石獻(xiàn)金，王寶超，南光熙，劉紅旗

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044；2.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

隨著旅客對(duì)交通工具乘坐舒適度的要求日漸上升，乘坐舒適性開(kāi)始成為影響高速列車(chē)設(shè)計(jì)和保障客運(yùn)市場(chǎng)的重要因素[1,2]。為了改善乘坐舒適性，國(guó)外已經(jīng)組織建立了多種舒適度試驗(yàn)平臺(tái)，其中就包括噪聲舒適性模擬試驗(yàn)臺(tái)，但國(guó)內(nèi)建立的相關(guān)試驗(yàn)臺(tái)還相對(duì)較少。目前大部分關(guān)于高速列車(chē)噪聲的試驗(yàn)都基于對(duì)噪聲產(chǎn)生的原因和降噪措施以及噪聲距離衰減[3]等方面進(jìn)行的研究，其方法大都通過(guò)在行駛過(guò)程中的列車(chē)進(jìn)行噪聲信號(hào)采集相繼進(jìn)行后期的處理和分析。該方法的缺點(diǎn)是只能對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行被動(dòng)的測(cè)量，不能在列車(chē)出廠前進(jìn)行預(yù)防性測(cè)試、防治和改進(jìn)。本文對(duì)高速列車(chē)內(nèi)部噪聲模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)論述，實(shí)現(xiàn)了在靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)現(xiàn)有實(shí)際列車(chē)行駛噪聲信號(hào)的隨機(jī)模擬，能夠使人體對(duì)不同音頻范圍和聲壓級(jí)噪聲的舒適度進(jìn)行主客觀評(píng)價(jià)。

1 噪聲模擬試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的研制

1.1 噪聲的評(píng)價(jià)參數(shù)

人耳能夠聽(tīng)到的聲音的整個(gè)范圍是20～20000Hz，對(duì)聲音強(qiáng)弱的心理聲學(xué)參數(shù)有：響度、尖銳度和粗糙度?？陀^評(píng)價(jià)參數(shù)有聲壓級(jí)、頻率、聲強(qiáng)和聲功率等。靜態(tài)聲音的三個(gè)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(diào)是聲音的高低，由頻率決定，頻率越高則音調(diào)越高（單位：Hz）。根據(jù)噪聲分貝標(biāo)準(zhǔn)[4]可以知道，當(dāng)聲壓為10～20dB時(shí)，感覺(jué)不到聲音；20～40dB時(shí)，類(lèi)似于說(shuō)悄悄話；40～60dB時(shí)，相當(dāng)于室內(nèi)說(shuō)話；60～70dB時(shí)，就開(kāi)始有損神經(jīng)；大于70dB時(shí)，長(zhǎng)期在這種環(huán)境中會(huì)使人神經(jīng)細(xì)胞逐漸受到破壞甚至耳聾。

所謂聲壓級(jí)是為了表征數(shù)值很大的聲壓值而采用的一種對(duì)數(shù)級(jí)表示方法。聲壓是聲音強(qiáng)度的一種衡量方式，其是從能量角度來(lái)計(jì)算聲強(qiáng)。聲強(qiáng)（l）與聲壓（p）之間的關(guān)系表示：

聲壓級(jí)以符號(hào)SPL表示，其定義為將待測(cè)聲壓有效值p（e）與參考聲壓p（ref）的比值取常用對(duì)數(shù)，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(jué)察出這個(gè)聲音的存在了。顯然該可聽(tīng)閾聲壓的聲壓級(jí)即為零分貝[5]。

1.2 舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)

舒適度的概念有很廣的內(nèi)涵，大致可分為無(wú)痛苦及苦惱感，滿足舒適度要求及身心愉快等幾種。例如評(píng)價(jià)列車(chē)舒適度時(shí)，無(wú)振動(dòng)、噪聲，氣壓合適等可以認(rèn)為達(dá)到舒適度要求。評(píng)價(jià)指標(biāo)的方法大致有兩種[6]。噪聲模擬試驗(yàn)系統(tǒng)就基于以下兩種評(píng)價(jià)方法組織構(gòu)建的。

（1）心理評(píng)價(jià)法：采用打分和回答調(diào)查提問(wèn)的形式，讓被試者回答自己感覺(jué)的評(píng)價(jià)方式。此法便于統(tǒng)計(jì)分析，故被采用較多。但該法存在調(diào)查考慮不全的可能性。

（2）生理評(píng)價(jià)法：該法利用測(cè)定乘客心率、呼吸、節(jié)拍、腦電波、肌肉電波等生理指標(biāo)評(píng)價(jià)舒適度。由于個(gè)體的差異性，并未制定確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3 噪聲模擬系統(tǒng)的工作原理

噪聲模擬系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)人工合成或采集的噪聲源信號(hào)，進(jìn)行列車(chē)運(yùn)行過(guò)程的模擬播放，并通過(guò)傳感器進(jìn)行采集和處理，建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行人體聽(tīng)覺(jué)舒適度的評(píng)價(jià)。噪聲模擬系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。該噪聲系統(tǒng)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(yù)先設(shè)定的聲壓波形播放出來(lái)。由于聲音聲強(qiáng)要經(jīng)過(guò)繁瑣計(jì)算得到，所以采用傳感器方式進(jìn)行直接測(cè)量。傳感器采用A聲級(jí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)[7]，將采集的聲級(jí)信號(hào)通過(guò)485傳輸協(xié)議以4～20mA的電流信號(hào)反饋到集控PLC系統(tǒng)，與播放系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)多種聲壓波形的播放與調(diào)節(jié)。多個(gè)感受者在試驗(yàn)車(chē)廂內(nèi)，從主觀角度即人體對(duì)噪聲感知的生理特性就聲音舒適程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，又可以通過(guò)檢測(cè)心率、血壓變動(dòng)量從客觀上對(duì)聽(tīng)覺(jué)舒適性進(jìn)行結(jié)合比較。

噪聲信號(hào)為音頻文件，可通過(guò)錄制或人工合成的方式提供。噪聲信號(hào)可通過(guò)軟件進(jìn)行編輯整理，以實(shí)現(xiàn)人為需要的任意波形、頻譜的測(cè)量信號(hào)。編輯整理聲音的數(shù)字信號(hào)要先轉(zhuǎn)換為可以播放的音頻文件。Matlab可以將聲音數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以播放的音頻信號(hào)，比如WAV格式，通過(guò)聲音播放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)立體動(dòng)態(tài)聲音的產(chǎn)生。其轉(zhuǎn)化程序段可參考如下：

圖1 噪聲模擬系統(tǒng)原理圖

將轉(zhuǎn)換的音頻文件通過(guò)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)播放軟件以及音頻處理器（俗稱(chēng)音頻接口）傳到高低頻音箱。高頻音箱有方向性，故采用兩個(gè)，對(duì)稱(chēng)布置方式，如圖2所示。兩者的夾角以及點(diǎn)頭角度要根據(jù)實(shí)際空間尺寸而定，推薦夾角為相對(duì)人耳及中軸線30°。低頻音箱沒(méi)有方向性，只需要布置一個(gè)，位置擇宜而定。

圖2 音箱合理的空間布置角度

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

該噪聲模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理的具體應(yīng)用，改變了以往的在行駛列車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)的方式，采用靜止車(chē)輛在一個(gè)密閉有限空間內(nèi)模擬接近行駛列車(chē)的噪聲舒適度。用戶將實(shí)測(cè)噪聲或軟件合成噪聲通過(guò)程序轉(zhuǎn)換為WAV文件，借助Cubase進(jìn)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(jìn)行程序調(diào)節(jié)。對(duì)編輯后的文件進(jìn)行播放，聲級(jí)計(jì)采集反饋，后期處理。整個(gè)操作系統(tǒng)由PLC-200系列模塊控制，同時(shí)借助上位機(jī)軟件delphi7進(jìn)行編程，通過(guò)計(jì)算機(jī)操作界面可以控制整個(gè)噪聲系統(tǒng)的啟停，噪聲的編輯和播放，以及聲音信號(hào)的采集和存儲(chǔ)，操作簡(jiǎn)單快捷。

硬件設(shè)備中，主要部件音箱采用Genelec品牌專(zhuān)業(yè)音箱設(shè)備（圖3所示），其不僅可以實(shí)現(xiàn)全頻19～20kHz播放，而且可以實(shí)現(xiàn)19～125dB的大范圍聲壓功能。兩個(gè)高頻音箱的布置按照?qǐng)D2所示采用同側(cè)傾斜60°夾角方式，低頻音箱一個(gè)。所選用的聲級(jí)計(jì)選用A聲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)到適當(dāng)量程，其不僅具有時(shí)時(shí)顯示功能，還可以連接PLC進(jìn)行時(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與記錄。

圖3 系統(tǒng)安裝布局

將編輯后的線路實(shí)測(cè)噪聲通過(guò)噪聲模擬系統(tǒng)播放出來(lái)，借助聲級(jí)計(jì)在圖4所示試驗(yàn)車(chē)廂內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)位置進(jìn)行信號(hào)采集測(cè)量，分時(shí)對(duì)1、2、3測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)進(jìn)行分時(shí)模擬試驗(yàn)。每一點(diǎn)分別以某高鐵線路上某型車(chē)的350km/h的明線和隧道兩種工況進(jìn)行模擬。根據(jù)前面的聲音舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用真人感知、統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)實(shí)際采集聲音信號(hào)與通過(guò)該試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行對(duì)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(nèi)，約合聲壓級(jí)為1.6dB，最大誤差為7.1%，該誤差在允許范圍內(nèi)。造成誤差的原因一是由音箱本身失真度，二是由于聲級(jí)計(jì)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(shí)際操作過(guò)程中可以采取適當(dāng)補(bǔ)償措施以縮小誤差。

圖4 測(cè)試點(diǎn)分布

圖5 噪聲聲場(chǎng)分時(shí)模擬試驗(yàn)的誤差曲線

3 結(jié)論

本文研究取得了以下成果：

（1）試驗(yàn)平臺(tái)輸出頻率范圍：20～20000Hz；聲壓級(jí)范圍：20～120dB；車(chē)體內(nèi)噪聲可以實(shí)現(xiàn)低頻、中頻、高頻播放，且噪聲音質(zhì)效果很好；可以播放線路實(shí)測(cè)噪聲信號(hào)；可以對(duì)線路實(shí)測(cè)噪聲信號(hào)進(jìn)行選頻段、降幅播放；實(shí)現(xiàn)了噪聲響度的閉環(huán)控制和調(diào)節(jié)。

（2）為制定確切的人體聲音舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)提供了一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)。

（3）實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)車(chē)輛模擬動(dòng)態(tài)行駛列車(chē)噪聲的功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，操作便捷，具有完備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示功能，試驗(yàn)結(jié)果誤差小。

[1][日]Koji Asano,等.改善乘坐舒適度的措施[J].國(guó)外鐵道車(chē)輛，2009，3.

[2]陳祥.高速鐵路客車(chē)乘坐舒適度綜合評(píng)價(jià)模型研究[D].西南交通大學(xué)，2010.

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

[4]朱俊.交通噪聲污染及其防治.交通與運(yùn)輸，2009，1.

[5]杜功煥，等.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1981.

[6]袁修蘭.列車(chē)綜合舒適度檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[D].西南交通大學(xué)，2009，3.

[7]張捷，肖新標(biāo)，王諦，等.350km/h以上高速列車(chē)觀光區(qū)噪聲特性及其評(píng)價(jià)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2012，10.