高速列車室內噪聲模擬試驗方法與系統

石獻金，王寶超，南光熙，劉紅旗

（1.機械科學研究總院 中機生產力促進中心，北京 100044；2.北京科技大學 機械工程學院，北京 100083）

0 引言

隨著旅客對交通工具乘坐舒適度的要求日漸上升，乘坐舒適性開始成為影響高速列車設計和保障客運市場的重要因素[1,2]。為了改善乘坐舒適性，國外已經組織建立了多種舒適度試驗平臺，其中就包括噪聲舒適性模擬試驗臺，但國內建立的相關試驗臺還相對較少。目前大部分關于高速列車噪聲的試驗都基于對噪聲產生的原因和降噪措施以及噪聲距離衰減[3]等方面進行的研究，其方法大都通過在行駛過程中的列車進行噪聲信號采集相繼進行后期的處理和分析。該方法的缺點是只能對噪聲信號進行被動的測量，不能在列車出廠前進行預防性測試、防治和改進。本文對高速列車內部噪聲模擬試驗系統進行了詳細論述，實現了在靜止狀態下對現有實際列車行駛噪聲信號的隨機模擬，能夠使人體對不同音頻范圍和聲壓級噪聲的舒適度進行主客觀評價。

1 噪聲模擬試驗臺系統的研制

1.1 噪聲的評價參數

人耳能夠聽到的聲音的整個范圍是20～20000Hz，對聲音強弱的心理聲學參數有：響度、尖銳度和粗糙度。客觀評價參數有聲壓級、頻率、聲強和聲功率等。靜態聲音的三個特性：響度是聲音的大小，由振幅決定，振幅越大則響度越大（單位：dB）。音調是聲音的高低，由頻率決定，頻率越高則音調越高（單位：Hz）。根據噪聲分貝標準[4]可以知道，當聲壓為10～20dB時，感覺不到聲音；20～40dB時，類似于說悄悄話；40～60dB時，相當于室內說話；60～70dB時，就開始有損神經；大于70dB時，長期在這種環境中會使人神經細胞逐漸受到破壞甚至耳聾。

所謂聲壓級是為了表征數值很大的聲壓值而采用的一種對數級表示方法。聲壓是聲音強度的一種衡量方式，其是從能量角度來計算聲強。聲強（l）與聲壓（p）之間的關系表示：

聲壓級以符號SPL表示，其定義為將待測聲壓有效值p（e）與參考聲壓p（ref）的比值取常用對數，再乘以20即：

其單位是分貝（dB）。 在空氣中參考聲壓p(ref）一般取為2×10E-5帕。一般講，低于這一聲壓值，人耳就再也不能覺察出這個聲音的存在了。顯然該可聽閾聲壓的聲壓級即為零分貝[5]。

1.2 舒適度評價指標

舒適度的概念有很廣的內涵，大致可分為無痛苦及苦惱感，滿足舒適度要求及身心愉快等幾種。例如評價列車舒適度時，無振動、噪聲，氣壓合適等可以認為達到舒適度要求。評價指標的方法大致有兩種[6]。噪聲模擬試驗系統就基于以下兩種評價方法組織構建的。

（1）心理評價法：采用打分和回答調查提問的形式，讓被試者回答自己感覺的評價方式。此法便于統計分析，故被采用較多。但該法存在調查考慮不全的可能性。

（2）生理評價法：該法利用測定乘客心率、呼吸、節拍、腦電波、肌肉電波等生理指標評價舒適度。由于個體的差異性，并未制定確定的評價指標。

1.3 噪聲模擬系統的工作原理

噪聲模擬系統試驗平臺通過人工合成或采集的噪聲源信號，進行列車運行過程的模擬播放，并通過傳感器進行采集和處理，建立評價標準進行人體聽覺舒適度的評價。噪聲模擬系統的工作原理如圖1所示。該噪聲系統將合成或采集的一定頻率特征或混合頻段特征的噪聲，借助播放軟件和硬件按照預先設定的聲壓波形播放出來。由于聲音聲強要經過繁瑣計算得到，所以采用傳感器方式進行直接測量。傳感器采用A聲級的評價指標[7]，將采集的聲級信號通過485傳輸協議以4～20mA的電流信號反饋到集控PLC系統，與播放系統形成閉環控制，可以實現多種聲壓波形的播放與調節。多個感受者在試驗車廂內，從主觀角度即人體對噪聲感知的生理特性就聲音舒適程度進行評價，又可以通過檢測心率、血壓變動量從客觀上對聽覺舒適性進行結合比較。

噪聲信號為音頻文件，可通過錄制或人工合成的方式提供。噪聲信號可通過軟件進行編輯整理，以實現人為需要的任意波形、頻譜的測量信號。編輯整理聲音的數字信號要先轉換為可以播放的音頻文件。Matlab可以將聲音數字信號轉化為可以播放的音頻信號，比如WAV格式，通過聲音播放系統實現立體動態聲音的產生。其轉化程序段可參考如下：

圖1 噪聲模擬系統原理圖

將轉換的音頻文件通過計算機專業播放軟件以及音頻處理器（俗稱音頻接口）傳到高低頻音箱。高頻音箱有方向性，故采用兩個，對稱布置方式，如圖2所示。兩者的夾角以及點頭角度要根據實際空間尺寸而定，推薦夾角為相對人耳及中軸線30°。低頻音箱沒有方向性，只需要布置一個，位置擇宜而定。

圖2 音箱合理的空間布置角度

2 系統實現及試驗驗證

該噪聲模擬試驗系統的設計原理的具體應用，改變了以往的在行駛列車上進行試驗的方式，采用靜止車輛在一個密閉有限空間內模擬接近行駛列車的噪聲舒適度。用戶將實測噪聲或軟件合成噪聲通過程序轉換為WAV文件，借助Cubase進行初步的音頻編輯，比如濾波、增益、選頻、降幅等，或者借助Matlab進行程序調節。對編輯后的文件進行播放，聲級計采集反饋，后期處理。整個操作系統由PLC-200系列模塊控制，同時借助上位機軟件delphi7進行編程，通過計算機操作界面可以控制整個噪聲系統的啟停，噪聲的編輯和播放，以及聲音信號的采集和存儲，操作簡單快捷。

硬件設備中，主要部件音箱采用Genelec品牌專業音箱設備（圖3所示），其不僅可以實現全頻19～20kHz播放，而且可以實現19～125dB的大范圍聲壓功能。兩個高頻音箱的布置按照圖2所示采用同側傾斜60°夾角方式，低頻音箱一個。所選用的聲級計選用A聲級標準，調節到適當量程，其不僅具有時時顯示功能，還可以連接PLC進行時時數據傳輸與記錄。

圖3 系統安裝布局

將編輯后的線路實測噪聲通過噪聲模擬系統播放出來，借助聲級計在圖4所示試驗車廂內部測試點位置進行信號采集測量，分時對1、2、3測點聲壓級進行分時模擬試驗。每一點分別以某高鐵線路上某型車的350km/h的明線和隧道兩種工況進行模擬。根據前面的聲音舒適度評價指標，采用真人感知、統計分析的方法對實際采集聲音信號與通過該試驗模擬系統的信號進行對比分析，得到如圖5所示的誤差曲線，誤差主要集中在2%以內，約合聲壓級為1.6dB，最大誤差為7.1%，該誤差在允許范圍內。造成誤差的原因一是由音箱本身失真度，二是由于聲級計的安裝位置與聲源的距離引起的誤差，而后者是主要原因，這在實際操作過程中可以采取適當補償措施以縮小誤差。

圖4 測試點分布

圖5 噪聲聲場分時模擬試驗的誤差曲線

3 結論

本文研究取得了以下成果：

（1）試驗平臺輸出頻率范圍：20～20000Hz；聲壓級范圍：20～120dB；車體內噪聲可以實現低頻、中頻、高頻播放，且噪聲音質效果很好；可以播放線路實測噪聲信號；可以對線路實測噪聲信號進行選頻段、降幅播放；實現了噪聲響度的閉環控制和調節。

（2）為制定確切的人體聲音舒適度評價指標提供了一個試驗平臺。

（3）實現了靜態車輛模擬動態行駛列車噪聲的功能，結構簡單，人機界面友好，操作便捷，具有完備的數據存儲和顯示功能，試驗結果誤差小。

[1][日]Koji Asano,等.改善乘坐舒適度的措施[J].國外鐵道車輛，2009，3.

[2]陳祥.高速鐵路客車乘坐舒適度綜合評價模型研究[D].西南交通大學，2010.

[3]董海山，賀玉龍，楊立中，等.350km/h高速列車噪聲隨距離變化的衰減特性[J].噪聲與振動研究，2012，1.

[4]朱俊.交通噪聲污染及其防治.交通與運輸，2009，1.

[5]杜功煥，等.聲學基礎[M].上海：上海科學技術出版社，1981.

[6]袁修蘭.列車綜合舒適度檢測系統的開發[D].西南交通大學，2009，3.

[7]張捷，肖新標，王諦，等.350km/h以上高速列車觀光區噪聲特性及其評價研究[J].鐵道學報，2012，10.