高速列車客室內部噪聲舒適性評價指標的研究

□ 楊 志 □ 伍川輝 □ 靳 行

1.四川工程職業技術學院機電工程系 四川德陽 618000 2.西南交通大學機械工程學院 成都 610031 3.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 成都 610031

我國的高鐵運輸正在向高速化、安全化、舒適化方向邁進。舒適性是乘客對旅行品質的綜合評價，主要是保證人的身體健康、身心愉快、無痛苦感、無煩惱等。客室內部噪聲水平是影響旅客乘車舒適性的重要因素之一，噪聲舒適性主要源于旅客出行過程中的生理和心理感受。針對高速列車客室內部噪聲舒適性，國內外學者開展了相關研究。Letourneaux[1]對高速列車客室內部噪聲進行了聲學舒適度的主觀評價。Etienne Parizet[2]使用雙耳錄音系統對客室內部噪聲開展了主觀評價。范蓉平、孟光、孫旭等[3]基于心理聲學對客室內部噪聲進行了頻譜分析。但是對于噪聲舒適性方面還沒有形成比較統一的評價指標和評價體系，因此立足于我國國情，對客室內部噪聲舒適性進行系統研究，能夠為后續車型的結構改進、系統優化提供參考方向。

1 噪聲評價指標

常用的噪聲測試儀器，一般通過模擬人的某些聽覺特性，將不同頻率的聲壓級進行增減，從而直接顯示出人耳對噪聲的感覺數值。這種采用頻率計權網絡讀出的聲壓級，叫做計權聲級，現有的計權網絡分為A、B、C、D 4種。

A計權網絡是采用一組A計權的濾波器來補償人耳的聽力特性，用于評價聲音的感覺強度。A聲級的測量結果與人耳對噪聲的主觀感覺相近似，同人耳的損傷程度也相對應，因此國內外研究人員通常將A聲級作為評價噪聲的主要指標。

對于穩態連續噪聲，A聲級能夠較為真實地反映人耳對不同強度和頻率噪聲的主觀感覺。但是，對于隨時間變化的非穩態噪聲，A聲級就不能真實地反映人耳對不同強度和頻率噪聲的主觀感受。因此，研究人員采用等效連續A聲級來評價非穩態噪聲，其概念是：在聲場中的某一個固定位置，采用某一時間段內能量平均的方式，把間歇暴露的一組不同大小的A聲級噪聲，采用一個在相同的時間段內噪聲能量與其相同的連續且穩定的A聲級來表示這段時間內的噪聲值。等效連續A聲級能很好地反映人耳對隨時間而變化的非穩態噪聲強度與頻率的主觀感受，筆者采用等效連續A聲級[4]作為高速列車客室內部噪聲評價指標進行噪聲舒適性研究。

2 噪聲舒適性研究方法

噪聲舒適性是人對于車內噪聲水平的主觀感覺，是一個主觀量、感覺量，沒有量綱；車內噪聲則是高速列車運行時產生的客觀量、物理量，量綱為dB。噪聲舒適性適用于定性分析，而車內噪聲適用于定量分析。

問卷調查[5]是社會調查方法的一種，其目的是通過受訪者填寫統一設計的問卷的方式，解釋事物之間的聯系，評價和估計事物實施后達到的預期目標的程度。整理問卷調查的數據，分析和研究被調查事物之間的聯系，建立事物之間的關系模型，需要利用統計學知識進行研究[6]。

高速列車客室內部噪聲舒適性研究采用實驗心理學[7]的方法，以問卷調查的形式獲取有價值的數據，利用統計學知識整理分析所得數據，研究噪聲與人的聽覺舒適性之間的關系。

3 噪聲舒適性評價研究

3.1 根據研究目標合理設置調查問卷

參考振動舒適性評價分級[8]，根據高速列車運行時客室內部噪聲水平（等效連續A聲級），將噪聲舒適性評價等級分為：非常舒適、舒適、較舒適、不舒適、非常不舒適五級，設置如下調查問卷。

表1 噪聲舒適性調查問卷

高速列車不同的運行速度對應的客室內部噪聲是不同的。隨著運行速度的增大，客室內部噪聲值也隨之增大，列車從靜止（客室內設備正常運行，列車運行速度為零）到高速運行時，客室內部噪聲值在45～80 dB之間。因此，在50～86 dB設置了14組工況，利用表1問卷分組進行舒適性調查。

3.2 噪聲舒適性問卷調查試驗

在西南交通大學國家實驗室（籌）的廣義舒適度模擬試驗平臺上，以及真實運行的高速動車組上，對來自不同地區、不同年齡段、不同性別人群進行多種工況的噪聲舒適性問卷調查。

完成每組工況試驗后，參試人員根據主觀感受在表1所示調查問卷中勾選對應的舒適性等級。

3.3 統計分析問卷數據

統計每一組工況中參試人員（總人數為N）選擇非常舒適、舒適、較舒適、不舒適、非常不舒適5個舒適性等級的人數N1～N5，離散隨機變量Z1～Z5對應5個噪聲舒適性等級，計算每個舒適性等級的概率：

i=1，2，3，4，5

表2為在某工況下各舒適性等級對應離散隨機變量的概率分布。

表2 離散隨機變量概率分布

式中：E（Zi）為每個工況的噪聲舒適性數學期望值；Zi為5個舒適性等級對應的離散隨機變量賦值。

計算出每個工況的噪聲舒適性均值，并畫出散點

則有如下關系：

對5個噪聲舒適性等級對應的離散隨機變量Z賦值：X1=0，X1=1，X3=2，X4=3，X5=4，計算出每個工況的噪聲舒適性均值，其數學期望表達式[9]如下：分布，如圖1所示。

▲圖1 單項試驗噪聲舒適性值散點分布圖

從圖1中可以看出，舒適性均值與噪聲值呈曲線分布，可以用多項式回歸分析方法來建立兩者之間的關系模型。

3.4 建立噪聲舒適性值與車內噪聲值的關系模型

3.4.1 多元回歸與多項式回歸分析原理

設變量（噪聲舒適性均值）為 y，它受 x1、x2、x3、…、xm等m個自變量（客室內部噪聲值）的影響，由此建立多元回歸方程式[10]：

其中b0為常數項：

式中：SSx1～SSxm是單個自變量 x1～xm的離均差平方和的平均值）； SPx1x2～SPx1xm是兩自變量的離均差乘積和是自變量（x1…xm）與變量 y 的離均差乘積和

求解式（6），得到 b1、b2、b3、…、bm的值，將其值代入式（5）求得 b0；將所有值代入式（4），即得出回歸方程式y的解。

令：x1=x1，x2=x12，x3=x13，x4=x14，…，將多項式回歸轉變成多元回歸方程來求解。

3.4.2 采用多元回歸的方法求解回歸多項式

分別求出2階～5階多項式系數值并予以比較，見表3。

3.4.3 回歸多項式的顯著性檢驗 （臨界值Fα檢驗）和準確度（可決系數R2）測定

表4中F為統計量；Fα表示置信度α=0.05時所對應的臨界值。各回歸階數的F＞＞Fa，說明回歸多項式對應的線性關系在概率為95%的水平下顯著成立；R2接近于1，說明回歸多項式對圖1所示的數據點擬合程度越強，即準確度高。

表3 多項式因數值

表4 多元回歸顯著性檢驗與準確度測定

3.5 噪聲舒適性評價等級

選擇五項式回歸方程來描述客室內部噪聲舒適性值與噪聲值的關系，將表3中五項式的因數值代入式（4），可得：

表5 噪聲舒適性分級

以某型號高速列車為例，高速運行時客室內噪聲值在68～72 dB之間。將其值代入式（7）計算出噪聲舒適性均值為1.68～2.05，參考表5可知此時舒適性評級介于舒適與較舒適之間，偏向于舒適。由此可見，在整個旅程中，旅客乘坐高速列車的噪聲舒適性評價為舒適。

4 結束語

采用實驗心理學的方法，通過廣義舒適度模擬試驗臺上的噪聲模擬子系統，對參試人員進行問卷調查。應用統計學原理對問卷調查結果進行回歸分析，得到回歸方程組，以此來描述主觀感受與實際物理量之間的關系，并給出了噪聲舒適性評價等級，可作為設計人員結構改進、系統優化的參考指標，也可作為列車正常運行時，現場監測人員調節客室內部噪聲大小，滿足普通旅客乘車舒適性要求的參考。

[1]Letourneaux F，Guerpand S.Assessment of the Acoustical Comfort in High-speed Trains at the SNCF：Intergration of Subjective Parameters [J].Journal of Sound and Vibration，2000，231（3）：839-846.

[2]Etienne P，Nacer H，Johan J.Noise Assessment in a Highspeed Train[J].Applied Acoustics，2002，63（10）：1109-1124.

[3]范蓉平，孟光，孫旭，等.基于心理聲學響度分析的高速列車車內噪聲評價[J].振動與沖擊，2005，24（5）：46-48.

[4]張潔，林建輝，高品賢.高速鐵路振動及噪聲測試技術[M].成都：西南交通大學出版社，2010.

[5]盧小君.社會調查與統計應用[M].大連：大連理工大學出版社，2011.

[6]風笑天.現代社會調查方法[M].武漢：華中科技大學出版社，2014.

[7]楊雯.汽車聲品質主觀評價與分析方法研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

[8]俞展猷.鐵道車輛舒適性評價方法的發展與研究現狀[J].鐵道車輛，2004，42（3）：1-7.

[9]朱麗梅，姜永，黃雪，等.概率論與數理統計[M].北京：國防工業出版社，2014.

[10]孫亮，杜煥銅.使用Excel進行回歸分析及其在煤質檢驗中的應用[J].煤質技術，2009（S1）：21-22.