高速動車組廣義舒適度關(guān)鍵技術(shù)分析

吳新紅

(中國鐵路總公司安全監(jiān)督管理局， 100844， 北京//高級工程師)

高鐵已經(jīng)成為旅客出行需求的最為重要的選項(xiàng)。高鐵的大運(yùn)量、高速度以及高頻次等特點(diǎn)，特別適合我國目前的發(fā)展現(xiàn)狀。隨著旅客對高鐵的接受度的不斷提高，旅客的出行需求，已從之前的“簡單的出行需求”提升到目前的“安全、舒適、便捷的出行需求”，特別是對舒適性的需求，提出了更高的要求。本文旨在通過對廣義舒適度概念的分解，分析相關(guān)因素在高鐵上的應(yīng)用現(xiàn)狀和以后需要重點(diǎn)解決的問題，同時結(jié)合該領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢和方向進(jìn)行了闡述。

1 廣義舒適度

目前國際上對廣義舒適度(或乘坐舒適度、舒適性等)尚無官方的定義，但是普遍認(rèn)為應(yīng)包括振動、噪聲、溫度、壓力、濕度、照度、內(nèi)裝的美工學(xué)和人機(jī)工程學(xué)等7個方面。由此可以看出，廣義舒適度的主要研究內(nèi)容涵蓋了旅客在乘坐列車時的生理感受和心理感受。廣義舒適度的研究主旨，是通過對以上7方面因素的研究，從旅客的生理和心理上著手解決人-車之間的耦合關(guān)系[1-2]。

2 主要研究方式

目前，國內(nèi)外對于高速列車廣義舒適度的研究主要采用理論研究和試驗(yàn)測試的方法。通過理論研究分析各因素的約束條件，通過試驗(yàn)測試掌握現(xiàn)在列車的實(shí)際舒適度水平，然后結(jié)合理論研究成果和分析測試結(jié)果對列車進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化和升級，再通過試驗(yàn)測試進(jìn)行驗(yàn)證。因此，廣義的舒適度研究方式，就是通過理論分析和試驗(yàn)測試相結(jié)合的方式不斷優(yōu)化和完善高速列車相關(guān)因素指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 高速列車廣義舒適度研究方式

3 主要研究內(nèi)容

3.1 噪聲

對于高速列車噪聲，國內(nèi)外開展了大量的研究和測試工作，本文僅引用部分測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1.1 基本思路

高速列車噪聲問題研究思路如圖2所示。高速列車噪聲問題主要體現(xiàn)在車外噪聲和車內(nèi)噪聲2個方面[3]。

圖2 高速列車噪聲研究思路

高速列車車外噪聲主要是對高速鐵路沿線環(huán)境造成污染，而車內(nèi)噪聲則主要影響車內(nèi)司乘人員的乘坐舒適性。持續(xù)不斷的高強(qiáng)度噪聲會給人體帶來壓力感、疲勞感，甚至造成神經(jīng)、聽力損傷等不可挽回的后果。過高的車內(nèi)噪聲，會損害駕駛員的聽力，使駕駛員迅速疲勞，對列車行駛安全性構(gòu)成極大的威脅。而且振動噪聲能夠引起列車某些部件的早期疲勞損壞，從而降低列車的使用壽命，并在一定程度上制約高鐵的發(fā)展。同時，隨著人民生活水平的不斷提高，乘客對乘坐舒適性也提出了更高的要求，車內(nèi)噪聲問題將會直接影響高鐵在運(yùn)輸行業(yè)的競爭力。

對高速列車噪聲問題的研究，首要任務(wù)是了解高速列車噪聲的聲源分布、源強(qiáng)大小及其頻譜特性，并結(jié)合高速列車結(jié)構(gòu)、動力學(xué)和聲學(xué)特性，明確各聲源的產(chǎn)生和傳播機(jī)理。高速列車車外噪聲主要包括輪軌噪聲、氣動噪聲、弓網(wǎng)噪聲和高架結(jié)構(gòu)二次輻射噪聲4大類，而高速列車車內(nèi)聲場環(huán)境非常復(fù)雜，聲源眾多，大致可分為直達(dá)聲、透射聲和振動輻射聲3種類型，如圖3所示。

直達(dá)聲從噪聲源發(fā)出，以空氣為媒介，從車窗、車門的縫隙和排風(fēng)口等途徑直接傳播到車內(nèi)。透射聲是指客室外的各種聲源，先經(jīng)空氣介質(zhì)傳播，繼而透過車體材料傳到車內(nèi)。振動輻射聲為各種振動激勵源通過車體結(jié)構(gòu)將振動能量傳遞至車廂，進(jìn)而激發(fā)車廂結(jié)構(gòu)振動，產(chǎn)生聲輻射。由于直達(dá)聲和透射聲都是通過空氣傳播，而振動輻射聲是通過結(jié)構(gòu)傳播，因而高速列車車內(nèi)噪聲來源可歸納為空氣傳播聲和結(jié)構(gòu)傳播聲2種。

圖3 高速列車車內(nèi)噪聲聲源分布

輪軌噪聲、弓網(wǎng)噪聲、氣動噪聲和輔助設(shè)備噪聲等高速列車車外噪聲主要來源也都是其車內(nèi)噪聲主要來源。而且，這些聲源大多數(shù)既可以通過空氣傳播途徑，也可通過結(jié)構(gòu)傳播途徑對車內(nèi)噪聲產(chǎn)生影響。不同的車體結(jié)構(gòu)，車體聲學(xué)性能特性不同，這些聲源對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)是不一樣的。

學(xué)者趙稀方在《小說香港》一書中說到：“香港原是個政治冷漠的地方，在文化身份上任由英國與中國的國族敘事加以構(gòu)造，但自八十年代初中英談判開始后，香港現(xiàn)有的殖民地身份的消失，忽然喚醒了港人的本土文化意識……于是有了大量的對于香港文化身份的討論?！?/p>

3.1.2 測試結(jié)果和分析

某型號高速動車組的2等車的測點(diǎn)位置如圖4所示，圓點(diǎn)表示測試位置，每個位置有2個傳聲器測點(diǎn)，分別位于距地板1.2 m和1.6 m高處。列車試驗(yàn)速度為勻速350 km/h。測試結(jié)果如表1所示。

圖4 測點(diǎn)位置示意圖

序號測點(diǎn)位置聲壓級/dBA客室前端距地板1.2 m高75.9距地板1.6 m高75.8客室中部距地板1.2 m高69.3距地板1.6 m高69.0客室后端距地板1.2 m高75.8距地板1.6 m高76.6

圖5是客室前端距地板1.2 m高處測點(diǎn)的噪聲特性。

從圖5 a)可以看出，列車在加速過程中，隨著速度增大，車內(nèi)噪聲水平增大，但聲壓級有很大波動(特別是在150～300 s時間區(qū)段)，且出現(xiàn)聲壓級最大值。說明在加速過程中，列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域狀態(tài)變化劇烈。列車勻速運(yùn)行過程中聲壓級變化比較平緩。減速運(yùn)行過程中，聲壓級隨著速度降低而減小，同時曲線也有一些毛刺。

a) 測點(diǎn)聲壓級

b) 測點(diǎn)加速過程時頻特性

從5 b)加速和圖5 c)減速過程時頻特性圖可以看出，加速過程時頻特性呈拋物線趨勢，而在減速過程中，時頻特性具有線性趨勢。另外，在加速過程時頻特性圖中，沿著坐標(biāo)軸存在間斷的橫向亮帶，說明在加速過程中，車體結(jié)構(gòu)的共振峰值會在某一速度下被激發(fā)出來，但是對于此現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理和控制措施需要進(jìn)一步研究。

圖6是客室中部距地板1.2 m高處測點(diǎn)噪聲特性。

a) 測點(diǎn)聲壓級

b) 測點(diǎn)加速過程時頻特性

c) 測點(diǎn)減速過程時頻特性

從圖6 a)可以看出，列車在加速、減速過程中總聲壓級同樣有波動，但小于客室前端的波動水平。在勻速過程中，聲壓級總體較為平穩(wěn)，但在700 s附近出現(xiàn)了聲壓級峰值，這可能與現(xiàn)場測試條件有關(guān)，現(xiàn)場無法控制其他測試單位的人為突發(fā)噪聲。

圖7是客室后端距地板1.2 m高處測點(diǎn)噪聲特性。

a) 測點(diǎn)聲壓級

b) 測點(diǎn)加速過程時頻特性

c) 測點(diǎn)減速過程時頻特性

從圖7 a)可以看出，列車在加速、減速過程中總聲壓級同樣有波動，但小于客室前端波動水平，大于客室中部波動水平。加速、減速過程時頻特性相類似。

列車車廂間連接聲源識別是在1/3倍頻程下160 Hz中心頻率線性計權(quán)的結(jié)果。最大聲源點(diǎn)位于靠近車頂板位置，這可能主要來自車輛外部噪聲經(jīng)風(fēng)擋、車頂板或地板透射進(jìn)入車內(nèi)。同時在風(fēng)擋左下部與地板連接區(qū)域有較大聲源點(diǎn)，這可能是由于該連接位置存在安裝縫隙，車下噪聲經(jīng)風(fēng)擋與車體的連接縫隙泄露進(jìn)車內(nèi)引起的。另外，車下噪聲會透過地板形成透射聲源。

圖8 列車車廂間連接聲源識別聲壓云圖

通過以上測試和分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 高速列車在一次起動加速、勻速運(yùn)行到制動停止過程中，車廂內(nèi)噪聲總聲壓級有不同程度的波動，加速過程中最大，減速過程次之，勻速過程較為平緩。加速過程時頻特性呈拋物線趨勢，而在減速過程中，時頻特性呈線性趨勢。

(2) 客室后端主要噪聲源位于內(nèi)端門區(qū)域，這主要是車門方向的傳播噪聲，包括內(nèi)端門和電器柜連接區(qū)域形成的局部噪聲源，頂板、電器柜及其與地板連接位置是較大聲源處。

3.2 振動

在進(jìn)行動力學(xué)試驗(yàn)時，通常會對列車的主要部位進(jìn)行振動測試，包括：

(1) 在軸箱上方的構(gòu)架上安裝橫向加速度計，測量構(gòu)架橫向加速度。

(2) 在車體地板面上安裝加速度計，測量車體橫向和垂向加速度。

通過研究高速列車的振動特征及作用機(jī)理，分析高速列車振動的主要頻率成分和人體的敏感頻率，為高速列車減振設(shè)計提供科學(xué)指導(dǎo)，有效提高列車運(yùn)行的平穩(wěn)性?？梢酝ㄟ^振動試驗(yàn)測試，開展振動模態(tài)分析和振動信號分析，掌握高速動車組關(guān)鍵系統(tǒng)和部件的振動情況和模態(tài)，進(jìn)而在主要及敏感振動源處進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，降低列車的振動指標(biāo)，提升列車乘坐的舒適性。圖9為研究振動的技術(shù)路線圖。

3.3 氣壓

在進(jìn)行空氣動力學(xué)研究時，通常會測試高速動車組的車內(nèi)壓力差變化，目前僅在標(biāo)準(zhǔn)上對合格與否進(jìn)行了規(guī)定，但是在舒適性上沒有明確規(guī)定[4]。

圖9 振動研究的技術(shù)路線圖

廣義舒適度研究針對高速列車通過隧道時乘客出現(xiàn)的耳脹、耳鳴、耳痛現(xiàn)象，通過線路試驗(yàn)及仿真手段，了解車內(nèi)氣壓特征以及作用機(jī)理，制訂合理的風(fēng)機(jī)和風(fēng)道控制策略，提升高速列車乘坐時的氣壓環(huán)境舒適性。氣壓研究的技術(shù)路線如圖10所示。

圖10 氣壓研究技術(shù)路線圖

通過試驗(yàn)測試的方法，測試車內(nèi)和車外氣壓變化，評估風(fēng)機(jī)風(fēng)速、氣密間隙對壓力變化的影響，優(yōu)化風(fēng)機(jī)保護(hù)控制、風(fēng)機(jī)風(fēng)道預(yù)測控制和車體氣密性控制策略，降低因氣壓劇烈變化引起的人耳不適感。

3.4 溫度、濕度和照度

與氣壓變化領(lǐng)域的測試方法和評判標(biāo)準(zhǔn)相類似，在進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)制冷、采暖運(yùn)行試驗(yàn)和照度試驗(yàn)時，同樣對溫度、濕度和照度進(jìn)行了測試，但是也僅僅在合格與否方面進(jìn)行了規(guī)定，未結(jié)合旅客的舒適與否進(jìn)行評判[5]。

3.5 其他因素

在進(jìn)行廣義舒適度研究時，也需要對動車組內(nèi)飾和空間部件的美學(xué)設(shè)計和人機(jī)工程技術(shù)進(jìn)行研究，從心理因素影響對旅客的舒適度進(jìn)行評判。

4 廣義舒適度指標(biāo)分配

在確定噪聲、振動、氣壓變化、溫度、濕度和照度，以及人機(jī)工程和內(nèi)飾美學(xué)設(shè)計的主要研究目的、內(nèi)容和方法后，需要將以上諸多因素的權(quán)重進(jìn)行分配，這部分為廣義舒適度研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前國際上尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等可供執(zhí)行和參考，國內(nèi)外的科研工作者都在通過大量的試驗(yàn)測試和仿真分析進(jìn)行相關(guān)探索研究工作[6]。

(1) 建立廣義舒適度數(shù)學(xué)模型。通過既有列車的設(shè)計資料和運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立廣義舒適度數(shù)學(xué)模型，特別是建立噪聲、振動、壓力、溫度、濕度和照度與運(yùn)行速度、運(yùn)行區(qū)間、運(yùn)行時間、不同乘客對象等時變因素之間的耦合矩陣圖，然后利用仿真分析方法分析各因素與旅客生理和心理因素之間的關(guān)心，摸索其中的規(guī)律。

(2) 試驗(yàn)臺測試和正線運(yùn)行測試。通過在試驗(yàn)臺(架)上和正線時的測試，掌握列車的物理量數(shù)據(jù)，摸索列車相關(guān)物理量與運(yùn)行線路、運(yùn)行時間等外界條件之間的關(guān)系。

(3) 問卷調(diào)查與分析。通過問卷調(diào)查、走訪和其他交互形式，掌握和分析旅客和司乘人員的心理和生理感受變化趨勢，掌握相關(guān)舒適性評價因素。

(4) 對列車、測試技術(shù)和評價指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化升級和補(bǔ)充，不斷完善廣義舒適度評價體系，提升高速動車組的整體性能。

通過建立廣義舒適度的數(shù)學(xué)模型，明確廣義舒適度各參數(shù)之間的相互關(guān)系，完成指標(biāo)參數(shù)的權(quán)重動態(tài)分配和配比，可實(shí)現(xiàn)廣義舒適度技術(shù)的動態(tài)和最優(yōu)控制。

5 結(jié)論

影響高速列車廣義舒適度的因素分為物理因素、生理因素和心理因素。物理因素包括振動、噪聲、空氣壓力、溫度、濕度和照度等。在列車高速行駛時，這些物理量通過對乘客生理和心理的刺激，使得乘客對列車乘坐舒適度有著不同的感受。影響廣義舒適度的因素比較復(fù)雜，因此獲取影響廣義舒適度單因素與乘客舒適度主觀評價的信息，是判斷現(xiàn)有高速列車振動、噪聲、空氣壓力等指標(biāo)是否滿足乘客舒適需求的重要依據(jù)?？梢栽诂F(xiàn)有基礎(chǔ)上完善試驗(yàn)測試方法，并以此為依據(jù)不斷優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而將各因素在整個舒適度評價體系的權(quán)重值進(jìn)行優(yōu)化?？傮w來說，廣義舒適度是近年來新興的技術(shù)，還需要在工作中不斷的進(jìn)行完善。

[1] 鄧勇韜．基于模擬試驗(yàn)臺的高速列車廣義舒適度評價方法研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2014．

[2] 陳樣，高速鐵路客車乘坐舒適度綜合評價模型研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[3] 劉璐,林建輝,張麗梅.高速列車振動舒適度測試方法研究[J].交通運(yùn)輸工程與信息，2012(3)：31.

[4] 亓立敏.基于聲強(qiáng)法的高速列車車內(nèi)噪聲源識別技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[5] 蘇燕辰,張瑞萍,林菲菲.高速列車車內(nèi)照度舒適性數(shù)學(xué)模型的研究[J]．中國測試,2013,(S2)：1.

[6] 亓立敏， 林建輝.基于心率變異性的高速列車客室噪聲舒適度研究[J]．佳木斯大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版), 2013(5)：673.