彈性扣件對列車車內噪聲聲品質的影響

謝鎣松，李 莉，鞠龍華，王安斌

（1.上海工程技術大學 城市軌道交通學院，上海201620；2.同濟大學 城市鐵道與軌道交通研究院，上海201804）

城市軌道交通是城市公共交通的主干線，具有速度快、運量大、污染小、效率高等特點。

但隨著人們環保意識的提升，軌道車輛所暴露的振動噪聲問題日益受到人們的重視。在車外噪聲對環境造成不良影響的同時，車內噪聲也對駕駛員和乘客產生了很多負面影響[1-3]。車內噪聲是影響駕乘人員舒適性、聽覺損害程度、語言清晰度以及辨識車外各種聲音信號能力的重要因素[2]。

目前改善車內噪聲的思路主要是在滿足現行噪聲標準和法規要求的基礎上降低A 聲級測量值，雖然這種方法在一定程度上減小了車內噪聲對人的影響，但由于車內噪聲中的中、低頻成分占主導地位，而A 計權網絡對500 Hz以下的頻率成分衰減較大，導致車內噪聲的A聲級不能很好地反映車內噪聲的實際情況[3]。同時由于頻譜結構的差異，即使具有相同A 聲級的噪聲，其所引起的主觀聽覺感受也不一定相同。所以，單純達到A 聲級指標并不能完全滿足車內聽覺舒適性的要求。在汽車車內聲品質研究領域，許多學者都已經進行了深入的研究，但對于軌道車輛車內聲品質，國內外的相關研究主要集中在高速列車上[1-5]。

本文以城市軌道交通列車車內噪聲為研究對象，分別測得不同車速下在彈性扣件地段和普通扣件地段車內不同位置的噪聲信號，利用聲壓級和響度、尖銳度、粗糙度、抖動度、煩擾度、語言清晰度指數6個心理聲學指標共同對車內噪聲進行聲品質客觀評價。通過對比分析彈性扣件和普通扣件地段列車聲品質，研究彈性扣件對車內聲品質的影響，結果可作為選擇性控制車內噪聲的依據，也是實現車內噪聲改善和提高車內聲品質的有效手段。

1 聲品質客觀評價參數

聲品質客觀評價就是利用客觀的、可測量的物理量對聲品質進行衡量和描述，從而使得聲品質得以量化的過程，一般情況下是用心理聲學相關參數值作為客觀評價參量[6]。描述與噪聲特性有關的聲音品質屬性有以下參量：愉悅度、活躍度、明亮度、力度、響度、粗糙度、音調、轟隆聲、敲擊聲、嗡鳴聲、脈沖度、平穩度、尖銳度、抖動度等。

由于國內在這方面的工作開展不多，受到評價人員對某些參量理解的限制即評價經驗的缺乏，不宜對所有這些評價量都進行評價，而且有些參量之間有較高的相關性，如明亮度和高音音調，敲擊聲和脈沖度等。因此本文使用響度、尖銳度、粗糙度、抖動度、煩擾度和語言干擾級這6 個常用的心理聲學參量對聲品質進行客觀評價，其中響度為最基本的指標，也是其他指標的計算基礎。

1.1 響度

響度是基于人耳對聲音頻譜掩蔽特性的反映人耳對聲音強弱感知程度的心理聲學參數。響度能夠比A聲級更加準確地反映出人耳所感受到聲音信號的響亮程度，一般來說，如果聲音響度值越大，對人造成的煩惱程度應該越嚴重，聲品質就越差，但響度并不是聲品質的唯一決定標準。

響度符號是N，單位是sone，定義1 kHz、40 dB純音的響度為1 sone[6]。

聲品質的眾多指標中，目前只有響度有標準化的計算方法。本文中的穩態噪聲響度的計算，按國際標準ISO532規定的Zwicker方法，使用1/3倍頻帶作為基礎數據，引入臨界頻帶對人耳的掩蔽效應作修正，可以給出分辨率為0.1 Bark的響度譜曲線，該曲線的橫坐標為臨界頻帶Z（Bark），縱坐標為響度在頻帶內的分布密度N′(sone/Bark)，最終給出的總響度N(sone)為響度譜的積分。Zwicker 方法的N′(sone/Bark)數學計算表達式如下

式(1)中：LE為修正分貝值，e1=0.25，常數K1取0.063 5，LHS為靜域值。

1.2 尖銳度

尖銳度指標描述了聲音品質評價中的音色特征，是表示高頻成分在聲信號頻譜中所占比例大小的參數，它反映了聲信號的刺耳程度[6]。

人耳對高頻聲音比較敏感，因此尖銳度對聲音的舒適程度影響很大，一般來說，聲信號高頻成分在頻譜結構中所占比例越大，高頻響度越大，尖銳度值也越大，給人的感覺就越刺耳，噪聲品質越差。

尖銳度符號是S，單位是acum，規定中心頻率為1 kHz、帶寬為160 Hz的60 dB窄帶噪聲的尖銳度為1 acum[6]。

尖銳度目前沒有標準化的計算方法，本文采用Bismark 提出并且由Zwicker 修正后的模型[6]，計算公式如下

式（2）中：g(z)為強調聲音處在較高特征頻帶時的加權函數。

1.3 粗糙度和抖動度

粗糙度和抖動度都是描述聲音信號變化快慢的物理量，噪聲信號的瞬時變化能導致兩種不同的感覺，低頻變化時產生起伏感，高頻變化時產生粗糙感。

在聲品質的客觀評價中，粗糙度和抖動度沒有響度和尖銳度那么大的權重，但其也在一定程度上表示了噪聲帶給人的主觀感受。粗糙度、抖動度越大，聲品質越差，反之則越好。

粗糙度符號為R，單位是asper，定義60 dB 的1 kHz 純音在調制頻率為70 Hz 的100 %調幅作用下產生的粗糙度為1 asper。粗糙度適用于評價20 Hz～200 Hz 調制頻率的聲信號，特別對70 Hz 調制頻率附近的聲音有很突出的評價效果。

抖動度的符號為F，單位是vacil，定義60 dB 的1 kHz 純音在調制頻率為4 Hz 的100%調幅作用下產生的抖動度為l vacil。抖動度適用于評價20 Hz以下低頻調制的聲信號，它反映了人耳主觀感受到的聲音的響亮起伏程度[6]。

粗糙度和抖動度同樣沒有被標準化的計算方法，本文采用的計算公式如下

式（3）和式（4）中，dL(Z)表示單位為dB 的調制深度，fmod為調制頻率。

1.4 煩擾度和語言干擾級

煩惱度描述了人對聲音的厭煩程度，綜合考慮了響度、尖銳度、粗糙度和抖動度對主觀感覺的影響，更接近于實際人的感覺。由于尖銳度、粗糙度和抖動度都是以響度為計算基礎的，煩擾度值從根本上也與響度的兩個參數頻率與聲壓級有關。

煩惱度符號為PA，本身為無量綱系數，可使用au表示單位，本文中由下面的表達式來計算[7]

式(5)、式(6)和式(7)中，N是以sone 為單位的累計百分比響度、S表示尖銳度、R表示粗糙度、F表示抖動度。

語言干擾級（LSI，Speech Interference Level）是白瑞納克于1947年提出的評價噪聲對語言清晰度影響的參量，表示噪聲對語言通訊的干擾程度。語言干擾級作為清晰度指數的一個簡化代用量，之前主要用于飛機客艙評價[8]。

研究表明250 Hz～7 000 Hz之內的噪聲才會對語言清晰度有影響，語言干擾級使用中心頻率500 Hz到4 000 Hz的倍頻程聲壓級平均值來計算，可反映滿意可懂度（可懂度不低于95%）的正常交談的最大距離，表1為兩者的關系。

語言干擾級（LSI）在30 dB 以下的噪聲對正常交談的影響可以忽略不計，LSI在60 dB的噪聲對低聲談話有影響，但是LSI 在85 dB 以上的噪聲，嚴重影響正常談話，即使高聲交談也幾乎聽不清楚，此時佩戴耳塞可以降低語音聲和噪聲以得到較高的語音可懂度。

表1 語言干擾級與正常交談最大距離的關系

2 現場測試過程

本次測試車輛為軌道交通A 型車，一動一拖兩節編組。在彈性扣件地段和普通扣件地段，對車內噪聲進行對比測量試驗，線路為直線段平坡軌道，測試線路上除了扣件有不同，其他軌道結構一致。彈性扣件的動剛度在疲勞試驗前約為10 kN/mm～15 kN/mm，300 萬疲勞試驗后約為15 kN/mm～18 kN/mm；普通扣件的動剛度在疲勞試驗前約為30 kN/mm～35 kN/mm，300 萬疲勞試驗后約為35 kN/mm～40 kN/mm。

車內噪聲采集是聲品質客觀評價的基礎，測試過程依據《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》（GB14892-2006）制定噪聲采集的方案和流程。噪聲測點的布置如圖1所示。

圖1 噪聲測點布置圖

噪聲測點1-貫通道中央1.6 m(車體結構薄弱位置)；

噪聲測點2-轉向架上方1.2 m(車內主要噪聲源)；

噪聲測點3-轉向架上方1.6 m(車內主要噪聲源)；

噪聲測點4-車體中央1.2 m（GB14892-2006）；

噪聲測點5-車體中央1.6 m（GB14892-2006）；

噪聲測點6-端部車門中線與車體縱向中線交點1.2 m(車體結構薄弱位置)；

噪聲測點7-端部車門中線與車體縱向中線交點1.6 m(車體結構薄弱位置)；

噪聲測點8-司機室中央1.2 m（GB14892-2006）。

測試中采用的聲壓傳感器為丹麥BK4189（靈敏度50 mV/Pa，頻率范圍6.3 Hz～20 kHz，動態范圍14.6 dB～146 dB），采集儀為東方所INV3060S 多通道數據采集記錄儀，數據采集處理軟件為東方所DASP-V10，其他測試設備還包括三腳架、數據線等。

測試當天，天氣陰，因為車內空調裝置未開，所以可不考慮列車空調機組的影響。選擇試驗車速為20 km/h、30 km/h 和40 km/h，在彈性扣件地段和普通扣件地段，每個車速作為一組測試至少進行6 次測量，取這組測量數據的算術平均值作為試驗結果，如果相同條件下該組讀數的最大差值超過3 dB，那么數據無效，要重新進行測量。

3 列車車內噪聲聲品質評價

試驗測試對各通道信號采集后，進行計算和分析，根據本次測試結果，背景噪聲低于試驗聲壓約20 dB(A)～30 dB(A)，符合試驗規范要求。

3.1 A聲級評價

A聲級經過對噪聲尤其是中低頻部分的噪聲的計權，更加符合人耳的聽覺特性。不同車速不同扣件地段各測點噪聲的A聲級總級值如圖2所示。車速40 km/h時測點2和測點4的A聲級頻譜圖見圖3所示。

圖2 車內不同位置測點噪聲的A聲級

由圖2和圖3可知：

（1）隨著車速的增加，車內各測點噪聲的A 聲級都隨之增大；車速每增加10 km/h，各測點的A 聲級總級值增加3 dB(A)左右。

（2）車內端部噪聲A 聲級比車廂中部高，越靠近車廂底板面噪聲越大；在彈性扣件地段各測點A聲級的差值最高達到8 dB(A)左右，普通扣件地段各測點A聲級的差值最高達到8.5 dB(A)左右。

（3）在車速相同時，各測點的A 聲級在彈性扣件地段比在普通扣件地段大，彈性扣件對貫通道中央、轉向架上方和端部車門附近的噪聲影響較大，差值在2 dB(A)～3 dB(A)左右，對車體中央和司機室的噪聲影響較小，差值在1 dB(A)左右。

圖3 車內不同位置測點噪聲的A聲級頻譜圖

（4）車內噪聲測點2 和測點4 的A 聲級頻譜都呈寬頻帶分布，噪聲能量都主要集中在100 Hz～1 000 Hz的中低頻范圍內；在2 000 Hz～5 000 Hz高頻范圍內彈性扣件區間和普通扣件區間噪聲聲壓級的差異很小，說明彈性扣件對車內高頻段的噪聲影響很小。

3.2 響度評價

響度是描述聲音強弱的物理量，因其考慮到人耳掩蔽效應的影響，故可以比A 聲級更好地反映聲音信號的響亮程度，響度是聲品質客觀評價中最主要的參數。對車內噪聲數據的響度值進行計算，結果如圖4所示。

圖4 車內不同位置噪聲的響度

由圖4可知：

（1）隨著車速的增加，車內各測點的響度隨之增大；車速每增加10 km/h，各測點響度增加5 sone左右；列車車廂兩端部的響度比車廂中部和司機室內高；越靠近車廂底板面，響度越大。

（2）8 個測點中，最大響度為端部車門附近的1.2 m 處的42 sone，人的感覺為吵鬧，這樣的聲環境會嚴重影響人的工作和休息；車廂中部響度小于25 sone時，人耳對噪聲的感覺為舒適。

（3）在車速相同時，各測點的響度在彈性扣件地段比在普通扣件地段大；彈性扣件對貫通道中央、轉向架上方和端部車門附近的響度影響較大，差值在3 sone～5 sone左右，對車體中央和司機室的影響較小，差值在0 sone～2 sone左右。

3.3 尖銳度評價

尖銳度是描述描述高頻成分在聲信號頻譜中所占比例的物理量，對車內噪聲數據的尖銳度值進行計算，結果如圖5所示。

圖5 車內不同位置噪聲的尖銳度

由圖5可知：

（1）隨著車速的增加，車內噪聲的尖銳度會略微增大，車速每增加10 km/h，尖銳度增加0.03 acum左右；貫通道中央處噪聲的尖銳度最高，車內其他位置噪聲的尖銳度值差別較小。

（2）在車速相同時，各測點的尖銳度在彈性扣件地段比在普通扣件地段小；彈性扣件對貫通道中央的尖銳度有影響但對車廂內噪聲尖銳度影響很小；不管是車速變化還是扣件彈性變化，司機室的噪聲尖銳度變化都較小。

（3）由于尖銳度和響度有很大的負相關性，所以尖銳度與響度的變化趨勢相反。

本次測試中，不同車速下車內各測點噪聲的尖銳度值都比較低，說明高頻成分在聲信號頻譜中所占比例都較低，由圖3和圖5可以確定，車速在40 km/h 以下時，車內的中低頻噪聲占據主要地位，應該把降低中低頻噪聲作為車內降噪的重點。

3.4 粗糙度和抖動度評價

粗糙度和抖動度描述了聲音響度隨時間快速地起伏變化情況，車內噪聲粗糙度和抖動度的計算結果見如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知：彈性扣件和普通扣件地段的車內噪聲粗糙度和抖動度的變化都很小，不同位置測點噪聲的粗糙度在0.9 asper 附近變化，抖動度在0.4 vacil 附近變化；隨著車速從20 km/h 增加到40 km/h，車內不同位置噪聲的粗糙度和抖動度差距不大，變化起伏較小，難以反映人耳感覺的變化過程。

圖6 車內不同位置噪聲的粗糙度

圖7 車內不同位置噪聲的抖動度

3.5 煩惱度和語言干擾級評價

煩擾度的計算結果如圖8所示，語言干擾級的計算結果如圖9所示。

圖8 車內不同位置噪聲的煩擾度

由圖8和圖9可知：

（1）隨著車速的增加，車內各測點的煩擾度和語言干擾級都隨之增大；每增加10 km/h，煩擾度增加10 au左右，語言干擾級增加5 dB左右。

（2）在車速相同時，各測點的煩擾度和語言干擾級在彈性扣件地段比在普通扣件地段大；扣件彈性的變化對轉向架上方和端部車門附近的煩擾度和語言干擾級都影響較大，對司機室噪聲的煩擾度和語言干擾級影響都較小。

（3）車廂端部的煩擾度和語言干擾級比車廂中部和司機室內高；越靠近車廂底板面煩擾度和語言干擾級都越大；對于同一位置，煩擾度和語言干擾級由小到大依次是：車廂中部、車廂端部、車廂連接處；車廂連接處和端部車門附近的噪聲嚴重干擾語言交談，需要采取適當的措施提高清晰度指數，以提高車輛的乘坐舒適性。

4 結語

通過分析列車以不同速度通過彈性扣件地段和普通扣件地段時車內不同位置噪聲的特點，用A 聲級和聲品質客觀評價參數（響度，尖銳度，波動度，粗糙度，煩惱度和語言干擾級）進行評價對比，研究彈性扣件對車內噪聲聲品質的影響。結果表明：

（1）隨著車速的增加，車內各測點的A聲級、響度、尖銳度、煩擾度和語言干擾級都隨之增大，而粗糙度和抖動度變化起伏較小，難以反映人耳感覺的變化過程。

（2）在車速不高于40 km/h時，車內中低頻噪聲占據主要地位，應該把降低中低頻噪聲作為車內降噪的重點。

（3）車內噪聲的A聲級、響度、煩擾度和語言干擾級在車內兩端部比車廂中部高，且越靠近車廂底板面越大，尖銳度的變化正好相反，抖動度和粗糙度則因測點位置的不同而變化較小；車廂連接處和端部車門附近噪聲的響度和語言干擾級較大，嚴重干擾語言交談，影響人的工作和休息，需要采取適當的措施提高車輛的乘坐舒適性。

（4）車內噪聲的A聲級、響度、煩擾度和語言干擾級在彈性扣件地段比在普通扣件地段大，尖銳度、粗糙度在彈性扣件地段比在普通扣件地段小，抖動度則變化較小。

（5）彈性扣件對貫通道中央、轉向架上方和端部車門附近噪聲的A聲級、響度、語言干擾級影響較大，對上述這些位置附近噪聲的尖銳度、抖動度、粗糙度和煩擾度影響較小，而對對車體中部和司機室內部的噪聲聲品質影響都較小。