高速動車組乘務員室內異常噪聲試驗與仿真研究*

田朋溢，高 攀，陳 彪，蔣成成，董孝卿

（中國鐵道科學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。高鐵列車車內噪聲與人們的乘坐舒適度體驗以及乘務人員的工作環境密切相關［1］，因此越來越受到人們的重視。

高速動車組噪聲來源復雜，影響因素眾多，主要包括輪軌噪聲、空氣動力噪聲以及設備噪聲幾部分［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，另一方面通過車體結構的振動向車內輻射噪聲。列車車內噪聲受到車體結構、材料、內飾以及空調等車內設備的共同影響，模態密度高，頻率范圍寬，使得其研究及控制變得越發復雜。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化［3］。但該試驗研究方式存在人員設備消耗大，耗時長等問題，因此，人們展開了諸多應用仿真分析方法對車內噪聲進行正向優化設計的研究［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組成較為簡單，結構物理參數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結構復雜，參數和邊界條件存在一定程度隨機性的場景，主流的方法為統計能量分析法（SEA）［8-9］。

由于車內噪聲主要影響乘坐舒適度，因此最根本的評價指標應為人體的主觀感受。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對人體主觀感受進行描述，聲品質（Sound Quality）的概念因此產生。國內外從心理聲學角度對于火車和汽車車內聲品質評價展開了大量研究［10-11］，為提高車內聲學環境提供了依據。

對于高速列車車內噪聲雖然有上述不同方向的研究，但由于車輛型號眾多，運用環境各異，高速列車噪聲問題多樣化。實際運用場景中，應根據出現的具體噪聲問題，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，列車乘務員室內噪聲異常，聲音低沉，人置身其中耳膜壓迫感嚴重，主觀感知煩躁，嚴重影響了列車乘務人員的身心健康。針對上述問題，文中對乘務員室的異常噪聲現象展開了試驗研究，對聲品質進行了分析，同時在測試數據的基礎上對乘務員室內聲場進行了仿真研究。

1 試驗方法

在動車組乘務員室、機械師室內外相關位置分別布置聲學傳聲器及加速度傳感器，對列車恒速運行過程中乘務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 乘務員室內振動測點布置說明

2 乘務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，乘務員室和機械師室中央位置噪聲均在40 Hz 附近出現顯著峰值，而乘務員室外走廊則無該峰值頻率出現。圖1（b）所示結果表明，乘務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。根據上述測試結果，乘務員室和機械師室內部噪聲40 Hz 附近的低頻噪聲是造成乘務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，乘務員室中部各測點噪聲A 計權總聲壓級和40 Hz 附近的聲壓級峰值分別進行計算，結果如圖2 所示。可以看出，隨著運行速度的增大，乘務員室中部各測點總聲壓級呈線性增大趨勢。當速度低于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定不變。

圖2 乘務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（Sound Quality）分析。聲品質參數主要有響度、尖銳度、粗糙度、抖動度、音調度等［12］，不同的參數反映不同的心理聲學特征。其中，粗糙度（Roughness）是用來描述人們對聲音瞬時變化的感受，與聲音的調制頻率、調制比等有關。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，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。

根據圖2 所示結果，當列車以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分析，分別計算各個噪聲測點的粗糙度和尖銳度，結果如圖3 所示。可以看出，乘務員室和機械師室中央測點，噪聲的粗糙度明顯高于乘務員室外走廊、風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。該結果充分說明乘務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 乘務員室振動特性試驗研究

為了進一步分析乘務員室異常噪聲的產生機理，分別對乘務員室前面板、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，結果如圖4 所示。可以看出，乘務員室前面板、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。該結果表明，40 Hz 左右的頻率激勵與車下懸掛系統尤其是轉向架區域的振動無關，考慮乘務員室內異常噪聲主要是由前面板、后端墻、門和頂板振動導致的。

圖4 乘務員室不同測點振動加速度頻譜

對乘務員室前面板、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。結果顯示，乘務員室門在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較一致的變化規律：當速度低于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定不變，甚至有輕微下降的趨勢。該結果進一步說明乘務員室內異常低頻噪聲與其側墻及頂板的結構振動密切相關。

圖5 乘務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 乘務員室噪聲仿真

為了進一步驗證乘務員室異常噪聲的產生機理，對乘務員室聲學模態及振動環境下的聲場分布進行了仿真計算。

依據乘務員室尺寸，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有限元網格劃分，之后使用Virtual lab 軟件求解其聲學模態。前10 階聲學模態頻率見表3。由計算結果可以看出，乘務員室內聲腔并沒有40 Hz 附近的聲學模態，說明該異常噪聲與其聲學固有頻率無關。

圖6 乘務員室聲腔模型

表3 乘務員室聲腔聲學模態

為評估乘務員室周圍結構振動對內部噪聲的影響，將試驗測得的乘務員室前面板、后端墻、窗、門、頂板及地板振動加速度數據作為激勵，使用有限元方法（FEM）計算該激勵下乘務員室內聲場分布。300 km/h 和350 km/h 2 個速度級下，乘務員室中部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果如圖7 所示。可以看出，當只有振動加速度作為激勵時，乘務員室中心位置噪聲仿真結果與實測結果A 計權聲壓級頻譜變化趨勢相吻合，而聲壓級數值相差約40～50 dB，與實測背景噪聲聲壓級一致。由仿真曲線看出，在周圍壁面結構振動的激勵下，乘務員室中部噪聲在40 Hz 附近出現凸起的峰值。而85、134、153、169、174 Hz 幾個頻率點出現峰值則是由于其聲學模態的激發。對應噪聲實測結果也可以看出，在某些聲學模態頻率點出現了小的峰值。

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

5 結論與展望

對高速動車組乘務員室相關位置噪聲進行了試驗測試，結果表明乘務員室內部噪聲在40 Hz 附近出現峰值，通過聲品質分析，該頻率特征是導致乘務人員耳膜受壓迫、主觀感知煩躁的主要原因。對乘務員室前面板、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律與噪聲一致。結合聲學有限元仿真計算結果，乘務員室40 Hz 附近異常低頻噪聲主要是由于前面板、后端墻、門及頂板的結構振動所致，與車下轉向架區域振動無關。在今后的應用過程中，應重點考慮乘務員室壁板的減振措施，以降低低頻異常噪聲。