高速动车组乘务员室内异常噪声试验与仿真研究*

田朋溢，高 攀，陈 彪，蒋成成，董孝卿

（中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081）

近年来我国高速列车迅速发展，高铁已成为人们出行最主要的交通工具之一。随着铁路运营速度的不断提高，噪声问题变得越来越突出。高铁列车车内噪声与人们的乘坐舒适度体验以及乘务人员的工作环境密切相关［1］，因此越来越受到人们的重视。

高速动车组噪声来源复杂，影响因素众多，主要包括轮轨噪声、空气动力噪声以及设备噪声几部分［2］。这些噪声源在车体周围形成不均匀声场，一方面通过车体、门窗等部位的缝隙传入车内，另一方面通过车体结构的振动向车内辐射噪声。列车车内噪声受到车体结构、材料、内饰以及空调等车内设备的共同影响，模态密度高，频率范围宽，使得其研究及控制变得越发复杂。试验研究方面，主要采用噪声源识别、传递路径分析等方法，对车辆噪声源及传递路径进行识别分析，针对声源位置或隔声薄弱部位进行针对性优化［3］。但该试验研究方式存在人员设备消耗大，耗时长等问题，因此，人们展开了诸多应用仿真分析方法对车内噪声进行正向优化设计的研究［4-5］。目前，对于高速列车噪声的仿真研究主要分为确定性方法和非确定性方法两类。其中，确定性方法主要针对系统组成较为简单，结构物理参数和边界条件易于确定的场景，主要包括有限元法（FEM）和边界元法（BEM）［6-7］。而非确定性方法则主要针对系统结构复杂，参数和边界条件存在一定程度随机性的场景，主流的方法为统计能量分析法（SEA）［8-9］。

由于车内噪声主要影响乘坐舒适度，因此最根本的评价指标应为人体的主观感受。人耳对声音的感知是非线性的，听觉的主观感受受到声音的响度、音高、音色等多特征的影响。为了建立客观的评价指标对人体主观感受进行描述，声品质（Sound Quality）的概念因此产生。国内外从心理声学角度对于火车和汽车车内声品质评价展开了大量研究［10-11］，为提高车内声学环境提供了依据。

对于高速列车车内噪声虽然有上述不同方向的研究，但由于车辆型号众多，运用环境各异，高速列车噪声问题多样化。实际运用场景中，应根据出现的具体噪声问题，选择合适的研究方案，进行针对性的研究并制定解决方案。

我国某型号动车组在运行过程中收到反馈，列车乘务员室内噪声异常，声音低沉，人置身其中耳膜压迫感严重，主观感知烦躁，严重影响了列车乘务人员的身心健康。针对上述问题，文中对乘务员室的异常噪声现象展开了试验研究，对声品质进行了分析，同时在测试数据的基础上对乘务员室内声场进行了仿真研究。

1 试验方法

在动车组乘务员室、机械师室内外相关位置分别布置声学传声器及加速度传感器，对列车恒速运行过程中乘务员室噪声及振动进行测试。测试速度范围为240～385 km/h。噪声及振动测点布置详见表1、表2。

表1 噪声测点布置说明

表2 乘务员室内振动测点布置说明

2 乘务员室噪声特性试验研究

动车组以350 km/h 恒速运行时不同测点噪声1/3 倍频程谱如图1 所示。由图1（a）可看出，乘务员室和机械师室中央位置噪声均在40 Hz 附近出现显著峰值，而乘务员室外走廊则无该峰值频率出现。图1（b）所示结果表明，乘务员室中央不同高度测点噪声均存在40 Hz 附近峰值频率，且该频段声压级随高度的增加而降低，顶部峰值声压级小于底部。根据上述测试结果，乘务员室和机械师室内部噪声40 Hz 附近的低频噪声是造成乘务人员主观烦躁的原因。

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图1 不同测点噪声1/3 倍频程谱

对不同运行速度下，乘务员室中部各测点噪声A 计权总声压级和40 Hz 附近的声压级峰值分别进行计算，结果如图2 所示。可以看出，随着运行速度的增大，乘务员室中部各测点总声压级呈线性增大趋势。当速度低于300 km/h 时，40 Hz 附近声压级峰值随速度增加而线性增大，而速度高于300 km/h 时，40 Hz 附近声压级峰值则随速度的增加而基本稳定不变。

图2 乘务员室中部测点总声压级和40 Hz 附近声压级峰值随运行速度的变化

为了进一步评价乘务员室噪声带给人体的主观感受，文中对所测噪声进行了声品质（Sound Quality）分析。声品质参数主要有响度、尖锐度、粗糙度、抖动度、音调度等［12］，不同的参数反映不同的心理声学特征。其中，粗糙度（Roughness）是用来描述人们对声音瞬时变化的感受，与声音的调制频率、调制比等有关。粗糙度越大，人主观感觉越烦躁。尖锐度（Sharpness）是描述声音中高频成分所占比例的物理参数，用来衡量声音的尖锐或是沉闷。尖锐度越大声音越尖锐，反之，声音越沉闷。

根据图2 所示结果，当列车以300 km/h 速度运行时，40 Hz 附近声压级峰值在总声压级中所占比重最高，因此对列车以300 km/h 恒速运行的工况进行声品质分析，分别计算各个噪声测点的粗糙度和尖锐度，结果如图3 所示。可以看出，乘务员室和机械师室中央测点，噪声的粗糙度明显高于乘务员室外走廊、风挡中央过道以及后端墙通过台，而噪声的尖锐度则显著低于这3 个位置。该结果充分说明乘务员室和机械师室的噪声低频成分在整体频谱中所占比例较大，声音听起来较为低沉，使人主观感觉烦躁。

图3 不同测点噪声粗糙度和尖锐度

3 乘务员室振动特性试验研究

为了进一步分析乘务员室异常噪声的产生机理，分别对乘务员室前面板、后端墙、窗、门、顶板及地板几处不同部位的振动加速度进行了试验测试。同样以列车在300 km/h 恒速运行工况为例，对各测点振动加速度进行分析，结果如图4 所示。可以看出，乘务员室前面板、后端墙、门、顶板均在40 Hz 附近存在显著峰值，乘务员室窗振动加速度虽然也存在40 Hz 左右峰值，但不是主要成分，而地板则未见40 Hz 峰值。该结果表明，40 Hz 左右的频率激励与车下悬挂系统尤其是转向架区域的振动无关，考虑乘务员室内异常噪声主要是由前面板、后端墙、门和顶板振动导致的。

图4 乘务员室不同测点振动加速度频谱

对乘务员室前面板、后端墙、门和顶板振动加速度在40 Hz 附近的峰值进行分析，其随列车运行速度的变化如图5 所示。结果显示，乘务员室门在40 Hz 附近的振动加速度峰值随列车运行速度的增加近似呈线性增加，而前面板、后端墙及顶板在40 Hz 附近的振动加速度峰值则与图2 所示噪声在该频率附近的峰值呈现较一致的变化规律：当速度低于300 km/h 时，加速度峰值随速度增加而线性增大，而速度高于300 km/h 时，加速度峰值则随速度的增加而基本稳定不变，甚至有轻微下降的趋势。该结果进一步说明乘务员室内异常低频噪声与其侧墙及顶板的结构振动密切相关。

图5 乘务员室不同测点振动加速度40 Hz 附近峰值随运行速度的变化

4 乘务员室噪声仿真

为了进一步验证乘务员室异常噪声的产生机理，对乘务员室声学模态及振动环境下的声场分布进行了仿真计算。

依据乘务员室尺寸，建立声腔模型，如图6 所示。使用Hypermesh 软件对该声腔模型进行声学有限元网格划分，之后使用Virtual lab 软件求解其声学模态。前10 阶声学模态频率见表3。由计算结果可以看出，乘务员室内声腔并没有40 Hz 附近的声学模态，说明该异常噪声与其声学固有频率无关。

图6 乘务员室声腔模型

表3 乘务员室声腔声学模态

为评估乘务员室周围结构振动对内部噪声的影响，将试验测得的乘务员室前面板、后端墙、窗、门、顶板及地板振动加速度数据作为激励，使用有限元方法（FEM）计算该激励下乘务员室内声场分布。300 km/h 和350 km/h 2 个速度级下，乘务员室中部1.2 m 位置测点噪声仿真计算声压级频谱与实测声压级频谱对比结果如图7 所示。可以看出，当只有振动加速度作为激励时，乘务员室中心位置噪声仿真结果与实测结果A 计权声压级频谱变化趋势相吻合，而声压级数值相差约40～50 dB，与实测背景噪声声压级一致。由仿真曲线看出，在周围壁面结构振动的激励下，乘务员室中部噪声在40 Hz 附近出现凸起的峰值。而85、134、153、169、174 Hz 几个频率点出现峰值则是由于其声学模态的激发。对应噪声实测结果也可以看出，在某些声学模态频率点出现了小的峰值。

图7 300 km/h 和350 km/h 速度下乘务员室中部1.2 m 测点噪声实测与仿真频谱对比

5 结论与展望

对高速动车组乘务员室相关位置噪声进行了试验测试，结果表明乘务员室内部噪声在40 Hz 附近出现峰值，通过声品质分析，该频率特征是导致乘务人员耳膜受压迫、主观感知烦躁的主要原因。对乘务员室前面板、后端墙、窗、门、顶板及地板进行了振动加速度测试，结果表明，前面板、后端墙、门和顶板振动加速度在40 Hz 附近均存在显著峰值，且前面板、后端墙和顶板加速度在40 Hz 附近峰值随速度的变化规律与噪声一致。结合声学有限元仿真计算结果，乘务员室40 Hz 附近异常低频噪声主要是由于前面板、后端墙、门及顶板的结构振动所致，与车下转向架区域振动无关。在今后的应用过程中，应重点考虑乘务员室壁板的减振措施，以降低低频异常噪声。