高速列车室内噪声模拟试验方法与系统

石献金，王宝超，南光熙，刘红旗

（1.机械科学研究总院 中机生产力促进中心，北京 100044；2.北京科技大学 机械工程学院，北京 100083）

0 引言

随着旅客对交通工具乘坐舒适度的要求日渐上升，乘坐舒适性开始成为影响高速列车设计和保障客运市场的重要因素[1,2]。为了改善乘坐舒适性，国外已经组织建立了多种舒适度试验平台，其中就包括噪声舒适性模拟试验台，但国内建立的相关试验台还相对较少。目前大部分关于高速列车噪声的试验都基于对噪声产生的原因和降噪措施以及噪声距离衰减[3]等方面进行的研究，其方法大都通过在行驶过程中的列车进行噪声信号采集相继进行后期的处理和分析。该方法的缺点是只能对噪声信号进行被动的测量，不能在列车出厂前进行预防性测试、防治和改进。本文对高速列车内部噪声模拟试验系统进行了详细论述，实现了在静止状态下对现有实际列车行驶噪声信号的随机模拟，能够使人体对不同音频范围和声压级噪声的舒适度进行主客观评价。

1 噪声模拟试验台系统的研制

1.1 噪声的评价参数

人耳能够听到的声音的整个范围是20～20000Hz，对声音强弱的心理声学参数有：响度、尖锐度和粗糙度。客观评价参数有声压级、频率、声强和声功率等。静态声音的三个特性：响度是声音的大小，由振幅决定，振幅越大则响度越大（单位：dB）。音调是声音的高低，由频率决定，频率越高则音调越高（单位：Hz）。根据噪声分贝标准[4]可以知道，当声压为10～20dB时，感觉不到声音；20～40dB时，类似于说悄悄话；40～60dB时，相当于室内说话；60～70dB时，就开始有损神经；大于70dB时，长期在这种环境中会使人神经细胞逐渐受到破坏甚至耳聋。

所谓声压级是为了表征数值很大的声压值而采用的一种对数级表示方法。声压是声音强度的一种衡量方式，其是从能量角度来计算声强。声强（l）与声压（p）之间的关系表示：

声压级以符号SPL表示，其定义为将待测声压有效值p（e）与参考声压p（ref）的比值取常用对数，再乘以20即：

其单位是分贝（dB）。 在空气中参考声压p(ref）一般取为2×10E-5帕。一般讲，低于这一声压值，人耳就再也不能觉察出这个声音的存在了。显然该可听阈声压的声压级即为零分贝[5]。

1.2 舒适度评价指标

舒适度的概念有很广的内涵，大致可分为无痛苦及苦恼感，满足舒适度要求及身心愉快等几种。例如评价列车舒适度时，无振动、噪声，气压合适等可以认为达到舒适度要求。评价指标的方法大致有两种[6]。噪声模拟试验系统就基于以下两种评价方法组织构建的。

（1）心理评价法：采用打分和回答调查提问的形式，让被试者回答自己感觉的评价方式。此法便于统计分析，故被采用较多。但该法存在调查考虑不全的可能性。

（2）生理评价法：该法利用测定乘客心率、呼吸、节拍、脑电波、肌肉电波等生理指标评价舒适度。由于个体的差异性，并未制定确定的评价指标。

1.3 噪声模拟系统的工作原理

噪声模拟系统试验平台通过人工合成或采集的噪声源信号，进行列车运行过程的模拟播放，并通过传感器进行采集和处理，建立评价标准进行人体听觉舒适度的评价。噪声模拟系统的工作原理如图1所示。该噪声系统将合成或采集的一定频率特征或混合频段特征的噪声，借助播放软件和硬件按照预先设定的声压波形播放出来。由于声音声强要经过繁琐计算得到，所以采用传感器方式进行直接测量。传感器采用A声级的评价指标[7]，将采集的声级信号通过485传输协议以4～20mA的电流信号反馈到集控PLC系统，与播放系统形成闭环控制，可以实现多种声压波形的播放与调节。多个感受者在试验车厢内，从主观角度即人体对噪声感知的生理特性就声音舒适程度进行评价，又可以通过检测心率、血压变动量从客观上对听觉舒适性进行结合比较。

噪声信号为音频文件，可通过录制或人工合成的方式提供。噪声信号可通过软件进行编辑整理，以实现人为需要的任意波形、频谱的测量信号。编辑整理声音的数字信号要先转换为可以播放的音频文件。Matlab可以将声音数字信号转化为可以播放的音频信号，比如WAV格式，通过声音播放系统实现立体动态声音的产生。其转化程序段可参考如下：

图1 噪声模拟系统原理图

将转换的音频文件通过计算机专业播放软件以及音频处理器（俗称音频接口）传到高低频音箱。高频音箱有方向性，故采用两个，对称布置方式，如图2所示。两者的夹角以及点头角度要根据实际空间尺寸而定，推荐夹角为相对人耳及中轴线30°。低频音箱没有方向性，只需要布置一个，位置择宜而定。

图2 音箱合理的空间布置角度

2 系统实现及试验验证

该噪声模拟试验系统的设计原理的具体应用，改变了以往的在行驶列车上进行试验的方式，采用静止车辆在一个密闭有限空间内模拟接近行驶列车的噪声舒适度。用户将实测噪声或软件合成噪声通过程序转换为WAV文件，借助Cubase进行初步的音频编辑，比如滤波、增益、选频、降幅等，或者借助Matlab进行程序调节。对编辑后的文件进行播放，声级计采集反馈，后期处理。整个操作系统由PLC-200系列模块控制，同时借助上位机软件delphi7进行编程，通过计算机操作界面可以控制整个噪声系统的启停，噪声的编辑和播放，以及声音信号的采集和存储，操作简单快捷。

硬件设备中，主要部件音箱采用Genelec品牌专业音箱设备（图3所示），其不仅可以实现全频19～20kHz播放，而且可以实现19～125dB的大范围声压功能。两个高频音箱的布置按照图2所示采用同侧倾斜60°夹角方式，低频音箱一个。所选用的声级计选用A声级标准，调节到适当量程，其不仅具有时时显示功能，还可以连接PLC进行时时数据传输与记录。

图3 系统安装布局

将编辑后的线路实测噪声通过噪声模拟系统播放出来，借助声级计在图4所示试验车厢内部测试点位置进行信号采集测量，分时对1、2、3测点声压级进行分时模拟试验。每一点分别以某高铁线路上某型车的350km/h的明线和隧道两种工况进行模拟。根据前面的声音舒适度评价指标，采用真人感知、统计分析的方法对实际采集声音信号与通过该试验模拟系统的信号进行对比分析，得到如图5所示的误差曲线，误差主要集中在2%以内，约合声压级为1.6dB，最大误差为7.1%，该误差在允许范围内。造成误差的原因一是由音箱本身失真度，二是由于声级计的安装位置与声源的距离引起的误差，而后者是主要原因，这在实际操作过程中可以采取适当补偿措施以缩小误差。

图4 测试点分布

图5 噪声声场分时模拟试验的误差曲线

3 结论

本文研究取得了以下成果：

（1）试验平台输出频率范围：20～20000Hz；声压级范围：20～120dB；车体内噪声可以实现低频、中频、高频播放，且噪声音质效果很好；可以播放线路实测噪声信号；可以对线路实测噪声信号进行选频段、降幅播放；实现了噪声响度的闭环控制和调节。

（2）为制定确切的人体声音舒适度评价指标提供了一个试验平台。

（3）实现了静态车辆模拟动态行驶列车噪声的功能，结构简单，人机界面友好，操作便捷，具有完备的数据存储和显示功能，试验结果误差小。

[1][日]Koji Asano,等.改善乘坐舒适度的措施[J].国外铁道车辆，2009，3.

[2]陈祥.高速铁路客车乘坐舒适度综合评价模型研究[D].西南交通大学，2010.

[3]董海山，贺玉龙，杨立中，等.350km/h高速列车噪声随距离变化的衰减特性[J].噪声与振动研究，2012，1.

[4]朱俊.交通噪声污染及其防治.交通与运输，2009，1.

[5]杜功焕，等.声学基础[M].上海：上海科学技术出版社，1981.

[6]袁修兰.列车综合舒适度检测系统的开发[D].西南交通大学，2009，3.

[7]张捷，肖新标，王谛，等.350km/h以上高速列车观光区噪声特性及其评价研究[J].铁道学报，2012，10.