田朋溢，高 攀，陳 彪，蔣成成，董孝卿

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081）

近年來我國高速列車迅速發(fā)展，高鐵已成為人們出行最主要的交通工具之一。隨著鐵路運營速度的不斷提高，噪聲問題變得越來越突出。高鐵列車車內(nèi)噪聲與人們的乘坐舒適度體驗以及乘務(wù)人員的工作環(huán)境密切相關(guān)［1］，因此越來越受到人們的重視。

高速動車組噪聲來源復(fù)雜，影響因素眾多，主要包括輪軌噪聲、空氣動力噪聲以及設(shè)備噪聲幾部分［2］。這些噪聲源在車體周圍形成不均勻聲場，一方面通過車體、門窗等部位的縫隙傳入車內(nèi)，另一方面通過車體結(jié)構(gòu)的振動向車內(nèi)輻射噪聲。列車車內(nèi)噪聲受到車體結(jié)構(gòu)、材料、內(nèi)飾以及空調(diào)等車內(nèi)設(shè)備的共同影響，模態(tài)密度高，頻率范圍寬，使得其研究及控制變得越發(fā)復(fù)雜。試驗研究方面，主要采用噪聲源識別、傳遞路徑分析等方法，對車輛噪聲源及傳遞路徑進行識別分析，針對聲源位置或隔聲薄弱部位進行針對性優(yōu)化［3］。但該試驗研究方式存在人員設(shè)備消耗大，耗時長等問題，因此，人們展開了諸多應(yīng)用仿真分析方法對車內(nèi)噪聲進行正向優(yōu)化設(shè)計的研究［4-5］。目前，對于高速列車噪聲的仿真研究主要分為確定性方法和非確定性方法兩類。其中，確定性方法主要針對系統(tǒng)組成較為簡單，結(jié)構(gòu)物理參數(shù)和邊界條件易于確定的場景，主要包括有限元法（FEM）和邊界元法（BEM）［6-7］。而非確定性方法則主要針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)和邊界條件存在一定程度隨機性的場景，主流的方法為統(tǒng)計能量分析法（SEA）［8-9］。

由于車內(nèi)噪聲主要影響乘坐舒適度，因此最根本的評價指標(biāo)應(yīng)為人體的主觀感受。人耳對聲音的感知是非線性的，聽覺的主觀感受受到聲音的響度、音高、音色等多特征的影響。為了建立客觀的評價指標(biāo)對人體主觀感受進行描述，聲品質(zhì)（Sound Quality）的概念因此產(chǎn)生。國內(nèi)外從心理聲學(xué)角度對于火車和汽車車內(nèi)聲品質(zhì)評價展開了大量研究［10-11］，為提高車內(nèi)聲學(xué)環(huán)境提供了依據(jù)。

對于高速列車車內(nèi)噪聲雖然有上述不同方向的研究，但由于車輛型號眾多，運用環(huán)境各異，高速列車噪聲問題多樣化。實際運用場景中，應(yīng)根據(jù)出現(xiàn)的具體噪聲問題，選擇合適的研究方案，進行針對性的研究并制定解決方案。

我國某型號動車組在運行過程中收到反饋，列車乘務(wù)員室內(nèi)噪聲異常，聲音低沉，人置身其中耳膜壓迫感嚴(yán)重，主觀感知煩躁，嚴(yán)重影響了列車乘務(wù)人員的身心健康。針對上述問題，文中對乘務(wù)員室的異常噪聲現(xiàn)象展開了試驗研究，對聲品質(zhì)進行了分析，同時在測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對乘務(wù)員室內(nèi)聲場進行了仿真研究。

1 試驗方法

在動車組乘務(wù)員室、機械師室內(nèi)外相關(guān)位置分別布置聲學(xué)傳聲器及加速度傳感器，對列車恒速運行過程中乘務(wù)員室噪聲及振動進行測試。測試速度范圍為240～385 km/h。噪聲及振動測點布置詳見表1、表2。

表1 噪聲測點布置說明

表2 乘務(wù)員室內(nèi)振動測點布置說明

2 乘務(wù)員室噪聲特性試驗研究

動車組以350 km/h 恒速運行時不同測點噪聲1/3 倍頻程譜如圖1 所示。由圖1（a）可看出，乘務(wù)員室和機械師室中央位置噪聲均在40 Hz 附近出現(xiàn)顯著峰值，而乘務(wù)員室外走廊則無該峰值頻率出現(xiàn)。圖1（b）所示結(jié)果表明，乘務(wù)員室中央不同高度測點噪聲均存在40 Hz 附近峰值頻率，且該頻段聲壓級隨高度的增加而降低，頂部峰值聲壓級小于底部。根據(jù)上述測試結(jié)果，乘務(wù)員室和機械師室內(nèi)部噪聲40 Hz 附近的低頻噪聲是造成乘務(wù)人員主觀煩躁的原因。

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圖1 不同測點噪聲1/3 倍頻程譜

對不同運行速度下，乘務(wù)員室中部各測點噪聲A 計權(quán)總聲壓級和40 Hz 附近的聲壓級峰值分別進行計算，結(jié)果如圖2 所示。可以看出，隨著運行速度的增大，乘務(wù)員室中部各測點總聲壓級呈線性增大趨勢。當(dāng)速度低于300 km/h 時，40 Hz 附近聲壓級峰值隨速度增加而線性增大，而速度高于300 km/h 時，40 Hz 附近聲壓級峰值則隨速度的增加而基本穩(wěn)定不變。

圖2 乘務(wù)員室中部測點總聲壓級和40 Hz 附近聲壓級峰值隨運行速度的變化

為了進一步評價乘務(wù)員室噪聲帶給人體的主觀感受，文中對所測噪聲進行了聲品質(zhì)（Sound Quality）分析。聲品質(zhì)參數(shù)主要有響度、尖銳度、粗糙度、抖動度、音調(diào)度等［12］，不同的參數(shù)反映不同的心理聲學(xué)特征。其中，粗糙度（Roughness）是用來描述人們對聲音瞬時變化的感受，與聲音的調(diào)制頻率、調(diào)制比等有關(guān)。粗糙度越大，人主觀感覺越煩躁。尖銳度（Sharpness）是描述聲音中高頻成分所占比例的物理參數(shù)，用來衡量聲音的尖銳或是沉悶。尖銳度越大聲音越尖銳，反之，聲音越沉悶。

根據(jù)圖2 所示結(jié)果，當(dāng)列車以300 km/h 速度運行時，40 Hz 附近聲壓級峰值在總聲壓級中所占比重最高，因此對列車以300 km/h 恒速運行的工況進行聲品質(zhì)分析，分別計算各個噪聲測點的粗糙度和尖銳度，結(jié)果如圖3 所示?？梢钥闯觯藙?wù)員室和機械師室中央測點，噪聲的粗糙度明顯高于乘務(wù)員室外走廊、風(fēng)擋中央過道以及后端墻通過臺，而噪聲的尖銳度則顯著低于這3 個位置。該結(jié)果充分說明乘務(wù)員室和機械師室的噪聲低頻成分在整體頻譜中所占比例較大，聲音聽起來較為低沉，使人主觀感覺煩躁。

圖3 不同測點噪聲粗糙度和尖銳度

3 乘務(wù)員室振動特性試驗研究

為了進一步分析乘務(wù)員室異常噪聲的產(chǎn)生機理，分別對乘務(wù)員室前面板、后端墻、窗、門、頂板及地板幾處不同部位的振動加速度進行了試驗測試。同樣以列車在300 km/h 恒速運行工況為例，對各測點振動加速度進行分析，結(jié)果如圖4 所示?？梢钥闯?，乘務(wù)員室前面板、后端墻、門、頂板均在40 Hz 附近存在顯著峰值，乘務(wù)員室窗振動加速度雖然也存在40 Hz 左右峰值，但不是主要成分，而地板則未見40 Hz 峰值。該結(jié)果表明，40 Hz 左右的頻率激勵與車下懸掛系統(tǒng)尤其是轉(zhuǎn)向架區(qū)域的振動無關(guān)，考慮乘務(wù)員室內(nèi)異常噪聲主要是由前面板、后端墻、門和頂板振動導(dǎo)致的。

圖4 乘務(wù)員室不同測點振動加速度頻譜

對乘務(wù)員室前面板、后端墻、門和頂板振動加速度在40 Hz 附近的峰值進行分析，其隨列車運行速度的變化如圖5 所示。結(jié)果顯示，乘務(wù)員室門在40 Hz 附近的振動加速度峰值隨列車運行速度的增加近似呈線性增加，而前面板、后端墻及頂板在40 Hz 附近的振動加速度峰值則與圖2 所示噪聲在該頻率附近的峰值呈現(xiàn)較一致的變化規(guī)律：當(dāng)速度低于300 km/h 時，加速度峰值隨速度增加而線性增大，而速度高于300 km/h 時，加速度峰值則隨速度的增加而基本穩(wěn)定不變，甚至有輕微下降的趨勢。該結(jié)果進一步說明乘務(wù)員室內(nèi)異常低頻噪聲與其側(cè)墻及頂板的結(jié)構(gòu)振動密切相關(guān)。

圖5 乘務(wù)員室不同測點振動加速度40 Hz 附近峰值隨運行速度的變化

4 乘務(wù)員室噪聲仿真

為了進一步驗證乘務(wù)員室異常噪聲的產(chǎn)生機理，對乘務(wù)員室聲學(xué)模態(tài)及振動環(huán)境下的聲場分布進行了仿真計算。

依據(jù)乘務(wù)員室尺寸，建立聲腔模型，如圖6 所示。使用Hypermesh 軟件對該聲腔模型進行聲學(xué)有限元網(wǎng)格劃分，之后使用Virtual lab 軟件求解其聲學(xué)模態(tài)。前10 階聲學(xué)模態(tài)頻率見表3。由計算結(jié)果可以看出，乘務(wù)員室內(nèi)聲腔并沒有40 Hz 附近的聲學(xué)模態(tài)，說明該異常噪聲與其聲學(xué)固有頻率無關(guān)。

圖6 乘務(wù)員室聲腔模型

表3 乘務(wù)員室聲腔聲學(xué)模態(tài)

為評估乘務(wù)員室周圍結(jié)構(gòu)振動對內(nèi)部噪聲的影響，將試驗測得的乘務(wù)員室前面板、后端墻、窗、門、頂板及地板振動加速度數(shù)據(jù)作為激勵，使用有限元方法（FEM）計算該激勵下乘務(wù)員室內(nèi)聲場分布。300 km/h 和350 km/h 2 個速度級下，乘務(wù)員室中部1.2 m 位置測點噪聲仿真計算聲壓級頻譜與實測聲壓級頻譜對比結(jié)果如圖7 所示?？梢钥闯?，當(dāng)只有振動加速度作為激勵時，乘務(wù)員室中心位置噪聲仿真結(jié)果與實測結(jié)果A 計權(quán)聲壓級頻譜變化趨勢相吻合，而聲壓級數(shù)值相差約40～50 dB，與實測背景噪聲聲壓級一致。由仿真曲線看出，在周圍壁面結(jié)構(gòu)振動的激勵下，乘務(wù)員室中部噪聲在40 Hz 附近出現(xiàn)凸起的峰值。而85、134、153、169、174 Hz 幾個頻率點出現(xiàn)峰值則是由于其聲學(xué)模態(tài)的激發(fā)。對應(yīng)噪聲實測結(jié)果也可以看出，在某些聲學(xué)模態(tài)頻率點出現(xiàn)了小的峰值。

圖7 300 km/h 和350 km/h 速度下乘務(wù)員室中部1.2 m 測點噪聲實測與仿真頻譜對比

5 結(jié)論與展望

對高速動車組乘務(wù)員室相關(guān)位置噪聲進行了試驗測試，結(jié)果表明乘務(wù)員室內(nèi)部噪聲在40 Hz 附近出現(xiàn)峰值，通過聲品質(zhì)分析，該頻率特征是導(dǎo)致乘務(wù)人員耳膜受壓迫、主觀感知煩躁的主要原因。對乘務(wù)員室前面板、后端墻、窗、門、頂板及地板進行了振動加速度測試，結(jié)果表明，前面板、后端墻、門和頂板振動加速度在40 Hz 附近均存在顯著峰值，且前面板、后端墻和頂板加速度在40 Hz 附近峰值隨速度的變化規(guī)律與噪聲一致。結(jié)合聲學(xué)有限元仿真計算結(jié)果，乘務(wù)員室40 Hz 附近異常低頻噪聲主要是由于前面板、后端墻、門及頂板的結(jié)構(gòu)振動所致，與車下轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動無關(guān)。在今后的應(yīng)用過程中，應(yīng)重點考慮乘務(wù)員室壁板的減振措施，以降低低頻異常噪聲。