弹性扣件对列车车内噪声声品质的影响

2019-06-25谢蓥松鞠龙华王安斌

噪声与振动控制 2019年3期

谢蓥松，李莉，鞠龙华，王安斌

（1.上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海201620；2.同济大学城市铁道与轨道交通研究院，上海201804）

城市轨道交通是城市公共交通的主干线，具有速度快、运量大、污染小、效率高等特点。

但随着人们环保意识的提升，轨道车辆所暴露的振动噪声问题日益受到人们的重视。在车外噪声对环境造成不良影响的同时，车内噪声也对驾驶员和乘客产生了很多负面影响[1-3]。车内噪声是影响驾乘人员舒适性、听觉损害程度、语言清晰度以及辨识车外各种声音信号能力的重要因素[2]。

目前改善车内噪声的思路主要是在满足现行噪声标准和法规要求的基础上降低A 声级测量值，虽然这种方法在一定程度上减小了车内噪声对人的影响，但由于车内噪声中的中、低频成分占主导地位，而A 计权网络对500 Hz以下的频率成分衰减较大，导致车内噪声的A声级不能很好地反映车内噪声的实际情况[3]。同时由于频谱结构的差异，即使具有相同A 声级的噪声，其所引起的主观听觉感受也不一定相同。所以，单纯达到A 声级指标并不能完全满足车内听觉舒适性的要求。在汽车车内声品质研究领域，许多学者都已经进行了深入的研究，但对于轨道车辆车内声品质，国内外的相关研究主要集中在高速列车上[1-5]。

本文以城市轨道交通列车车内噪声为研究对象，分别测得不同车速下在弹性扣件地段和普通扣件地段车内不同位置的噪声信号，利用声压级和响度、尖锐度、粗糙度、抖动度、烦扰度、语言清晰度指数6个心理声学指标共同对车内噪声进行声品质客观评价。通过对比分析弹性扣件和普通扣件地段列车声品质，研究弹性扣件对车内声品质的影响，结果可作为选择性控制车内噪声的依据，也是实现车内噪声改善和提高车内声品质的有效手段。

1 声品质客观评价参数

声品质客观评价就是利用客观的、可测量的物理量对声品质进行衡量和描述，从而使得声品质得以量化的过程，一般情况下是用心理声学相关参数值作为客观评价参量[6]。描述与噪声特性有关的声音品质属性有以下参量：愉悦度、活跃度、明亮度、力度、响度、粗糙度、音调、轰隆声、敲击声、嗡鸣声、脉冲度、平稳度、尖锐度、抖动度等。

由于国内在这方面的工作开展不多，受到评价人员对某些参量理解的限制即评价经验的缺乏，不宜对所有这些评价量都进行评价，而且有些参量之间有较高的相关性，如明亮度和高音音调，敲击声和脉冲度等。因此本文使用响度、尖锐度、粗糙度、抖动度、烦扰度和语言干扰级这6 个常用的心理声学参量对声品质进行客观评价，其中响度为最基本的指标，也是其他指标的计算基础。

1.1 响度

响度是基于人耳对声音频谱掩蔽特性的反映人耳对声音强弱感知程度的心理声学参数。响度能够比A声级更加准确地反映出人耳所感受到声音信号的响亮程度，一般来说，如果声音响度值越大，对人造成的烦恼程度应该越严重，声品质就越差，但响度并不是声品质的唯一决定标准。

响度符号是N，单位是sone，定义1 kHz、40 dB纯音的响度为1 sone[6]。

声品质的众多指标中，目前只有响度有标准化的计算方法。本文中的稳态噪声响度的计算，按国际标准ISO532规定的Zwicker方法，使用1/3倍频带作为基础数据，引入临界频带对人耳的掩蔽效应作修正，可以给出分辨率为0.1 Bark的响度谱曲线，该曲线的横坐标为临界频带Z（Bark），纵坐标为响度在频带内的分布密度N′(sone/Bark)，最终给出的总响度N(sone)为响度谱的积分。Zwicker 方法的N′(sone/Bark)数学计算表达式如下

式(1)中：LE为修正分贝值，e1=0.25，常数K1取0.063 5，LHS为静域值。

1.2 尖锐度

尖锐度指标描述了声音品质评价中的音色特征，是表示高频成分在声信号频谱中所占比例大小的参数，它反映了声信号的刺耳程度[6]。

人耳对高频声音比较敏感，因此尖锐度对声音的舒适程度影响很大，一般来说，声信号高频成分在频谱结构中所占比例越大，高频响度越大，尖锐度值也越大，给人的感觉就越刺耳，噪声品质越差。

尖锐度符号是S，单位是acum，规定中心频率为1 kHz、带宽为160 Hz的60 dB窄带噪声的尖锐度为1 acum[6]。

尖锐度目前没有标准化的计算方法，本文采用Bismark 提出并且由Zwicker 修正后的模型[6]，计算公式如下

式（2）中：g(z)为强调声音处在较高特征频带时的加权函数。

1.3 粗糙度和抖动度

粗糙度和抖动度都是描述声音信号变化快慢的物理量，噪声信号的瞬时变化能导致两种不同的感觉，低频变化时产生起伏感，高频变化时产生粗糙感。

在声品质的客观评价中，粗糙度和抖动度没有响度和尖锐度那么大的权重，但其也在一定程度上表示了噪声带给人的主观感受。粗糙度、抖动度越大，声品质越差，反之则越好。

粗糙度符号为R，单位是asper，定义60 dB 的1 kHz 纯音在调制频率为70 Hz 的100 %调幅作用下产生的粗糙度为1 asper。粗糙度适用于评价20 Hz～200 Hz 调制频率的声信号，特别对70 Hz 调制频率附近的声音有很突出的评价效果。

抖动度的符号为F，单位是vacil，定义60 dB 的1 kHz 纯音在调制频率为4 Hz 的100%调幅作用下产生的抖动度为l vacil。抖动度适用于评价20 Hz以下低频调制的声信号，它反映了人耳主观感受到的声音的响亮起伏程度[6]。

粗糙度和抖动度同样没有被标准化的计算方法，本文采用的计算公式如下

式（3）和式（4）中，dL(Z)表示单位为dB 的调制深度，fmod为调制频率。

1.4 烦扰度和语言干扰级

烦恼度描述了人对声音的厌烦程度，综合考虑了响度、尖锐度、粗糙度和抖动度对主观感觉的影响，更接近于实际人的感觉。由于尖锐度、粗糙度和抖动度都是以响度为计算基础的，烦扰度值从根本上也与响度的两个参数频率与声压级有关。

烦恼度符号为PA，本身为无量纲系数，可使用au表示单位，本文中由下面的表达式来计算[7]

式(5)、式(6)和式(7)中，N是以sone 为单位的累计百分比响度、S表示尖锐度、R表示粗糙度、F表示抖动度。

语言干扰级（LSI，Speech Interference Level）是白瑞纳克于1947年提出的评价噪声对语言清晰度影响的参量，表示噪声对语言通讯的干扰程度。语言干扰级作为清晰度指数的一个简化代用量，之前主要用于飞机客舱评价[8]。

研究表明250 Hz～7 000 Hz之内的噪声才会对语言清晰度有影响，语言干扰级使用中心频率500 Hz到4 000 Hz的倍频程声压级平均值来计算，可反映满意可懂度（可懂度不低于95%）的正常交谈的最大距离，表1为两者的关系。

语言干扰级（LSI）在30 dB 以下的噪声对正常交谈的影响可以忽略不计，LSI在60 dB的噪声对低声谈话有影响，但是LSI 在85 dB 以上的噪声，严重影响正常谈话，即使高声交谈也几乎听不清楚，此时佩戴耳塞可以降低语音声和噪声以得到较高的语音可懂度。

表1 语言干扰级与正常交谈最大距离的关系

2 现场测试过程

本次测试车辆为轨道交通A 型车，一动一拖两节编组。在弹性扣件地段和普通扣件地段，对车内噪声进行对比测量试验，线路为直线段平坡轨道，测试线路上除了扣件有不同，其他轨道结构一致。弹性扣件的动刚度在疲劳试验前约为10 kN/mm～15 kN/mm，300 万疲劳试验后约为15 kN/mm～18 kN/mm；普通扣件的动刚度在疲劳试验前约为30 kN/mm～35 kN/mm，300 万疲劳试验后约为35 kN/mm～40 kN/mm。

车内噪声采集是声品质客观评价的基础，测试过程依据《城市轨道交通列车噪声限值和测量方法》（GB14892-2006）制定噪声采集的方案和流程。噪声测点的布置如图1所示。

图1 噪声测点布置图

噪声测点1-贯通道中央1.6 m(车体结构薄弱位置)；

噪声测点2-转向架上方1.2 m(车内主要噪声源)；

噪声测点3-转向架上方1.6 m(车内主要噪声源)；

噪声测点4-车体中央1.2 m（GB14892-2006）；

噪声测点5-车体中央1.6 m（GB14892-2006）；

噪声测点6-端部车门中线与车体纵向中线交点1.2 m(车体结构薄弱位置)；

噪声测点7-端部车门中线与车体纵向中线交点1.6 m(车体结构薄弱位置)；

噪声测点8-司机室中央1.2 m（GB14892-2006）。

测试中采用的声压传感器为丹麦BK4189（灵敏度50 mV/Pa，频率范围6.3 Hz～20 kHz，动态范围14.6 dB～146 dB），采集仪为东方所INV3060S 多通道数据采集记录仪，数据采集处理软件为东方所DASP-V10，其他测试设备还包括三脚架、数据线等。

测试当天，天气阴，因为车内空调装置未开，所以可不考虑列车空调机组的影响。选择试验车速为20 km/h、30 km/h 和40 km/h，在弹性扣件地段和普通扣件地段，每个车速作为一组测试至少进行6 次测量，取这组测量数据的算术平均值作为试验结果，如果相同条件下该组读数的最大差值超过3 dB，那么数据无效，要重新进行测量。

3 列车车内噪声声品质评价

试验测试对各通道信号采集后，进行计算和分析，根据本次测试结果，背景噪声低于试验声压约20 dB(A)～30 dB(A)，符合试验规范要求。

3.1 A声级评价

A声级经过对噪声尤其是中低频部分的噪声的计权，更加符合人耳的听觉特性。不同车速不同扣件地段各测点噪声的A声级总级值如图2所示。车速40 km/h时测点2和测点4的A声级频谱图见图3所示。

图2 车内不同位置测点噪声的A声级

由图2和图3可知：

（1）随着车速的增加，车内各测点噪声的A 声级都随之增大；车速每增加10 km/h，各测点的A 声级总级值增加3 dB(A)左右。

（2）车内端部噪声A 声级比车厢中部高，越靠近车厢底板面噪声越大；在弹性扣件地段各测点A声级的差值最高达到8 dB(A)左右，普通扣件地段各测点A声级的差值最高达到8.5 dB(A)左右。

（3）在车速相同时，各测点的A 声级在弹性扣件地段比在普通扣件地段大，弹性扣件对贯通道中央、转向架上方和端部车门附近的噪声影响较大，差值在2 dB(A)～3 dB(A)左右，对车体中央和司机室的噪声影响较小，差值在1 dB(A)左右。

图3 车内不同位置测点噪声的A声级频谱图

（4）车内噪声测点2 和测点4 的A 声级频谱都呈宽频带分布，噪声能量都主要集中在100 Hz～1 000 Hz的中低频范围内；在2 000 Hz～5 000 Hz高频范围内弹性扣件区间和普通扣件区间噪声声压级的差异很小，说明弹性扣件对车内高频段的噪声影响很小。

3.2 响度评价

响度是描述声音强弱的物理量，因其考虑到人耳掩蔽效应的影响，故可以比A 声级更好地反映声音信号的响亮程度，响度是声品质客观评价中最主要的参数。对车内噪声数据的响度值进行计算，结果如图4所示。

图4 车内不同位置噪声的响度

由图4可知：

（1）随着车速的增加，车内各测点的响度随之增大；车速每增加10 km/h，各测点响度增加5 sone左右；列车车厢两端部的响度比车厢中部和司机室内高；越靠近车厢底板面，响度越大。

（2）8 个测点中，最大响度为端部车门附近的1.2 m 处的42 sone，人的感觉为吵闹，这样的声环境会严重影响人的工作和休息；车厢中部响度小于25 sone时，人耳对噪声的感觉为舒适。

（3）在车速相同时，各测点的响度在弹性扣件地段比在普通扣件地段大；弹性扣件对贯通道中央、转向架上方和端部车门附近的响度影响较大，差值在3 sone～5 sone左右，对车体中央和司机室的影响较小，差值在0 sone～2 sone左右。

3.3 尖锐度评价

尖锐度是描述描述高频成分在声信号频谱中所占比例的物理量，对车内噪声数据的尖锐度值进行计算，结果如图5所示。

图5 车内不同位置噪声的尖锐度

由图5可知：

（1）随着车速的增加，车内噪声的尖锐度会略微增大，车速每增加10 km/h，尖锐度增加0.03 acum左右；贯通道中央处噪声的尖锐度最高，车内其他位置噪声的尖锐度值差别较小。

（2）在车速相同时，各测点的尖锐度在弹性扣件地段比在普通扣件地段小；弹性扣件对贯通道中央的尖锐度有影响但对车厢内噪声尖锐度影响很小；不管是车速变化还是扣件弹性变化，司机室的噪声尖锐度变化都较小。

（3）由于尖锐度和响度有很大的负相关性，所以尖锐度与响度的变化趋势相反。

本次测试中，不同车速下车内各测点噪声的尖锐度值都比较低，说明高频成分在声信号频谱中所占比例都较低，由图3和图5可以确定，车速在40 km/h 以下时，车内的中低频噪声占据主要地位，应该把降低中低频噪声作为车内降噪的重点。

3.4 粗糙度和抖动度评价

粗糙度和抖动度描述了声音响度随时间快速地起伏变化情况，车内噪声粗糙度和抖动度的计算结果见如图6和图7所示。

由图6和图7可知：弹性扣件和普通扣件地段的车内噪声粗糙度和抖动度的变化都很小，不同位置测点噪声的粗糙度在0.9 asper 附近变化，抖动度在0.4 vacil 附近变化；随着车速从20 km/h 增加到40 km/h，车内不同位置噪声的粗糙度和抖动度差距不大，变化起伏较小，难以反映人耳感觉的变化过程。