一种城市隧道洞内噪声预测方法与流程

本发明涉及一种城市隧道洞内噪声预测方法，适用于城市隧道尤其是通行行人及非机动车的城市隧道。

背景技术：

随着城市的发展，交通设施的建设日益完备，尤其是城市隧道、城市高架等不断涌现。对于城市交通设施而言，其噪声问题是需要考虑的。

目前国家及行业内已经提出了对于道路、高架桥的交通噪声预测方法，例如，对于道路交通运输噪声预测的《环境影响评价技术导则声环境》(HJ 2.4)等。

与高架桥等相比，城市隧道内噪声对周边环境影响相对较小，但由于隧道属于管状结构，空间封闭，仍存在噪声污染的问题。据有关报道，隧道内噪声接近90dB，隧道口接近80dB。

隧道内的噪声使司机、乘客及检修人员感到非常不适，尤其在中长隧道中更为突出；而隧道口的噪声污染则直接影响着周边居民的生活，在隧道下穿城市繁华区域时尤为突出。在隧道使用过程中，经常被居民投诉的一个方面就是噪声污染。对隧道噪声的治理在上海、南京等城市都曾多次见诸报端。

目前国家及行业内提出的交通噪声预测方法仅适用于道路、高架桥等，而并不适应于目前城市隧道的噪声预测，提供一种对城市隧道口噪声进行预测的技术是本领域目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种城市隧道洞内噪声预测方法，其可以对城市隧道进行噪声预测，尤其适用于对隧道洞内的噪声预测。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种城市隧道洞内噪声预测方法，其包括步骤：

S1、按照式1计算噪声增量ΔL₁：

其中，r为从车道中心线到预测点的距离，单位：米；

C为隧道横断面周长，单位：米；

为隧道内各表面平均吸声系数。

其中，隧道内各表面包括地面、隧道壁面与顶面。

进一步的，所述的城市隧道洞内噪声预测方法还包括步骤：

S2、计算道路交通噪声L_eq道路；

S3、按照式2计算得到城市隧道洞内噪声L_eq隧道：

L_eq隧道＝L_eq道路+ΔL₁ (式2)。

其中，可以按照式3计算道路交通噪声L_eq道路：

其中，L_eq大、L_eq中、L_eq小为各类车辆的等效声级。

较佳的，依据各类车辆的小时等效声级L_eq(h)_i得到各类车辆的等效声级，其中，根据式4计算得到各类车辆的小时等效声级L_eq(h)_i：

式4中：

L_eq(h)_i为第i类车的小时等效声级，单位：分贝(A)；

为第i类车速度为V_i(单位：千米/小时)时，水平距离为7.5米处的能量平均A声级，单位：分贝(A)；

N_i为昼间/夜间通过某个预测点的第i类车平均小时车流量，单位：辆/h；

r为从车道中心线到预测点的距离，单位：米；

V_i为第i类车的平均车速，单位：千米/小时；

T为计算等效声级的时间，单位：小时；

Ψ1、Ψ2为预测点到有限长路段两端的张角，弧度；

ΔL为由其他因素引起的修正量，单位：分贝(A)。

较佳的，Ψ₁＝Ψ₂＝π，单位：分贝(A)。

较佳的，ΔL仅考虑路面材料修正。

当为水泥混凝土路面时，行驶速度在30～40千米/小时时，修正量为1.0，行驶速度在40～50千米/小时时，修正量为1.5，行驶速度≥50千米/小时时，修正量为2.0。

当为沥青混凝土路面时，修正量为0。

上述任一种城市隧道洞内噪声预测方法，其隧道长度≥100米。

本发明还提供一种城市隧道洞内噪声预测方法，其包括步骤：

S1、按照式1计算噪声增量ΔL₁：

其中，r为从车道中心线到预测点的距离，单位：米；

C为隧道横断面周长，单位：米；

为隧道内各表面平均吸声系数。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的城市隧道洞内噪声预测方法，由于可以通过计算对城市隧道洞内噪声进行预测，因此，可以在城市隧道建设过程中或建设前或规划时即进行城市隧道洞内噪声的预测，并依据预测结果进行相应的噪声控制方案设计，也就是说，可以在开工建设之前就预定出适当的噪声控制方案，克服了现有技术中需要在建设完成之后才能实际测量噪声，并据此设计噪声控制方案的弊端，有利于缓解日益严重的城市交通噪声问题。

附图说明

图1为本发明一个实施例的整体流程示意图；

图2为本发明一个实施例中Ψ1与Ψ2示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参见图1，本发明一个实施例的城市隧道洞内噪声预测方法，主要是通过式1模拟隧道洞内最大噪声，并以此计算隧道内中间区域噪声(最大噪声)作为隧道洞内噪声的预测值，即将隧道洞内噪声分为两部分，分别为道路噪声预测值L_eq道路与隧道附加噪声ΔL₁。

L_eq隧道＝L_eq道路+ΔL₁ (式2)。

其中，道路噪声预测值L_eq道路可以根据《环境影响评价技术导则声环境》(HJ 2.4)中所提供的公式得到，即优化了隧道中不会出现的诸如森林附加衰减等附加衰减量。

例如，可以按如下方法计算得到道路噪声等效声级(即道路噪声预测值L_eq道路)：

(1)按照式4计算各类车辆的小时等效声级L_eq(h)_i：

式4中：

L_eq(h)_i为第i类车的小时等效声级，单位：分贝(A)；

为第i类车速度为V_i(单位：千米/小时)时，水平距离为7.5米处的能量平均A声级，单位：分贝(A)，例如可以参照GB1495中规定的上限值进行计算；

N_i为昼间或夜间通过某个预测点的第i类车平均小时车流量，单位：辆/h；

r为从车道中心线到预测点的距离，单位：米；

V_i为第i类车的平均车速，单位：千米/小时；

T为计算等效声级的时间，单位：小时；

Ψ1、Ψ2为预测点到有限长路段两端的张角，弧度，如图2所示，AB为道路位置，P为预测点位置，例如可以取Ψ₁＝Ψ₂＝π，分贝(A)；

ΔL为由其他因素引起的修正量，单位：分贝(A)，在隧道噪声预测中仅需要考虑路面材料修正即可，例如，可以依据表1进行路面材料修正。

表1常见路面噪声修正量 单位：分贝(A)

(2)按照式3计算道路噪声等效声级L_eq道路：

式3中，L_eq大、L_eq中、L_eq小为各类车辆的等效声级。

其中，隧道附加噪声ΔL₁可以按照式1计算：

式1中：

ΔL₁为隧道内声反射、声辐射引起的噪声增量；

r为从车道中心线到预测点的距离，单位：米；

C为隧道横断面周长，单位：米；

为隧道内各表面平均吸声系数(包括地面、隧道壁面与顶面)。

具体的，式1可以按如下方法推导得到：

1、基本假设：

(1)将隧道视作无限长隧道；

(2)车辆噪声源视为无限长线声源；

(3)隧道内横断面平面上声波向各个方向传播的概率相等；

(4)隧道内部区域混响声能处处相等；

(5)线声源波阵面为柱面波。

2、隧道横断面平面内的平均自由程：

设矩形隧道长宽分别为l_x，l_y，设声线与x轴成θ角，声速为c₀，则声速在x，y方向上的分速度分别为：

c_x＝c₀cosθ，

c_y＝c₀sinθ。

设声源1s内射出2πn条声线，则透射在方向角dθ中的声线数量为n dθ。每秒中的碰撞数为：

$N=4{\∫}_{\frac{3\mathrm{\π}}{2}}^{2\mathrm{\π}}n(\frac{c_{0}cos\mathrm{\θ}}{lx}+\frac{c_{0}sin\mathrm{\θ}}{ly})d\mathrm{\θ}=2{\mathrm{nc}}_0\frac{C}{S},$

其中C＝2(l_x+l_y)为截面的周长，S＝l_xl_y为截面的面积。

因为在1s内所有声线通过的总距离为L＝2nπc₀，所以用它来除每秒的声线碰撞总数N就可得平均自由程：

$\stackrel{\‾}{L}=\frac{L}{N}=\frac{2{\mathrm{n\πc}}_0}{2{\mathrm{nc}}_0\frac{C}{S}}=\frac{\mathrm{\π}S}{C}.$

3、隧道内声压级：

由平均自由程公式，可得每秒声线反射次数：

$N=\frac{c_{0}C}{\mathrm{\π}S},$

每秒被吸收声能：

根据平衡态时，W_吸＝W_发，可得到混响声能密度

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ϵ}}_R}=\frac{W_1\mathrm{\π}}{c_{0}C}\·\frac{(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}})}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}},$

根据声压与声能密度公式：

$p^2=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0^2},$

有：

直达声：

混响声：

故隧道内总声压可表示为：

$p^2={\mathrm{\ρ}}_0{c}_{0}W\·(\frac{1}{2\mathrm{\π}r}+\frac{\mathrm{\π}(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}})}{C\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}),$

由于平直公路上7.5米远处的声压级可用式3进行预测，因此平直公路上的噪声声压级L_eq道路可视为已知量，

隧道内声压级：

将L_eq道路带入上式，可得隧道内声压级与隧道外声压级关系，即式1：

得到道路噪声预测值L_eq道路和隧道附加噪声ΔL₁之后，即可以按照式2计算隧道洞内噪声L_eq隧道。

进一步的，发明人研究发现，当隧道长度≥100米时，隧道内最大噪声不再发生变化。因此，当用于隧道长度≥100米的情况时，本发明对隧道内最大噪声，即隧道内中间区域噪声的预测更加准确。

通过上述方法，即可以通过计算得到城市隧道噪声在预定点的数值，也就是说，可以在城市隧道建设过程中或建设前或规划时即进行城市隧道洞口噪声的预测，克服了现有技术中需要在建设完成之后才能实际测量噪声的弊端。

本发明还提供了预测方法的一个应用示例。

南京市通济门隧道长度1400米，横断面为矩形，高5米，宽12米。在某一小时中，测得其车流量为2520辆/时，平均车速65千米/小时，路面为沥青混凝土路面。车辆类型可视作全部由小型车构成(选取对应的GB1495中噪声上限为74dB(A))。

(1)根据式4计算各类车辆的小时等效声级L_eq(h)_i：

$L_{eq}{\left(h\right)}_i={\left(\stackrel{\‾}{L_{0E}}\right)}_i+10\lg \left(\frac{N_i}{V_{i}T}\right)+10\lg \left(\frac{7.5}{r}\right)+10\lg \left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_1+{\mathrm{\ψ}}_2}{\mathrm{\π}}\right)+\mathrm{\Δ}L-16$

(式4)，

已知：

N_i＝2520，V_i＝65，T＝1，r＝6，Ψ₁+Ψ₂＝π，ΔL＝0，

求得：

L_eq(h)_i－74.85dB；

(2)根据式1计算隧道附加噪声ΔL₁：

已知：C＝34，(该隧道未做吸声处理，取平均吸声系数视作0.1)，

求得：

ΔL₁＝16.01dB；

(3)根据式2计算隧道洞内噪声L_eq隧道：

L_eq隧道＝L_eq道路+ΔL₁＝74.85+16.01＝90.86dB (式2)；

(4)对南京市通济门隧道进行噪声实测，该时段洞内实测噪声值为91.9dB(A)，表明本发明的预测方法得到的结果与实测结果基本相一致，可以用于预测，具有较好的适用性。

综上所述，本发明的城市隧道洞内噪声预测方法，由于可以通过计算对城市隧道洞内噪声进行预测，因此，可以在城市隧道建设过程中或建设前或规划时即进行城市隧道洞内噪声的预测，并依据预测结果进行相应的噪声控制方案设计，也就是说，可以在开工建设之前就预定出适当的噪声控制方案，克服了现有技术中需要在建设完成之后才能实际测量噪声，并据此设计噪声控制方案的弊端，有利于缓解日益严重的城市交通噪声问题。