。个体数据与总体数据均高度相关，除评价人员7的数据与总平均值数据的相关系数为0.89外，其他均超过0.9，表明评价结果一致性很高。

相同车型的两个评价结果取平均值，列于表5。可以看出，电动公交车通过噪声的满意度值比燃油公交车提升2.5，从接近非常不满意提升到介于一般和比较满意之间；类似的，电动小汽车通过噪声的满意度值比燃油小汽车提升1.61，从介于比较不满意和一般之间提升到比较满意与非常满意之间。因此，从人们对汽车通过噪声听觉感受的角度来看，电动车替代燃油车可以很大程度上提高城市声环境的品质。

表3 3种情况下电动车替代燃油车1小时等效A声级降低量D1－D3

表4 评价结果

同时表五列出4种车型通过噪声的等效A声级，可以看出，等效A声级的大小是影响满意程度的重要因素，A声级越高，满意度越低。

表5 4种车型通过噪声满意度及等效A声级

分析通过噪声频率特性可以发现，燃油汽车通过噪声低频成分更显著，如图11所示。

图11 4种汽车通过噪声频谱

相关研究表明，等A声级条件下低频成分显著的噪声更易使人烦恼。因此，即使燃油汽车通过噪声的等效A声级降低到与电动汽车相同，听觉满意度仍不及电动汽车。

4 结语

(1)本文考虑环境噪声是由汽车通过噪声与本底噪声构成，通过采集汽车通过噪声样本，分析计算单纯的汽车通过噪声等效A声级，根据声能量叠加原理和1小时等效连续A声级的定义，计算电动汽车替代燃油汽车后1小时等效连续A声级的降低量。虽然文中只涉及汽车加速噪声，且车型较少，但是该方法具有一定的普适性，更为完备的汽车通过噪声数据可以使预测结果更具有实际意义；

(2)通过分析3种替代情况下LAeq,1H的降低量可以看出，3种情况下，在小汽车车流量较小时，随着公交车车流量的增加，降低量显著增加，最大可超过10 dB(A)。当小汽车车流量增加时，相当于等效连续A声级在升高。①如果燃油小汽车完全保留，电动公交车带来的LAeq,1H降低量逐渐减小，最终趋近于零；②如果燃油小汽车完全被电动小汽车替代，LAeq,1H的降低量虽然也逐渐降低，但将趋近于电动小汽车带来的LAeq,1H降低量。由此可知，电动汽车带来的交通噪声降低，与该区域本底噪声的高低密切相关，在本底噪声较低的区域，降噪效果更为明显；

(3)通过进行主观评价实验得到人对电动汽车和燃油汽车通过噪声的听觉感受，分析电动汽车替代燃油汽车后人对环境中汽车噪声满意度的改善情况。结果显示，人对电动汽车的通过噪声普遍比较满意，即使对于公交车，评价结果也介于一般和比较满意之间，相比于燃油车具有质的提升。而且，燃油汽车通过噪声的低频成分明显高于电动汽车，即使其A声级降低到与电动汽车相等，也更易使人烦恼。