NAE 噪声控制工程特刊丨火车、飞机和汽车：美国的交通噪音

美国国家工程院噪声控制工程特刊：工程实践、教育和标准在减轻人为噪声方面的作用是什么？本期文章综述了美国噪声环境的这些方面，并提供了更新和有用的资源。

声景是人类在语境中感知到的声环境的术语。户外声景的人为部分主要是交通工具。除非有朝一日运输车辆真正实现了无声运行，或者出现一种变革性的技术，它可以有效的隔离噪音，或者避免大量车辆将人和货物从一个地方运送到另一个地方，否则，与交通运输有关的噪音仍然会是一个重大挑战和生活质量问题。

需要持续的研究和技术进步来解决与交通相关的噪音中持续存在的和新的问题。

介绍

声学专家把噪声看成是噪音传递路径（源- 路径- 接收端）的挑战，在这种情况下，考虑个体模式对交通噪声声景的贡献是有帮助的。

大多数专业人士都同意，降低噪音最有效的解决方案是从源头上降低噪音，但由于各种原因，这种方法对于铁路、航空和公路噪声源并不同样可行。首先，这三种交通方式并非都受联邦噪音标准和法规的约束。

联邦铁路管理局（FRA）负责确保遵守铁路设备的噪声排放限制。但是，这些限制是由环境保护署（EPA；根据40 CFR 201）设定的。

美国联邦航空管理局（FAA）在法律上负责认证飞机噪音水平（根据14 CFR第36 部分和49 USC 44715）。FAA与美国国家航空航天局（NASA）合作，资助从源头上减少噪音的研究计划。

交通部（USDOT）没有类似的法律机构来管理公路车辆的噪音。因此，联邦公路管理局（FHWA）和州交通部一直致力于通过建造隔音屏障来降低公路噪音　—　—　一种基于路径的降噪解决方案。

本文回顾了美国在减少铁路、公路和飞机噪音方面的研究和成就，以及美国各个政府机构的作用。它还考虑了无人机、先进空中交通、高速铁路和自动驾驶汽车等新技术的当前研究和潜在影响。

跟踪美国交通噪音的趋势

在确定潜在解决方案之前了解噪声问题的当前状态非常有用，无论它们涉及基于源的基础噪声研究（例如飞机发动机降噪）、基于路径的方法（例如高速公路噪声屏障建设）还是以接收端为中心的方法（例如建筑物的隔音）。

2016年，美国交通部交通统计局（BTS）在该部门沃尔佩国家交通系统中心的支持下，启动了国家交通噪声地图计划，以跟踪与多种交通方式相关的噪声趋势。^[1]该倡议的目的不是支持监管或规则制定活动，而是提供一个用于跟踪和了解­随时间推移的交通相关噪声，包括考虑人群暴露。

噪声图使用简化的噪声建模假设来计算24小时等效A加权声级（选择此指标是为了将其与USDOT监管指标区分开来）。由于该计划是在地理空间环境中开发的，因此它可以适用于各种研究主题，例如了解交通噪声的可能用途以掩盖其他来源的噪声以及与噪声相关的公正问题。例如，图1显示了2018年纽约大都市区与交通相关的噪声地图。

 图1：2018年纽约都会区交通相关噪声地图。资料来源：交通统计局。

铁路噪声

“每个人都喜欢远处火车的声音，”Paul Simon写道。研究支持这样一个事实，即铁路噪音是交通噪音中最不烦人的（Janssen和Vos 2011）。但这并不是说铁路工业没有噪音挑战。

火车喇叭：这是最突出的铁路噪音挑战。解决该问题的最有效策略是通过等级分隔消除交叉口，其次是通过使用静音区消除喇叭声，在那里实施替代安全措施（FRA 2013）。

已记录在案的一项FRA批准的替代安全措施是在十字路口安装路边喇叭（Hummer和Jafari 2007；Lucke和Raub 2004；Lucke等人2012；Multer和Rapoza 1998）。虽然有效地限制了交叉口附近人群的噪音暴露，但路边喇叭尚未广泛实施。2010年有27个路口安装了路边喇叭；10年后，这个数字是55。^[2]

路边喇叭的有限使用是由于与困扰建立安静区的障碍类似的障碍：设备和交叉口升级的成本，特别是在交叉口没有电力的情况下；以及获得所需批准的过程。此外，路边喇叭并不能完全消除火车喇叭噪音，与其他静区安全措施相比，在噪音暴露方面可能带来的好处较少。事实上，路边喇叭有时甚至会增加路口附近人群的噪音暴露，它们的效用必须在逐个站点的基础上进行评估。

在全国125,600个公共地面公路铁路平交道口中，只有约3%位于安静区域。GAO（2017）评估了FRA的静区规则，并建议FRA修改其分析静区安全的方法并制定静区检查指南。实施这些建议可能会导致更广泛地使用静区。

其他铁路噪声注意事项：其他铁路噪声挑战包括车轮在曲线上发出的尖叫声、驼峰调车场减速器噪声、发动机怠速和轨道交叉口等，但这些通常是特定地点的，并已进行了研究和缓解（NAE 2010）

美国的火车，包括Amtrak的Acela Express，以高达150英里/小时的速度运行，并符合铁路噪音标准（40 CFR Part 210）。它们尚未以更高的速度运行，但计划在东北走廊、德克萨斯州、加利福尼亚州和内华达州推进高速铁路（HSR）运营，预计时速可达220英里/小时。^[3] 目前尚不清楚这些操作是否符合现有的噪音标准或需要考虑新的标准。

高速公路噪声

在高速行驶时，车辆的噪音主要是由于轮胎/道路相互作用引起的；在较低的车速下，发动机/排气噪声往往更为重要，特别是对于卡车。研究表明，在过去的50年中，道路车辆的总体噪音变化不大　—　—　汽车的噪音略有增加（可能是因为运动型多功能车数量的增加），而卡车在高速公路上行驶时的噪音略有降低（Fleming 等人，2017年）。1995）。因此，专注于从源头消除车辆外部噪音的研究非常有限。

安静的路面：虽然对车辆轮胎静音的研究有限（Ögren等人，2018年），但大多数轮胎/道路噪音研究都集中在更安静的路面（例如，安德森等人，2013年；Donavan和Janello 2018年；Lodico和Donavan 2018年；McGhee等人，2016年）。更安静的人行道也一直是减少国家公园道路噪音的重点，保护自然声景至关重要（Hastings等人，2020年）。

研究表明，相对于更常见的波特兰水泥混凝土和密级配沥青混凝土，一些更安静的路面（例如开级配沥青混凝土）可以实现高达10 dB的降低（Donavan和Lodico 2013）。

更安静的人行道可以减少国家公园的道路噪音，保护自然声景至关重要。

但在美国，使用更安静的人行道的行动一直很缓慢，原因有很多。长期耐用性、维护和最终成本的权衡是主要考虑因素（NAE 2010，第7章）。

研究表明，安静路面的好处会随着时间的推移而恶化（Anderson等人，2013；NASEM 2013）。表面会变得更加压缩，降低吸音能力。路面可能需要额外的维护和清洁，以保持其降噪效果（PIARC 2013）。也存在区域依赖性，雪地里使用的沙子和盐会堵塞多孔的吸音路面。对于建立质量控制/保证协议以确保更安静路面的持续大规模安装措施，也存在实际问题（NASEM 2010）。

可以理解的是，各州不愿意安装更安静的路面，这可能需要更频繁的维护和覆盖，以及相应的生命周期成本增加。对更安静路面的研究有望继续增进对长期权衡的理解。但是，更安静的路面应该纳入减少高速公路噪音的工具箱。

公路噪音屏障：鉴于围绕更安静的人行道的问题，大多数联邦/州在降低公路噪音方面的投资都集中在障碍物上。1963年至2016年间，在48个州和波多黎各建造了3263英里长的公路隔音屏障，总建筑成本约为74.4亿美元，约合34.55美元/平方英尺。^[4]

为了符合23 CFR772，所有联邦资助的高速公路项目都必须使用FHWA的交通噪声模型（TNM），它已成为预测高速公路附近噪音和设计隔音屏障的事实上的标准（并且可以解释更安静的人行道的一些好处）。FHWA致力于推动TNM的发展，以包括最新的科学和分析能力，例如在不久的将来改进映射和建筑噪声模块的集成。FHWA网站提供最新版本的TNM（3.0）以及大量有关高速公路噪声的相关信息。^[5]

飞机噪音

商用飞机噪音的挑战至少可以追溯到20世纪50年代初，随着彗星的首次飞行和喷气机时代的到来。对于飞机，人们很早就认识到传统的噪声分析方法可能是不够的。波音公司、纽约港务局和其他机构的研究导致了音调校正感知噪声级的发展，并最终开发了有效感知噪声级（EPNL；Kryter 1960），它仍然用于飞机噪声认证。

20世纪70年代减少飞机燃油消耗的研究也显着降低了飞机噪音。

在20世纪70年代石油价格飙升之后，进行了大量的研究以减少飞机燃料的消耗。这项研究的一个主要成果，高旁通比涡扇发动机，也导致了飞机噪音的显著降低。如上所述，相互依赖性（在这种情况下，噪声和燃料燃烧之间）是理解运输噪声的一个关键因素。

运输机根据噪声等级进行合格审定，当前是第5阶段。^[6]现代喷气式飞机在三个单独的合格审定测量位置（在飞机进场时正下方，起飞时在飞机正下方以及侧面）的平均测量EPNL降低了大约15 dB。与第一代喷气式飞机相比，波音727和道格拉斯DC8相应的认证EPNL累积减少为40–50 dB，表示三个测量位置的声级累积减少。图2显示了多年来取得的进展，以及FAA和NASA进一步降低噪音的目标。

图2：1960-2040 年的飞机噪声认证值。 CLEEN = 持续降低能源、排放和噪音计划。转载自 INCE-USA (2017)。

人口暴露：另一种看待降低航空噪声进展的方式是从人口暴露的角度来看。1975年大约有2亿次飞行；2019年是这个数字的四倍多— — 约9.35亿。然而，从1975年到2019年，受飞机噪声影响的人口（以普遍接受的 65 dB DNL^[7] 阈值衡量）从700万人下降到约44万人。

所以飞机噪音已经没有问题了，对吧？错了！

有些挑战是技术性的，但其他挑战则更为微妙。美国公众对飞机噪音的话题了解得更多，对于那些受到不利影响的人来说，这是一个生活质量问题。

美国联邦航空局最近的研究表明，与之前的研究相比，人们总体上对飞机噪音明显更敏感。^[8]例如，美国联邦航空局的调查发现，在65 dBDNL的噪声暴露水平下，60-70%的人对飞机噪声非常恼火，而3年前只有12.3%（FICON 1992）。

还有一个问题是，是否平等- 能量原理适用于相关事件的级别和频率。换句话说，假设10起非常高噪声飞机事件的累积噪音能量相当，那么10起高噪声飞机事件所引起的公众反应会与100起中等噪声量的事件相同吗？

飞机噪声方面的最新技术挑战之一是先进导航技术的影响。由全球定位系统（GPS）支持的基于精度的导航（PBN）和飞机区域导航有许多好处，重要的是，通过减少飞行员和空中交通管制员的工作量来提高安全性。

但PBN的其他一些好处— — 节省燃料、节省时间和减少拥堵 — — 需要权衡取舍。图3显示了波士顿洛根国际机场实施PBN前后的飞机飞行轨迹。不需要声学专家就可以得出结论，噪音对地面的影响已经发生了变化：自实施PBN以来，受到影响的人减少了，但是那些在空中高速公路下面的人可能会经历集中飞越造成的噪声增加。这些交通繁忙的空中通道也可能引发公平问题。尝试评估PBN相关变化的影响对机场和FAA都是一个挑战。

图3：在波士顿洛根机场实施基于精确区域导航（RNAV）之前（绿色）和之后（红色）的飞机地面轨迹。转载自 INCE-USA（2017）。

联邦倡议

FAA、NASA及其合作伙伴支持以下领域的努力，以更好地了解和改进航空噪声声景：（i ）更好的建模能力；（ii ）噪音及其对公众烦恼、睡眠、学习和健康的影响的研究；（iii ）社区外展，包括教育工具；（iv ）支持源头降噪的研究；（v ）通过操作程序和敏感受体的隔音来减轻噪音。

举措包括继续推进FAA的航空环境设计工具（AEDT）、^[9]替代喷气燃料和环境的卓越中心 （ASCENT）、^[10]和持续降低能源、排放和噪音（CLEEN）计划^[11]；和NASA的航空研究计划。^[12]

AEDT是模拟机场附近飞机噪声的事实标准。它的开发部分得到了ASCENT研究计划的支持，ASCENT是FAA与NASA、EPA、空军研究实验室、农业部、能源部、国防后勤局、加拿大交通部、七所大学组成的财团以及一系列的行业合作伙伴。CLEEN是一个与NASA密切协调的公私合作伙伴关系，其中包括许多航空航天业的贡献者。

由于航空噪声是许多联邦机构面临的挑战，因此联邦航空噪声机构间委员会^[13]于1993年成立，旨在“协助各机构提供足够的论坛来讨论公共和私营部门的提案，确定所需的研究，并鼓励在这些领域进行研究和开发。”

直升机噪声：直升机噪音在纽约、洛杉矶、芝加哥和华盛顿（GAO 2021）等城市地区以及墨西哥湾附近的城市（与石油钻井平台有关）尤为普遍。这也是国家公园的一个问题（其他小型观光飞机的噪音）。

直升机噪音问题通常涉及低于固定翼飞机的噪音水平，但担忧的是其噪音的不同性质。因此，旋翼噪声一直是FAA、NASA和国防部的重点，特别是在研究减少源噪声方面。国际直升机协会发起了Fly Neighborly倡议，“一项自愿降噪计划，旨在通过建立降噪技术和增加有效沟通，在研究群体和直升机运营商之间建立更好的关系。”^[14]

展望

目前尚不清楚covid-19疫情将如何影响美国和全球交通格局。通过视频会议等新平台，商务航空旅行的需求会永久减少吗？轨道交通会恢复到疫情前的水平吗？向更偏远地区的劳动力转移将如何影响高速公路拥堵和更广泛的交通需求？没有人知道这些问题的答案，推测远远超出了本文的范围。

独立于covid-19疫情的影响，以下是交通噪音的主要预期趋势： 

• 将继续在铁路道口附近推广和实施安静区，包括减轻火车喇叭噪音的策略。此外，高速铁路车辆一旦在美国投入运营，预计将带来新的噪音挑战，需要研究和新的政策和法规。

 

• 将继续研究更安静的路面，以补充通过隔音屏障实现的公路降噪。此外，预计全国范围内对汽车充电站的大量投资将促进电动汽车的更多使用。^[15]混合动力技术也可能会变得更加普遍（氢动力汽车的道路尚不明确）。这些技术将有助于降低道路上的噪音，但主要是在轮胎/道路噪音不那么明显的较低速度下。此外，这些技术可能会对安全产生意想不到的后果，特别是对于低速下的视障人士，必须考虑这些（Garay-Vega 等人，2010 年）。

 

• 航空相关源噪声降低的持续研究，包括（ i ）传统的大型载客管翼设计；（ii ）用于大型货机和客机的先进概念机身和推进系统（例如，混合翼机身、电动和潜在的氢）；（iii ）无人机、先进空中机动性（AAM）、直升机和商用航天器。虽然安全必须是重中之重，但考虑到对气候变化和飞机燃料成本的巨大担忧，航空噪声的降低可能需要与燃料消耗的显著减少相称。电动飞机在噪音和能源使用方面具有重要的潜在优势，但预计它们的任务能力非常有限。对于飞机氢推进技术的未来，存在广泛不同的看法。预计商业超音速飞行将复苏，但至少在未来十年内，此类飞行可能仅限于水上航线。美国宇航局与美国联邦航空局和其他机构合作，正在设计和建造低臂超音速演示器，以评估其在陆上飞行的可接受性。^[16]

 电动汽车和混合动力技术将有助于降低道路上的噪音，但主要是在较低的速度下。 虽然车辆自动化^[17] 将提供社会效益，但必须注意减轻意外后果，例如由于更自由的高速公路交通以及无人机和AAM操作的预期增长而增加噪音的可能性。^[18] 2018年和2020年关于无人机和AAM噪声的研讨会（INCE-USA2020）强调了与对这些新技术的快速增长的需求相关的许多与噪声相关的考虑。从积极的一面来看，道路车辆自动化最终可以产生噪音优势，例如不需要火车喇叭。同样，货运无人机可能会减少地面车辆的使用，从而可能带来噪音效益，或者可能只是改变公众噪音体验的性质。 此外，需要更多地考虑总体的交通噪声　—　—　铁路、公路、飞机以及传统和自动驾驶汽车。BTS领导的交通噪声测绘计划是朝这个方向迈出的极好一步。此外，噪声预测模型的更多整合（例如计划在TNM中集成施工噪声模块）将有所帮助。随着美国高铁的预期增长，为什么不在TNM中安装铁路噪声模块？ 但是更新噪声模型以考虑多模态贡献是不够的。在不考虑飞机噪声的情况下沿州际公路设计隔音屏障是没有意义的，或者在不考虑州际公路附近的社区的航空噪声影响的情况下做出住宅隔离决定是没有意义的。 综合模型将有助于在这些情况下为方法提供信息，但也有必要考虑基于模式的交通相关噪声政策和土地利用规划指导的充分性。FAA 2021年的研究将对航空噪声政策产生什么影响？是否会影响其他模式的噪声政策？时间会证明一切！ 总结在减少与交通相关的噪音方面取得了很大进展，但还有更多工作要做。有些挑战是技术性的，但在许多情况下，它们与意愿、意识和权衡有关。 需要的是持续、协调并且可以说更加关注美国的交通相关噪音。众所周知的工具箱中的所有工具都必须用于确保　—　—　随着预期的人口增长和相关的交通需求增加以及新的移动模式（例如，无人机、自动驾驶汽车）　—　—　交通噪声状况至少保持现状，并在理想情况下得到改善。 

参考文献

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^[1] Themap is available at https://data.bts.gov/stories/s/National-Transportation-Noise-Map/ri89-bhxh.

^[2]FRARailroad Crossing Inventory Dashboard,https://railroads.dot.gov/crossing-and-inventory-data/grade-crossing-inventory/crossing-inventory

^[3]Informationabout US HSR initiatives is available athttps://railroads.dot.gov/passenger-rail/high-speed-rail/high-speed-rail-timeline.

^[4]FHWA,Summary of Noise Barriers Constructed by December 31, 2016,https://www.fhwa.dot.gov/environment/noise/noise_barriers/ inventory/

^[5]FHWA, Highway Traffic Noise, https://www.fhwa.dot.gov/­environment/noise/

^[6] FAAStage 5 Airplane Noise Standards,https://www.­federalregister.gov/documents/2017/10/04/2017-21092/­stage-5-airplane-noise-standards

^[7]DNL,the day-night average sound level, is the total sound energy over a 24-hourperiod. It is the principal metric of airport noise.

^[8]FAA,Neighborhood Environmental Survey (as of Jan 12,2021),https://www.faa.gov/regulations_policies/policy_guidance/ noise/survey/

^[9]https://aedt.faa.gov/

^[10] https://ascent.aero/topic/noise/

^[11]https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/apl/research/aircraft_technology/cleen/

^[12]https://www.nasa.gov/aeroresearch

^[13] https://fican.org

^[14] https://www.rotor.org/initiatives/fly-neighborly

^[15]FAAAlternative Fuel Corridors,https://www.fhwa.dot.gov/environment/alternative_fuel_ corridors/

^[16] NASAlow-boom flight demonstration, https://www.nasa.gov/X59

^[17] USDOTIntelligent Transportation Systems Joint Program Office: ITS ResearchAutomation, https://www.its.dot.gov/research_areas/automation.htm

^[18] FAA,Unmanned Aircraft Systems, https://www.faa.gov/uas

 原文来源于美国工程院（National Academy of Engineering）噪音控制工程特刊，作者为美国交通运输系统中心的政策、规划和环境主管GREGG G.FLEMING。