永續(研)091-024號

中華民國九十一年十月二十三日

October 23 2002

現行環境噪音振動測定與分析方法評論

   續發展組 副研究員 胡思聰

     

噪音與振動造成的環境干擾以及對於民眾生活作息的影響,愈來愈受到社會大眾的重視。 最近有一場戶外大型演唱會的活動,不但因演唱的音量過大、超過管制標準,遭到環保單位 開發三張罰單;還因場內會眾唱和舞動引起房舍強烈共振問題,遭附近居民具狀告發,即屬 鮮明的事例。我國環境法令體系對於噪音的規定,散見於《噪音管制法》、《噪音管制標準》、 各項「管制辦法」、「防制辦法」以及《環境影響評估法》系列之「施行細則」與「作業準則」 中。雖然,在這些法規條文中,對於噪音音量與振動位準的測定方法、測定位置乃至於測定 次數,都作了概括式的規定,但也僅是相關物理量或測值數據資料比數與形式圖表的集約。 對於環境品質的影響評析,未能作出整合式的解析成果,反而造成此環境指標的實質意涵被 虛幻化。但是《振動管制法》卻遲遲未能定案,除了在開發行為的環境影響評估中,因必須 加以調查評析,而必須引用學術理論及國外經驗公式外,迄未有法制化的法令規範或標準可 資遵循。

本文檢視現行法令對於噪音與振動測定與分析之相關規範,並由理論公式及前人所作研究 成果加以評述,並由環境影響因素及衰減轉化以及人體感知度差異的方向,建議較具實質意 義的指標計量關係。另一方面,也就現行法規中的未盡周全之處提出補充構想。

關鍵字:噪音、振動、測定分析、評估

一、前 

噪音與振動對於民眾日常作息及環境品質的影響,愈來愈受到國人的重視。過去除了噪音與振動對生理心理妨礙的探討,有較豐碩具體的研究成果外,對於環境影響的效應與程度,一向缺少系統化的參數指標及量化研究,因此有關環境音量與振動的測定與評析便顯得隔閡,較難被一般民眾理解。法令規範的制定,除《噪音防制法》體系較為完備外,振動防制的法令體系尚付之闕如。一般環境測定或監測實務的規定,則散見於其它相關法令或行政命令。各領域的法令設計者,對於噪音的理論與實務可能未有深刻的認知,也未掌握到噪音與振動的施測意義,僅以一物理量視之;並以有無逾越限值作為執法依據。至於振動管制的立法程序,則更是遠落於實際需求之後,不但對《振動管制法》草案尚無共識,即使是調查方法及測定方法也逕以ISO及JIS的準則作為規範。因此,對許多需要定期或依約提報環境振動量監測的開發場址及作業場所負責人造成困擾。

其次,現行監測或檢測結果的資料運用及影響評析,都停留於極為淺顯的層面,除了求所謂的均能音量Leq、日夜音量Ldn、統計性音量Lx外,就是直接套上衰減經驗公式,求得一定距離之外的衰減音量或某項隔音措施的阻絕音量。振動測定所獲的數據資料,大抵亦是循此應用模式予以推估利用,並未進一步與人體感覺統合或振動位移大小建構量化的關係。換言之,目前在噪音與振動層面的關切,並沒有切入環境品質的內涵,而僅在於物理量測定值的表列,並作為選擇性利用或特定目的功能性的背景說明資料而已。由於噪音與振動的施測過程,耗費的人力與費用相當高昂,若未加妥適應用殊為可惜。是以本文審慎的由現行法令規定、監測與評析實務的面向進行討論,並提出修正建議。

二、現行環境噪音與振動之法令規定

1.噪音管制法體系的規定

我國攸關環境噪音的規定,主要以《噪音管制法》及其「施行細則」為主。除劃定為四類噪音管制區(噪音管制法第7條),並就環境中之「工廠(場)、娛樂場所、營業場所、營建工程、擴音設施」與「其它經主管機關公告之場所、工程設施」等六類場合訂定《噪音管制標準》(第2條至第5條)。至於機動車輛與航空噪音方面,也分別訂有《機動車輛噪音管制辦法》、《民用航空器噪音管制辦法》、《機場周圍地區航空噪音防制辦法》及《民用航空器噪音管制標準》以作為執法的依據。同時,也就各場所會產生噪音的設施訂定《易發生噪音設施設置及操作許可辦法》,冀能藉由專業角度的審查與許可,對產生環境噪音干擾或污染的設施予以有效管理。

工程實務進行所產生的噪音,係依據《噪音管制標準》將施工機具分類分區分時段管制,並且採單一機體運轉或操作時發出的音量作為管制的對象。所發出的Leq及Lmax均不可逾越標準限值。由於施工技術的進步,施工機具愈來愈多樣化,都會區的建設項目也愈來愈特有化,噪音與振動的公害事件相對增多,管制的方式與衡量評估的指標已顯得不足,在環境品質監測與維護上也不免有適法性的疑義。

在以上各項法令規範中,對於噪音的測定位置、測定方式與測定結果的統計分析方式上採取概括式的規定。但若由量測原理檢視,其實在這些法規準則訂定的時候,並未針對各種噪音的音源特性作出合宜的量測準則。根據歐洲標準協會(CEN)及國際標準組織(ISO)技術委員會的建議,噪音量的測定標準區分為A、B、C三類。A類為一般環境噪音標準,B類為工作場所音壓或音功率標準,C類為機具類音量標準,不論其為何種標準,量測環境、儀器等級規格、待測標的物操作條件、評估指標、不準度估算、修正值計算、….等都訂定有嚴密的檢核準則;在一般環境噪音的測定上,通常採用A特性加權網路,以其測定結果近似於人耳的感覺。我國相關的規範中,則以「使用我國國家標準CNS No. 7127-7129規定之噪音計,… 」及「依據國際標準組織規定之有效覺察音量測量法評定之…」的泛泛虛詞帶過。值得注意的現象在於:不適切監(檢)測程序所得到的結果,除可能造成不確實的推論和對策研擬之外,資源的無端錯置和排擠效應,將喪失保護環境的原本美意。

2.環境影響評估法體系的規定

就國內目前環境噪音及振動測定或監測的實務需求而言,有很高的比例源於環境影響評估現況調查、範疇界定及追蹤監測。在《開發行為環境影響評估作業準則》的「附件六」、「附表六」對於噪音振動的調查方法、調查地點及調查時間頻率都有嚴格的限定。環境保護主管機關對於環境影響評估書件的審查,通常會以此規定內容作為比對要項;若其中有所不足,便無法通過「程序審查」。因此,此項規範的要求合宜與否,以及後續的評估作業是否充分應用了這些數據資料,便成為一個值得檢視的重點。至於檢測的技術或方法方面,也僅是以符合CNS、ISO、JIS…等概括性的文字作原則指示而已,缺乏我國執法體系應有的尊嚴與嚴整性。

3.振動管制措施的規定

截至目前為止,我國的《振動管制法》並未完成立法程序。對於與振動管制有關的規定,大抵皆直接表明準用JIS或ISO的方法和規範。其實振動所產生的噪音與振幅,不但影響人體身心,對於構造物的強度也會因長時的振幅往復而老化,衍生材料彈性疲乏的問題。振動對人體的影響分為全身振動與局部振動兩方面考慮,ISO及我國勞工安全衛生法規中的規定是以振動種類、振動中心頻率、最大加速度(垂直與水平方向)等條件訂定容許曝露時間。由於人體部位對振動的感受與其頻率和振動方向有敏銳的差異感知,因此ISO是以加權的方式,分別定出評估的指標及相應的限值(exposure limits),如「加權加速度實效值」WAS (weighted acceleration dose)或「四小時頻率加權等值能量加速度」(energy equivalent frequency-weighted acceleration) aeq等。

至於振動的測定方式,目前在環境有關的事務方面並未詳細規範,僅在《開發行為環境影響評估作業準則》附表六中,規定「振動測量依JIS Z8735及ISO 2631方法執行,…」,倒是在測定位置、測定次數有較繁瑣的認定。事實上,人類對於振動的感覺取決於:強度、頻率、方向及延時四種因素,而振動的測定系統包括檢波器、前置放大器、分析器及紀錄繪圖儀等,以能直接記錄或讀出當時的振動加速度及振動位準值為目的。至於勞工安全衛生法系的規範,是依垂直與水平方向的振動,分別訂定全身與局部的容許暴露時間標準。容許暴露時間的極限依據三分之一的八音帶中心頻率及瞬間加速度的均方根值,稱為「實效值」(effective value),以及生理反應的關係發展的效標,如「疲勞界限」(fatigue boundary)、「暴露限值」(exposure limit)及「舒適降低限值」(reduced comfort boundary)等,並應用加權加速度實效值WAS(weighted acceleration dose)作為指標,在形式及法制功能上反而較環境管理法系周全完整。

 

   WAS = ( 1.4 ax2 + 1.4 ay2 + az2 )1/2

                      (單位:m/sec2)

    aeq(T) = ( ax2 + ay2 + az2 )1/2 

                   (單位:m/sec2)

 

三、噪音與振動監測評析方法之疑義

1.環境噪音

目前環境噪音資料的評析及計算,大多是以「位準值」(包括SPL、SIL或PWL)的均能音量Leq及音量高低序值Lx為基礎的「受音體」噪音量推估,求得Ld、Ln、Ldn及Lmax等指標值,並以等音量線表示噪音影響圈內的平面或立體分布,同時說明最大曝露量及時間;當然也及於噪音強度是否影響人體生理心理健康的討論。惟評析與關切的方向稍有不足,茲分項說明如下:

(1) 音壓位準測值與響度位準指標

雖然聲音藉由音壓強度頻率對人耳刺激而產生聽覺,但人耳所感受到的聲音「響度」(loudness),一般而言與「音壓位準」的高低非為正比關係。通常響度是以「嗓」(sone)為單位,而「響度位準」(loudness level)是以發聲頻率與純音1000 HZ間的比較值:與1000 HZ純音比較,感覺相同時,響度位準值即為1000HZ純音的「音壓位準」值,以「唪」(phon)為單位。其定義如下:

 

   響度:L = 2(LL – 40)/10    (單位:嗓,sone)

   響度位準:LL = 40 + 33.3 Log L

            (單位:唪,phon)

 

一般在環境保護事務上所測定到的「噪音值」dB(A)的數值高低,並不必然就代表該音量「響度」的大小,對於環境安寧品質或人體健康的影響,也非成絕對的干擾效應。因此,僅以監測及計算之後所得的各種音量dB(A)值作為環境品質受影響程度的判定,其實失之草率。最適切的方式,應該有頻譜分析,再由NC、PNC或NRC曲線評估其分析值作判斷,不同的環境場所有其不同的管制或建議值。

(2) 噪音測定與背景校正

根據我國CNS的規定,噪音測定計分為精密型(CNS 7129)、普通型(CNS 7127)及簡易型(CNS 7128)。精密型的「主要頻率容許誤差」為1dB,可適用於室內及野外測定;普通型的容許誤差為1.5dB,適用於野外;簡易型容許誤差為2dB,一般用於初步瞭解時候,不被認可。另有研究用的噪音計,其誤差為0.7dB,但較少在實務上使用。測定噪音時,除了選用適當的「微音器」(microphone)、增幅放大器(amplifier)及紀錄器外,對於增幅放大器的內部噪音要確實掌握,否則往往造成錯誤的檢測結果。另一方面,測定場所的「背景音量」最好與噪音源之音量差異在10dB以上,否則便須注意所測音量之修正問題。此外,「微音器」對於施測音源頻率的靈敏度是否合宜,以及防風罩、除濕器、防蟲網等配備的使用,都須顧及施測現地的狀況,否則紀錄到的測值也往往被質疑與事實不合,尤其來自環境中不確定音源所產生的殘餘音量(residual noise level)需要小心辨識與處理。

(3) 音量位準值與干擾指標

環境噪音的評估方法,目前環境工程業務或環境影響評估從業人員最常利用的,除了應用理論公式計算外,就是藉由一些經驗公式所整合的噪音計算公式及模式,如TWA、NOISE MAP,ENM等,並將演算後的等噪音線平面圖及剖面圖繪示,以作為論證的依據。

若就噪音對生活環境與作息,以及生理心理干擾影響的考慮,則有均能音量Leq、日夜均能音量Ldn、統計性音量Lx、最大音量Lmax,…等純粹物理量指標及時量均能音量指標TWA、語言干擾位準PSIL、聽力損失指標ELI、感覺噪音位準PNL、吵鬧度指標PN及噪音污染指標NPL等干擾度指標。其中經常被噪音實務評估採用的有下列數項:

 

  TWA = 16.61 Log (D/100) + 90

  D = C1/T1 + C2/T2 + C3/T3 + C4/T4 +

 

   PSIL = ( L500 + L1000 + L2000 )/3

   NPL = Leq + L10 - L90

 

就營建工程場址及工廠營運噪音而言,在考慮個別施工機具、運轉機器的噪音產生量及同一時間施工作業機具的使用數量及使用狀況,然後代入半自由音場或自由音場的距離衰減公式,求出接受者的所接觸的音量。就實際狀況而言,工程場址的噪音有穩定性噪音、變動性噪音與衝擊性噪音數種綜合音量,環境音場中也有許多環境因素的變化以及干涉與遮蔽效應(interference and masking effect)。因此,就工程施工噪音的評估指標而言,目前尚無一有效的指標,對於穩定性噪音沿用Leq;對於衝擊式噪音或單一突發音量則採用LE評估計算。

 

   Leq = 10 Log(1/T * Σ100.1Li *Δti)  ( i = 1~n )

   LE = Lmax + 10 Log (t2 t1 )/2

 

其實有關噪音監測實務的執行過程,若能採用多點同步進行的方式執行,將能更有效的驗證出目前所使用的經驗公式及模式的適用性。

2.交通噪音

(1)一般道路噪音模式

國內學者專家對一般道路噪音模式的整合成果較為多元,原因之一為個別研究者在研究過程中,累積有甚多的噪音監測數據,可據以統計迴歸出經驗模式。這其中較為工程界熟悉的有TNI計算式:

 

  TNI = 4 (L10 - L90) + L90 30      (dB)

此外,還有諸多研究者的成果,如施鴻志計算式、彭保華計算式、張富南計算式,通常都是以「平面道路」上測定到的噪音量配合車流量、混合比、載重量、車輪數、行車速率、路面凹凸不平狀況作為考慮參數,雖然也都能獲得某種程度的推估功效,但是機動車輛所使用的燃料不同、引擎迴轉產生動力的噪音量各異、輪胎花紋及其與路面磨擦、排氣管及冷卻風扇的音嘯也不一樣,所產生的噪音基本上屬於隨機噪音(random noise),因而經驗公式的有效性便受到拘限。此外,此類經驗公式尚未有繪圖及噪音防制設計的功能。

(2)特殊路段噪音模式

特殊路段係指「高速公路」、「高架道路」及「隧道」三類,由於國內的道路建設有愈來愈多的此類工程正在進行,因此對於施工過程及對周圍環境噪音量的估算、防制改善措施的設計必須要有客觀的衡量依據。在演算公式的研究統計分析上,除前述幾位學者專家外,徐淵靜、林聰德對於隧道噪音有更進一步的見解。惟就代表性而論,由於個別學者專家所蒐集到的參數與數據都係單一場址、單一研究計畫的結果,所以據以作其它區域、路段的推估之用時,會產生顯著的差異。

(3)鐵路噪音模式

鐵路工程的形式不再是拘限於過去傳統的形式,已經衍生而出的有高速鐵路與捷運系統。對於噪音量的形成,除考慮列車車速、長度、通過時間,也考量班次的影響。國內研究者提出的計算公式有郭宏亮、姚惠祥等人。但就軌道列車噪音而言,歐洲法國、德國及亞洲日本都開發有特殊適用的經驗公式,如電聯車、電力機車、柴電機車、高速鐵路、捷運系統等,較為工程界所熟悉者有SOUNDPLAN、SCHALL、MRTNOISE等模式。這些模式以Lmax、Leq或Ldn作為暴露音量的指標值。由於鐵路噪音不似公路噪音那麼頻繁連續,而且行車動線與生活環境有較大的緩衝地帶,因此需否從絕對嚴厲的環境觀點看待而設置高標準阻絕式的屏障措施,有值得檢討的必要。

(4) 音量衰減與等音量曲線

機動車輛產生的交通噪音是一隨機而變動(random and fluctuating)不已的,在環境中傳播時受到的影響因素很多:如機動車輛本身狀態、道路因素、環境氣候因素,…等。下列公式係較常在環境評估中出現者: 

 

    L2 = L1 20Log(r2/r1) Da Dm Ds

                         (單位:dB)

 

式中Da 、Dm及Ds分別為空氣、氣象及地表的吸收減量。

在討論其對環境的干擾與改善處置方案時,若僅化約為距離與隔音構造物二項因素,便由改善工程技術完全承受,似乎會有過當的設置,對於環境安寧的實質助益並不多。其實,若能利用多點同時監測的方式,並在複測查證上多作一些考量和規劃,對於這些模式可以朝著較接近於真切的方向修正與改進,對於此類模式的適用性應會有所增益。

3.航空及機場周圍噪音

航空器的噪音(air craft noise)通常區分為飛機構架噪音(airframe noise)及飛機引擎噪音(engine noise)。構架噪音於飛機起落時影響環境安寧較劇,引擎噪音除內部風扇、壓縮機噪音、噴排氣噪音外,還包括飛機穿越空氣的剪切噪音。由於航空器的音源大、音量高,對於機場周圍地區干擾至大。因此,在環境品質的考量上便格外慎重,相關單位也就各種機型訂出噪音量標準限值,並據以開徵「機場降落費」,以作為補償及防制的經費來源。目前除有考慮時段架次的機場噪音等權等價連續感覺音壓位準確(WECPNL)計算模式外,最常被引用的有整合性噪音應用模式INM(Integrated Noise Model)及NOISE MAP、HNM模式。對於機場周圍噪音的評量,也有一根據「有效架次」EN數(effective number)畫出Ldn65及Ldn75等音量線範圍的關係式。另外也有使用NEF(Noise Exposure Forecast)模式評估,當NEF值超過30時,便不宜作為文教及住宅之分區用途。

4.振動

在振動強度評估的方法上,根據ISO 2631的規範,是以測定加速度的結果與振動位準參考值10-6 m/秒2的比值平方之對數值為指標,即

 

   Lv = 10 Log ( a/a0 )2       (dB)

 

但是由加速度所計算得到的振動位準值,無法與振動的振幅及振動量建構關係,也與民眾比較關切的震度無法聯結。另一方面,在環境影響分析上,往往藉由地質因素、土壤地層特性的阻尼作用考量,得出振動衰減效應值,然後討論其影響的高低,並沒有將振動位準值量化為可覺察的感知量或可量度的物理量。

另一方面,機動車輛所造成的振動量是以路面狀況(U)、車速(V)與車體總重量(W)為評量參數:

 

   LV = 20.18 Log U + 17.2 Log V + 10 Log W +14.8     (dB)

 

至於工程場址施工機具產生的振動,通常以機具所在位置測得的振動位準值LV0為準,依G. Bornitz衰減公式計算其在某距離之外的振動位準值,但對於多機具的合成振動效應,仍未有評析方法。

 

 LVr = LV0 20 Log (r/r0)n 8.68 (a)(r1 r0)

 

式中r為距離、n及a為待定冪次及衰減係數。

一般環境振動影響的考慮層面,除人體的身心壓力外,也需考慮結構物的容許振動極限。因此,限制振動的振幅、速度或加速度成為一項管制的可行基準。在人體容忍的振動量上,德國學者以「貝爾率」(Pal-rate)作為衡量的指標,超過20貝爾便有不適感。計算的參考量V0為0.0316 cm/sec:

 

   Pal-rate = 20 Log (V/V0)     (單位:Pal,貝爾)

   V = (2pf)*A/(2)1/2      (單位:cm/sec)

 

在結構體的振動管制方面,德國也以一Teller分級標準,將振幅、頻率及質量建立成「振動影響因素」k,並將之分為12級。

 

    k = 16 p4a2n3        (單位:cm2sec-3g)

 

式中a為振幅,n為頻率。k值為1時,震級為1(無感)、k值為10時,震級為3(弱振)、k值為1,000時,震級為6(強振)、k值為10**6時,震級為9(毀壞)、k值為10**7時,震級12(嚴重災變)。

四、噪音與振動監測資料應用方式研討

1.物理量與感知量的關聯

就噪音與振動的監測實務而言,國內目前的作法,僅是以測量儀表將物理量予以記錄,在深一層的人體感知度關係上沒有積極的建立關聯度,使得物理量只作為形式上的紀錄。比較妥當的方式是透過頻譜分析程序,將噪音位準的物理量與人耳感知的「吵鬧度」(noy)及「語言干擾度」(speech interference level)建立統計關係式;在振動位準值的指標研擬上,則須要將加速度或振動位準與振幅及震度及其身心感知程度間建立可量化的感度指標。

2.物理量與測定值的關聯

就噪音與振動的測定值而言,由於物理意義及理論至為完備,因此可再依據數學方法建構物理量的轉換關係。尤其振動測定值所得的加速度,應該可以藉由模式的模擬,推導出「振幅公式」及「震度當量」等指標基準公式。另一方面,也可由噪音與振動發生源的功率及質量建立環境受擾的共振、共鳴及容許基準值。

3.計算及推估模式的適當性

   環境中影響噪音與振動傳播的因素很多,模式研擬建構時愈充分考量,愈能中立客觀表現真實狀況。雖然,在實際研究時有較高的難度,但是若默守舊觀念,援用舊參數,僅在模式相關係數的高低上斤斤計較是無濟於環境問題的解決。我國現行噪音與振動的推估模式,大多移植及轉用自國外的既成公式或應用軟體,事實上並不恰當。

4.法令的盲點

我國的噪音防制法體系雖然大致確立,但是與環境實務相關的技術規範缺少整合。研究音響聲學的學者專家在立法過程中的參與度不高,因此也使得噪音的規範和實務技術層次無法提昇;另一方面,振動管制法尚未訂定,管制振動成為空話。面對日益繁雜的社經活動與工程技術工法,防範噪音振動造成公害的需求至為迫切。未來高層結構物與高速運轉的事物將日益增加,對於環境的影響也將不同於往昔傳統型式。法令的訂定需要加快,而且實施的內容與環境實際顧慮的影響層面,要能訂出可資直接量化的參數基準或指標。

五、結論與建議

1.法令及技術規範的修訂

環境品質的維護,須要藉助明確的法令規範,目前的噪音與振動管理法規尚不周全,因而往往無法掌握到關鍵要點,相關的施行細則及技術規範也不足應付愈來愈多樣式的噪音與振動產生源,管理上便顯得捉襟見肘,甚至窒礙難行。所以建制完整的法令體系及檢測分析技術標準,應是迫切之要務。

2.人才培訓及專業認知的加強

噪音與振動的學術理論研究與工程實務未能有妥適的界面加以轉換,理論研究者的研究成果沒有在工程技術上尋求驗證,因此形成學術與工程各行其是。實際從業的工程人員缺乏專業進修管道,對於實務的執行會造成錯誤的判決和過當的資源損耗。

3.感知量與物理量關聯性的研究

噪音與振動由產生源經由傳播途徑到達環境中各種受體,所造成的物理效應尚乏深入探究,對於材料疲勞、強度損失等影響缺少整合;對於人體身心影響的感知量也需進一步釐清,才能收到管制的真實效果。在指標的研究上,宜開拓既可真實反應人體身心感受並易於瞭解,又可有效量化正確評估的感知型指標。

4.應用模式合宜性的檢討

現行噪音與振動的計算模式,其估算結果的誤差絕大部份都超過物理量本身的二倍率,所選用的參數也因循舊有窠臼,對於環境諸多影響因子中應納入考量而未考慮、無需過於重視卻加權計量的情形所在多有。另外,對於噪音音量及振動的時間延續效應考量,更需要重新檢討,究竟是植基於身心效應還是物理量的轉換與累積。

5.學術理論與實務的結構化整合

過去學者進行有關音響、聲學與振動的研究時,通常比較側重在實驗室內的理想條件,以致研究結論被環境工程界引用時,往往會與實際產生較大的差距。工程師的習慣作法是取一較高的「安全係數」概括。這樣的作法用在結構元件的設計上或許適當,但若沿用於噪音與振動的測定及防制工程上,便顯得扞格不入。而且過高的偏誤往往導引過當的設施錯置,造成資源的無效耗損。是以環境工程技術實務與檢測分析層面的研究,尤其是噪音與振動等能量層面,須要有效的結構化整合,才能用以確實解決實際問題。

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