高速動車組車內低沉噪聲聲品質評價分析

錢 堃，侯之超，高 陽，孫 強

(1.清華大學 車輛與運載學院， 北京 100084；2.中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研發中心，吉林 長春 130062)

國內外高速動車組都采用A計權聲壓級作為車內噪聲評價指標，它對線性聲壓級做基于40方響度曲線衰減，與人耳主觀感知相近。但當產生不適的聲音時，特別是不符合均勻分布特征，如：變動、低沉或尖銳的聲音，使用A計權聲壓級評價就很難與人耳主觀感知保持良好的一致性，會出現偏差[1]。

高速動車組車內噪聲以中低頻為主，傳統的線性和A計權聲壓級都無法客觀描述人耳的聽覺感受[2]。基于車內聲品質評價在汽車工程中已廣泛應用，而高速動車組車內聲品質評價還處在探索階段。聲品質反映人耳對聲音信號的主觀感知特性。聲品質即一個聲音信號區別其他聲音信號的特征，聲品質評價即通過主、客觀評價的方法對聲音信號的時域分布特征和頻域分布特征進行綜合評價[3]。

國內外學者開始用聲品質心理聲學客觀參量對高速動車組車內噪聲進行定量評價。Etiene等[4]基于Zwicker響度模型定義了響度平衡參數，對高速動車組車內噪聲進行了聲品質評價。低頻噪聲成分的相對貢獻量可以用響度平衡參量進行有效度量，相對傳統A聲級，響度平衡參數與人的主觀評價一致。范蓉平等[5]根據噪聲強度主觀感覺的心理聲學理論，采用A計權和響度對高速動車組車內噪聲進行評價，研究指出響度能更準確地評價車內噪聲。張偉等[6]使用特征響度分析車內噪聲，特征響度能更準確地反映引起人耳響度感覺變化的頻率成分。劉巖等[7]對高速鐵路客車車內聲品質客觀參量與主觀評價相關性進行分析。葉貴鑫等[8]對某高速鐵路動車組車內噪聲試驗測試數據進行分析，得到車內典型位置在不同運行速度時各心理聲學參量的現狀和分布規律。張捷等[9]采用響度作為評價指標，對速度為350 km/h工況下的CRH系列高速動車組車內噪聲進行了評價分析研究。毛杰等[10]提出MZSPA算法，該算法可以有效地對車內異響進行評價，與主觀評價相一致。張常賓等[11]對高速動車組車內噪聲進行聲品質客觀評價分析方法的研究。Park等[12]結合Zwicker響度和小波變換，有效評價瞬態工況下高速動車組車內噪聲。

本文針對復興號動車組在高速運行時乘務室內低沉噪聲問題，對車內噪聲進行測試分析，并進行多種心理聲學評價參量的聲品質客觀評價。結果證明了A計權聲壓級不能直接映射人對高速動車組車內噪聲主觀感知，不能作為評價高速動車組車內噪聲品質好壞的惟一指標。聲品質客觀心理聲學參量能有效地對聲音的物理特性和人耳的聽覺特性進行綜合量化，并且描述了人耳主觀感知對不同聲音品質的反映。最后通過聲品質主客觀評價相關分析，找到對高速動車組車內噪聲主觀評價影響較大的聲品質客觀評價參量，為高速動車組車內高品質聲學設計提供方向。

1 聲品質客觀心理聲學評價參量

1.1 響度

響度是描述人耳對聲音強弱的主觀感知程度的客觀參量，屬于聲品質客觀評價中較為關鍵的評價參量。響度值越大，聲品質越差。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。

響度與激勵的聲強有關，其計算式為

(1)

式中：Nx為響度；a、b為常數；I0為聲強基準量；Ix為對應的聲強；Nx為穩態噪聲或1 kHz純音(x=1 kHz)的響度。以Zwicker提出的理論為基礎，對于穩態噪聲，b=2/3，a=0.23，Ix/I0>106；對于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，能對聲音信號的刺耳程度做出客觀反映。聲音中所包含的頻率成分對人耳主觀感知起到關鍵作用。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。尖銳度的數學模型為

(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為加權系數，一般取0.11；z為臨界頻帶Bark數；g(z)為不同臨界頻帶的加權函數。g(z)的表達式為

(3)

1.3 粗糙度

粗糙度為反映聲音調制幅度、調制程度和調制頻率分布特征的心理聲學參量，其單位為asper。頻率為1 kHz，聲壓級為60 dB的純音，經70 Hz頻率和100%幅值調制時，該聲音的粗糙度為1 asper。粗糙度能準確評價200 Hz調制頻率以下的聲音。在音樂心理學中，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。

粗糙度的計算模型是由Aures最早提出得，后來Zwicker與Fastl對模型做了優化，其計算式為[13]

(4)

式中：R為粗糙度，asper；fmod為調制頻率；ΔLE為聲音信號激勵級的變化量，ΔLE定義為

(5)

1.4 抖動度

抖動度是描述聲音信號的起伏強弱的客觀參量，反映人耳對緩慢移動調制聲音的感知程度，其單位為vacil。經4 Hz、100%幅度調制后的1 kHz、60 dB純音的起伏程度為l vacil。抖動度適用于20 Hz以下低頻調制聲音信號的評價。抖動度大的聲音相對于粗糙度大的聲音聽起來更加使人煩躁。

抖動度常用Zwicker提出的數學計算模型[14]

(6)

式中：F為抖動度；調制基頻f0=4 Hz。

1.5 音調度

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

(7)

式中：T為音調度；W1(Δzi)為第i個單頻分量與臨界頻帶的差異關系；W3(ΔLi)為第i個單頻分量其聲級盈余量效應；W2(fi)為第i個單頻分量與頻率的關系[15]。

2 車內噪聲采集

試驗測試車輛為時速350 km復興號動車組，現場試驗在京滬高速鐵路上進行，全線鋪設無縫鋼軌和無碴軌道。由于所采集的聲音樣本需準確反映車內噪聲的真實聲學特性。根據GB/T 3449—2011《聲學 軌道車輛內部噪聲測量》[16]，車內噪聲試驗時，軌道附近不應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，車內工作人員不能影響聲壓級的測量。A計權背景聲壓級比在此背景噪聲下測量的車輛產生的噪聲至少低10 dB。車輛載客恒定速度運行，速度為350 km/h，測試時車輛所有設備處于正常工作狀態。單次測試時間為30～60 s，最少不小于20 s。每種工況至少進行3次有效測量。試驗設備見表1。確保試驗設備正常使用。由于乘務人員反映，乘務室異常噪聲明顯，故在乘務室以及周圍車端附近布置5個噪聲測試點，布置說明見表2，測點布置見圖1。

表1 復興號動車組車內噪聲測試設備

表2 車內噪聲測試點布置

圖1 復興號動車組車內噪聲測點布置示意圖

3 車內噪聲特性分析

復興號動車組以350 km/h勻速運行時各測點噪聲1/3倍頻程圖見圖2，乘務室、機械室以及通過臺在低頻40 Hz處，存在顯著峰值。并且乘務室和機械室40 Hz的幅值與臨近頻帶的差值較大，約為9 dB(A)。風擋與通過臺在中頻200 Hz處，存在顯著峰值。乘務室、機械室以及通過臺低頻占總頻帶主要成分，而通過臺和貫通道中頻占總頻帶主要成分。

圖2 勻速350 km/h工況下復興號動車組各測點噪聲1/3倍頻程圖

復興號動車組以速度350 km/h勻速運行時各測點總噪聲值和40 Hz峰值對比見圖3，乘務室測點噪聲總值最小，為72.8 dB(A)；風擋處測點噪聲總值最大，為82.4 dB(A)；機械室噪聲在中心頻率40 Hz的幅值最大，為71.3 dB(A)；其次是乘務室，為68.6 dB(A)。乘務室、機械室和通過臺的低頻40 Hz頻率成分對總頻帶貢獻最大。

圖3 勻速350 km/h工況下復興號動車組車內各測點總噪聲值和40 Hz峰值對比

采用等級評分法對各測點噪聲進行主觀評價，見表3。

表3 低沉度等級對照表

用低沉度指標來進行主觀評價，評價值越大，證明聲音主觀感知越低沉，使人感知越煩躁。勻速350 km/h工況下復興號動車組車內各測點噪聲低沉度主觀評價值見圖4。由圖4可以看出，乘務室的低沉度評分值最高達到9.2，而風擋只有5.1。雖然乘務室內的噪聲要比風擋處的噪聲A計權聲壓級要低約9 dB(A)，但是主觀感知煩躁。評價人員主觀感知風擋的噪聲可以接受，但是乘務室的噪聲接受不了。乘務員室異常噪聲問題，并不是噪聲大的問題，是低頻高強度噪聲引起的。以上充分說明A計權聲壓級作為噪聲評價指標存在許多不足。盡管乘務室的噪聲要比風擋處的噪聲值低，但是乘務室以低頻噪聲為主，并且有40 Hz的純音成分。這就會使人主觀感知異常煩躁。因此為了保證結論的合理可行性，對異常噪聲進行客觀合理性的評價，采用聲品質客觀評價參量進行綜合評價。

圖4 勻速350 km/h工況下復興號動車組車內各測點噪聲低沉度主觀評價值

4 聲品質客觀評價分析

各測點聲品質客觀評價參量值見圖5。

圖5 各測點聲品質客觀評價參量值

(1)由圖5(a)可見，乘務室、機械室和通過臺測點噪聲的音調度值分別為0.351、0.349、0.264 tu，遠大于貫通道以及風檔測點。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。根據音調度的定義，純音成分大的聲音使人主觀感知煩躁。

(2)由圖5(b)可見，乘務室的粗糙度值最大為1.545 asper；而風擋處的粗糙度值最小為1.259 asper。根據粗糙度的定義，這能說明乘務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，乘務室、機械室測點噪聲的尖銳度值分別為0.708、0.649 acum，小于貫通道、風擋點和中間過道測點。根據尖銳度的定義，說明乘務室和機械室的噪聲低頻成分在頻譜結構中所占比例較大，聲音感覺低沉，令人主觀感知煩躁。

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

(5)由圖5(e)可見，貫通道的抖動度值最大為0.892 vacil；風擋的抖動度值最小為0.742 vacil。各測點的響度和抖動度沒有明顯的規律。

為確定對主觀評價低沉度影響較大的客觀參量，對主客觀評價結果進行相關分析。相關分析既可以合理地判斷變量的顯著性。使用統計學分析SPSS軟件，根據上述主客觀評價結果，對主觀評價值低沉度與聲品質各客觀評價參量進行相關分析，見表4。

表4 主觀評價值低沉度與各客觀評價參量的Pearson相關系數

從表4中可以看出，音調度、A計權聲壓級、粗糙度和尖銳度的相關系數都在0.7以上，而抖動度和響度的相關系數要小得多。其中音調度的相關系數最大為0.994，與主觀評價極顯著相關。這充分說明音調度這個聲品質客觀參量對主觀評價影響最大，直接決定聲品質的好壞。這也間接說明含有純音成分的噪聲，使人主觀感知煩躁。

5 結論

(1)通過對速度為350 km/h載客運營條件下復興號動車組車內噪聲進行現場測試，經過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，這為后續車內噪聲優化提供方向。

(2)復興號動車組車內噪聲中低頻為主，雖然乘務室的A聲級要比風擋處要低9 dB(A)，但從低沉度主觀評價值來說，人耳對風擋的噪聲可以接受，而乘務室的噪聲不能接受，這充分說明以低頻為主，A計權聲壓級并不高的噪聲會使人感到異常煩躁。

(3)復興號動車組乘務室內噪聲值雖然比較低，但是由高強度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，這就會使人主觀感知煩躁。

(4)通過主觀評價結果與客觀評價參量之間的相關分析，聲品質客觀參量音調度的相關系數最大為0.994，與主觀評價極顯著相關，對主觀評價影響最大，直接決定車內聲品質的好壞。

(5)在以后高速動車組車內噪聲評價分析時，為了保證評價結論的合理可行性，不應單獨用A計權聲壓級進行噪聲評價，特別是當噪聲的A計權聲壓級相對比較低，但使人主觀感知煩躁時，應當將聲品質心理聲學客觀參量與之綜合評價。