高密度城市形态对飞机噪声分布的影响

文／张红虎 浙江大学建筑工程学院 副教授

纪 月 浙江大学建筑工程学院 硕士研究生（通讯作者）

引言

我国城市在高密度发展模式下向郊区快速扩张[1,2]，且居民对航空交通的需求日益增加，导致住宅、学校等噪声敏感区域与机场越来越近，飞机噪声污染已经成为影响公众身心健康的重要环境因素之一[3]，高密度城市形态下飞机噪声的防治亦成为城市化进程中的焦点问题。

目前对于低噪声飞行器设计、飞行程序、航班、航迹优化等声源端降噪和用地规划、建筑围护结构隔声、植被辅助降噪等传播降噪方面的研究较为成熟[4-8]。但针对高密度城市形态对飞机噪声分布的影响研究较少，已有研究大多以街道几何特征[9-11]和低密度城市[12,13]为研究对象，主要结论包括航迹高度100 ～200ft、水平距离1000m 以内，低密度城市形态对飞机噪声分布影响显著，高频差异约4.6dB 等[12]，无法为高密度城市形态下的降低飞机噪声提供支撑。

本文以国内某典型高密度城市空间为研究对象，考虑客运飞机对城市噪声影响最显著的离港低空飞行阶段（距地面高度1000m 以下），通过对低空飞行的飞机噪声地面分布情况进行仿真，研究航迹与中尺度城市形态结构的相对位置关系、建筑立面吸声以及城市形态学特征对飞机噪声传播的影响，旨在为高密度城市设计建设与飞机噪声环境评价提供参考。

1 研究方法

1.1 样本选取

如图1 所示，基于主要城市用地功能和建筑形态，选取20 个500m×500m 中尺度规模的高密度城市样本（样本编号由纵坐标字母A ～D 和横坐标数字1 ～5 组成）。

图1 500m×500m×20 个国内典型城市形态样本（图片来源：作者自绘）

1.2 形态学参数选择

飞机的噪声在城市中的分布，与城市建筑形态布局因素息息相关[14]。这些因素可以通过一些城市形态参数进行描述。基于国内外对于城市形态的量化研究[12,14-16]，本文从城市用地强度、城市形态复杂度以及声源（航迹）特征三个角度，初步选择了12 个城市形态学参数进行研究，它们的具体计算方法及所选样本的数值范围如表1 所示。由于某些参数之间相关性较高，进一步通过因子分析和敏感性系数筛选方法[17]最终确定7 个灵敏度较高、能综合反映城市形态特征的参数：容积率（FAR）、全覆盖密度（CAR）、建筑高度均值（AVG_H）、建筑形状指数（LSI_B）、紧凑度（CI）、天空开阔度（SVF）、建筑密度（BPAF），如表1 中序号*的粗体所示。

表1 形态学参数（表格来源：作者自绘）

1.3 噪声模拟

本文使用在城市噪声预测中广泛认可的Cadna/A[18]模拟飞机噪声分布，将低空直线飞行的航迹等效为线声源。依据Khardi[19]和Yiying Hao[12]的研究，选择飞机噪声的主要频率1600Hz（中）并设定线声源的单位声功率级为100dB。考虑建筑物的立面吸声性质，传播反射次数和吸声系数分别设为3 和0.3[20]。受声点设置在地面以上1.6m 高度的5m×5m 网格上。声学参量选择四个统计百分比声级：L10、L50、L90和平均声压级Lavg[12,15]。具体研究内容及模拟参数设置如表2 所示。其中航迹与样本的角度关系共选择16 个，以航迹在样本南侧东西走向为0°，逆时针旋转所得。

表2 研究内容及模拟参数设置（表格来源：作者自绘）

2 研究结果与讨论

2.1 航迹与城市相对位置的影响

为分析航迹角度对飞机噪声的影响，选择具备典型结构（排除形态相似的样本）并包括形态参数最值的10 个样本进行模拟统计。图2 为16个航迹角度下的L10、L50、L90和Lavg衰减量。可以看出，角度变化引起的L10、L50、Lavg的衰减量变化在2dB 以内，呈现各向同性；L90受角度影响明显，样本A4、C2、C3 和D5 的衰减量极差均超过3dB，主观响度差异明显[21]。上述结果表明，航迹角度对飞机噪声在城市空间内的峰值和中值影响不显著。对于背景噪声来说，0°和180°左右是抗噪效果较好的角度，而90°和270°相对较差，所以对于高空声源，建筑仍存在一定的屏蔽作用。由于我国建筑主朝向为南向，即建筑正立面与航迹平行时，飞机噪声的空间背景水平较低。样本A4、C2、C3 和D5 均为中高层、行列式布局小区，故机场附近建设此类小区时，避免主朝向与航迹垂直有助于降低背景噪声。

图2 航迹与城市的角度关系对L10、L50、L90 和Lavg 衰减的影响（图片来源：作者自绘）

2.2 航迹距城市的水平距离的影响

（1）航迹距离的影响

图3 为距离从0m 分别增加至100m ～2000m 时，研究样本与空地内L10、L50、L90和Lavg的衰减量。空地与样本的L10、L50、L90和Lavg衰减量的最小值及平均值相近，但样本的衰减量最大值明显大于空地。该结果表明，虽然城市内飞机噪声的衰减量受距离的影响，但城市形态对飞机噪声衰减的影响更明显。值得注意的是，空地内L10的衰减量大于样本的最小值，说明某些城市形态对L10存在增强作用。

图3 样本和空地的L10、L50、L90 和平均声压级Lavg 随距离增加的衰减量/dB（图片来源：作者自绘）

变异系数反映了数据偏离总体平均水平的相对差距。由于本文样本之间L10、L50、L90和Lavg的均值不同，因此采用变异系数来描述样本之间的离散程度，计算方式如式（1）所示[22]：

图4 为样本间L10、L50、L90和Lavg衰减量的变异系数，L50、Lavg、L90总体大于L10，说明城市形态可能对中值和背景噪声衰减的影响更明显。因此，要减少飞机噪声的影响，除了增大噪声敏感区域与航迹的距离外，也需考虑城市建筑的影响。

图4 样本间L10、L50、L90 和平均声压级Lavg 衰减量的变异系数（图片来源：作者自绘）

（2）建筑立面的影响

为比较建筑立面吸声特性对飞机噪声传播的影响，分析了表2 所示两种立面的L10、L50、L90和Lavg差异，其中R0 和R3 分别代表光滑的强吸声立面与粗糙的强反射立面。如表3 所示，航迹距离城市超过600m 时，建筑立面的吸声差异对声环境几乎没有影响，仅在距离600m 以内时强吸声立面才有降噪效果。L10的差值很小，因此，改变立面对峰值的影响不大。

表3 强反射立面与强吸声立面的L10、L50、L90 和Lavg 之差/dB（表格来源：作者自绘）

2.3 航迹高度的影响

图5 为不同高度的航迹产生的L10、L50、L90和Lavg分布情况。L10变化显著，而L90的变化量很小，从100m 增加到1000m 仅降低约5dB。此外，随着航迹高度增加，各声级指数的数值趋向一致。由图6 可见，各噪声参数衰减量的变异程度差距不大，且随航迹高度的增加呈现变小的趋势。说明航迹高度增加时，空间中飞机噪声强度分布差异减小，城市形态对噪声衰减的影响变小。

图5 不同航迹高度下L10、L50、L90 和Lavg 的平均值（图片来源：作者自绘）

图6 不同航迹高度下样本间L10、L50、L90 和Lavg 衰减量的变异系数（图片来源：作者自绘）

飞机航迹不同于高架道路，后者高度越高，基座形成的声影区越大，前排建筑也能有效屏蔽道路直达声，因此降噪效果越好[14]。而航迹是由一系列运动的点声源（飞机）形成的轴对称柱状噪声源[23]，周围无遮挡，所以航迹越高到达地面空间的直达声越多，建筑的屏蔽效果越弱。

2.4 城市形态的影响

对不同距离处7 个形态学参数与L10、L90和Lavg衰减量进行Spearman相关性分析，呈显著相关的参数如表4 所示，可以看出，L90、Lavg对城市形态参数更敏感。形态学参数中，SVF、CAR 与L10、L90和Lavg衰减量均显著相关；FAR 与Lavg和L90衰减量相关性显著；CI 仅与L10的衰减显著负相关；LSI_B 与L10和Lavg衰减量显著相关；BPAF 仅在300m 范围内与Lavg和L90衰减呈现相关性。

表4 L10、L90 和Lavg 衰减量与7 个形态学参数的Spearman 相关分析（表格来源：作者自绘）

统计城市形态参数与L10、L90和Lavg衰减量显著相关的个数如表5 所示。可见改变城市的建筑高度特征对飞机噪声的影响不大；CAR 的相关性最强，LSI_B、SVF 和FAR 次之，BPAF 仅当距离航迹较近时（300m）呈现相关性。这说明研究区域内，建成区面积越大、覆盖率越高，越有益于飞机噪声衰减；建筑的形态结构越复杂，对峰值和中值的降噪效果越好。

表5 水平距离0 ～2000m 城市形态参数和L10、L90 和Lavg 衰减量相关性数量（表格来源：作者自绘）

结语

本文通过模拟探究了中尺度下高密度城市形态对飞机噪声的影响，结论如下：

（1）中高层小区的主朝向与航迹平行可以在一定程度上降低背景噪声。

（2）增大城市与航迹之间的水平距离可以有效减少飞机噪声对高密度城市的影响。

（3）建筑立面吸声对L50、Lavg、L90降噪的有效距离为600m 以内，而对L10影响很小。

（4）航迹高度增加对L90影响不大，城市空间内飞机噪声分布趋于平均，城市形态的影响变小。

（5）城市形态参数与飞机噪声衰减的相关性显著。需要重点考虑与用地强度和建筑覆盖率相关的形态参数（CAR、LSI_B、SVF 和FAR），且城市形态结构越复杂，越有益于峰值和平均值的衰减。