高速动车组广义舒适度关键技术分析

吴新红

(中国铁路总公司安全监督管理局， 100844， 北京//高级工程师)

高铁已经成为旅客出行需求的最为重要的选项。高铁的大运量、高速度以及高频次等特点，特别适合我国目前的发展现状。随着旅客对高铁的接受度的不断提高，旅客的出行需求，已从之前的“简单的出行需求”提升到目前的“安全、舒适、便捷的出行需求”，特别是对舒适性的需求，提出了更高的要求。本文旨在通过对广义舒适度概念的分解，分析相关因素在高铁上的应用现状和以后需要重点解决的问题，同时结合该领域的主要发展趋势和方向进行了阐述。

1 广义舒适度

目前国际上对广义舒适度(或乘坐舒适度、舒适性等)尚无官方的定义，但是普遍认为应包括振动、噪声、温度、压力、湿度、照度、内装的美工学和人机工程学等7个方面。由此可以看出，广义舒适度的主要研究内容涵盖了旅客在乘坐列车时的生理感受和心理感受。广义舒适度的研究主旨，是通过对以上7方面因素的研究，从旅客的生理和心理上着手解决人-车之间的耦合关系[1-2]。

2 主要研究方式

目前，国内外对于高速列车广义舒适度的研究主要采用理论研究和试验测试的方法。通过理论研究分析各因素的约束条件，通过试验测试掌握现在列车的实际舒适度水平，然后结合理论研究成果和分析测试结果对列车进行技术优化和升级，再通过试验测试进行验证。因此，广义的舒适度研究方式，就是通过理论分析和试验测试相结合的方式不断优化和完善高速列车相关因素指标，如图1所示。

图1 高速列车广义舒适度研究方式

3 主要研究内容

3.1 噪声

对于高速列车噪声，国内外开展了大量的研究和测试工作，本文仅引用部分测试数据进行分析。

3.1.1 基本思路

高速列车噪声问题研究思路如图2所示。高速列车噪声问题主要体现在车外噪声和车内噪声2个方面[3]。

图2 高速列车噪声研究思路

高速列车车外噪声主要是对高速铁路沿线环境造成污染，而车内噪声则主要影响车内司乘人员的乘坐舒适性。持续不断的高强度噪声会给人体带来压力感、疲劳感，甚至造成神经、听力损伤等不可挽回的后果。过高的车内噪声，会损害驾驶员的听力，使驾驶员迅速疲劳，对列车行驶安全性构成极大的威胁。而且振动噪声能够引起列车某些部件的早期疲劳损坏，从而降低列车的使用寿命，并在一定程度上制约高铁的发展。同时，随着人民生活水平的不断提高，乘客对乘坐舒适性也提出了更高的要求，车内噪声问题将会直接影响高铁在运输行业的竞争力。

对高速列车噪声问题的研究，首要任务是了解高速列车噪声的声源分布、源强大小及其频谱特性，并结合高速列车结构、动力学和声学特性，明确各声源的产生和传播机理。高速列车车外噪声主要包括轮轨噪声、气动噪声、弓网噪声和高架结构二次辐射噪声4大类，而高速列车车内声场环境非常复杂，声源众多，大致可分为直达声、透射声和振动辐射声3种类型，如图3所示。

直达声从噪声源发出，以空气为媒介，从车窗、车门的缝隙和排风口等途径直接传播到车内。透射声是指客室外的各种声源，先经空气介质传播，继而透过车体材料传到车内。振动辐射声为各种振动激励源通过车体结构将振动能量传递至车厢，进而激发车厢结构振动，产生声辐射。由于直达声和透射声都是通过空气传播，而振动辐射声是通过结构传播，因而高速列车车内噪声来源可归纳为空气传播声和结构传播声2种。

图3 高速列车车内噪声声源分布

轮轨噪声、弓网噪声、气动噪声和辅助设备噪声等高速列车车外噪声主要来源也都是其车内噪声主要来源。而且，这些声源大多数既可以通过空气传播途径，也可通过结构传播途径对车内噪声产生影响。不同的车体结构，车体声学性能特性不同，这些声源对车内噪声的贡献是不一样的。

学者赵稀方在《小说香港》一书中说到：“香港原是个政治冷漠的地方，在文化身份上任由英国与中国的国族叙事加以构造，但自八十年代初中英谈判开始后，香港现有的殖民地身份的消失，忽然唤醒了港人的本土文化意识……于是有了大量的对于香港文化身份的讨论。”

3.1.2 测试结果和分析

某型号高速动车组的2等车的测点位置如图4所示，圆点表示测试位置，每个位置有2个传声器测点，分别位于距地板1.2 m和1.6 m高处。列车试验速度为匀速350 km/h。测试结果如表1所示。

图4 测点位置示意图

序号测点位置声压级/dBA客室前端距地板1.2 m高75.9距地板1.6 m高75.8客室中部距地板1.2 m高69.3距地板1.6 m高69.0客室后端距地板1.2 m高75.8距地板1.6 m高76.6

图5是客室前端距地板1.2 m高处测点的噪声特性。

从图5 a)可以看出，列车在加速过程中，随着速度增大，车内噪声水平增大，但声压级有很大波动(特别是在150～300 s时间区段)，且出现声压级最大值。说明在加速过程中，列车转向架区域状态变化剧烈。列车匀速运行过程中声压级变化比较平缓。减速运行过程中，声压级随着速度降低而减小，同时曲线也有一些毛刺。

a) 测点声压级

b) 测点加速过程时频特性

从5 b)加速和图5 c)减速过程时频特性图可以看出，加速过程时频特性呈抛物线趋势，而在减速过程中，时频特性具有线性趋势。另外，在加速过程时频特性图中，沿着坐标轴存在间断的横向亮带，说明在加速过程中，车体结构的共振峰值会在某一速度下被激发出来，但是对于此现象的产生机理和控制措施需要进一步研究。

图6是客室中部距地板1.2 m高处测点噪声特性。

a) 测点声压级

b) 测点加速过程时频特性

c) 测点减速过程时频特性

从图6 a)可以看出，列车在加速、减速过程中总声压级同样有波动，但小于客室前端的波动水平。在匀速过程中，声压级总体较为平稳，但在700 s附近出现了声压级峰值，这可能与现场测试条件有关，现场无法控制其他测试单位的人为突发噪声。

图7是客室后端距地板1.2 m高处测点噪声特性。

a) 测点声压级

b) 测点加速过程时频特性

c) 测点减速过程时频特性

从图7 a)可以看出，列车在加速、减速过程中总声压级同样有波动，但小于客室前端波动水平，大于客室中部波动水平。加速、减速过程时频特性相类似。

列车车厢间连接声源识别是在1/3倍频程下160 Hz中心频率线性计权的结果。最大声源点位于靠近车顶板位置，这可能主要来自车辆外部噪声经风挡、车顶板或地板透射进入车内。同时在风挡左下部与地板连接区域有较大声源点，这可能是由于该连接位置存在安装缝隙，车下噪声经风挡与车体的连接缝隙泄露进车内引起的。另外，车下噪声会透过地板形成透射声源。

图8 列车车厢间连接声源识别声压云图

通过以上测试和分析，可以得出以下结论：

(1) 高速列车在一次起动加速、匀速运行到制动停止过程中，车厢内噪声总声压级有不同程度的波动，加速过程中最大，减速过程次之，匀速过程较为平缓。加速过程时频特性呈抛物线趋势，而在减速过程中，时频特性呈线性趋势。

(2) 客室后端主要噪声源位于内端门区域，这主要是车门方向的传播噪声，包括内端门和电器柜连接区域形成的局部噪声源，顶板、电器柜及其与地板连接位置是较大声源处。

3.2 振动

在进行动力学试验时，通常会对列车的主要部位进行振动测试，包括：

(1) 在轴箱上方的构架上安装横向加速度计，测量构架横向加速度。

(2) 在车体地板面上安装加速度计，测量车体横向和垂向加速度。

通过研究高速列车的振动特征及作用机理，分析高速列车振动的主要频率成分和人体的敏感频率，为高速列车减振设计提供科学指导，有效提高列车运行的平稳性。可以通过振动试验测试，开展振动模态分析和振动信号分析，掌握高速动车组关键系统和部件的振动情况和模态，进而在主要及敏感振动源处进行结构的优化设计，降低列车的振动指标，提升列车乘坐的舒适性。图9为研究振动的技术路线图。

3.3 气压

在进行空气动力学研究时，通常会测试高速动车组的车内压力差变化，目前仅在标准上对合格与否进行了规定，但是在舒适性上没有明确规定[4]。

图9 振动研究的技术路线图

广义舒适度研究针对高速列车通过隧道时乘客出现的耳胀、耳鸣、耳痛现象，通过线路试验及仿真手段，了解车内气压特征以及作用机理，制订合理的风机和风道控制策略，提升高速列车乘坐时的气压环境舒适性。气压研究的技术路线如图10所示。

图10 气压研究技术路线图

通过试验测试的方法，测试车内和车外气压变化，评估风机风速、气密间隙对压力变化的影响，优化风机保护控制、风机风道预测控制和车体气密性控制策略，降低因气压剧烈变化引起的人耳不适感。

3.4 温度、湿度和照度

与气压变化领域的测试方法和评判标准相类似，在进行空调系统制冷、采暖运行试验和照度试验时，同样对温度、湿度和照度进行了测试，但是也仅仅在合格与否方面进行了规定，未结合旅客的舒适与否进行评判[5]。

3.5 其他因素

在进行广义舒适度研究时，也需要对动车组内饰和空间部件的美学设计和人机工程技术进行研究，从心理因素影响对旅客的舒适度进行评判。

4 广义舒适度指标分配

在确定噪声、振动、气压变化、温度、湿度和照度，以及人机工程和内饰美学设计的主要研究目的、内容和方法后，需要将以上诸多因素的权重进行分配，这部分为广义舒适度研究的重点和难点。

目前国际上尚无相关标准、规范等可供执行和参考，国内外的科研工作者都在通过大量的试验测试和仿真分析进行相关探索研究工作[6]。

(1) 建立广义舒适度数学模型。通过既有列车的设计资料和运行数据，建立广义舒适度数学模型，特别是建立噪声、振动、压力、温度、湿度和照度与运行速度、运行区间、运行时间、不同乘客对象等时变因素之间的耦合矩阵图，然后利用仿真分析方法分析各因素与旅客生理和心理因素之间的关心，摸索其中的规律。

(2) 试验台测试和正线运行测试。通过在试验台(架)上和正线时的测试，掌握列车的物理量数据，摸索列车相关物理量与运行线路、运行时间等外界条件之间的关系。

(3) 问卷调查与分析。通过问卷调查、走访和其他交互形式，掌握和分析旅客和司乘人员的心理和生理感受变化趋势，掌握相关舒适性评价因素。

(4) 对列车、测试技术和评价指标进行优化升级和补充，不断完善广义舒适度评价体系，提升高速动车组的整体性能。

通过建立广义舒适度的数学模型，明确广义舒适度各参数之间的相互关系，完成指标参数的权重动态分配和配比，可实现广义舒适度技术的动态和最优控制。

5 结论

影响高速列车广义舒适度的因素分为物理因素、生理因素和心理因素。物理因素包括振动、噪声、空气压力、温度、湿度和照度等。在列车高速行驶时，这些物理量通过对乘客生理和心理的刺激，使得乘客对列车乘坐舒适度有着不同的感受。影响广义舒适度的因素比较复杂，因此获取影响广义舒适度单因素与乘客舒适度主观评价的信息，是判断现有高速列车振动、噪声、空气压力等指标是否满足乘客舒适需求的重要依据。可以在现有基础上完善试验测试方法，并以此为依据不断优化数学模型，进而将各因素在整个舒适度评价体系的权重值进行优化。总体来说，广义舒适度是近年来新兴的技术，还需要在工作中不断的进行完善。

[1] 邓勇韬．基于模拟试验台的高速列车广义舒适度评价方法研究[D]．成都：西南交通大学，2014．

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

[3] 刘璐,林建辉,张丽梅.高速列车振动舒适度测试方法研究[J].交通运输工程与信息，2012(3)：31.

[4] 亓立敏.基于声强法的高速列车车内噪声源识别技术研究[D].成都：西南交通大学，2010.

[5] 苏燕辰,张瑞萍,林菲菲.高速列车车内照度舒适性数学模型的研究[J]．中国测试,2013,(S2)：1.

[6] 亓立敏， 林建辉.基于心率变异性的高速列车客室噪声舒适度研究[J]．佳木斯大学学报( 自然科学版), 2013(5)：673.