地铁环境振动所致结构噪声评价指标对比分析研究

曾会柯,盛 曦,任伟新,周 瑜

(1.深圳大学土木与交通工程学院,深圳 518061; 2.深圳大学城市智慧交通与安全运维研究院,深圳 518061)

引言

地铁具有绿色低碳、大运量、占地面积小、带动沿线商业繁荣发展等优势。然而，随着路网加密及运营时间增长，地铁环境振动引发的二次结构噪声投诉日益增多。

对于长期暴露于噪声中的居民，其生活质量和身体健康将受到严重伤害[1]，因此，地铁环境振动所致二次结构噪声的评价与控制至关重要。目前，关于地铁所致二次结构噪声的诸多规范并未采用统一的评价方法和指标，造成减振降噪评定难以统一化、标准化，将对城市轨道交通减振降噪领域的发展产生负面影响。雷晓燕[2]结合美国联邦铁路管理局(FRA)所规定铁路环境振动预测与评价方法，对城市轨道交通站点附近宾馆进行实测分析，结果表明采用带橡胶套靴的双块式轨枕作为减振元件， 宾馆各房间振动级均小于72 dB。贺玉龙[3]等经现场测试并结合JGJ/T 170—2009和GB/T 50355—2018室内结构噪声限值，认为1/3倍频程63 Hz等效声级超标明显。胡月琪[4]等采用GB 22337—2008与JGJ/T 170—2009室内结构噪声测量与评价方法，对实测数据进行分析，发现北京市地铁列车运行引起建筑室内结构噪声的频率范围为12.5～200 Hz，以40 Hz为主，且LAeq200评价结果不能客观反映地铁结构噪声的实际影响。在上述研究中，评价指标均有所不同。

关于室内二次结构噪声相关标准对比研究，国内学者已做了大量工作，杨宜谦[5]、张朋[6]、辜小安[7]、潘晓岩[8]、胡月琪[9]都结合工作实践，对国内外室内二次结构噪声的标准和导则进行详细叙述与探讨，提出改进建议。然而，上述研究工作并未基于实测数据对比不同评价指标的差异和联系，仍待深入探究。

本文通过实测国内某城市地铁沿线建筑物室内二次结构噪声，结合国内外相关标准的不同评价指标进行对比分析，可为地铁沿线建筑物室内二次结构噪声评价和预测提供参考。

1 测试概况

测试选择某住宅小区的一栋15层建筑物，其建成于2014年，地质以黏土为主。此处线路为地下段双线区间，近轨中心线距离测点38 m，轨顶埋深18 m，曲线半径为550 m，该线路采用地铁B型车，列车经过测点运行速度为43 km/h。室内楼板振动和二次结构噪声的测试方法符合JGJ/T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》[10]技术要求，以HJ 793—2016《城市轨道交通(地下段)结构噪声监测方法》[11]截取噪声事件，评价方法以JGJ/T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》为基准。

1.1 测试仪器

本次测试采集了建筑物室内楼板竖向振动加速度、振动速度和声压数据，测试使用采集仪为北京东方振动和噪声技术研究所INV3062V型分布式采集仪，如图1(a)所示；振动加速度传感器采用北京东方振动和噪声技术研究所INV9828型压电加速度传感器，如图1(b)所示，其测量频率范围为0.2 Hz～2.5 kHz，灵敏度为500 mV/g，量程为10 g；振动速度传感器采用Brüel & Kjær声学与振动测量公司VS-069型振动测量传感器，如图1(c)所示，其测量频率范围为10 Hz～2 kHz，灵敏度为100 mV/mm/s，最大振动位移±0.45 mm；声压传感器采用Brüel & Kjær声学与振动测量公司4188型声级计适用于自由场交通噪声测量、建筑声学应用，如图1(d)所示，测量频率范围为8 Hz～12.5 kHz，灵敏度为31.6 mV/Pa，符合低频结构噪声测量要求。

图1 测试仪器

1.2 测点布置

本次测量在建筑物1层选择一处朝向地铁线路的房间，房间内有简单装修，面积约为12 m2。根据JGJ/T 170—2009标准要求，房间内选取3个测点，其位置如图2所示，各测点均布置有加速度传感器、振动速度传感器和声压传感器。为避免室内驻波的影响，B测点布置在距离室内中央靠近轨道运行一侧0.5 m处，A测点布置在距离窗户1 m处，C测点布置在距离内墙1 m处。3个测点的声压传感器均距离地板1.2 m高，距离墙壁等反射面1 m以上。测试过程中保持门窗关闭，并关闭可能会干扰噪声测量的设备。测试人员未感受到明显低频噪声，而地铁运行通过时室内偶尔有微弱的“隆隆”声。由图3分析可知：地铁列车通过时室内二次结构噪声在中心频率为40～63 Hz频段声压有明显增长。

图2 测点选取示意

图3 室内结构噪声频域

1.3 数据采集和处理

建筑物楼板振动速度和室内二次结构噪声的采集选择时间历程方式，采样频率为2 048 Hz，连续记录了3 000 s内昼间15趟列车通过时的室内二次结构噪声和楼板振动速度数据，评价分析选取列车通过近轨的8组数据。

HJ 793—2016《城市轨道交通(地下段)结构噪声监测方法》规定每次列车通过时最大声压级减10 dB作为噪声事件监测数据截取的依据。本次测试噪声持续过程声压峰值为0.153 5 Pa，对应声压级为77.70 dB，前后各减10 dB，依此方法，8次噪声事件持续时间均为9～12 s。

根据荷兰导则[12]所述：C计权和A计权声压级的差值LCeq-LAeq>15～20 dB，则可以判定存在低频噪声。8次列车通过时，对16～200 Hz频段计算室内二次结构噪声等效C声压级与等效A声压级的差值，其结果如图4所示。LCeq-LAeq均大于20 dB。由此可知：地铁运行导致该房间低频二次结构噪声变化较为明显。

图4 C计权与A计权声压级差值曲线

2 时域能量平均的评价指标

当前环境评估工作多采用时域能量平均的二次结构噪声评价指标，以单列车通过敏感建筑的时间历程声压级为基础，通过A计权滤波、能量等效、时间校正值、频谱校正值等方式计算求得，常用评价指标有等效(连续)A声压级、评价声压级等。

2.1 JGJ/T 170—2009

JGJ/T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》是住房与城乡建设部提出，适用于城市轨道交通列车运行引起沿线建筑物振动与室内二次辐射噪声控制和测量的行业标准，评价指标为持续时间段内16～200 Hz频率范围的等效A声压级，计算公式如下

(1)

式中LAeq——昼间或夜间的等效A声压级；

n——昼间或夜间通过的列车数量；

LAE，i——昼间或夜间第i列列车通过时测点的二次辐射噪声A声压级。

参照此标准振动噪声影响区域分类表，该测点属于1类敏感区域，室内二次结构噪声限值为：昼间38 dB(A)、夜间35 dB(A)。经计算持续时间内8次噪声事件的等效A声压级为33.47 dB(A)，未超出限值要求。然而，测试期间，人能明显感受到间歇性、微弱的“隆隆”声。

该标准选取各噪声事件A计权暴露声级，采用列车经过次数的等效形式计算等效A声级，较早地认识到室内二次结构噪声的低频特征，但噪声以低频为主时，采取A计权方法可能会低估低频噪声的影响。

2.2 HJ 453—2018

HJ 453—2018《环境影响评价技术导则-城市轨道交通》[13]是为规范城市轨道交通建设项目环境影响评价工作而制定，涉及声环境、振动环境、水环境、生态、电磁环境、固体废物、大气环境等方面的环境影响评价。其中，列车通过时室内二次结构噪声的评价指标为单次列车通过时16～200 Hz频域范围室内最大等效连续A声级LAeq，Tp，其计算方法如下

(2)

式中Cf，i——第i个频带的A计权修正值；

N——1/3倍频程带数；

Lp，i——单列车通过时段室内空间最大1/3倍频程声压级，根据所测房间面积和高度确定，计算公式如下

Lp，i=LVmid，i-22

(3)

式中LVmid，i——单列车通过时段建筑物室内楼板中央垂向1/3倍频程振动速度级(参考振动速度基准值为1×10-9m/s)；

i——第i个1/3倍频程，i=1 ～ 12。

列车通过时室内空间最大等效A声级LAeq，Tp如图5所示：最大等效A声级在32～37 dB(A)之间，均未超出JGJ/T 170—2009[10]昼间等效A声级的限值要求。

该标准要求测试每次列车通过时室内楼板1/3倍频程振动速度级，参考Sabine公式给出二次结构噪声的经验公式，求得最大等效连续A声级。考虑到二次结构噪声是由列车运行所致建筑物构件振动引起，该评价指标在国内不同地区环境评估工作的适用性有待大量测试数据验证。由于土体对中高频振动衰减较快，测点距离线路中心线不宜过远，此标准更适用于地铁列车运行引起上盖物业及近距离沿线建筑物室内二次结构噪声评价。

2.3 DIN 45680—2020

DIN 45680—2020《低频噪声影响的测量和评价》[14]针对包括次声(低于20 Hz)在内低频噪声的测量和评价，以8～100 Hz频率范围内1/3倍频程A计权等效声压级为基础，考虑到频谱异常、时间不规则性和总暴露时间与评价时间的比值，用评价级别Lr来表示室内低频二次结构噪声的影响程度，计算过程如下

(4)

式中Lr——评价声级；

LpAeq——8～100 Hz的A计权等效声压级；

Kf——考虑频谱异常的附加值，限制在0～20 dB；

Kt——考虑时间不规则性的附加值，限制在低于10 dB；

Te——总暴露时间；

Tr——评价时间。

(5)

(6)

式中LpTzeq，i——第i个1/3倍频程Z计权(即不计权，下同)能量等效声压级；

KA，i——第i个1/3倍频程声压级值考虑A计权的校正值；

Lpzeq——1/3倍频程不计权等效声压级；

LpAeq——1/3倍频程A计权等效声压级；

X——标准频率，计算公式如下

(7)

(8)

式中LpTzeq，i——第i个1/3倍频程中心频率z计权等效连续声压级。

Kt=LpAFTeq-LpAeq

(9)

式中LpAFTeq——“fast”计时采样5 s，A计权等效连续声压级，由下式1 s声压级数据等效求得

(10)

式中LpAFmax，1s(nT0)——“fast“计时采样1 s，8～100 Hz内A计权最大声压级。

经计算，该测点室内二次结构噪声的评价级别值均在38 ～ 47 dB。此标准考虑到低频噪声对人的显著影响，引入使用A计权和不计权声压级推导的频谱异常附加值、使用瞬时和等效声压级推导的时间不规则附加值，有效避免了A计权对低频噪声的削弱作用。然而，此标准的适用范围在8～100 Hz内，高于此范围的低频噪声评价是否有效，需获取大量测试数据并进一步探讨。

2.4 评价结果对比分析

研究表明：A计权容易低估低频噪声影响，A计权评价结果既不能说明人耳听觉系统的频率选择性、复杂声音频率成分相互掩蔽的效果，也不能说明声音强度的非线性[15]。而国内环境评估工作常用且适用于地铁运行引起二次结构噪声的JGJ/T 170—2009和HJ 453—2018两个标准评价指标均采用等效A声(压)级。二者分别对1/3倍频程声压级进行A计权滤波和A计权修正后，将持续时间内列车运行所致二次结构噪声能量作平均等效处理。而DIN 45680—2020[14]在A计权等效声级的基础上，通过频率、时间校正，有效缓解了A计权对二次结构噪声低频部分的削减作用。

由图5可知，JGJ/T 170—2009和HJ 453—2018的等效A声(压)级评价结果均低于2.1节所述“昼间室内二次结构噪声限值38 dB(A)”，而DIN 45680—2020的评价级别均高于38 dB(A)。可见，A计权方法确实存在低估低频噪声影响的可能，100 Hz以下频段可适当参考DIN 45680—2020中相应的校正方法，改善A计权对低频部分的消减作用。因此，对地铁运行所致二次结构噪声评价前，可首先对时间历程声压级作C计权和A计权处理，由二者之差判定低频噪声是否具有显著影响，再进行下一步处理和评价。

图5 时域能量平均的评价结果

同时，JGJ/T 170—2009和HJ 453—2018的评价指标均以能量等效方法为主，不能反映噪声的频谱特性和最大声压特征，不利于开展噪声控制工作。因此，地铁运行引起建筑物室内二次结构噪声环境评估工作亟需提高对频域评价指标的重视。

3 频域能量叠加的评价指标

国内适用于地铁运行所致二次结构噪声评估，且评价指标与频域分析相关的标准以HJ 793—2016和GB/T 50355—2018[16]为主。二者以噪声事件中1/3倍频程声压级为基础，通过声压叠加公式、能量等效、A计权、峰值提取等方式计算求得，常用评价指标有倍频带能量平均声压级、1/1倍频程等效声级和最大A声级。

3.1 HJ 793—2016

HJ 793-2016《城市轨道交通(地下段)结构噪声监测方法》的评价指标为12.5～315 Hz范围倍频带能量平均声压级Lp(f)和低频A声级LAL，其计算方法如下

(11)

式中Lp(f)——倍频带能量平均声压级；

Tc——全部噪声事件持续时间之和；

Lp，n(f)——持续时间内f频率第n秒等效声压级。

(12)

式中LAL——低频A声级；

K——计权中心频率个数；

Li(f)——与f频率相对应的A计权值。

参考该标准评价方法，计算求得各倍频带能量平均声压级，如图6所示：8次噪声事件低频A声级为37.33 dB(A)，倍频带能量平均声压级均高于低频A声级，200 Hz以下频率越低，二者的差值越大。100 Hz以下倍频带能量平均声压级远高于低频A声级，说明低频噪声存在时A计权方法低估了低频噪声的影响。

3.2 GB/T 50355—2018

GB/T 50355—2018《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》是为了规范住宅建筑室内振动及其结构噪声限值与测量方法而制定，评价指标为31.5 ～250 Hz频带1/1倍频程等效声级，其计算公式如下

(13)

式中Leq，1/1——1/1倍频程等效声级；

Leq，1/3，i——1/3倍频程对应的第i个1/3倍频程等效声级。

经计算求得8次列车通过时室内倍频程等效声级Leq，如图7所示。倍频程等效声级的峰值位于中心频率63 Hz的倍频带内；中心频率为31.5 Hz和63 Hz倍频带内结构噪声等效声级均低于一级限值要求，中心频率为125 Hz倍频带内结构噪声等效声级高于一级限值且低于二级限值，中心频率为250 Hz的倍频带内结构噪声等效声级平均值略高于二级限值。

该标准的评价指标可直观了解结构噪声的频谱特性及是否超标，但未考虑31.5 Hz以下低频噪声的评价。相关研究[17-18]表明：长期处于低频噪声环境中，对人体脏器的健康运转有显著影响。因此，该标准用于住宅建筑室内31.5～250 Hz频段二次结构噪声评价前，需要对全频段结构噪声作频域分析，排除31.5 Hz以下低频噪声为特征频段的可能性。

3.3 ISO 14837—1：2005

ISO 14837—1：2005《机械振动 轨道系统产生的地面诱导结构噪声和地传振动 第1部分：总则》[19]规定：为了避免房间中驻波的不当影响，选择房间中央附近(而不是房间中央)安置传感器。室内二次结构噪声评价指标为16～250 Hz频段每次噪声事件的1/3倍频程最大A计权声压级LpAmax。

对16～250 Hz范围内1/3倍频程中心频率的声压级数据进行A计权，提取其峰值即为最大A计权声压级，结果如图6所示：最大A计权声压级均在24～ 36 dB(A)之间，均低于GB 22337—2008 《社会生活环境噪声排放标准》[20]中A类房间40 dB(A)的限值要求。

图6 1/3倍频程A声压级

该标准现已等同采用GB/T 33521.1—2017[21]，关注轨道系统引起地面振动和结构噪声的产生、测量。研究表明：铁路噪声开始后60 s内，频率高于100 Hz、声压级大于35 dB会导致心率升高[22]。本次测试期间，部分列车二次结构噪声已超出35 dB，建议从声源、受声处采取措施减缓结构噪声影响。由于最大声压级测量、识别困难，此标准可用于结构噪声机理分析和测点布置参考。

3.4 评价结果对比分析

HJ 793—2016和GB/T 50355—2018分别对1/3倍频程声压级进行噪声持续时间和1/1倍频程的能量等效处理，其评价结果可直观反映噪声的频谱特性，有助于针对特定频段开展噪声控制。二者存在31.5～250 Hz的交叉频段，由图7可知：1/1倍频程等效声级相对于能量平均声压级在31.5 Hz处低0.2 dB、在63 Hz处高1.5 dB、在125 Hz处高6.5 dB、在250 Hz处低0.5 dB。可见，不同规范的评价结果存在差异；且频域能量叠加的评价指标相较于时域能量平均的评价指标，在分析噪声频域特性和判断是否超标时更精确。

图7 频域能量平均的评价结果

研究表明：最大声级更与睡眠干扰(睡眠品质)有关，等效声级更与烦恼(生活品质)有关[18，23]。ISO 14837—1：2005在1/3倍频程A声压级的基础上，直接提取噪声峰值，一定程度上能反映列车运行所致最大A声压级对敏感人群的睡眠影响程度。地铁运行所致夜间噪声更是投诉热点，建议降低夜间地铁沿线住宅100 Hz以上频段最大声级限值。

4 结语

通过测试计算，对比分析了国内外结构噪声测量和评价常用的等效A声级、1/1倍频程等效声级、最大A声级等评价指标的差异，得出以下结论。

(1)JGJ/T 170—2009和HJ 453—2018的评价指标均采用等效A计权声(压)级，会低估100 Hz以下低频噪声的影响。因此，地铁运行所致二次结构噪声测量和环境评价前，可首先对时间历程声压级作C计权和A计权处理，由二者之差判定100 Hz以下低频噪声是否具有显著影响。若有，可适当参考DIN 45680—2020中相应的校正方法，改善A计权对低频部分的消减作用。

(2)相较于等效A声压级，GB/T 50355—2018的评价指标选用1/1倍频程等效声级，将1/3倍频程声压级进行能量等效，有助于直观分析不同频段的噪声特性和超标情况，便于针对特定频段开展噪声控制工作。

(3)ISO 14837—1：2005采用最大A声级，能反映列车运行对敏感人群的睡眠影响。考虑到夜间噪声是投诉热点，建议降低夜间地铁沿线住宅100 Hz以上频段最大声级限值。