高速動車組廣義舒適度關鍵技術分析

吳新紅

(中國鐵路總公司安全監督管理局， 100844， 北京//高級工程師)

高鐵已經成為旅客出行需求的最為重要的選項。高鐵的大運量、高速度以及高頻次等特點，特別適合我國目前的發展現狀。隨著旅客對高鐵的接受度的不斷提高，旅客的出行需求，已從之前的“簡單的出行需求”提升到目前的“安全、舒適、便捷的出行需求”，特別是對舒適性的需求，提出了更高的要求。本文旨在通過對廣義舒適度概念的分解，分析相關因素在高鐵上的應用現狀和以后需要重點解決的問題，同時結合該領域的主要發展趨勢和方向進行了闡述。

1 廣義舒適度

目前國際上對廣義舒適度(或乘坐舒適度、舒適性等)尚無官方的定義，但是普遍認為應包括振動、噪聲、溫度、壓力、濕度、照度、內裝的美工學和人機工程學等7個方面。由此可以看出，廣義舒適度的主要研究內容涵蓋了旅客在乘坐列車時的生理感受和心理感受。廣義舒適度的研究主旨，是通過對以上7方面因素的研究，從旅客的生理和心理上著手解決人-車之間的耦合關系[1-2]。

2 主要研究方式

目前，國內外對于高速列車廣義舒適度的研究主要采用理論研究和試驗測試的方法。通過理論研究分析各因素的約束條件，通過試驗測試掌握現在列車的實際舒適度水平，然后結合理論研究成果和分析測試結果對列車進行技術優化和升級，再通過試驗測試進行驗證。因此，廣義的舒適度研究方式，就是通過理論分析和試驗測試相結合的方式不斷優化和完善高速列車相關因素指標，如圖1所示。

圖1 高速列車廣義舒適度研究方式

3 主要研究內容

3.1 噪聲

對于高速列車噪聲，國內外開展了大量的研究和測試工作，本文僅引用部分測試數據進行分析。

3.1.1 基本思路

高速列車噪聲問題研究思路如圖2所示。高速列車噪聲問題主要體現在車外噪聲和車內噪聲2個方面[3]。

圖2 高速列車噪聲研究思路

高速列車車外噪聲主要是對高速鐵路沿線環境造成污染，而車內噪聲則主要影響車內司乘人員的乘坐舒適性。持續不斷的高強度噪聲會給人體帶來壓力感、疲勞感，甚至造成神經、聽力損傷等不可挽回的后果。過高的車內噪聲，會損害駕駛員的聽力，使駕駛員迅速疲勞，對列車行駛安全性構成極大的威脅。而且振動噪聲能夠引起列車某些部件的早期疲勞損壞，從而降低列車的使用壽命，并在一定程度上制約高鐵的發展。同時，隨著人民生活水平的不斷提高，乘客對乘坐舒適性也提出了更高的要求，車內噪聲問題將會直接影響高鐵在運輸行業的競爭力。

對高速列車噪聲問題的研究，首要任務是了解高速列車噪聲的聲源分布、源強大小及其頻譜特性，并結合高速列車結構、動力學和聲學特性，明確各聲源的產生和傳播機理。高速列車車外噪聲主要包括輪軌噪聲、氣動噪聲、弓網噪聲和高架結構二次輻射噪聲4大類，而高速列車車內聲場環境非常復雜，聲源眾多，大致可分為直達聲、透射聲和振動輻射聲3種類型，如圖3所示。

直達聲從噪聲源發出，以空氣為媒介，從車窗、車門的縫隙和排風口等途徑直接傳播到車內。透射聲是指客室外的各種聲源，先經空氣介質傳播，繼而透過車體材料傳到車內。振動輻射聲為各種振動激勵源通過車體結構將振動能量傳遞至車廂，進而激發車廂結構振動，產生聲輻射。由于直達聲和透射聲都是通過空氣傳播，而振動輻射聲是通過結構傳播，因而高速列車車內噪聲來源可歸納為空氣傳播聲和結構傳播聲2種。

圖3 高速列車車內噪聲聲源分布

輪軌噪聲、弓網噪聲、氣動噪聲和輔助設備噪聲等高速列車車外噪聲主要來源也都是其車內噪聲主要來源。而且，這些聲源大多數既可以通過空氣傳播途徑，也可通過結構傳播途徑對車內噪聲產生影響。不同的車體結構，車體聲學性能特性不同，這些聲源對車內噪聲的貢獻是不一樣的。

學者趙稀方在《小說香港》一書中說到：“香港原是個政治冷漠的地方，在文化身份上任由英國與中國的國族敘事加以構造，但自八十年代初中英談判開始后，香港現有的殖民地身份的消失，忽然喚醒了港人的本土文化意識……于是有了大量的對于香港文化身份的討論。”

3.1.2 測試結果和分析

某型號高速動車組的2等車的測點位置如圖4所示，圓點表示測試位置，每個位置有2個傳聲器測點，分別位于距地板1.2 m和1.6 m高處。列車試驗速度為勻速350 km/h。測試結果如表1所示。

圖4 測點位置示意圖

序號測點位置聲壓級/dBA客室前端距地板1.2 m高75.9距地板1.6 m高75.8客室中部距地板1.2 m高69.3距地板1.6 m高69.0客室后端距地板1.2 m高75.8距地板1.6 m高76.6

圖5是客室前端距地板1.2 m高處測點的噪聲特性。

從圖5 a)可以看出，列車在加速過程中，隨著速度增大，車內噪聲水平增大，但聲壓級有很大波動(特別是在150～300 s時間區段)，且出現聲壓級最大值。說明在加速過程中，列車轉向架區域狀態變化劇烈。列車勻速運行過程中聲壓級變化比較平緩。減速運行過程中，聲壓級隨著速度降低而減小，同時曲線也有一些毛刺。

a) 測點聲壓級

b) 測點加速過程時頻特性

從5 b)加速和圖5 c)減速過程時頻特性圖可以看出，加速過程時頻特性呈拋物線趨勢，而在減速過程中，時頻特性具有線性趨勢。另外，在加速過程時頻特性圖中，沿著坐標軸存在間斷的橫向亮帶，說明在加速過程中，車體結構的共振峰值會在某一速度下被激發出來，但是對于此現象的產生機理和控制措施需要進一步研究。

圖6是客室中部距地板1.2 m高處測點噪聲特性。

a) 測點聲壓級

b) 測點加速過程時頻特性

c) 測點減速過程時頻特性

從圖6 a)可以看出，列車在加速、減速過程中總聲壓級同樣有波動，但小于客室前端的波動水平。在勻速過程中，聲壓級總體較為平穩，但在700 s附近出現了聲壓級峰值，這可能與現場測試條件有關，現場無法控制其他測試單位的人為突發噪聲。

圖7是客室后端距地板1.2 m高處測點噪聲特性。

a) 測點聲壓級

b) 測點加速過程時頻特性

c) 測點減速過程時頻特性

從圖7 a)可以看出，列車在加速、減速過程中總聲壓級同樣有波動，但小于客室前端波動水平，大于客室中部波動水平。加速、減速過程時頻特性相類似。

列車車廂間連接聲源識別是在1/3倍頻程下160 Hz中心頻率線性計權的結果。最大聲源點位于靠近車頂板位置，這可能主要來自車輛外部噪聲經風擋、車頂板或地板透射進入車內。同時在風擋左下部與地板連接區域有較大聲源點，這可能是由于該連接位置存在安裝縫隙，車下噪聲經風擋與車體的連接縫隙泄露進車內引起的。另外，車下噪聲會透過地板形成透射聲源。

圖8 列車車廂間連接聲源識別聲壓云圖

通過以上測試和分析，可以得出以下結論：

(1) 高速列車在一次起動加速、勻速運行到制動停止過程中，車廂內噪聲總聲壓級有不同程度的波動，加速過程中最大，減速過程次之，勻速過程較為平緩。加速過程時頻特性呈拋物線趨勢，而在減速過程中，時頻特性呈線性趨勢。

(2) 客室后端主要噪聲源位于內端門區域，這主要是車門方向的傳播噪聲，包括內端門和電器柜連接區域形成的局部噪聲源，頂板、電器柜及其與地板連接位置是較大聲源處。

3.2 振動

在進行動力學試驗時，通常會對列車的主要部位進行振動測試，包括：

(1) 在軸箱上方的構架上安裝橫向加速度計，測量構架橫向加速度。

(2) 在車體地板面上安裝加速度計，測量車體橫向和垂向加速度。

通過研究高速列車的振動特征及作用機理，分析高速列車振動的主要頻率成分和人體的敏感頻率，為高速列車減振設計提供科學指導，有效提高列車運行的平穩性。可以通過振動試驗測試，開展振動模態分析和振動信號分析，掌握高速動車組關鍵系統和部件的振動情況和模態，進而在主要及敏感振動源處進行結構的優化設計，降低列車的振動指標，提升列車乘坐的舒適性。圖9為研究振動的技術路線圖。

3.3 氣壓

在進行空氣動力學研究時，通常會測試高速動車組的車內壓力差變化，目前僅在標準上對合格與否進行了規定，但是在舒適性上沒有明確規定[4]。

圖9 振動研究的技術路線圖

廣義舒適度研究針對高速列車通過隧道時乘客出現的耳脹、耳鳴、耳痛現象，通過線路試驗及仿真手段，了解車內氣壓特征以及作用機理，制訂合理的風機和風道控制策略，提升高速列車乘坐時的氣壓環境舒適性。氣壓研究的技術路線如圖10所示。

圖10 氣壓研究技術路線圖

通過試驗測試的方法，測試車內和車外氣壓變化，評估風機風速、氣密間隙對壓力變化的影響，優化風機保護控制、風機風道預測控制和車體氣密性控制策略，降低因氣壓劇烈變化引起的人耳不適感。

3.4 溫度、濕度和照度

與氣壓變化領域的測試方法和評判標準相類似，在進行空調系統制冷、采暖運行試驗和照度試驗時，同樣對溫度、濕度和照度進行了測試，但是也僅僅在合格與否方面進行了規定，未結合旅客的舒適與否進行評判[5]。

3.5 其他因素

在進行廣義舒適度研究時，也需要對動車組內飾和空間部件的美學設計和人機工程技術進行研究，從心理因素影響對旅客的舒適度進行評判。

4 廣義舒適度指標分配

在確定噪聲、振動、氣壓變化、溫度、濕度和照度，以及人機工程和內飾美學設計的主要研究目的、內容和方法后，需要將以上諸多因素的權重進行分配，這部分為廣義舒適度研究的重點和難點。

目前國際上尚無相關標準、規范等可供執行和參考，國內外的科研工作者都在通過大量的試驗測試和仿真分析進行相關探索研究工作[6]。

(1) 建立廣義舒適度數學模型。通過既有列車的設計資料和運行數據，建立廣義舒適度數學模型，特別是建立噪聲、振動、壓力、溫度、濕度和照度與運行速度、運行區間、運行時間、不同乘客對象等時變因素之間的耦合矩陣圖，然后利用仿真分析方法分析各因素與旅客生理和心理因素之間的關心，摸索其中的規律。

(2) 試驗臺測試和正線運行測試。通過在試驗臺(架)上和正線時的測試，掌握列車的物理量數據，摸索列車相關物理量與運行線路、運行時間等外界條件之間的關系。

(3) 問卷調查與分析。通過問卷調查、走訪和其他交互形式，掌握和分析旅客和司乘人員的心理和生理感受變化趨勢，掌握相關舒適性評價因素。

(4) 對列車、測試技術和評價指標進行優化升級和補充，不斷完善廣義舒適度評價體系，提升高速動車組的整體性能。

通過建立廣義舒適度的數學模型，明確廣義舒適度各參數之間的相互關系，完成指標參數的權重動態分配和配比，可實現廣義舒適度技術的動態和最優控制。

5 結論

影響高速列車廣義舒適度的因素分為物理因素、生理因素和心理因素。物理因素包括振動、噪聲、空氣壓力、溫度、濕度和照度等。在列車高速行駛時，這些物理量通過對乘客生理和心理的刺激，使得乘客對列車乘坐舒適度有著不同的感受。影響廣義舒適度的因素比較復雜，因此獲取影響廣義舒適度單因素與乘客舒適度主觀評價的信息，是判斷現有高速列車振動、噪聲、空氣壓力等指標是否滿足乘客舒適需求的重要依據。可以在現有基礎上完善試驗測試方法，并以此為依據不斷優化數學模型，進而將各因素在整個舒適度評價體系的權重值進行優化。總體來說，廣義舒適度是近年來新興的技術，還需要在工作中不斷的進行完善。

[1] 鄧勇韜．基于模擬試驗臺的高速列車廣義舒適度評價方法研究[D]．成都：西南交通大學，2014．

[2] 陳樣，高速鐵路客車乘坐舒適度綜合評價模型研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[3] 劉璐,林建輝,張麗梅.高速列車振動舒適度測試方法研究[J].交通運輸工程與信息，2012(3)：31.

[4] 亓立敏.基于聲強法的高速列車車內噪聲源識別技術研究[D].成都：西南交通大學，2010.

[5] 蘇燕辰,張瑞萍,林菲菲.高速列車車內照度舒適性數學模型的研究[J]．中國測試,2013,(S2)：1.

[6] 亓立敏， 林建輝.基于心率變異性的高速列車客室噪聲舒適度研究[J]．佳木斯大學學報( 自然科學版), 2013(5)：673.