高速動(dòng)車組乘務(wù)員室內(nèi)異常噪聲試驗(yàn)與仿真研究*

田朋溢，高 攀，陳 彪，蔣成成，董孝卿

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081）

近年來我國高速列車迅速發(fā)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(yùn)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(nèi)噪聲與人們的乘坐舒適度體驗(yàn)以及乘務(wù)人員的工作環(huán)境密切相關(guān)［1］，因此越來越受到人們的重視。

高速動(dòng)車組噪聲來源復(fù)雜，影響因素眾多，主要包括輪軌噪聲、空氣動(dòng)力噪聲以及設(shè)備噪聲幾部分［2］。這些噪聲源在車體周圍形成不均勻聲場(chǎng)，一方面通過車體、門窗等部位的縫隙傳入車內(nèi)，另一方面通過車體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)向車內(nèi)輻射噪聲。列車車內(nèi)噪聲受到車體結(jié)構(gòu)、材料、內(nèi)飾以及空調(diào)等車內(nèi)設(shè)備的共同影響，模態(tài)密度高，頻率范圍寬，使得其研究及控制變得越發(fā)復(fù)雜。試驗(yàn)研究方面，主要采用噪聲源識(shí)別、傳遞路徑分析等方法，對(duì)車輛噪聲源及傳遞路徑進(jìn)行識(shí)別分析，針對(duì)聲源位置或隔聲薄弱部位進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化［3］。但該試驗(yàn)研究方式存在人員設(shè)備消耗大，耗時(shí)長(zhǎng)等問題，因此，人們展開了諸多應(yīng)用仿真分析方法對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行正向優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究［4-5］。目前，對(duì)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(duì)系統(tǒng)組成較為簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)物理參數(shù)和邊界條件易于確定的場(chǎng)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(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)和邊界條件存在一定程度隨機(jī)性的場(chǎng)景，主流的方法為統(tǒng)計(jì)能量分析法（SEA）［8-9］。

由于車內(nèi)噪聲主要影響乘坐舒適度，因此最根本的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)為人體的主觀感受。人耳對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)人體主觀感受進(jìn)行描述，聲品質(zhì)（Sound Quality）的概念因此產(chǎn)生。國內(nèi)外從心理聲學(xué)角度對(duì)于火車和汽車車內(nèi)聲品質(zhì)評(píng)價(jià)展開了大量研究［10-11］，為提高車內(nèi)聲學(xué)環(huán)境提供了依據(jù)。

對(duì)于高速列車車內(nèi)噪聲雖然有上述不同方向的研究，但由于車輛型號(hào)眾多，運(yùn)用環(huán)境各異，高速列車噪聲問題多樣化。實(shí)際運(yùn)用場(chǎng)景中，應(yīng)根據(jù)出現(xiàn)的具體噪聲問題，選擇合適的研究方案，進(jìn)行針對(duì)性的研究并制定解決方案。

我國某型號(hào)動(dòng)車組在運(yùn)行過程中收到反饋，列車乘務(wù)員室內(nèi)噪聲異常，聲音低沉，人置身其中耳膜壓迫感嚴(yán)重，主觀感知煩躁，嚴(yán)重影響了列車乘務(wù)人員的身心健康。針對(duì)上述問題，文中對(duì)乘務(wù)員室的異常噪聲現(xiàn)象展開了試驗(yàn)研究，對(duì)聲品質(zhì)進(jìn)行了分析，同時(shí)在測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)乘務(wù)員室內(nèi)聲場(chǎng)進(jìn)行了仿真研究。

1 試驗(yàn)方法

在動(dòng)車組乘務(wù)員室、機(jī)械師室內(nèi)外相關(guān)位置分別布置聲學(xué)傳聲器及加速度傳感器，對(duì)列車恒速運(yùn)行過程中乘務(wù)員室噪聲及振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試速度范圍為240～385 km/h。噪聲及振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置詳見表1、表2。

表1 噪聲測(cè)點(diǎn)布置說明

表2 乘務(wù)員室內(nèi)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置說明

2 乘務(wù)員室噪聲特性試驗(yàn)研究

動(dòng)車組以350 km/h 恒速運(yùn)行時(shí)不同測(cè)點(diǎn)噪聲1/3 倍頻程譜如圖1 所示。由圖1（a）可看出，乘務(wù)員室和機(jī)械師室中央位置噪聲均在40 Hz 附近出現(xiàn)顯著峰值，而乘務(wù)員室外走廊則無該峰值頻率出現(xiàn)。圖1（b）所示結(jié)果表明，乘務(wù)員室中央不同高度測(cè)點(diǎn)噪聲均存在40 Hz 附近峰值頻率，且該頻段聲壓級(jí)隨高度的增加而降低，頂部峰值聲壓級(jí)小于底部。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，乘務(wù)員室和機(jī)械師室內(nèi)部噪聲40 Hz 附近的低頻噪聲是造成乘務(wù)人員主觀煩躁的原因。

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圖1 不同測(cè)點(diǎn)噪聲1/3 倍頻程譜

對(duì)不同運(yùn)行速度下，乘務(wù)員室中部各測(cè)點(diǎn)噪聲A 計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)和40 Hz 附近的聲壓級(jí)峰值分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖2 所示?？梢钥闯?，隨著運(yùn)行速度的增大，乘務(wù)員室中部各測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)呈線性增大趨勢(shì)。當(dāng)速度低于300 km/h 時(shí)，40 Hz 附近聲壓級(jí)峰值隨速度增加而線性增大，而速度高于300 km/h 時(shí)，40 Hz 附近聲壓級(jí)峰值則隨速度的增加而基本穩(wěn)定不變。

圖2 乘務(wù)員室中部測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)和40 Hz 附近聲壓級(jí)峰值隨運(yùn)行速度的變化

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)乘務(wù)員室噪聲帶給人體的主觀感受，文中對(duì)所測(cè)噪聲進(jìn)行了聲品質(zhì)（Sound Quality）分析。聲品質(zhì)參數(shù)主要有響度、尖銳度、粗糙度、抖動(dòng)度、音調(diào)度等［12］，不同的參數(shù)反映不同的心理聲學(xué)特征。其中，粗糙度（Roughness）是用來描述人們對(duì)聲音瞬時(shí)變化的感受，與聲音的調(diào)制頻率、調(diào)制比等有關(guān)。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(shù)，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(jù)圖2 所示結(jié)果，當(dāng)列車以300 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，40 Hz 附近聲壓級(jí)峰值在總聲壓級(jí)中所占比重最高，因此對(duì)列車以300 km/h 恒速運(yùn)行的工況進(jìn)行聲品質(zhì)分析，分別計(jì)算各個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)的粗糙度和尖銳度，結(jié)果如圖3 所示?？梢钥闯?，乘務(wù)員室和機(jī)械師室中央測(cè)點(diǎn)，噪聲的粗糙度明顯高于乘務(wù)員室外走廊、風(fēng)擋中央過道以及后端墻通過臺(tái)，而噪聲的尖銳度則顯著低于這3 個(gè)位置。該結(jié)果充分說明乘務(wù)員室和機(jī)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(cè)點(diǎn)噪聲粗糙度和尖銳度

3 乘務(wù)員室振動(dòng)特性試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步分析乘務(wù)員室異常噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，分別對(duì)乘務(wù)員室前面板、后端墻、窗、門、頂板及地板幾處不同部位的振動(dòng)加速度進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。同樣以列車在300 km/h 恒速運(yùn)行工況為例，對(duì)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4 所示。可以看出，乘務(wù)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(wù)員室窗振動(dòng)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(jié)果表明，40 Hz 左右的頻率激勵(lì)與車下懸掛系統(tǒng)尤其是轉(zhuǎn)向架區(qū)域的振動(dòng)無關(guān)，考慮乘務(wù)員室內(nèi)異常噪聲主要是由前面板、后端墻、門和頂板振動(dòng)導(dǎo)致的。

圖4 乘務(wù)員室不同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度頻譜

對(duì)乘務(wù)員室前面板、后端墻、門和頂板振動(dòng)加速度在40 Hz 附近的峰值進(jìn)行分析，其隨列車運(yùn)行速度的變化如圖5 所示。結(jié)果顯示，乘務(wù)員室門在40 Hz 附近的振動(dòng)加速度峰值隨列車運(yùn)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(dòng)加速度峰值則與圖2 所示噪聲在該頻率附近的峰值呈現(xiàn)較一致的變化規(guī)律：當(dāng)速度低于300 km/h 時(shí)，加速度峰值隨速度增加而線性增大，而速度高于300 km/h 時(shí)，加速度峰值則隨速度的增加而基本穩(wěn)定不變，甚至有輕微下降的趨勢(shì)。該結(jié)果進(jìn)一步說明乘務(wù)員室內(nèi)異常低頻噪聲與其側(cè)墻及頂板的結(jié)構(gòu)振動(dòng)密切相關(guān)。

圖5 乘務(wù)員室不同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度40 Hz 附近峰值隨運(yùn)行速度的變化

4 乘務(wù)員室噪聲仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證乘務(wù)員室異常噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)乘務(wù)員室聲學(xué)模態(tài)及振動(dòng)環(huán)境下的聲場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真計(jì)算。

依據(jù)乘務(wù)員室尺寸，建立聲腔模型，如圖6 所示。使用Hypermesh 軟件對(duì)該聲腔模型進(jìn)行聲學(xué)有限元網(wǎng)格劃分，之后使用Virtual lab 軟件求解其聲學(xué)模態(tài)。前10 階聲學(xué)模態(tài)頻率見表3。由計(jì)算結(jié)果可以看出，乘務(wù)員室內(nèi)聲腔并沒有40 Hz 附近的聲學(xué)模態(tài)，說明該異常噪聲與其聲學(xué)固有頻率無關(guān)。

圖6 乘務(wù)員室聲腔模型

表3 乘務(wù)員室聲腔聲學(xué)模態(tài)

為評(píng)估乘務(wù)員室周圍結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)內(nèi)部噪聲的影響，將試驗(yàn)測(cè)得的乘務(wù)員室前面板、后端墻、窗、門、頂板及地板振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)作為激勵(lì)，使用有限元方法（FEM）計(jì)算該激勵(lì)下乘務(wù)員室內(nèi)聲場(chǎng)分布。300 km/h 和350 km/h 2 個(gè)速度級(jí)下，乘務(wù)員室中部1.2 m 位置測(cè)點(diǎn)噪聲仿真計(jì)算聲壓級(jí)頻譜與實(shí)測(cè)聲壓級(jí)頻譜對(duì)比結(jié)果如圖7 所示?？梢钥闯?，當(dāng)只有振動(dòng)加速度作為激勵(lì)時(shí)，乘務(wù)員室中心位置噪聲仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜變化趨勢(shì)相吻合，而聲壓級(jí)數(shù)值相差約40～50 dB，與實(shí)測(cè)背景噪聲聲壓級(jí)一致。由仿真曲線看出，在周圍壁面結(jié)構(gòu)振動(dòng)的激勵(lì)下，乘務(wù)員室中部噪聲在40 Hz 附近出現(xiàn)凸起的峰值。而85、134、153、169、174 Hz 幾個(gè)頻率點(diǎn)出現(xiàn)峰值則是由于其聲學(xué)模態(tài)的激發(fā)。對(duì)應(yīng)噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果也可以看出，在某些聲學(xué)模態(tài)頻率點(diǎn)出現(xiàn)了小的峰值。

圖7 300 km/h 和350 km/h 速度下乘務(wù)員室中部1.2 m 測(cè)點(diǎn)噪聲實(shí)測(cè)與仿真頻譜對(duì)比

5 結(jié)論與展望

對(duì)高速動(dòng)車組乘務(wù)員室相關(guān)位置噪聲進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明乘務(wù)員室內(nèi)部噪聲在40 Hz 附近出現(xiàn)峰值，通過聲品質(zhì)分析，該頻率特征是導(dǎo)致乘務(wù)人員耳膜受壓迫、主觀感知煩躁的主要原因。對(duì)乘務(wù)員室前面板、后端墻、窗、門、頂板及地板進(jìn)行了振動(dòng)加速度測(cè)試，結(jié)果表明，前面板、后端墻、門和頂板振動(dòng)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(guī)律與噪聲一致。結(jié)合聲學(xué)有限元仿真計(jì)算結(jié)果，乘務(wù)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(jié)構(gòu)振動(dòng)所致，與車下轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動(dòng)無關(guān)。在今后的應(yīng)用過程中，應(yīng)重點(diǎn)考慮乘務(wù)員室壁板的減振措施，以降低低頻異常噪聲。