马心坦，李　磊

(河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003)

小型车辆行驶噪声的多普勒效应分析

马心坦，李磊

(河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003)

摘要：噪声模型是噪声研究的基础，目前建立的车辆行驶噪声模型中，往往忽略了多普勒效应的影响。在多普勒频移理论基础上，建立了多普勒效应单车行驶噪声模型，并对车辆行驶噪声的多普勒效应影响因素进行了分析。研究结果表明：多普勒频移现象引起的受声点声压级和A计权频率响应的变化，是导致车辆迎面驶来和背离驶去时受声点噪声声压级差异的主要因素；多普勒效应对高速小型车辆行驶噪声有较显著的影响，算例中小型车以120 km/h匀速驶来时比驶去时噪声声压级(A)大2.3 dB；车辆行驶速度越高，多普勒效应对行驶噪声声压级变化的影响越明显。

关键词：声学；噪声模型；多普勒效应；频移；行驶噪声

基金项目：河南省科技创新人才杰出青年基金项目(144100510004)

作者简介：马心坦(1972-),男,河南遂平人,副教授,博士,硕士生导师,主要从事交通噪声与振动控制方面的研究.

收稿日期：2014-09-06

文章编号：1672-6871(2015)02-0026-04

中图分类号：U491.91

文献标志码：志码：A

0引言

随着各地汽车保有量越来越大，道路交通噪声污染的问题日益凸显，对交通噪声的研究工作也受到了重视。文献[1]对常见的公路交通噪声预测模型FHWA和RLS90进行了分析，比较了两种模型的特点。文献[2]利用多辆车共同作用得到的等效声级反演导出单车噪声源强模型。噪声模型是噪声研究的基础，而当前的车辆行驶噪声模型中往往忽略了多普勒效应。声波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低，这种现象称为多普勒效应[3]。由于多普勒频移现象的存在，当车辆驶入与驶出同一区域时(声源至受声点距离相等)，道路外测试点测得的车辆行驶噪声声压级不相等，说明多普勒效应对车辆行驶噪声声压级有影响[4]。

本文在单车行驶噪声模型的基础上，通过考虑多普勒频移引起的受声点声压级和A计权网络频率响应的变化，建立多普勒效应的单车行驶噪声模型，以小型车为例，计算分析多普勒效应对小型车辆行驶噪声的影响。

1车辆行驶多普勒效应

道路交通噪声研究中，噪声辐射影响范围远大于单个车辆自身尺寸，因此对于单个车辆可以近似为点声源,将单车噪声辐射视为无指向性单极子点声源辐射[5]。

1.1　多普勒频移

当声源和受声者中的一方或两方有相对于媒质的运动时，受声者接收的频率相比声源频率发生变化。对车辆行驶噪声进行多普勒效应观测，设定：D为路旁通过噪声测试点，D点至行车线垂直距离为7.5 m;声源接收点R静止，车辆沿道路中心线以速度v从左向右匀速行驶，声速c为340 m/s，车辆匀速行驶时噪声声源频率为f0；车辆迎面驶来时，接收点接收频率为f1；车辆背离驶去时，接收点接收频率为f2；声源和受声点的连线与车辆运动方向的夹角为θ，画出车辆噪声辐射示意图，如图1所示。

根据多普勒效应[3]，结合图1所示声源运动情况，得：

图1中，D为路旁通过噪声测试点；设受声点R到行车道中心线的垂直距离为d，垂足为O；γ为声源到受声点的距离；以道路作为车辆行驶坐标轴，O点坐标为0，O点左边坐标为负，右边为正。

图1　单车行驶噪声模型

(1)

基于式(1)，只需给出v、d两参数，即可得到车辆行驶在道路任一坐标时受声点的接收频率；分别对v和d赋不同值，令f0=1 kHz，用Matlab作图观察受声点的接收频率f与车辆行驶坐标x的关系，见图2。

图2　多普勒频移曲线

由图2可知：受声点至行车道中心线距离d一定时，车速越高，多普勒频移越明显;车辆行驶速度v一定时，车辆行驶至±100 m内,受声点距道路越近，多普勒频移越明显，车辆在±100 m外行驶时，无论受声点距道路远近，多普勒频移量不变。

1.2　多普勒频移对受声点声压级的影响

(2)

式中：ρ0为媒质密度；r0为球状声源半径；ua为振速幅值；f为声波频率；p0为基准声压；r为声源到受声点的距离。

点声源在移动过程中，媒质密度、球状声源半径、振速幅值、基准声压这4个参数均为定值。因此，考虑多普勒频移后，不同点声压级与频率f和受声点到声源的距离r有关，导出任意两点的声压级差为：

(3)

当移动点声源置于半自由声场中，任意两点的声压级差同样满足式(3)。

2多普勒效应单车行驶噪声模型

车辆行驶在道路上，其产生的噪声扩散到受声点的过程中会逐渐衰减，行驶过程中的多普勒频移导致受声点声压级的变化和A计权频率响应的改变。根据图1中单车行驶噪声模型，由式(3)导出受声点与路旁测试点声压级的关系：

(4)

式中:Lpdn为路旁通过噪声测试点D处各频带的声压级；Lpfn为考虑声源频率响应后,R点各频带声压级；r1为通过噪声测试点至道路中心线的距离，r1=7.5 m。

考虑A计权频率响应的变化,A计权网络频率响应可公式化表达[7]为：

GAn=-185.1+161.15lgf-56.05lg2f+10.16lg3f-0.843lg4f，

(5)

式中，GAn为A计权网络在频率f处的增益值。

那么，同时考虑上述两方面的变化后，受声点R处各频带A计权声压级Lpn为：

Lpn=Lpfn+GAn。

(6)

将各频带声级合成，得到多普勒效应下受声点R处的总声级：

(7)

3多普勒效应的影响分析

3.1　小型车辆通过噪声实测

如图1所示，参照《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》[8]，设置D点为小型车通过噪声测试点，测试点D距行车道中心线7.5 m，测试点高度1.2 m。在D点分别测得一小型车以144 km/h的车速驶近测试点(-100 m)、正驶过和驶离测试点(+100 m)时，车辆的噪声频谱[9]，如图3所示。

图3　 小型车以144 km/h行驶时不同行驶状态的 噪声频谱

分析图3，由测试点D处测得的噪声频谱可知：小型车迎面驶来时，峰值频率为1 600 Hz,此频带声压级(A)为85.0 dB，总声压级(A)为88.0 dB；小型车正驶过测试点时，峰值频率为1 250 Hz，此频带声压级(A)为85.6 dB,总声压级(A)为88.6 dB；车辆背离驶去时，峰值频率为1 250 Hz，此频带声压级(A)为82.0 dB，总声压级(A)为85.6 dB。由此可知：小型车分别行驶至±100 m时，多普勒频移导致驶近测点时比驶离测点时声压级(A)大2.4 dB。

图4　 小型车行驶时不同受声点的噪声声压级 (v=120 km/h)

3.2　影响因素分析

以实测的小型车通过噪声频谱[10]为基础进行计算分析，小型车分别以80 km/h和120 km/h的速度匀速行驶，受声点R距行车道中心线分别为d=10 m和d=30 m时，用Matlab计算分析考虑多普勒效应后，不同影响因素下小型车辆行驶噪声声压级的变化。

3.2.1受声点位置的影响

图4为小型车行驶时不同受声点的噪声声压级(v=120 km/h)。由图4可知：小型车以120 km/h匀速行驶，受声点至行车道中心线的距离d=10 m时，车辆迎面驶来时比背离驶去时受声点声压级(A)高2.3 dB；当d=30 m时，车辆迎面驶来时比背离驶去时受声点声压级(A)高2.1 dB。可见，受声点至行车道中心线的距离变化时，多普勒效应对小型车辆行驶噪声声压级的影响变化不大。

3.2.2车辆行驶速度的影响

图5为小型车以不同速度行驶时的噪声声压级(d=30 m)。由图5可知：小型车辆从左至右匀速行驶时，辐射噪声先增大后减小，行驶至距受声点最近处(即x=0)时，噪声声压级最大；噪声曲线左右并非完全对称，左边曲线整体高于右边，由此说明多普勒效应的影响。小型车以120 km/h迎面驶来与背离驶去时比较(车辆分别行驶至±100 m)，车辆驶来时30 m外的受声点噪声声压级(A)比驶去时高2.3 dB，即多普勒效应对小型车行驶辐射噪声声压级(A)的影响为2.3 dB。另外，小型车以80 km/h速度行驶时，车辆驶来时比驶去时受声点声压级(A)高1.7 dB。可见，车辆速度越高，多普勒效应对行驶辐射噪声声压级的影响越明显。

3.2.3A计权频率响应的影响

图6为未经A计权网络修正的小型车行驶噪声声压级(v=120 km/h,d=30 m)。由图6可知：比较车辆行驶至±100 m时的噪声值，驶入时比驶出时大1.7 dB。由于未经A计权修正，由此判断，这个差值仅为多普勒频移引起的受声点声压级的变化。比较图5和图6可知：不考虑A计权网络修正时，多普勒效应对小型车120 km/h行驶辐射噪声声压级的影响为1.7 dB;考虑A计权网络修正时，多普勒效应对其影响为2.3 dB。

图5 小型车以不同速度行驶时的噪声声压级(d=30m) 图6 未经A计权网络修正的小型车行驶噪声声压级(v=120km/h,d=30m)

4结论

(1)根据多普勒效应的基本理论，导出多普勒频移与车辆行驶坐标的关系，且存在以下规律：车辆行驶速度v一定时，受声点距道路越近，多普勒频移越明显；受声点至行车道中心线垂直距离d一定时，车速越高，多普勒频移越明显。

(2)通过单一车辆行驶噪声模型，考虑多普勒效应后，由多普勒频移引起受声点声压级的变化和A计权网络频率响应的变化。这是引起车辆迎面驶来和背离驶去同一区域时，受声点噪声级差异的两个因素，其中，受声点声压级的变化是主要因素。

(3)以小型车通过噪声的实测数据为基础，根据建立的行驶辐射噪声模型，计算出小型车迎面驶来(-100 m)时比背离驶去(+100 m)时受声点噪声声压级高2.3 dB，即多普勒效应对小型车行驶辐射噪声级的影响为2.3 dB。车速越高，多普勒效应对小型车辆行驶噪声声压级的影响越明显。受声点至行车道中心线的距离改变时，多普勒效应对小型车行驶噪声声压级的影响变化不大。

(4)由于多普勒效应的影响，车辆迎面驶来时比背离驶去时受声点噪声声压级大。因此，在高速公路及高架桥路的声屏障长度设计时，应考虑在车辆驶来端比驶去端建立更长的声屏障，以达到理想的降噪要求。

参考文献：

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