CN109405962B - 一种道路交通噪声频谱计算方法 - Google Patents

一种道路交通噪声频谱计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种道路交通噪声频谱计算方法，该方法对于道路交通噪声频谱的计算，是以道路交通流参数作为输入变量的，根据道路等级和交通流量估算道路上各类车型的速度分布矩阵，结合各类车型在各个速度区间下的频谱特性，计算混合车流的交通噪声频谱；充分考虑了不同车型、不同行驶速度对机动车噪声频谱的影响，并且能根据道路属性和车流量估算各类车型的速度分布情况，充分考虑了交通流中速度分布的差异，能够很好地适用于车流状态变化频繁的城市道路。

Description

一种道路交通噪声频谱计算方法
技术领域
本发明涉及交通与环境保护的技术领域，更具体地，涉及一种道路交通噪声频谱计算方法。
背景技术
随着城市人口的急剧增加以及机动车保有量的爆发性增长，道路交通污染问题逐渐变得越来越严重，由于城市交通噪声具有影响范围广、影响时间长、暴露人群众多等特点，交通噪声污染成为了城市声环境污染的最重要来源。不少临床研究表明，长期暴露在交通噪声污染中会使人体健康受到严重威胁，因此对交通噪声的控制和防治是改善城市生存环境、提高居民生活质量的关键任务。
目前我国国家标准《声环境质量标准(GB 3096-2008)》对城市不同用地性质区域进行划分，把城市区域划分成五类声功能区，并对声功能区昼夜的噪声限值做出了明确的规定；《环境影响评价技术导则声环境HJ2.4-2009》提出了城市道路交通噪声的计算和传播衰减模型，可根据道路车流量和车速等交通参数计算交通噪声值的大小。此外，国内外还有不少交通噪声源强排放模型以及交通噪声计算模型，考虑车辆的速度和加速度，计算车辆排放的噪声值大小及传播衰减。然而，声音除了声压级大小以外，还有一个重要的属性：频谱。声音的频谱反映了声音在各个频段下的声压级大小，是区分不同声音的重要指标。研究表明，不同频率的声音传播衰减规律不同，并且不同频率的声音对人的影响也不同。研究声音的频谱，可以针对对人产生较大危害的频段的声音采取相应的控制措施，设置专门的声屏障或吸声材料等吸收对人影响较大的噪声频段，从而有效地治理噪声污染问题。但是目前国内外广泛应用的交通噪声排放预测方法只能计算噪声的等效声级大小，鲜有能计算交通噪声频谱的技术或研究方法。因此，为了更全面地了解道路交通噪声，并根据其频谱特性选取针对性的治理措施，实现交通噪声的有效控制，急需一种能计算道路交通噪声频谱的计算方法。
发明内容
本发明提供一种用于计算城市道路的交通噪声频谱的道路交通噪声频谱计算方法。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种道路交通噪声频谱计算方法，包括以下步骤：
S1：根据车辆排放的噪声频谱特性，对城市道路上常见的车型进行重新车辆类型划分；
S2：根据车辆在不同速度下的噪声频谱特性，把频谱规律一致的速度划归为一个车辆速度区间；
S3：基于机动车噪声源强排放模型，结合车辆类型和速度以及相应的噪声频谱特性，计算单辆车在经过接收点时的噪声频谱；
S4：建立各类型车辆在不同道路属性以及车流量下的速度分布矩阵；
S5：根据单辆车的噪声频谱特性和混合车流的流量、车型比例以及速度分布矩阵，计算混合车流的交通噪声频谱。
进一步地，所述步骤S1中，首先对城市车辆类型分为小型客车、小型货车、中型客车、中型货车、大型客车、大型货车、工程车辆以及公交车共八类，然后分别采集这八种类型的车辆在不同速度下的噪声频谱，对比各类型车辆在相同速度段时的噪声频谱的差别，把频谱规律相同的车型划归为同一类；经过频谱对比，最后把小型客车和小型货车归类为小型车，中型客车和中型货车归类为中型车，大型客车、大型货车和工程车辆归类为大型车，公交车单独归为一类。
进一步地，所述步骤S2中，分别采集小型车、中型车、大型车和公交车在速度区间为[20,80]km/h范围内的噪声频谱数据，对于每一类车型，对比其不同速度下的噪声频谱特性，根据噪声频谱特性对速度进行聚类，使同一类的速度下噪声频谱特性基本相同，而不同类之间的噪声频谱特性差异较大，最后形成速度区间划分，速度区间划分的步长定为2km/h。
进一步地，所述步骤S3中，首先根据机动车噪声源强排放模型，计算车辆在经过接收点时产生的声压级大小；然后把车辆产生的声压级大小转换成声能量，结合车辆类型和速度对应的噪声频谱特性，计算车辆产生的噪声在各个频段下的声能量；最后把声能量转换成声压级，即可得到车辆排放的噪声频谱；单辆车排放的声能量计算公式为：
Figure GDA0002532869300000021
单辆车排放的噪声频谱的计算公式为：
Si,j[]＝10lg(Ei,j*Pi,j[])
其中Li,j表示车辆类型i在速度为j时经过接收点处排放的噪声声压级大小；Pi,j[]表示车辆类型i在速度为j时的噪声频谱能量占比；本频谱计算方法中涉及到的噪声频谱，是指1/3倍频程中的中心频率，共32个频段，Pi,j[]和Si,j[]均为1×32的行向量。
进一步地，所述步骤S4中，根据道路等级、道路分担的车流量情况等对道路进行分类，然后针对各类不用的道路，分别采集在不同车流状态下，各类型车辆的速度，建立速度分布矩阵；从而根据道路属性和车流量，估计车辆的速度分布；速度矩阵记为
Figure GDA0002532869300000022
表示第r类道路对应的车流量为f时的速度分布矩阵，矩阵中的每一个元素vi,j表示速度落在速度区间j内的第i类车型的车辆数占该路段第i型车辆总数的百分比。
进一步地，所述步骤S5中，根据道路属性、车流量和车型比例，找到对应的速度分布矩阵
Figure GDA0002532869300000023
然后根据车辆类型、速度和噪声频谱特性，计算每一辆车对应的噪声频谱Si,j[]，最后对混合车流的所有车辆的噪声频谱进行能量叠加，即可计算混合车流的噪声频谱；
计算公式为：
Figure GDA0002532869300000031
其中Ni表示第i类车型的车辆总数，vi,j*Ni表示在混合车流中，速度区间为j的第i类车辆的车辆数，m表示划分的速度区间的数量，n车辆类型的数量。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明中对于道路交通噪声频谱的计算，是以道路交通流参数作为输入变量的，根据道路等级和交通流量估算道路上各类车型的速度分布矩阵，结合各类车型在各个速度区间下的频谱特性，计算混合车流的交通噪声频谱；充分考虑了不同车型、不同行驶速度对机动车噪声频谱的影响，并且能根据道路属性和车流量估算各类车型的速度分布情况，充分考虑了交通流中速度分布的差异，能够很好地适用于车流状态变化频繁的城市道路。
附图说明
图1为本发明的频谱计算方法的流程示意图；
图2为根据噪声频谱特性对车型进行分类的示例图；
图3为对速度区间进行划分后不同速度区间小型车频谱曲线的对比图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种道路交通噪声频谱计算方法，所述方法包括三个主要步骤：
①计算单辆车的噪声频谱。包括根据单辆车的噪声频谱特性进行车型分类和速度区间划分，获取各类型车辆在不同速度区间下的噪声频谱特性，结合机动车噪声源强排放模型计算单辆车的噪声频谱；
②建立各类车型在不同流量下的速度分布矩阵。包括根据道路属性和车流量及车速对道路状况进行划分，结合各类型车辆的速度分布，建立各类车型在不同流量下的速度分布矩阵；
③计算混合车流的交通噪声频谱。根据单辆车的噪声频谱计算方法、混合车流的车型比例和车流量、各类车型对应的速度分布矩阵，计算混合车流的道路交通噪声频谱。
其中步骤①中所述根据噪声频谱特性对车辆类型和速度区间进行划分，首先采集单辆车的噪声频谱数据。在行车道外7.5米处设置声级计，当只有一辆车经过时，在车辆经过声级计的瞬间测量车辆的速度并用声级计采集车辆排放的噪声频谱，噪声频谱选用1/3倍频程测量。
采集城市常见的车辆类型的1/3倍频程噪声频谱数据，车辆类型包括小型客车，小型货车，中型客车，中型货车，大型客车，大型货车，工程车辆和公交车。对各类车型的噪声频谱数据进行对比，根据噪声频谱特性对车型进行重新分类，最后把小型客车和小型货车归类为小型车，中型客车和中型货车归类为中型车，大型客车、大型货车和工程车辆归类为大型车，公交车单独归为一类。根据频谱对车型分类的示意图如图2所示。
对同一类车型在不同速度区间下的频谱数据进行对比，根据频谱特性对速度区间进行分类，使同一速度区间内的噪声频谱特性基本相同，而不同速度区间之间的噪声频谱曲线有所差异。测量得到的速度为离散的整数，根据频谱特性对速度区间的划分结果，确定划分步长为2km/h。图3为小型车的部分速度段速度区间划分后频谱曲线的对比图。
完成车辆类型和速度区间划分后，采集大量各类型车辆在各速度区间下的噪声频谱数据，整理得到各类型车辆在各速度区间下的噪声频谱能量占比，即各个频段下的声能量占总声能量的百分比，用Pi,j[]来表示，其计算公式为：
Figure GDA0002532869300000041
其中Lk表示在32个1/3倍频程的中心频率中，第k频段的声压级大小，而Pi,j[k]则表示车辆类型i在以速度区间j的速度行驶时，其产生的噪声频谱中第k频段的声能量占总声能量的百分比。
利用机动车噪声源强排放模型，根据车辆类型和速度，可计算车辆排放的声压级大小。而根据这个声压级大小，可以计算车辆排放的噪声能量，再结合车型和速度对应的噪声频谱特性，即可计算单辆车的噪声频谱Si,j[]，计算公式为：
Figure GDA0002532869300000042
其中Li,j表示车辆类型i在速度为j时经过接收点处排放的噪声声压级大小，通过噪声源强排放模型计算，Ei,j为车辆排放的声能量。
步骤②中，所述建立各车型在不同流量下的速度分布矩阵，首先根据道路属性和车流量及车速对道路状况进行分类。道路属性包括道路等级和车道数，车流量用占有率来描述，速度以10km/h为间隔划分成多个速度段，道路状况分类结果为一个三维表结构，可以切分成多张二维表。以速度分切分单位，把城市道路主要速度区间[20,80]km/h的道路状况分类三维表切分成6张表，单张表的结构如表1所示。
表1速度段为[40,50]的道路状况分类表
Figure GDA0002532869300000051
采集各类道路状况下的各类型车辆的速度数据，从而计算第i类车型的第j速度区间的车辆数占第i类车型车辆总数的百分比，记为vi,j，则所有车型在所有速度区间下的vi,j形成一个速度分布矩阵
Figure GDA0002532869300000052
填入上述表格的相应位置，即完成了各类型车辆在不同流量下的速度分布矩阵。
上述步骤③中，所述计算混合车流的噪声频谱，首先输入路段的道路等级、车流量和车型比例等参数，由此确定对应的速度矩阵
Figure GDA0002532869300000053
对于车流中的每一辆车，都采用步骤①中的单辆车的噪声频谱计算方法，计算车辆对于接收点处产生的噪声频谱。
对所有车辆产生的噪声频谱Si,j[]进行能量叠加，最终得到混合车流的噪声频谱，计算公式为：
Figure GDA0002532869300000054
其中Ni表示第i类车型的车辆总数，vi,j*Ni表示在混合车流中，速度区间为j的第i类车辆的车辆数，m表示划分的速度区间的数量，n表示车辆类型的数量。
上述方法完成了从车型分类、速度区间划分到单辆车的频谱计算，然后建立不同车型在不同流量下的速度分布矩阵，最后完成混合车流的噪声频谱计算的整个流程。
实际上，当获取了各类车型在不同速度区间下的噪声频谱特性Pi,j[]，建立了各类车型在不同流量下的速度分布矩阵
Figure GDA0002532869300000061
以后，在后续的道路交通噪声频谱计算中，只需要更新道路交通流参数，包括道路等级、车流量、车流组成比例等参数，即可实时计算相应的交通噪声频谱。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种道路交通噪声频谱计算方法，其特征在于，主要包含以下步骤：
(a)车辆类型划分，根据车辆排放的噪声频谱特性，对城市道路上常见的车型进行重新分类：首先对城市常见的车辆类型分为小型客车、小型货车、中型客车、中型货车、大型客车、大型货车、工程车辆以及公交车共八类，然后分别采集这八种类型的车辆在不同速度下的噪声频谱，对比各类型车辆在相同速度段时的噪声频谱的差别，把频谱规律相同的车型划归为同一类，经过频谱对比，最后把小型客车和小型货车归类为小型车，中型客车和中型货车归类为中型车，大型客车、大型货车和工程车辆归类为大型车，公交车单独归为一类；
(b)车辆速度区间划分，根据车辆在不同速度下的噪声频谱特性，把频谱规律一致的速度划归为一个区间：把城市道路常见的车辆类型按照频谱特性划归为四类以后，分别采集每一类型车辆在速度区间为[20,80]km/h范围内的噪声频谱数据，对于每一类车型，对比其不同速度下的噪声频谱特性，根据噪声频谱特性对速度进行聚类，使同一类的速度下噪声频谱特性基本相同，而不同类之间的噪声频谱特性差异较大，最后形成速度区间划分，速度区间划分的步长定为2km/h；
(c)单辆车的噪声频谱计算，基于机动车噪声源强排放模型，结合车辆类型和速度以及相应的噪声频谱特性，计算单辆车在经过接收点时的噪声频谱；
(d)混合车流的车速分布估计，根据道路等级和路段分担的车流量情况对道路进行分类，然后针对各类不同的道路，分别采集不同车流状态下各类型车辆的速度，建立速度分布矩阵，从而根据道路属性和车流量，估计车辆的速度分布，速度矩阵记为:
Figure FDA0002532869290000011
表示第r类道路对应的车流量为f时的速度分布矩阵，矩阵中的每一个元素vi,j表示速度落在所划分的车辆速度区间j内的第i类车型的车辆数占该路段第i型车辆总数的百分比；
(e)混合车流的交通噪声频谱计算，根据单辆车的噪声频谱特性和混合车流的流量、车型比例以及速度分布矩阵，使用混合车流噪声频谱计算方法计算道路交通噪声频谱，计算公式为：
Figure FDA0002532869290000021
其中Ni表示第i类车型的车辆总数，vi,j*Ni表示在混合车流中，速度区间为j的第i类车辆的车辆数，m表示划分的速度区间的数量，n表示车辆类型的数量。
2.根据权利要求1所述的道路交通噪声频谱计算方法，其特征在于，所述步骤(c)单辆车的噪声频谱计算，首先根据机动车噪声源强排放模型，计算车辆在经过接收点时产生的声压级大小；然后把车辆产生的声压级大小转换成声能量，结合车辆类型和速度对应的噪声频谱特性，计算车辆产生的噪声在各个频段下的声能量；最后把声能量转换成声压级，即可得到车辆排放的噪声频谱，单辆车排放的声能量计算公式为：
Figure FDA0002532869290000022
单辆车排放的噪声频谱的计算公式为：Si,j[]＝10lg(Ei,j*Pi,j[])，其中Li,j表示车辆类型i在速度为j时经过接收点处排放的噪声声压级大小，可通过噪声排放模型计算；Pi,j[]表示车辆类型i在速度为j时的噪声频谱能量占比，是根据步骤(b)和步骤(c)对车辆和速度区间进行划分后，通过采集大量数据确定的；本方法中涉及到的噪声频谱，是指1/3倍频程中的中心频率，共32个频段，Pi,j[]和Si,j[]均为1×32的行向量。
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