姜良奎，蘭永霞

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 工程研究中心，山東 青島 266111)

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高速車輛客室噪聲模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜良奎，蘭永霞

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 工程研究中心，山東 青島 266111)

為了探究不同聲壓級(jí)條件下車內(nèi)噪聲對(duì)乘客乘坐舒適性的影響規(guī)律，需要建立高速列車客室噪聲模擬系統(tǒng)。分析了模擬系統(tǒng)中聲源布置合理性及其模擬系統(tǒng)的組成，說(shuō)明了基于等效聲壓級(jí)的噪聲模擬數(shù)據(jù)的處理方法與軟件編寫(xiě)，并進(jìn)行了系統(tǒng)的軟件和硬件測(cè)試與分析。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種聲壓級(jí)噪聲數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)模擬與聲音回放，達(dá)到了試驗(yàn)需求的設(shè)計(jì)目的。

高速列車；噪聲模擬；聲場(chǎng)分析；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引 言

高速列車在運(yùn)行過(guò)程中，由于受到輪軌作用、氣流作用、電氣作用等多場(chǎng)耦合作用，車內(nèi)受到輪對(duì)噪聲、氣流噪聲、電氣噪聲的聯(lián)合影響[1-2]。噪聲影響乘客乘坐的舒適性。為了研究噪聲的聲壓級(jí)對(duì)舒適性的影響規(guī)律和作用特性，首先需要構(gòu)建噪聲的模擬試驗(yàn)環(huán)境。

采用音箱陣列來(lái)模擬噪聲，得到較為均勻的噪聲聲場(chǎng)模擬品質(zhì)。提出了模擬噪聲的數(shù)據(jù)生成與處理方法及其軟件編寫(xiě)。完成模擬系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和試驗(yàn)。結(jié)果表明，該試驗(yàn)系統(tǒng)能完成不同聲壓級(jí)噪聲的聲場(chǎng)模擬，為噪聲舒適性的研究提供了試驗(yàn)環(huán)境。

2 噪聲聲場(chǎng)模擬系統(tǒng)

2.1 聲源配置及其聲場(chǎng)特性模擬

在試驗(yàn)車體的兩側(cè)均布置7只全頻率的音箱，兩側(cè)共計(jì)14只音箱，采用德國(guó)EASE4.3軟件進(jìn)行聲學(xué)建模，模型如圖1所示。

圖1 噪聲模擬的聲學(xué)模型

添加車體的吸聲材料、音箱參數(shù)后，進(jìn)行聲場(chǎng)模擬，模擬的效果如圖2所示。

圖2 聲場(chǎng)聲壓級(jí)分布

除了車體兩端之外，在距離車體地板1.2m高度的噪聲聲壓級(jí)十分均勻，滿足小于3dB的要求。滿足客室聲場(chǎng)模擬要求。

2.2 模擬系統(tǒng)的總體組成

噪聲模擬系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示。

圖3 車內(nèi)噪聲模擬單元的系統(tǒng)構(gòu)成

將噪聲信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)播放軟件的加載與播放，將音頻數(shù)據(jù)發(fā)送到調(diào)音臺(tái)、數(shù)字音頻矩陣、放大器。最后由音箱陣列播放、模擬、再現(xiàn)噪聲信號(hào)。由于硬件系統(tǒng)均采用成熟品牌，后面主要研究播放數(shù)據(jù)的生成方法與軟件實(shí)現(xiàn)。

3 噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)的生成方法與軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 噪聲數(shù)據(jù)生成方法

描述噪聲強(qiáng)度的方法主要有聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí)。當(dāng)聲波傳播時(shí)，介質(zhì)內(nèi)各部分產(chǎn)生壓縮與膨脹的周期性變化，壓縮時(shí)壓強(qiáng)增加，膨脹時(shí)壓強(qiáng)減小。變化的壓強(qiáng)與靜壓強(qiáng)的差值稱為聲壓，聲壓變化的平均值為零。聲壓級(jí)能很好地反映人的聽(tīng)覺(jué)效果，因此本文采用聲壓級(jí)作為目標(biāo)參數(shù)來(lái)生成噪聲模擬數(shù)據(jù)。一般測(cè)量有效聲壓[3]，即：

(1)

式中，T為積分時(shí)間(平均時(shí)間)；p為介質(zhì)內(nèi)壓力的變化值。

當(dāng)p為諧波時(shí)：

(2)

當(dāng)p為三角波時(shí)：

(3)

當(dāng)p為白噪聲，σ為噪聲方差時(shí)：

PRMS=σ

(4)

人對(duì)聲音的主觀感覺(jué)和聲波的客觀量值之間不是線性關(guān)系。當(dāng)聲強(qiáng)以10、100、1000倍的規(guī)律變化時(shí)，人耳感覺(jué)是近似按1、2、3倍的規(guī)律變化的，呈對(duì)數(shù)關(guān)系。因此引入聲壓級(jí)，單位用分貝表示[3]。

(5)

式中，p0為基準(zhǔn)聲壓，p0=2×10-5。

通過(guò)式(5)與式(2)-式(4)的結(jié)合，可以建立需要模擬噪聲與產(chǎn)生信號(hào)幅值之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。如需要產(chǎn)生的聲壓級(jí)為L(zhǎng)，則對(duì)應(yīng)描述諧波、三角波、隨機(jī)波的參數(shù)分別為：

(6)

(7)

(8)

3.2 多源噪聲的合成方法

多源噪聲的合成也叫噪聲疊加，滿足線性聲學(xué)條件的多列噪聲聲波相交時(shí)滿足聲波疊加原理。設(shè)有兩個(gè)單一頻率噪聲源共同作用，聲壓分別為：

p1=p1mcos(ω1t+φ1)

p2=p2mcos(ω2t+φ2)

則總聲壓的有效值：

(9)

兩列相干噪聲聲波疊加時(shí)(頻率相同、相位差恒定)：

p2=p12+p22

(10)

聲壓振幅的平方反映了聲場(chǎng)中平均能量的大小，說(shuō)明兩列不相干噪聲聲波相交時(shí)不會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，遵守能量相加原則。一般的噪聲均為不相干波，總聲壓級(jí)為：

(11)

式(11)建立總聲壓級(jí)與噪聲信號(hào)的聲壓級(jí)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)

生成的噪聲數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為音頻文件以便于播放軟件在線播放，本軟件在Labview平臺(tái)上進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，該軟件平臺(tái)具備完備的聲音處理的函數(shù)庫(kù)、硬件驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，文件格式轉(zhuǎn)化模塊實(shí)現(xiàn)文本格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為音頻文件格式。具體程序框架如圖4所示。

圖4 模擬噪聲轉(zhuǎn)換為.wav音頻文件程序

將完成格式轉(zhuǎn)換的音頻文件輸入播放器，進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，并輸送到聲卡進(jìn)入噪聲的播放系統(tǒng)，具體實(shí)現(xiàn)程序如圖5所示，播放器的人機(jī)交互界面如圖6所示。

圖6 模擬噪聲播放界面

4 噪聲模擬試驗(yàn)與系統(tǒng)驗(yàn)證

為了測(cè)試系統(tǒng)的可行性，采用車內(nèi)噪聲測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)[4]，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。在車體中心線上(距離地板1.2m)的車體前、中、后3個(gè)位置布置噪聲傳感器測(cè)試播放的噪聲信號(hào)，處理1min的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7 噪聲測(cè)點(diǎn)圖

表1 聲壓級(jí)測(cè)試驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)典型噪聲數(shù)據(jù)的播放、測(cè)試比對(duì)，說(shuō)明該系統(tǒng)達(dá)到了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，能夠在車體前、中、后對(duì)應(yīng)位置復(fù)現(xiàn)出設(shè)定的聲壓級(jí)噪聲參數(shù)來(lái)，其誤差在可接受的范圍內(nèi)。

5 小 結(jié)

本文介紹了高速車體客室內(nèi)噪聲模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，主要包括音箱陣列布置對(duì)噪聲均勻性的影響，系統(tǒng)的總體構(gòu)成，模擬噪聲的數(shù)據(jù)生成方法和數(shù)據(jù)處理。在Labview平臺(tái)上很好地實(shí)現(xiàn)了噪聲生成算法、文件格式轉(zhuǎn)化、硬件驅(qū)動(dòng)和人機(jī)交互等功能。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，取得了令人滿意的試驗(yàn)效果。

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

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

[3]杜功煥.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1981.

[4]GB/T12816-2006 鐵道客車內(nèi)部噪聲限值及測(cè)量方法[S].

Design and Realization of Noise Simulation System in High-Speed Passenger Compartment

Jiang Liangkui, Lan Yongxia

(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd. National engineering Laboratory, Qingdao 266111, Shandong, China)

In order to study the influence of different noise levels on the riding comfort of high-speed train, the noise simulation system is designed and realized in this paper. Firstly, the sound resource arrangement is discussed and the consisting components of the noise simulation system are introduced. The data processing method based on the equivalent sound press level is analyzed and its software system is developed. The different press level noises can be simulated and played back after the simulation test of hardware and software, which can meet the requirements of noise simulation experiment.

high-speed train; noise simulation; sound field analysis; system design

2016-07-27

姜良奎(1974-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：人機(jī)工程。

U270.1+6

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.017