高速动车组车内低沉噪声声品质评价分析

钱 堃，侯之超，高 阳，孙 强

(1.清华大学 车辆与运载学院， 北京 100084；2.中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研发中心，吉林 长春 130062)

国内外高速动车组都采用A计权声压级作为车内噪声评价指标，它对线性声压级做基于40方响度曲线衰减，与人耳主观感知相近。但当产生不适的声音时，特别是不符合均匀分布特征，如：变动、低沉或尖锐的声音，使用A计权声压级评价就很难与人耳主观感知保持良好的一致性，会出现偏差[1]。

高速动车组车内噪声以中低频为主，传统的线性和A计权声压级都无法客观描述人耳的听觉感受[2]。基于车内声品质评价在汽车工程中已广泛应用，而高速动车组车内声品质评价还处在探索阶段。声品质反映人耳对声音信号的主观感知特性。声品质即一个声音信号区别其他声音信号的特征，声品质评价即通过主、客观评价的方法对声音信号的时域分布特征和频域分布特征进行综合评价[3]。

国内外学者开始用声品质心理声学客观参量对高速动车组车内噪声进行定量评价。Etiene等[4]基于Zwicker响度模型定义了响度平衡参数，对高速动车组车内噪声进行了声品质评价。低频噪声成分的相对贡献量可以用响度平衡参量进行有效度量，相对传统A声级，响度平衡参数与人的主观评价一致。范蓉平等[5]根据噪声强度主观感觉的心理声学理论，采用A计权和响度对高速动车组车内噪声进行评价，研究指出响度能更准确地评价车内噪声。张伟等[6]使用特征响度分析车内噪声，特征响度能更准确地反映引起人耳响度感觉变化的频率成分。刘岩等[7]对高速铁路客车车内声品质客观参量与主观评价相关性进行分析。叶贵鑫等[8]对某高速铁路动车组车内噪声试验测试数据进行分析，得到车内典型位置在不同运行速度时各心理声学参量的现状和分布规律。张捷等[9]采用响度作为评价指标，对速度为350 km/h工况下的CRH系列高速动车组车内噪声进行了评价分析研究。毛杰等[10]提出MZSPA算法，该算法可以有效地对车内异响进行评价，与主观评价相一致。张常宾等[11]对高速动车组车内噪声进行声品质客观评价分析方法的研究。Park等[12]结合Zwicker响度和小波变换，有效评价瞬态工况下高速动车组车内噪声。

本文针对复兴号动车组在高速运行时乘务室内低沉噪声问题，对车内噪声进行测试分析，并进行多种心理声学评价参量的声品质客观评价。结果证明了A计权声压级不能直接映射人对高速动车组车内噪声主观感知，不能作为评价高速动车组车内噪声品质好坏的惟一指标。声品质客观心理声学参量能有效地对声音的物理特性和人耳的听觉特性进行综合量化，并且描述了人耳主观感知对不同声音品质的反映。最后通过声品质主客观评价相关分析，找到对高速动车组车内噪声主观评价影响较大的声品质客观评价参量，为高速动车组车内高品质声学设计提供方向。

1 声品质客观心理声学评价参量

1.1 响度

响度是描述人耳对声音强弱的主观感知程度的客观参量，属于声品质客观评价中较为关键的评价参量。响度值越大，声品质越差。响度的单位为宋(sone)，1 sone为40 dB、频率为1 kHz的参考纯音的响度。

响度与激励的声强有关，其计算式为

(1)

式中：Nx为响度；a、b为常数；I0为声强基准量；Ix为对应的声强；Nx为稳态噪声或1 kHz纯音(x=1 kHz)的响度。以Zwicker提出的理论为基础，对于稳态噪声，b=2/3，a=0.23，Ix/I0>106；对于1 kHz纯音，b=1/16，a=0.3，Ix/I0>104。

1.2 尖锐度

尖锐度是反映声音的高频成分中所占比例的客观参量，能对声音信号的刺耳程度做出客观反映。声音中所包含的频率成分对人耳主观感知起到关键作用。尖锐度越高，说明高频成分所占比例越大，声音越刺耳，人耳感知越烦躁。

尖锐度单位为acum，1 acum定义为160 Hz带宽、1 kHz中心频率的60 dB窄带噪声的尖锐度。尖锐度的数学模型为

(2)

式中：S为尖锐度；N′(z)为临界频带的特征响度；N为总响度；k为加权系数，一般取0.11；z为临界频带Bark数；g(z)为不同临界频带的加权函数。g(z)的表达式为

(3)

1.3 粗糙度

粗糙度为反映声音调制幅度、调制程度和调制频率分布特征的心理声学参量，其单位为asper。频率为1 kHz，声压级为60 dB的纯音，经70 Hz频率和100%幅值调制时，该声音的粗糙度为1 asper。粗糙度能准确评价200 Hz调制频率以下的声音。在音乐心理学中，平滑的声音人耳感知和谐，相反粗糙的声音人耳感知不和谐。

粗糙度的计算模型是由Aures最早提出得，后来Zwicker与Fastl对模型做了优化，其计算式为[13]

(4)

式中：R为粗糙度，asper；fmod为调制频率；ΔLE为声音信号激励级的变化量，ΔLE定义为

(5)

1.4 抖动度

抖动度是描述声音信号的起伏强弱的客观参量，反映人耳对缓慢移动调制声音的感知程度，其单位为vacil。经4 Hz、100%幅度调制后的1 kHz、60 dB纯音的起伏程度为l vacil。抖动度适用于20 Hz以下低频调制声音信号的评价。抖动度大的声音相对于粗糙度大的声音听起来更加使人烦躁。

抖动度常用Zwicker提出的数学计算模型[14]

(6)

式中：F为抖动度；调制基频f0=4 Hz。

1.5 音调度

音调度是描述纯音成分在声音信号频谱中所占比例的客观参量，单位为tu。若声音具有音调特征，意味着该声音中含有明显的单频成分。频率1 kHz且声压级60 dB的纯音信号为1 tu。音调度的计算模型基于Aures和Terhardt提出的公式进行计算[13]

(7)

式中：T为音调度；W1(Δzi)为第i个单频分量与临界频带的差异关系；W3(ΔLi)为第i个单频分量其声级盈余量效应；W2(fi)为第i个单频分量与频率的关系[15]。

2 车内噪声采集

试验测试车辆为时速350 km复兴号动车组，现场试验在京沪高速铁路上进行，全线铺设无缝钢轨和无碴轨道。由于所采集的声音样本需准确反映车内噪声的真实声学特性。根据GB/T 3449—2011《声学 轨道车辆内部噪声测量》[16]，车内噪声试验时，轨道附近不应有大面积的声反射物，如建筑物、城墙或其他类似的大型物体，车内工作人员不能影响声压级的测量。A计权背景声压级比在此背景噪声下测量的车辆产生的噪声至少低10 dB。车辆载客恒定速度运行，速度为350 km/h，测试时车辆所有设备处于正常工作状态。单次测试时间为30～60 s，最少不小于20 s。每种工况至少进行3次有效测量。试验设备见表1。确保试验设备正常使用。由于乘务人员反映，乘务室异常噪声明显，故在乘务室以及周围车端附近布置5个噪声测试点，布置说明见表2，测点布置见图1。

表1 复兴号动车组车内噪声测试设备

表2 车内噪声测试点布置

图1 复兴号动车组车内噪声测点布置示意图

3 车内噪声特性分析

复兴号动车组以350 km/h匀速运行时各测点噪声1/3倍频程图见图2，乘务室、机械室以及通过台在低频40 Hz处，存在显著峰值。并且乘务室和机械室40 Hz的幅值与临近频带的差值较大，约为9 dB(A)。风挡与通过台在中频200 Hz处，存在显著峰值。乘务室、机械室以及通过台低频占总频带主要成分，而通过台和贯通道中频占总频带主要成分。

图2 匀速350 km/h工况下复兴号动车组各测点噪声1/3倍频程图

复兴号动车组以速度350 km/h匀速运行时各测点总噪声值和40 Hz峰值对比见图3，乘务室测点噪声总值最小，为72.8 dB(A)；风挡处测点噪声总值最大，为82.4 dB(A)；机械室噪声在中心频率40 Hz的幅值最大，为71.3 dB(A)；其次是乘务室，为68.6 dB(A)。乘务室、机械室和通过台的低频40 Hz频率成分对总频带贡献最大。

图3 匀速350 km/h工况下复兴号动车组车内各测点总噪声值和40 Hz峰值对比

采用等级评分法对各测点噪声进行主观评价，见表3。

表3 低沉度等级对照表

用低沉度指标来进行主观评价，评价值越大，证明声音主观感知越低沉，使人感知越烦躁。匀速350 km/h工况下复兴号动车组车内各测点噪声低沉度主观评价值见图4。由图4可以看出，乘务室的低沉度评分值最高达到9.2，而风挡只有5.1。虽然乘务室内的噪声要比风挡处的噪声A计权声压级要低约9 dB(A)，但是主观感知烦躁。评价人员主观感知风挡的噪声可以接受，但是乘务室的噪声接受不了。乘务员室异常噪声问题，并不是噪声大的问题，是低频高强度噪声引起的。以上充分说明A计权声压级作为噪声评价指标存在许多不足。尽管乘务室的噪声要比风挡处的噪声值低，但是乘务室以低频噪声为主，并且有40 Hz的纯音成分。这就会使人主观感知异常烦躁。因此为了保证结论的合理可行性，对异常噪声进行客观合理性的评价，采用声品质客观评价参量进行综合评价。

图4 匀速350 km/h工况下复兴号动车组车内各测点噪声低沉度主观评价值

4 声品质客观评价分析

各测点声品质客观评价参量值见图5。

图5 各测点声品质客观评价参量值

(1)由图5(a)可见，乘务室、机械室和通过台测点噪声的音调度值分别为0.351、0.349、0.264 tu，远大于贯通道以及风档测点。由图2中可以看到，40 Hz有尖峰，这说明40 Hz纯音成分占噪声频谱的比重大。根据音调度的定义，纯音成分大的声音使人主观感知烦躁。

(2)由图5(b)可见，乘务室的粗糙度值最大为1.545 asper；而风挡处的粗糙度值最小为1.259 asper。根据粗糙度的定义，这能说明乘务室的声音使人感觉粗糙，令人主观感知烦躁。

(3)由图5(c)可见，乘务室、机械室测点噪声的尖锐度值分别为0.708、0.649 acum，小于贯通道、风挡点和中间过道测点。根据尖锐度的定义，说明乘务室和机械室的噪声低频成分在频谱结构中所占比例较大，声音感觉低沉，令人主观感知烦躁。

(4)由图5(d)可见，风挡处的响度值最大，为58.97 sone；乘务室的响度值最小，为41.51 sone，两者相差17 sone。

(5)由图5(e)可见，贯通道的抖动度值最大为0.892 vacil；风挡的抖动度值最小为0.742 vacil。各测点的响度和抖动度没有明显的规律。

为确定对主观评价低沉度影响较大的客观参量，对主客观评价结果进行相关分析。相关分析既可以合理地判断变量的显著性。使用统计学分析SPSS软件，根据上述主客观评价结果，对主观评价值低沉度与声品质各客观评价参量进行相关分析，见表4。

表4 主观评价值低沉度与各客观评价参量的Pearson相关系数

从表4中可以看出，音调度、A计权声压级、粗糙度和尖锐度的相关系数都在0.7以上，而抖动度和响度的相关系数要小得多。其中音调度的相关系数最大为0.994，与主观评价极显著相关。这充分说明音调度这个声品质客观参量对主观评价影响最大，直接决定声品质的好坏。这也间接说明含有纯音成分的噪声，使人主观感知烦躁。

5 结论

(1)通过对速度为350 km/h载客运营条件下复兴号动车组车内噪声进行现场测试，经过1/3倍频程分析可知，异常噪声并不是噪声值大的问题，而是由于40 Hz单频纯音引起，这为后续车内噪声优化提供方向。

(2)复兴号动车组车内噪声中低频为主，虽然乘务室的A声级要比风挡处要低9 dB(A)，但从低沉度主观评价值来说，人耳对风挡的噪声可以接受，而乘务室的噪声不能接受，这充分说明以低频为主，A计权声压级并不高的噪声会使人感到异常烦躁。

(3)复兴号动车组乘务室内噪声值虽然比较低，但是由高强度40 Hz单频纯音成分，主观感知烦躁。这说明虽然噪声值小，但有纯音成分，这就会使人主观感知烦躁。

(4)通过主观评价结果与客观评价参量之间的相关分析，声品质客观参量音调度的相关系数最大为0.994，与主观评价极显著相关，对主观评价影响最大，直接决定车内声品质的好坏。

(5)在以后高速动车组车内噪声评价分析时，为了保证评价结论的合理可行性，不应单独用A计权声压级进行噪声评价，特别是当噪声的A计权声压级相对比较低，但使人主观感知烦躁时，应当将声品质心理声学客观参量与之综合评价。