四车道高速公路交通噪声模型仿真分析

四车道高速公路交通噪声模型仿真分析马心坦;冯世昌【摘要】目前,国内外高速公路交通噪声预测模型中大多使用等效连续A声级来进行噪声预测,并且在高速公路交通噪声的仿真分析中使用一条线声源来模拟噪声源,与实际情况有一定差别.该文应用声学仿真软件,建立了四车道高速公路交通噪声模型,并从频域的角度,计算了在单声源、双声源两种预测模式下,距离路肩20m、40m、80m、160m处四个受声点的声压级,分析了两种声源模式下受声点的声压级频谱,得到了在四车道高速公路模型中的两种声源预测模式下,距离路肩20m及以远处受声点各频率处的声压级差值不大于1.29dB,总声压级的差值不大于1.19dB的结论,为道路噪声控制和预测提供了参考依据.%At present, highway traffic noise prediction models mostly use the equivalent sound level (LEQ) to carry on the noise prediction within the country as well as in abroad, and usually use one line source to simulate the noise source in the simulation analysis of highway traffic noise, which makes some differences to the actual situation. It uses acoustic simulation software to establish a two-way four lane highway traffic noise model, and under single source prediction model and dual source prediction model, it has calculated the sound pressure levels at four receivers which are 20m, 40m, 80m, 160m distance from the road shoulder in frequency domain. Lastly, it analyses the sound pressure level frequency spectrum of the receivers under the two kinds of source models. Then come to a conclusion that, under the two kinds of source models in the four-lane highway model, the differences of the sound pressure levels at each frequency of the receiverswhich are 20m or far from shoulder are not more than 1.29dB, and the differences of the total sound pressure levels are not more than 1.19dB. The conclusion will provide valuable references for the traffic noise control and prediction.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2017(000)0z1【总页数】4页(P106-109)【关键词】高速公路;1/3倍频程;单声源;双声源;仿真【作者】马心坦;冯世昌【作者单位】河南科技大学车辆与交通工程学院,河南洛阳 471003;河南科技大学车辆与交通工程学院,河南洛阳 471003【正文语种】中文【中图分类】TH16;U491.911 引言近年来，我国汽车的数量增加非常快，高速公路的建设也是日新月异，噪声问题随之而来，并深深困扰着沿路的住民。

所以，对道路噪声的预测工作十分重要[1]。

目前国内普遍使用的模型是《公路建设项目环境影响评价规范（试行（JTJ 005—96）》提出的噪声预测模型，以及由美国联邦公路管理局（FHWA）提出的公路噪声预测模型[2-3]。

两种预测模型在应用过程中，均只计算了车辆等效连续A声级，在仿真分析中一般仅定义声源的声压级或者声功率级的大小，较少从声源的频谱特性方面进行定义，并且在仿真时通常只考虑一条线声源对受声点声压级的影响，鲜有考虑路面宽度对声源定义的影响。

通常在噪声预测时一般只在道路中心线或者等效行车线处沿道路方向定义一条线声源来模拟整条道路的声源，称之为单声源模型；但只用一条线声源来模拟道路噪声源跟实际道路状况是有差别的，尤其是随着二车道、四车道、六车道、八车道等道路宽度的增大，等效行车线的位置变化比较明显，对受声点的噪声预测还是有一定影响的[4]，因此将车道等效成双向的两条线声源符合道路噪声源的实际情况，预测出的结果也更精确，这两条线声源称之为双声源模型。

运用声学仿真软件建立了26.5m宽的双向四车道高速公路模型，并且定义了单、双声源两种声源模型进行仿真分析。

分别计算出远离路肩20m、40m、80m、160m处、离地高度3m的四个受声点的声压级频率响应曲线，并分析两种模型在（63～4000）Hz的频域范围内的仿真结果。

高速公路在正常通车的情况下，中央隔离带两侧的通车情况是基本相同的，故该文认为在双声源模型下，两条线声源的频谱特性是相同的。

在测量的时候，只需测量出其中一条线声源的频谱特性，即可得出整条道路总的线声源的频谱特性。

另外，直接在四车道的高速公路上测量单条线声源的频谱特性比较难以实现，实际操作中可以使用类比测量法[5]，即需要测量一条跟四车道高速公路单向行车道路况、车流量、车速、环境条件大致相同的两条车道的道路频谱特性，测量方法可根据相关标准测量出距离等效行车线7.5m处的参考点的频率响应曲线[6-7]。

2 等效行车线进行线声源位置的确定时，通常有两种方法：一种比较简单，就是把线声源设置在高速公路正中间的那条线上，这样做的好处就是简单方便，不用根据受声点的位置来计算线声源要放在什么位置；另一种相对来说就较为复杂，需要根据受声点的位置用特定的公式计算线声源的位置。

通常来说，第二种方法的合理性要高于第一种方法，所以该文只介绍并运用第二种方法。

在噪声预测时，一般假设公路上的车辆汇集在一条假想的道路的中心线上，此条道路就是等效行车道，此中心线就是等效行车线[8]，如图1所示。

图1 等效行车线计算示意图Fig.1 The Sketch Map of Equivalent Lane等效行车线的位置确定方法为：距离预测点最远的车道道路中心线到预测点的距离，和距离预测点最近的车道道路中心线的距离的乘积的二次平方根。

式中：r等效—预测点到等效行车线的距离，m；r远—预测点到远车道中心线的距离，m；r近—预测点到近车道中心线的距离，m。

3 线声源3.1 有限长线声源汽车在高速公路上行驶，若是汽车在通过某一道路截面的某一时刻开始计数，在一个小时内若有超过1000辆汽车通过这个道路截面，就可以把这些车组成的车流假想成线声源[9]。

因为距离受声点越远的线声源上的点对受声点的影响很小，所以线声源可以分为有限长线声源和无限长线声源。

在有限长线声源附近进行预测点的噪声预测的时候，应当把这个有限长的线声源划分为无限多个小微元，每一个小微元都可以看成是一个点声源，受声点的声压级可以对这些点声源在预测点产生的声压级进行求和来得到。

有限长线声源，如图2所示。

图2 有限长线声源Fig.2 Limited Line Sound Source图中：x1、x2—有限长线声源；x1、x2—其两个端点，P 点定为受声点，O点是到声源的垂足，设其为原点，a点为距离O点距离为x的微元。

此有限长线声源的每一米的功率大小为W瓦，Lw—其对应的声功率级。

由以上条件可知，a点处的声功率是W×dx。

则a处微元dx在预测点P处的声强 I（x）和 x1、x2在预测点处的总声强I（总）为：当r≠0 时，有 R2=r2+x2；当 r=0 时，有 R2=x2。

分别带入（3）式，积分后可得：在r=0时，式（5）的应用范围仅限于受声点在的延长线上的情形，且要求x1＜x2。

若是受声点距离有限长线声源中垂线的距离为 d，则，x1=（L0/2+d），x2=（L0/2-d）（5）式可转化成：在r≠0 时，令d=0，Q=1（自由空间），那么就能得到《HJ/T2.4-95环境影响评价技术导则》[10]中的距离声源r处的声压级：3.2 无限长线声源对于上式（6），当L0→∞时，式（6）可变为无限长线声源的衰减公式（8），式中Q称为“指向性因子”，当线声源是贴近地面的线声源的时候，Q=2；当线声源是离地面较高的线声源的时候，Q=1。

如果测得距离声源r0m远的受声点的声压级（r0≤r），则公式（8）也可表示成：式（9）中等号后面第二个式子代表无限长线声源的几何发散衰减量。

4 仿真分析将距离受声点较近的那条线声源称为“近车道线声源”，距离较远的那条线声源称为“远车道线声源”，四车道模型，如图3所示。

根据类比测量法，找出一条跟四车道单向行车道（两条车道）路况、车流量、车速、环境条件大致相同的两车道公路，然后在距离等效行车线7.5m处架设噪声测量仪器，测量出该道路的声压级频谱，此频谱既是远、近车道线声源参考点处的声压级频谱。

测量结果，如表1所示。

图3 四车道高速公路示意图Fig.3 The Sketch Map of a Four-Lane Highway 表1 距离等效行车线7.5m处的声压级频谱Tab.1 Sound Pressure Level Spectrum of the Line at 7.5 m Distance Equivalent Traffic1/3 Octave（Hz）声功率级（dB）1/3 Octave（Hz）声功率级（dB）63 56.02 63081.73 80 65.23 800 83.12 100 63.57 1000 85.62 125 75.72 125082.44 160 75.98 1600 81.79 200 79.33 2000 86.38 250 78.27 2500 85.35 315 80.88 3150 82.70 400 80.53 4000 80.15 500 80.98在LMS b声学仿真软件里是以声功率、声功率级、声压的方式定义声源的，因此需要对表1中的数据进行变换，该文利用式（8）的变形公式，即如下式（10）将之转化成声源处的声功率级频谱，因为是地面声源，所以Q=2。