錢 堃，侯之超，高 陽，孫 強(qiáng)

(1.清華大學(xué) 車輛與運(yùn)載學(xué)院， 北京 100084；2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研發(fā)中心，吉林 長(zhǎng)春 130062)

國(guó)內(nèi)外高速動(dòng)車組都采用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)作為車內(nèi)噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)，它對(duì)線性聲壓級(jí)做基于40方響度曲線衰減，與人耳主觀感知相近。但當(dāng)產(chǎn)生不適的聲音時(shí)，特別是不符合均勻分布特征，如：變動(dòng)、低沉或尖銳的聲音，使用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)評(píng)價(jià)就很難與人耳主觀感知保持良好的一致性，會(huì)出現(xiàn)偏差[1]。

高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲以中低頻為主，傳統(tǒng)的線性和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)都無法客觀描述人耳的聽覺感受[2]?；谲噧?nèi)聲品質(zhì)評(píng)價(jià)在汽車工程中已廣泛應(yīng)用，而高速動(dòng)車組車內(nèi)聲品質(zhì)評(píng)價(jià)還處在探索階段。聲品質(zhì)反映人耳對(duì)聲音信號(hào)的主觀感知特性。聲品質(zhì)即一個(gè)聲音信號(hào)區(qū)別其他聲音信號(hào)的特征，聲品質(zhì)評(píng)價(jià)即通過主、客觀評(píng)價(jià)的方法對(duì)聲音信號(hào)的時(shí)域分布特征和頻域分布特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始用聲品質(zhì)心理聲學(xué)客觀參量對(duì)高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。Etiene等[4]基于Zwicker響度模型定義了響度平衡參數(shù)，對(duì)高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲進(jìn)行了聲品質(zhì)評(píng)價(jià)。低頻噪聲成分的相對(duì)貢獻(xiàn)量可以用響度平衡參量進(jìn)行有效度量，相對(duì)傳統(tǒng)A聲級(jí)，響度平衡參數(shù)與人的主觀評(píng)價(jià)一致。范蓉平等[5]根據(jù)噪聲強(qiáng)度主觀感覺的心理聲學(xué)理論，采用A計(jì)權(quán)和響度對(duì)高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究指出響度能更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲。張偉等[6]使用特征響度分析車內(nèi)噪聲，特征響度能更準(zhǔn)確地反映引起人耳響度感覺變化的頻率成分。劉巖等[7]對(duì)高速鐵路客車車內(nèi)聲品質(zhì)客觀參量與主觀評(píng)價(jià)相關(guān)性進(jìn)行分析。葉貴鑫等[8]對(duì)某高速鐵路動(dòng)車組車內(nèi)噪聲試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到車內(nèi)典型位置在不同運(yùn)行速度時(shí)各心理聲學(xué)參量的現(xiàn)狀和分布規(guī)律。張捷等[9]采用響度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)速度為350 km/h工況下的CRH系列高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析研究。毛杰等[10]提出MZSPA算法，該算法可以有效地對(duì)車內(nèi)異響進(jìn)行評(píng)價(jià)，與主觀評(píng)價(jià)相一致。張常賓等[11]對(duì)高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲進(jìn)行聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)分析方法的研究。Park等[12]結(jié)合Zwicker響度和小波變換，有效評(píng)價(jià)瞬態(tài)工況下高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲。

本文針對(duì)復(fù)興號(hào)動(dòng)車組在高速運(yùn)行時(shí)乘務(wù)室內(nèi)低沉噪聲問題，對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行測(cè)試分析，并進(jìn)行多種心理聲學(xué)評(píng)價(jià)參量的聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)。結(jié)果證明了A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)不能直接映射人對(duì)高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲主觀感知，不能作為評(píng)價(jià)高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲品質(zhì)好壞的惟一指標(biāo)。聲品質(zhì)客觀心理聲學(xué)參量能有效地對(duì)聲音的物理特性和人耳的聽覺特性進(jìn)行綜合量化，并且描述了人耳主觀感知對(duì)不同聲音品質(zhì)的反映。最后通過聲品質(zhì)主客觀評(píng)價(jià)相關(guān)分析，找到對(duì)高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲主觀評(píng)價(jià)影響較大的聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)參量，為高速動(dòng)車組車內(nèi)高品質(zhì)聲學(xué)設(shè)計(jì)提供方向。

1 聲品質(zhì)客觀心理聲學(xué)評(píng)價(jià)參量

1.1 響度

響度是描述人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的主觀感知程度的客觀參量，屬于聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)中較為關(guān)鍵的評(píng)價(jià)參量。響度值越大，聲品質(zhì)越差。響度的單位為宋(sone)，1 sone為40 dB、頻率為1 kHz的參考純音的響度。

響度與激勵(lì)的聲強(qiáng)有關(guān)，其計(jì)算式為

(1)

式中：Nx為響度；a、b為常數(shù)；I0為聲強(qiáng)基準(zhǔn)量；Ix為對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)；Nx為穩(wěn)態(tài)噪聲或1 kHz純音(x=1 kHz)的響度。以Zwicker提出的理論為基礎(chǔ)，對(duì)于穩(wěn)態(tài)噪聲，b=2/3，a=0.23，Ix/I0>106；對(duì)于1 kHz純音，b=1/16，a=0.3，Ix/I0>104。

1.2 尖銳度

尖銳度是反映聲音的高頻成分中所占比例的客觀參量，能對(duì)聲音信號(hào)的刺耳程度做出客觀反映。聲音中所包含的頻率成分對(duì)人耳主觀感知起到關(guān)鍵作用。尖銳度越高，說明高頻成分所占比例越大，聲音越刺耳，人耳感知越煩躁。

尖銳度單位為acum，1 acum定義為160 Hz帶寬、1 kHz中心頻率的60 dB窄帶噪聲的尖銳度。尖銳度的數(shù)學(xué)模型為

(2)

式中：S為尖銳度；N′(z)為臨界頻帶的特征響度；N為總響度；k為加權(quán)系數(shù)，一般取0.11；z為臨界頻帶Bark數(shù)；g(z)為不同臨界頻帶的加權(quán)函數(shù)。g(z)的表達(dá)式為

(3)

1.3 粗糙度

粗糙度為反映聲音調(diào)制幅度、調(diào)制程度和調(diào)制頻率分布特征的心理聲學(xué)參量，其單位為asper。頻率為1 kHz，聲壓級(jí)為60 dB的純音，經(jīng)70 Hz頻率和100%幅值調(diào)制時(shí)，該聲音的粗糙度為1 asper。粗糙度能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)200 Hz調(diào)制頻率以下的聲音。在音樂心理學(xué)中，平滑的聲音人耳感知和諧，相反粗糙的聲音人耳感知不和諧。

粗糙度的計(jì)算模型是由Aures最早提出得，后來Zwicker與Fastl對(duì)模型做了優(yōu)化，其計(jì)算式為[13]

(4)

式中：R為粗糙度，asper；fmod為調(diào)制頻率；ΔLE為聲音信號(hào)激勵(lì)級(jí)的變化量，ΔLE定義為

(5)

1.4 抖動(dòng)度

抖動(dòng)度是描述聲音信號(hào)的起伏強(qiáng)弱的客觀參量，反映人耳對(duì)緩慢移動(dòng)調(diào)制聲音的感知程度，其單位為vacil。經(jīng)4 Hz、100%幅度調(diào)制后的1 kHz、60 dB純音的起伏程度為l vacil。抖動(dòng)度適用于20 Hz以下低頻調(diào)制聲音信號(hào)的評(píng)價(jià)。抖動(dòng)度大的聲音相對(duì)于粗糙度大的聲音聽起來更加使人煩躁。

抖動(dòng)度常用Zwicker提出的數(shù)學(xué)計(jì)算模型[14]

(6)

式中：F為抖動(dòng)度；調(diào)制基頻f0=4 Hz。

1.5 音調(diào)度

音調(diào)度是描述純音成分在聲音信號(hào)頻譜中所占比例的客觀參量，單位為tu。若聲音具有音調(diào)特征，意味著該聲音中含有明顯的單頻成分。頻率1 kHz且聲壓級(jí)60 dB的純音信號(hào)為1 tu。音調(diào)度的計(jì)算模型基于Aures和Terhardt提出的公式進(jìn)行計(jì)算[13]

(7)

式中：T為音調(diào)度；W1(Δzi)為第i個(gè)單頻分量與臨界頻帶的差異關(guān)系；W3(ΔLi)為第i個(gè)單頻分量其聲級(jí)盈余量效應(yīng)；W2(fi)為第i個(gè)單頻分量與頻率的關(guān)系[15]。

2 車內(nèi)噪聲采集

試驗(yàn)測(cè)試車輛為時(shí)速350 km復(fù)興號(hào)動(dòng)車組，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在京滬高速鐵路上進(jìn)行，全線鋪設(shè)無縫鋼軌和無碴軌道。由于所采集的聲音樣本需準(zhǔn)確反映車內(nèi)噪聲的真實(shí)聲學(xué)特性。根據(jù)GB/T 3449—2011《聲學(xué) 軌道車輛內(nèi)部噪聲測(cè)量》[16]，車內(nèi)噪聲試驗(yàn)時(shí)，軌道附近不應(yīng)有大面積的聲反射物，如建筑物、城墻或其他類似的大型物體，車內(nèi)工作人員不能影響聲壓級(jí)的測(cè)量。A計(jì)權(quán)背景聲壓級(jí)比在此背景噪聲下測(cè)量的車輛產(chǎn)生的噪聲至少低10 dB。車輛載客恒定速度運(yùn)行，速度為350 km/h，測(cè)試時(shí)車輛所有設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。單次測(cè)試時(shí)間為30～60 s，最少不小于20 s。每種工況至少進(jìn)行3次有效測(cè)量。試驗(yàn)設(shè)備見表1。確保試驗(yàn)設(shè)備正常使用。由于乘務(wù)人員反映，乘務(wù)室異常噪聲明顯，故在乘務(wù)室以及周圍車端附近布置5個(gè)噪聲測(cè)試點(diǎn)，布置說明見表2，測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

表1 復(fù)興號(hào)動(dòng)車組車內(nèi)噪聲測(cè)試設(shè)備

表2 車內(nèi)噪聲測(cè)試點(diǎn)布置

圖1 復(fù)興號(hào)動(dòng)車組車內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 車內(nèi)噪聲特性分析

復(fù)興號(hào)動(dòng)車組以350 km/h勻速運(yùn)行時(shí)各測(cè)點(diǎn)噪聲1/3倍頻程圖見圖2，乘務(wù)室、機(jī)械室以及通過臺(tái)在低頻40 Hz處，存在顯著峰值。并且乘務(wù)室和機(jī)械室40 Hz的幅值與臨近頻帶的差值較大，約為9 dB(A)。風(fēng)擋與通過臺(tái)在中頻200 Hz處，存在顯著峰值。乘務(wù)室、機(jī)械室以及通過臺(tái)低頻占總頻帶主要成分，而通過臺(tái)和貫通道中頻占總頻帶主要成分。

圖2 勻速350 km/h工況下復(fù)興號(hào)動(dòng)車組各測(cè)點(diǎn)噪聲1/3倍頻程圖

復(fù)興號(hào)動(dòng)車組以速度350 km/h勻速運(yùn)行時(shí)各測(cè)點(diǎn)總噪聲值和40 Hz峰值對(duì)比見圖3，乘務(wù)室測(cè)點(diǎn)噪聲總值最小，為72.8 dB(A)；風(fēng)擋處測(cè)點(diǎn)噪聲總值最大，為82.4 dB(A)；機(jī)械室噪聲在中心頻率40 Hz的幅值最大，為71.3 dB(A)；其次是乘務(wù)室，為68.6 dB(A)。乘務(wù)室、機(jī)械室和通過臺(tái)的低頻40 Hz頻率成分對(duì)總頻帶貢獻(xiàn)最大。

圖3 勻速350 km/h工況下復(fù)興號(hào)動(dòng)車組車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)總噪聲值和40 Hz峰值對(duì)比

采用等級(jí)評(píng)分法對(duì)各測(cè)點(diǎn)噪聲進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，見表3。

表3 低沉度等級(jí)對(duì)照表

用低沉度指標(biāo)來進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)值越大，證明聲音主觀感知越低沉，使人感知越煩躁。勻速350 km/h工況下復(fù)興號(hào)動(dòng)車組車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)噪聲低沉度主觀評(píng)價(jià)值見圖4。由圖4可以看出，乘務(wù)室的低沉度評(píng)分值最高達(dá)到9.2，而風(fēng)擋只有5.1。雖然乘務(wù)室內(nèi)的噪聲要比風(fēng)擋處的噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)要低約9 dB(A)，但是主觀感知煩躁。評(píng)價(jià)人員主觀感知風(fēng)擋的噪聲可以接受，但是乘務(wù)室的噪聲接受不了。乘務(wù)員室異常噪聲問題，并不是噪聲大的問題，是低頻高強(qiáng)度噪聲引起的。以上充分說明A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)作為噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)存在許多不足。盡管乘務(wù)室的噪聲要比風(fēng)擋處的噪聲值低，但是乘務(wù)室以低頻噪聲為主，并且有40 Hz的純音成分。這就會(huì)使人主觀感知異常煩躁。因此為了保證結(jié)論的合理可行性，對(duì)異常噪聲進(jìn)行客觀合理性的評(píng)價(jià)，采用聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)參量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

圖4 勻速350 km/h工況下復(fù)興號(hào)動(dòng)車組車內(nèi)各測(cè)點(diǎn)噪聲低沉度主觀評(píng)價(jià)值

4 聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)分析

各測(cè)點(diǎn)聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)參量值見圖5。

圖5 各測(cè)點(diǎn)聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)參量值

(1)由圖5(a)可見，乘務(wù)室、機(jī)械室和通過臺(tái)測(cè)點(diǎn)噪聲的音調(diào)度值分別為0.351、0.349、0.264 tu，遠(yuǎn)大于貫通道以及風(fēng)檔測(cè)點(diǎn)。由圖2中可以看到，40 Hz有尖峰，這說明40 Hz純音成分占噪聲頻譜的比重大。根據(jù)音調(diào)度的定義，純音成分大的聲音使人主觀感知煩躁。

(2)由圖5(b)可見，乘務(wù)室的粗糙度值最大為1.545 asper；而風(fēng)擋處的粗糙度值最小為1.259 asper。根據(jù)粗糙度的定義，這能說明乘務(wù)室的聲音使人感覺粗糙，令人主觀感知煩躁。

(3)由圖5(c)可見，乘務(wù)室、機(jī)械室測(cè)點(diǎn)噪聲的尖銳度值分別為0.708、0.649 acum，小于貫通道、風(fēng)擋點(diǎn)和中間過道測(cè)點(diǎn)。根據(jù)尖銳度的定義，說明乘務(wù)室和機(jī)械室的噪聲低頻成分在頻譜結(jié)構(gòu)中所占比例較大，聲音感覺低沉，令人主觀感知煩躁。

(4)由圖5(d)可見，風(fēng)擋處的響度值最大，為58.97 sone；乘務(wù)室的響度值最小，為41.51 sone，兩者相差17 sone。

(5)由圖5(e)可見，貫通道的抖動(dòng)度值最大為0.892 vacil；風(fēng)擋的抖動(dòng)度值最小為0.742 vacil。各測(cè)點(diǎn)的響度和抖動(dòng)度沒有明顯的規(guī)律。

為確定對(duì)主觀評(píng)價(jià)低沉度影響較大的客觀參量，對(duì)主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析。相關(guān)分析既可以合理地判斷變量的顯著性。使用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析SPSS軟件，根據(jù)上述主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)主觀評(píng)價(jià)值低沉度與聲品質(zhì)各客觀評(píng)價(jià)參量進(jìn)行相關(guān)分析，見表4。

表4 主觀評(píng)價(jià)值低沉度與各客觀評(píng)價(jià)參量的Pearson相關(guān)系數(shù)

從表4中可以看出，音調(diào)度、A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、粗糙度和尖銳度的相關(guān)系數(shù)都在0.7以上，而抖動(dòng)度和響度的相關(guān)系數(shù)要小得多。其中音調(diào)度的相關(guān)系數(shù)最大為0.994，與主觀評(píng)價(jià)極顯著相關(guān)。這充分說明音調(diào)度這個(gè)聲品質(zhì)客觀參量對(duì)主觀評(píng)價(jià)影響最大，直接決定聲品質(zhì)的好壞。這也間接說明含有純音成分的噪聲，使人主觀感知煩躁。

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)速度為350 km/h載客運(yùn)營(yíng)條件下復(fù)興號(hào)動(dòng)車組車內(nèi)噪聲進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，經(jīng)過1/3倍頻程分析可知，異常噪聲并不是噪聲值大的問題，而是由于40 Hz單頻純音引起，這為后續(xù)車內(nèi)噪聲優(yōu)化提供方向。

(2)復(fù)興號(hào)動(dòng)車組車內(nèi)噪聲中低頻為主，雖然乘務(wù)室的A聲級(jí)要比風(fēng)擋處要低9 dB(A)，但從低沉度主觀評(píng)價(jià)值來說，人耳對(duì)風(fēng)擋的噪聲可以接受，而乘務(wù)室的噪聲不能接受，這充分說明以低頻為主，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)并不高的噪聲會(huì)使人感到異常煩躁。

(3)復(fù)興號(hào)動(dòng)車組乘務(wù)室內(nèi)噪聲值雖然比較低，但是由高強(qiáng)度40 Hz單頻純音成分，主觀感知煩躁。這說明雖然噪聲值小，但有純音成分，這就會(huì)使人主觀感知煩躁。

(4)通過主觀評(píng)價(jià)結(jié)果與客觀評(píng)價(jià)參量之間的相關(guān)分析，聲品質(zhì)客觀參量音調(diào)度的相關(guān)系數(shù)最大為0.994，與主觀評(píng)價(jià)極顯著相關(guān)，對(duì)主觀評(píng)價(jià)影響最大，直接決定車內(nèi)聲品質(zhì)的好壞。

(5)在以后高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲評(píng)價(jià)分析時(shí)，為了保證評(píng)價(jià)結(jié)論的合理可行性，不應(yīng)單獨(dú)用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)進(jìn)行噪聲評(píng)價(jià)，特別是當(dāng)噪聲的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)相對(duì)比較低，但使人主觀感知煩躁時(shí)，應(yīng)當(dāng)將聲品質(zhì)心理聲學(xué)客觀參量與之綜合評(píng)價(jià)。