基于心理聲學(xué)客觀參量的高速列車車內(nèi)聲品質(zhì)分析

胡秦，徐涆文，陳鵬，黃佳程，肖新標(biāo)

基于心理聲學(xué)客觀參量的高速列車車內(nèi)聲品質(zhì)分析

胡秦，徐涆文，陳鵬，黃佳程，肖新標(biāo)*

（西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

對高速列車車內(nèi)噪聲進(jìn)行了現(xiàn)場測試，使用等級評分法組織被試者開展主觀評價試驗(yàn)，并計(jì)算心理聲學(xué)客觀參量。以客觀參量為特征、主觀煩惱度為標(biāo)簽，建立基于支持向量回歸機(jī)的聲品質(zhì)預(yù)測模型，通過相關(guān)性分析確定影響煩惱度的主要因素。研究結(jié)果表明：支持向量回歸機(jī)在測試集的預(yù)測精度為0.92，可以有效實(shí)現(xiàn)由心理聲學(xué)客觀參量到主觀煩惱度的映射。響度是影響高速列車車內(nèi)聲學(xué)舒適性的主要因素，隨著列車運(yùn)行速度增大，低頻噪聲成分的特性響度迅速增大。當(dāng)速度達(dá)到300 km/h時，特性響度曲線的最大值出現(xiàn)在低頻段且非常顯著，對人體的聲學(xué)舒適性產(chǎn)生巨大影響。相關(guān)研究結(jié)果可為高速列車車內(nèi)噪聲控制和設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)和參考。

高速列車；聲品質(zhì)；預(yù)測模型；支持向量回歸機(jī)；響度

近年來，我國高速列車取得重大發(fā)展，隨之而來的是車內(nèi)噪聲問題越發(fā)嚴(yán)重，噪聲污染超標(biāo)限制了高速列車運(yùn)行速度的提高[1]。噪聲測量中常用A聲級評估噪聲大小，但A聲級會對低頻噪聲做較大的計(jì)權(quán)衰減，從而低估高速列車車內(nèi)噪聲的低頻范圍，其結(jié)果就是對人體舒適性的評價不準(zhǔn)確。

有研究指出，評價噪聲時必須考慮乘客的主觀感受以及心理變化[2]。聲品質(zhì)作為反映人體主觀感受的噪聲評價指標(biāo)逐漸被國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用于各類交通工具乘坐舒適性的評價中。Yoon等[3]將響度等聲品質(zhì)客觀參量和人的主觀評價進(jìn)行相關(guān)性分析，對汽車的空調(diào)噪聲開展了研究。Kim等[4]提出新的針對高級轎車聲品質(zhì)的主觀評價指標(biāo)。Huang等[5]研究了汽車車內(nèi)聲品質(zhì)，并使用深度信念網(wǎng)絡(luò)建立預(yù)測模型。毛東興等[6]深入研究了分組成對比較法，提高了主觀評價的效率。陳卉等[7]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了非平穩(wěn)工況下的車內(nèi)噪聲評價模型。申秀敏[8-9]使用支持向量機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對汽車聲品質(zhì)進(jìn)行建模分析。張偉等[10]基于現(xiàn)場測試，分析了高速列車車內(nèi)噪聲的心理聲學(xué)特性。楊易等[11]運(yùn)用大渦模擬對汽車風(fēng)振噪聲進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果開展了聲品質(zhì)主客觀評價。姜順明等[12]基于音樂理論進(jìn)行汽車車內(nèi)聲品質(zhì)的主動聲學(xué)設(shè)計(jì)。

基于聲品質(zhì)對汽車噪聲的研究已有一定的發(fā)展，提出了更符合人體舒適性的噪聲控制理念。而把聲品質(zhì)用于鐵路噪聲的評價仍處于探索階段，將機(jī)器學(xué)習(xí)智能算法應(yīng)用到高速列車聲學(xué)舒適性中的研究還較為匱乏，建立的聲品質(zhì)預(yù)測模型更為有限。本文對高速列車車內(nèi)噪聲開展現(xiàn)場測試，利用心理聲學(xué)參量分析車內(nèi)聲環(huán)境，通過支持向量機(jī)建立主觀煩惱度的預(yù)測模型，尋找影響高速列車車內(nèi)聲學(xué)舒適性的主要因素，為高速列車的高聲品質(zhì)聲學(xué)設(shè)計(jì)提供方向。

1 心理聲學(xué)客觀參量

1.1 響度

響度屬于強(qiáng)度感知類，包含多種計(jì)算模型。響度越大，人耳的感知越吵。本文采用ISO 532-1[13]中規(guī)定的Zwicker模型響度計(jì)算方法：

式（2）中，臨界帶率是考慮了掩蔽效應(yīng)后形成的新的頻率尺度。臨界帶率和內(nèi)耳中基底膜的長度呈線性關(guān)系，與傳統(tǒng)的Hz頻率存在以下?lián)Q算關(guān)系：

式中：為Hz頻率。

響度是心理聲學(xué)中研究較多的客觀參量，也是目前理論最完善的聲品質(zhì)客觀參量。其他客觀參量模型的計(jì)算以響度為基礎(chǔ)。

1.2 尖銳度

尖銳度被用來描述聲音的音色感知，感知為刺耳、高頻成分占比高的聲音，尖銳度大。本文采用Zwicker[14]提出的尖銳度計(jì)算方法：

1.3 粗糙度

粗糙度感知是由調(diào)制頻率產(chǎn)生的相對快的變化引起的，用于對調(diào)制頻率大于20 Hz的聲音進(jìn)行評價。本文采用Zwicker[14]提出的粗糙度計(jì)算方法：

1.4 波動強(qiáng)度

波動強(qiáng)度反映調(diào)制頻率很低時人對聲音的感受，用于對調(diào)制頻率低于20 Hz的聲音進(jìn)行評價。本文采用Zwicker[14]提出的波動強(qiáng)度計(jì)算方法，為：

式中：為波動強(qiáng)度，vacil。

2 噪聲采集及主觀評價試驗(yàn)

2.1 車內(nèi)噪聲測試

對高速列車車內(nèi)噪聲開展現(xiàn)場測試。試驗(yàn)在我國某高速鐵路上進(jìn)行。試驗(yàn)列車為8編組。試驗(yàn)區(qū)段包含明線、隧道以及橋梁，均為無砟軌道。車內(nèi)噪聲測點(diǎn)布置如圖1所示，分別在司機(jī)室、客室中央、風(fēng)擋位置距地板面1.2 m高處布置一個聲學(xué)傳感器。

圖1 車內(nèi)噪聲測點(diǎn)布置示意圖

使用B&K PULSE振動噪聲測試系統(tǒng)平臺采集列車以不同的速度（160 km/h、190 km/h、220 km/h、250 km/h、270 km/h、300 km/h）運(yùn)行時的噪聲數(shù)據(jù)，每個噪聲數(shù)據(jù)的有效長度在20 s以上。

2.2 主觀評價實(shí)驗(yàn)

主觀評價試驗(yàn)的時間不宜過長，因此將測得的噪聲數(shù)據(jù)剪切至4～6 s，得到共114個穩(wěn)定、無干擾的聲音樣本。由于本研究使用的聲音樣本較多（114個），且高速列車作為公共交通工具無法兼具個人對聲音屬性的偏好，因此使用等級評分法[15]并以聲音的“煩惱度”為乘客的主要感受進(jìn)行打分，詳細(xì)的等級劃分如表1所示。

主觀評價試驗(yàn)的環(huán)境要求盡可能安靜，因此選擇半消聲室作為試驗(yàn)地點(diǎn)，使用森海塞爾HD650高保真耳機(jī)對聲音樣本進(jìn)行高保真回放，如圖2所示。

表1 煩惱度等級與對應(yīng)語義表

圖2 主觀評價實(shí)驗(yàn)

本次試驗(yàn)選取20名在校研究生作為受試者，男女比例為3:1，均身體健康，無聽力障礙，有豐富的乘坐高速列車的經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)前心理狀態(tài)良好。正式試驗(yàn)前，還對被試者進(jìn)行了聽音訓(xùn)練，以保證沒有經(jīng)驗(yàn)的被試者可以對聲音樣本作出準(zhǔn)確的評價。

以20個被試者打分的算術(shù)平均值作為聲音樣本的主觀評價值，即煩惱度。煩惱度和心理聲學(xué)客觀參量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 煩惱度和客觀參量表

3 聲品質(zhì)預(yù)測模型

如前文所述，聲環(huán)境最終以乘客的主觀煩惱度為評價標(biāo)準(zhǔn)，而主觀評價耗時耗力且重復(fù)性差，利用客觀參量對主觀評價進(jìn)行預(yù)測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.1 支持向量回歸機(jī)

支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）是一種用于對樣本數(shù)據(jù)作二元分類的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其基本原理來自統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論中的VC（Vapnik-Chervonenkis）維理論以及結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小原理[16]。SVM對樣本數(shù)量較少而樣本特征較多的非線性問題有較好的分類效果。對于回歸問題，SVM可以轉(zhuǎn)換為支持向量回歸機(jī)（Support Vector Regression，SVR）。

SVR的基本思想如下。

首先給定樣本：

然后通過訓(xùn)練求得一個超平面：

圖3 支持向量回歸示意圖

SVR最優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)形式可寫為：

利用拉格朗日乘子法進(jìn)行求解，得到SVR的決策函數(shù)為：

對于非線性問題，引入核函數(shù)，將其轉(zhuǎn)化成線性問題，表示為：

3.2 預(yù)測模型

將表2中的心理聲學(xué)客觀參量作為輸入，主觀煩惱度作為輸出，建立基于支持向量回歸機(jī)的預(yù)測模型。以70%的聲音樣本（數(shù)量80）作為訓(xùn)練集，30%的聲音樣本（數(shù)量34）作為測試樣本。由于各客觀參量的單位各不相同，數(shù)值大小相差很大，因此需要對樣本數(shù)據(jù)做歸一化，將數(shù)據(jù)處理為[0,1]內(nèi)的無量綱形式，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，提高預(yù)測模型準(zhǔn)確程度。

構(gòu)建支持向量機(jī)模型時，需要考慮一個核心方法，即核函數(shù)的引入。核函數(shù)的作用是把樣本從原始特征空間映射到一個更高維的特征空間，使得原本可能不存在的能正確劃分樣本空間的超平面一定存在，即將非線性問題線性化，使得問題可以求解。本研究選用RBF核函數(shù)[16]，其數(shù)學(xué)形式可寫為：

圖4 支持向量回歸機(jī)預(yù)測效果

最終SVR在訓(xùn)練集上的預(yù)測精度為0.95，測試集上的預(yù)測精度為0.92，沒有出現(xiàn)過擬合，預(yù)測效果較好，且收斂速度很快。

3.3 心理聲學(xué)參量相關(guān)性

SVR可以實(shí)現(xiàn)由心理聲學(xué)客觀參量到主觀煩惱度的預(yù)測，然而模型本身相當(dāng)于黑箱，無法直接看出各客觀參量對煩惱度的影響大小。為尋找影響高速列車車內(nèi)聲學(xué)舒適性的主要因素，給出了煩惱度和心理聲學(xué)客觀參量的散點(diǎn)圖，如圖5所示。可以看出，煩惱度和響度存在較強(qiáng)的線性相關(guān)性，煩惱度隨著響度的增大而增大，煩惱度與其他心理聲學(xué)客觀參量的相關(guān)性則較為一般。

4 特性響度分析

對響度做進(jìn)一步分析。

列車以不同速度在隧道區(qū)間運(yùn)行時客室中央測點(diǎn)的特性響度如圖6所示?？梢钥闯?，隨著速度的增長，特性響度明顯增長，低頻噪聲成分的特性響度所占比例也明顯增長。列車以160 km/h運(yùn)行時，特性響度的最大值出現(xiàn)在4～5 Bark；以220 km/h運(yùn)行時，特性響度最大值出現(xiàn)在0～1 Bark，但在5～7 Bark也存在明顯較大的特性響度；以300 km/h運(yùn)行時，特性響度最大值出現(xiàn)在0～1 Bark，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他臨界帶率內(nèi)的特性響度。這說明隨著速度提高，低頻噪聲成分的特性響度迅速增大，并且低頻噪聲成分的特性響度所占比例也明顯增大，進(jìn)一步惡化高速列車車內(nèi)聲環(huán)境。

列車以300 km/h在不同線路區(qū)間運(yùn)行時客室中央測點(diǎn)的特性響度對比如圖7所示?？梢钥闯觯骶€和橋梁區(qū)間的特性響度曲線非常接近，隧道區(qū)間的特性響度在所有臨界帶率范圍內(nèi)都顯著大于明線和橋梁區(qū)間，三條特性響度曲線的最大值均出現(xiàn)在0～1 Bark，分別達(dá)到4.6 sone/Bark、3.2 sone/Bark和2.9 sone/Bark。

列車以300 km/h在隧道區(qū)間運(yùn)行時車內(nèi)不同位置處的特性響度對比如圖8所示?？梢钥闯?，各測點(diǎn)特性響度最大值均出現(xiàn)在0～3 Bark的中低頻范圍內(nèi)，由于各測點(diǎn)位置噪聲的激勵不同，相應(yīng)臨界帶率的特性響度也存在差異，司機(jī)室和客室中央的特性響度在0～1 Bark比較突出，并且司機(jī)室在0～11 Bark小于客室中央，但在12～20 Bark大于客室中央，風(fēng)擋的特性響度在1～2 Bark最為明顯。

圖5 煩惱度與心理聲學(xué)客觀參量

圖6 列車速度對特性響度的影響

圖7 運(yùn)行區(qū)間對特性響度的影響

圖8 車內(nèi)位置對特性響度的影響

由以上分析可知，高速列車達(dá)到一定速度后，低頻噪聲成分的特性響度都會非常顯著，列車在隧道區(qū)間運(yùn)行時的特性響度遠(yuǎn)大于其他運(yùn)行區(qū)間，風(fēng)擋位置的低頻噪聲尤為突出，對乘客的聲學(xué)舒適性產(chǎn)生巨大影響。

5 結(jié)論

本文對高速列車車內(nèi)噪聲進(jìn)行了現(xiàn)場測試，并組織被試者開展主觀評價試驗(yàn)，基于心理聲學(xué)客觀參量對高速列車車內(nèi)聲品質(zhì)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）通過支持向量回歸機(jī)，建立了主觀煩惱度預(yù)測模型，測試集的預(yù)測精度達(dá)到0.92，可以有效實(shí)現(xiàn)由心理聲學(xué)客觀參量到主觀煩惱度的映射。

（2）分析了響度、尖銳度、粗糙度、波動強(qiáng)度與主觀煩惱度的相關(guān)性，其中響度與主觀煩惱度存在較強(qiáng)的線性相關(guān)性。

（3）分析了列車速度、運(yùn)行區(qū)間、車內(nèi)位置對特性響度的影響，隨著列車運(yùn)行速度增大，低頻噪聲成分的特性響度迅速增大，當(dāng)速度達(dá)到300 km/h時，特性響度的最大值出現(xiàn)在低頻段，且非常顯著，對乘客的聲學(xué)舒適性產(chǎn)生巨大影響。

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Analysis of Sound Quality in High-speed Train Based on Objective Parameters of Psychoacoustics

HU Qin，XU Hanwen，CHEN Peng，HUANG Jiacheng，XIAO Xinbiao

( State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

The interior noise of a high-speed train is tested on the spot. The grading method is adopted to conduct the subjective evaluation test on the participants, and the objective parameters of psychoacoustics is calculated. With objective parameters as characteristics and subjective annoyance as labels, a sound quality prediction model based on support vector regression machine is established, and the main factors affecting the degree of annoyance are determined through the correlation analysis. The research results show that the prediction accuracy of support vector regression machine in the test set is 0.92, which can effectively realize the mapping from objective parameters of psychoacoustics to subjective annoyance. Loudness is the main factor affecting the interior acoustic comfort of high-speed trains. With the increase of the train speed, the characteristic loudness of low-frequency noise components increases rapidly. When the speed reaches 300 km/h, the maximum value of the characteristic loudness curve appears in the low frequency band and is very significant, which has a great impact on the acoustic comfort of the human body. The relevant research results can provide scientific basis and reference for the control and design of interior noise of high-speed trains.

high-speed train；sound quality；prediction model；support vector regression machine；loudness

U270.16

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.12.007

1006-0316 (2023) 12-0041-07

2023-03-07

國家自然科學(xué)基金（U1934203）

胡秦（1997－），男，四川德陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殍F路噪聲與振動，E-mail：247717546@qq.com。

通訊作者：肖新標(biāo)（1978－），男，廣東陽春人，博士，副研究員、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殍F路噪聲與振動，E-mail：xinbiaoxiao@163.com。