高速列车室内噪声模拟试验方法与系统

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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l，21。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四等方面进行的研究.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修稿 日期 ：2013-01-16基金 项目 ：科技部 支撑计划项 目(典型产品技 术外包服务 平台研发与应用-2012BAHO8F01)作者简介 ：石献金 ，女 ，博士研 究生 ，专业为机械设计及理论。研 究方向：新型机 电产品研发 。

104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⊥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 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·测试与控制·至耳聋。 l所谓声压级是为了表征数值很大的声压值而采用的 l- 种对数级表示方法。声压是声音强度的-种衡量方 l式 ，其是从能量角度来计算声强 。声强 (Z)与声压 (P)之 -间的关系表示： /pZ/(pv) (1) l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： lSPL201g(10)[p(e)/p(ref) (2) l其单位是分贝(dB)。 在空气中参考声压 p(ref)-般 -取为 2xl0E-5帕。-般讲 ，低于这-声压值 ，人耳就再 l也不能觉察出这个声音的存在了。显然该可听阈声压的 l声压级即为零分贝嘲。 l1.2 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 I苦恼感 。满足舒适度要求及身心愉快等几种。例如评价 l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嘲。噪声模拟 ：试验系统就基于以下两种评价方法组织构建的。 f(1)心理评价法：采用打分和回答调查提问的形式， l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。 I(2)生理评价法：该法利用测定乘客心率、呼吸、节 l拍、脑电波、肌肉电波等生理指标评价舒适度。由于个 l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 l噪声模拟系统试验平台通过人工合成或采集的噪声 l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 l统将合成或采集的-定频率特征或混合频段特征的噪 l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 l感器方式进行直接测量。传感器采用 A声级的评价指标[71， I将采集的声级信号通过485传输协议以4～20mA的电流 1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 l验车厢内.从主观角度即人体对噪声感知的生理特性就 l声音舒适程度进行评价 ，又可以通过检测心率 、血压变 I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 1式提供。噪声信号可通过软件进行编辑整理，以实现人 l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。Madab可 以 l、、、 ，/ 2系统实现及试验验证 图2； 理的空间该噪声模拟试验系统的设 布置角度计原理的具体应用 ，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-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系列拈控制 ，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-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。

将 编 辑 后 的线 路实测 噪声 通过 噪声 模拟系统播放出来 ¤助声 级计 在 图 4所 示试 验 车厢 内部 测试 点105·测试与控制·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-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%，该图4 测试点分布(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-个试验平台。

$(H)图5 噪声声场分时模拟试验的误差曲线误差在允许范围内。造成误差的原 因-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。

3 结论本文研究取得 了以下成果 ：(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 ，试验结果误差校