道路井盖引起的交通噪声的特性及其预测

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：Characteristics and prediction of traffic noise induced by road manhole covers

交通噪声中检查井盖导致的轮胎-路面-检查井盖相互作用噪声（TPCIN）生成机制及影响因素研究。通过现场测量与有限元仿真，揭示TPCIN主频0.4-3kHz源于结构振动、瞬态冲击、空腔共振及空气泵效应耦合，其最大声压级与车速和沉降呈显著对数关系。建立的预测模型误差≤±3dB(A)，86.4%样本误差≤±2dB(A)。

　　

崔子帆|查旭东|彭家乐|严曼翔

中国湖南省长沙市长沙理工大学公路养护技术国家工程研究中心，邮编410114

摘要

车辆行驶时井盖产生的交通噪声是城市交通噪声污染的重要组成部分。然而，其产生机制和影响因素仍不明确。本研究结合了现场噪声测量和有限元模拟，揭示了轮胎-路面-井盖相互作用噪声（TPCIN）的产生机制以及关键因素（包括车速和井盖沉降）的影响模式，从而建立了一个TPCIN预测模型。研究结果表明，道路井盖产生的交通噪声频率主要集中在0.4至3 kHz范围内，由结构振动、瞬态冲击、空腔共振和空气泵送效应共同作用产生，其最大声压级与车速和井盖沉降有显著的对数依赖关系。所建立的TPCIN预测模型具有较高的准确性，预测误差在±3 dB(A)以内，86.4%的预测误差在±2 dB(A)以内。这些发现为降低道路井盖产生的交通噪声提供了科学依据。

引言

井盖通常安装在管道交叉口、转弯处以及直线段的固定间隔处，以便于对地下公用设施网络进行检查和维护（查等人，2024年）。由于道路宽度有限以及基础设施的重建和扩建，大量井盖位于行车道上。由于井盖在结构和材料上与路面存在显著差异，在车辆荷载和复杂气候条件下，这些井盖会不可避免地发生沉降（彭等人，2024年；崔等人，2025年）。同时，在这种条件下，井盖盖板和框架可能会松动。最终，车辆轮胎碾压在沉降的井盖盖上会产生特有的噪声。人耳能够清晰地察觉到5 dB(A)的声压级变化（Bies和Hansen，2009年）。此外，根据GB 22337标准（中华人民共和国国家标准，2008年），非稳态噪声的额外幅度被限制在10 dB(A)以内。然而，由道路井盖引起的交通噪声很容易达到甚至超过这些阈值。特别是在夜间，井盖产生的脉冲噪声会严重干扰驾驶员的注意力和心理状态，同时降低附近居民的睡眠质量。长期暴露于这种声学干扰可能导致严重的健康问题，包括听力损伤、心血管疾病和代谢紊乱（Minkin等人，2025年；Ascari等人，2023年；García-Martín等人，2025年）。因此，迫切需要采取有效的控制措施来减少来自道路井盖的交通噪声。

目前关于交通噪声的研究主要集中在测量、模拟和预测方面。交通噪声主要通过远场、近场和室内测试方法进行测量（顾等人，2026年；李，2018年）。基于统计过车（SPB）和受控过车（CPB）方法的研究表明，轮胎-路面相互作用噪声（TPIN）是交通噪声的主要组成部分（Park等人，2025年；Camusso和Pronello，2016年），其声学指标和振动响应与车速、路面粗糙度和损坏状况密切相关（Freitas等人，2018年；Abdukadir等人，2025年；Radhika，2023年）。由于测试限制和环境噪声的影响，仅依靠现场测量往往不足以揭示TPIN的产生机制和影响因素，这促使学者们采用模拟方法（Sheng和Wang，2024年）。Fabra-Rodriguez等人（2023年）和Ding与Wang（2019年）使用有限元和边界元模型推导出轮胎加速度，并求解了辐射声场，从而揭示了路面孔隙率和纹理对TPIN的影响。Xu等人（2024年）使用CT扫描仪分析了路面空洞分布，并建立了一个考虑空洞的道路-轮胎-空气有限元模型，发现14%的孔隙率是低噪声透水沥青路面清洁和维护的阈值。Lee等人（2023年）、Ganji等人（2021年）以及Li等人（2025a、2025b）建立了TPIN与路面状况（干燥、潮湿和湿润）及路面特性（纹理、粗糙度和裂缝）之间的关系，并利用深度学习（如卷积神经网络）进行路面状况分类，准确率达到95%。

来自现场测试和模拟的交通噪声数据可用于实际的TPIN预测。Spies等人（2023年）设计了适用于不同路面类型、轮胎花纹和车速的TPIN估算神经网络，准确率约为1.1至1.8 dB。Chen等人（2021年）和Yang等人（2025a）使用贝叶斯多层模型进行TPIN预测，揭示了车速、纹理深度、车辆重量和空气湿度对TPIN的影响。基于噪声水平、噪声谱和环境数据，Yang等人（2025b）分析了低噪声沥青路面的声学老化机制，并构建了一个回归模型来预测声学老化行为，揭示了噪声降低性能随时间退化的机制。Mohammadi和Ohadi（2022年）研究了轮胎纹理、充气压力和空腔共振对TPIN的影响，并基于支持向量机建立了一个预测模型，以促进低噪声轮胎的设计。此外，温度、路面粗糙度和相邻结构的反射也会影响TPIN预测的准确性（Khan等人，2021年；Morillas等人，2022年）。

车辆经过路面不平处或瞬态冲击源（如井盖和减速带）时，会产生显著更高的噪声水平（Horne等人，2019年；Distefano和Leonardi，2015年；Sallam等人，2025年）。减速带引起的冲击噪声比TPIN高14至19 dB(A），并且与凸起高度呈正相关（Fabra-Rodriguez等人，2024年；Behzad等人，2007年）。车辆经过金属井盖时，由于金属盖的振动频率较高且吸收系数较低，会产生更大的反射声能（Cantisani等人，2013年）。Moreno等人（2023年）使用双高斯拟合模型有效识别了井盖和减速带引起的噪声特征。Masino等人（2017年）利用惯性传感器的加速度数据和声学数据，基于支持向量机构建了一个分类模型来识别和定位井盖，识别准确率达到93%。

总之，尽管现有研究已经确定井盖是城市交通噪声的重要来源，但对轮胎-路面-井盖相互作用噪声（TPCIN）的系统研究仍不够充分。当前的研究主要集中在道路井盖交通噪声的测量和评估上，而对其产生机制和关键影响因素的深入分析仍缺乏。因此，本研究在实际道路段测试了井盖的沉降、结构完整性和噪声，并构建了一个轮胎-路面-井盖耦合噪声数值模型，以探索TPCIN的产生机制，并分析了车速、沉降、空腔和井盖直径对声压级（SPL）的影响。基于分析结果建立了一个TPCIN预测模型。这些发现可能为控制道路井盖产生的交通噪声和制定相应的井盖及周围路面修复标准提供理论依据。

部分摘录

调查和测试地点概述

现场调查和测试在广东省肇庆市的Guta路（K0 + 000 ~ K1 + 600）和Dongjin大道（K83 + 570 ~ K89 + 000，即Minle桥至Qiancun段）的井盖及其周围的沥青路面上进行，同时也包括长沙理工大学内部的道路。Guta路（限速60 km/h）是肇庆市中心的次级主干道，年平均日交通量约为50,000辆汽车。

井盖沉降和橡胶条完整性

图7展示了使用三米直尺测量的井盖与正常路面之间的高度差统计结果。井盖与周围沥青路面之间的高度差范围为0至55毫米。其中5至25毫米的高度差占总样本的60%以上。整体沉降分布呈右偏态，测试后符合Weibull分布特征。

讨论

与TPIN相比，车辆经过井盖时产生的噪声显著增加，其大小与井盖沉降、车速和橡胶条完整性密切相关。时频分析表明，TPCIN能量主要集中在0.4至3 kHz频率范围内。如图22所示，这一特征频带是由多种物理机制的耦合和叠加造成的。

结论

随着城市化和交通基础设施的发展，道路扩建和重建导致车道上的井盖数量增加。这些井盖在交通荷载下不可避免地逐渐沉降，从而产生交通噪声并降低城市道路的服务质量。本研究的现场调查显示，测试路段的井盖沉降范围主要在5至25毫米之间，缓冲橡胶条的损坏率达到了80%。

作者贡献声明

崔子帆：撰写——原始稿件、验证、软件开发、方法论设计、数据整理、正式分析。查旭东：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金筹措。彭家乐：撰写——审稿与编辑、数据分析。严曼翔：数据可视化、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（51878077）、肇庆公路事务中心的科技项目（202201）以及湖南省研究生科学研究创新项目（CX20240755）的支持。作者对他们的财政支持表示衷心感谢。