机场噪声评价指标及烦恼度影响因素分析

任 爽 陈轲超 姚 琨 高级工程师 张 萌 助理研究员 户文成 研究员

(北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所,北京 100054)

0 引言

噪声是仅次于空气污染的第二大环境影响因素。机场噪声引起的纠纷已成为航空业不可回避的问题,噪声不但影响机场经济有效运行,也严重影响机场周围居民的生活。国内外对机场噪声的投诉屡有发生,甚至发生难以忍受机场噪声的居民闯入机场阻止飞机起降的恶性事件,严重影响飞机的飞行安全及社会的和谐稳定。2002年欧盟委员会公布“噪声暴露剂量与影响”研究成果,表明在同等声级下,飞机噪声相比于道路噪声更容易让人产生烦恼[1]。

对机场周围噪声的评价是降低飞机噪声影响的重要一环,各国针对本国国情和人文地理等特点,采取的单个噪声事件指标、飞机一天运行时段、运行次数等参数各不相同,产生了具有各自特色及侧重点的飞机噪声评价指标。例如,1961年英国提出噪声事件指数;1964年澳大利亚提出噪声暴露预报等,而如今以A声级为基础的噪声评价指标昼夜等效声级(Day-night Equivalent Sound Pressure Level,Ldn)被各国广泛认同。但目前来看各噪声评价指标与公众噪声烦恼度之间的关系尚不明确,本文通过监测机场周边噪声值和对公众进行问卷调查,分析机场噪声的烦恼度影响因素并讨论各指标的公众烦恼度阈值,为我国选择合适的飞机噪声评价指标提供理论支撑。

1 国内机场噪声评价指标

选用合理的机场噪声评价指标是管理和控制机场噪声的重要基础。我国现行飞机噪声评价指标采用国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)推荐的计权等效连续感觉噪声级(Weighted Effective Continuous Perceived Noise Level,LWECPN)。而目前在修订《机场周围区域航空噪声环境质量标准》(二次征求意见稿)中改用了昼夜等效声级Ldn作为新的机场航空噪声评价指标。

1.1 计权等效连续感觉噪声级

GB 9660—1988《机场周围飞机噪声环境标准》和GB 9661—1988《机场周围飞机噪声测量方法》中对计权等效连续感觉噪声级的定义式为式(1),单位为dB。

(1)

式中:

N1—昼间7∶00～19∶00的飞行架次;

N2—傍晚19∶00～22∶00的飞行架次;

N3—夜间22∶00～7∶00的飞行架次;

LEPN—多次飞行时间的平均等效感觉噪声级,dB。可由式(2)计算得出:

(2)

式中:

LEPNuv—第u跑道第v架次飞行对某预测点引起的等效感觉噪声级,dB,u=1,2,3,…;v=1,2,3,…。

LWECPN将一天划分为7∶00～19∶00、19∶00～22∶00、22∶00～7∶00 3个时段对噪声影响进行分析,体现了飞机噪声的特点,对傍晚和夜间飞机噪声的影响各自进行计权,同时考虑了飞机噪声纯音的修正,具有一定的合理性。但该评价指标缺点也较为明显,不仅较为生僻不便于公众理解,而且不能直接测量需要通过复杂计算才能得到[2]。

1.2 昼夜等效声级

昼夜等效声级Ldn基于响度原理,考虑了人们对航空噪声的昼夜敏感性差异,将夜间航空噪声增加10dB加权处理后得到一昼夜等效连续A声级,最早由美国联邦航空局(Federal Aviation Administration,FAA)提出并使用。2000年FAA再次肯定Ldn作为机场飞机噪声评价指标的科学性,欧盟目前正在统一内部的机场噪声评价指标,提出的指标与Ldn的差别只是在于将一天的时间段划分为白天、傍晚、夜间3段[3]。Ldn计算公式见式(3):

(3)

式中:

a—昼间航空事件个数,a=1,2,3,…;

b—夜间航空事件个数,b=1,2,3,…;

Nd—昼间6∶00～22∶00的飞行架次;

Nn—夜间22∶00～6∶00的飞行架次;

LAEa—昼间第a次航空噪声事件的暴露声级,dB;

LAEb—夜间第b次航空噪声事件的暴露声级,dB。

2 机场噪声监测及主观烦恼度调查

2.1 噪声监测

参照GB 9661—1988《机场周围飞机噪声测量方法》,在国内某机场附近进行机场噪声监测,监测后经计算得到一昼夜飞机噪声LWECPN和Ldn数据。监测仪器为01dB DUO噪声分析仪,满足Ⅰ型仪器要求,本次监测所采用仪器中飞机噪声模块具备自动测量功能,可自动采集数据并提供如下数据:每架飞机经过测点时的起始时间、结束时间、持续时间、最大值时刻、最大A声级、单次飞行事件计权等效连续感觉噪声级、单次飞行事件暴露声级、1/3倍频程等。飞机噪声监测气象条件为无雨雪、无雷电天气,风速不大于5m/s。声级计需架设于地面1.2m以上,监测地点的背景噪声低于单次飞机噪声时间的最大声级20dB以上[4]。经现场踏勘确定15个监测点位,位于国内某机场3条飞机跑道起飞端或降落端航迹两侧,将监测仪器牢固布设,校准后开启飞机噪声监测仪,满足监测条件的监测周期后,停止监测并进行检测后校准。

由于长时间监测可能出现降雨、非飞机声源等因素,自动监测过程中可能会记录非飞机声源,需对采集的数据进行分析,剔除降雨、非飞机声源影响后,统计一天各时段内的飞行次数、一系列相继飞行事件的噪声级和各次飞机噪声事件的暴露声级,最终根据公式(1)、(2)计算得出各点位监测数据,见表1。由于监测点距离飞机起降航迹的远近不同,各点位的噪声数值也会随之发生变化,各监测点计算得到LWECPN值在66～81dB、Ldn值在54～67dB。

表1 机场周围各点位监测数据Tab.1 Monitoring data of various points around the airport 单位:dB

2.2 主观烦恼度调查

此次进行主观烦恼度问卷调查的目标之一是研究不同噪声指标对机场噪声评价的差异。研究人员在噪声监测点位200m范围内调查公众对飞机噪声的主观反映情况。问卷内容包括被调查者的年龄、职业、居住/工作时长、对机场噪声的烦恼程度,以及机场噪声会对公众造成哪些影响、公众因机场噪声感到烦恼的原因等。题型设计为单项选择、排序及开放式题目,采用线上和线下2种问卷填写形式。问卷数据统计完成后,对本次结果进行内在信度分析,采用SPSS分析软件分析、评价调查问卷的内在一致性,得到总体指标信度系数为0.723。

经过实际走访,向每个测点发放20份问卷共计300份,其中4份问卷数据填写不完整,有效问卷296份,包括线上问卷122份、线下问卷174份,将各测点调查的烦恼程度按照语义细分法进行数理统计,具体调查结果,见表2。

表2 各测点烦恼度调查结果Tab.2 Results of annoyance survey at each measuring point

飞机噪声烦恼度的数据处理采取基于高斯隶属度函数的模糊数学方法,公众对于评价飞机噪声“一点不烦恼”和“非常烦恼”时高度自信,由此将其自信度定为1,而选择其他烦恼度度量单位时自信较小,故将其余烦恼描述语言对应的数值采取逐级估量法进行标度[5]。公众对机场周围噪声主观烦恼度隶属度函数为:

(4)

式(4)中,“f1”“f2”“f3”“f4”“f5”分别表示模糊语言“一点不烦恼”“较不烦恼”“一般烦恼”“较烦恼”“非常烦恼”,对应的烦恼程度分别为0%、30%、60%、80%、100%[5]。

居民对机场环境噪声的主观反映信息中不仅包含模糊性,还包含随机性。而这种模糊性和随机性是可以相互渗透的[6]。各噪声声级下的烦恼率即模糊事件的概率,可由下式计算:

(5)

式中:

Pi—第i个声级的烦恼概率,i=1,2,3,…,15;

mij—第i个声级下第j个评价等级出现的频数,j=1,2,3,4,5;

μj—第j个评价等级烦恼度量的隶属度。将烦恼度调查数据代入公式(5)得出结果,见表3。

表3 各测点烦恼概率Tab.3 Annoyance probability of each measuring point

烦恼概率包含了某声级范围段内被调查者主观心理反应的所有信息,烦恼度阈值EL可以全面反映这些信息[7]。烦恼度阈值计算公式如下:

(6)

将测点的LWECPN和Ldn数值及它们对应的烦恼概率分别代入式(6)中,可以得出结论:国内某机场周围LWECPN的EL为75.36dB,Ldn的EL为62.5dB。

3 机场噪声对公众烦恼度的影响因素分析

本次调查问卷中机场噪声对公众产生烦恼的客观原因包含声学因素与非声学因素,声学因素即飞机噪声的大小和频率,非声学因素包括飞机噪声发生时间段(昼间、夜间)和公众所处的区域类型(住宅区、学校、工厂等)。参与本次调查的296名居民中有7人对飞机噪声“一点不烦恼”故无需分析其烦恼度影响因素,其余289名被调查者按照3个原因因素对噪声烦恼的影响权重大小进行排序,影响权重越大排序越小,共有6种组合,见表4。

表4 各因素对机场噪声烦恼度影响权重排序结果Tab.4 Weighted ranking results of the influence of various factors on airport noise annoyance

对排序结果进行Friedman检验,检验各因素在影响公众烦恼程度上的差异。Friedman检验公式如下:

(7)

式中:

k—相关样本数量;

h—个案数;

Rq—序号为q的样本秩次和。

将调查结果数据代入公式(7)得出X2=30.467。查阅Friedman检验临界值表可知F0.01[289,3]=3.850,该值小于计算的统计量,在统计学中α=0.01显著性水平条件下拒绝检验的原假设,因此可认为3种原因因素对居民烦恼度影响权重具有统计学显著差异,验证了统计结果的合理性。

本次检验中飞机噪声的大小和频率平均秩次为2.20,飞机噪声发生时间段平均秩次为1.75,公众所处的区域类型平均秩次为2.05。由于各因素对烦恼度的影响权重越大平均秩次越小,可以得出结论:飞机噪声发生的时间段是影响公众正常生活的最主要因素,调查中相当一部分居民认为夜间产生的飞机噪声严重影响其睡眠质量,最能使人产生烦恼;公众所处的区域类型为次要因素,机场周边不同土地利用类型内人们开展的日常活动各不相同,例如,工厂中背景噪声较大,飞机噪声对工人烦恼度的影响程度并不高,学校中的学生则会因为飞机噪声干扰难以集中精力听课学习,在相同飞机噪声水平下整体烦恼度会高于工厂;飞机噪声大小相对其他2个因素来说对居民烦恼度的影响较小,这也是由于飞机噪声独有的间断性冲击特点所造成的。

对城市环境噪声污染进行有效的控制与治理,保持城市良好的声环境是世界各国都在关心的环境问题[8]。我国为保证居民的工作和生活不受噪声干扰而制定的GB 3096—2008《声环境质量标准》中,1类声环境功能区是指以居民住宅、医疗卫生、文化教育、科研设计、行政办公为主要功能,需要保持安静的区域;2类声环境功能区是指以商业金融、集市贸易为主要功能,或者居住、商业、工业混杂,需要维护住宅安静的区域;3类声环境功能区是指以工业生产、仓储物流为主要功能,需要防止工业噪声对周围环境产生严重影响的区域;4类声环境功能区是指交通干线两侧一定距离之内,需要防止交通噪声对周围环境产生严重影响的区域,包括4a类和4b类2种类型[9]。本次调查所得LWECPN烦恼度阈值75.36dB,高于各类声环境区域限值,且由于其基于平均等效感觉噪声级,无法直观与基于等效连续A声级的城市声环境质量指标进行等效评价。城市声环境质量评价规定的指标为昼间等效声级Ld和夜间等效声级Ln,昼夜等效声级Ldn与前两者基于同样的原理可以有效衔接城市和机场区域的声环境评价。3类声环境功能区以工业生产、仓储物流用地为主,导致该区域的背景噪声较大,昼间限值为65dB,略高于本次调查所得Ldn烦恼度阈值62.5dB,这也表明公众处于3类和4类声环境功能区时可能会受到区域内一些工业噪声或公路噪声的影响,对飞机噪声产生烦恼的几率较低。而2类及以上声环境功能区的昼间和夜间限值均低于该烦恼度阈值,当飞机经过时,处于1类或2类声环境功能区的居民会更清晰地感受到飞机噪声,有很大可能产生烦恼。

4 结论

本文通过对某机场周边进行噪声监测和主观烦恼度调查,分析调查所得的主观烦恼度阈值和烦恼度影响因素,得出了以下结论:

(1)确定了我国新旧噪声评价指标的公众烦恼度阈值,公众的烦恼程度是一种主观体验,而飞机噪声则是客观存在的,烦恼度阈值以数值形式将人们主观心理和客观影响联系起来,有利于分析飞机噪声对公众身心健康的影响。根据Ldn的烦恼度阈值与城市声环境质量的限值比较得出:1类和2类声环境功能区内的人们会更易受到飞机噪声影响,3类和4类声环境功能区由于本身背景噪声偏大,受飞机噪声影响的可能性偏低。

(2)国内外对于飞机噪声主观烦恼度的研究往往仅限于确定烦恼度阈值,本文在确定阈值的基础上进一步考虑了烦恼度的影响因素,分析飞机噪声产生烦恼的形式,由于调查点位所处区域类型的多样化,故调查结果具有一定的普适性。有关烦恼度较为重要的2个影响因素中,无论是噪声发生时间段还是公众所处的区域类型都与城市声环境质量评价息息相关。研究机场周边声环境质量时,Ldn被美国联邦城市噪声联合委员会认为是最好的噪声评价指标,能合理评价各种室外环境条件下土地利用的相容性。在机场噪声评价和与我国城市声环境标准的联系方面,Ldn比LWECPN更直观地表现出区域声环境和飞机噪声之间的关系,成为更符合中国当前发展的机场噪声评价指标。