姜良奎，蘭永霞

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 工程研究中心，山東 青島 266111)

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高速車輛客室噪聲模擬系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

姜良奎，蘭永霞

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 工程研究中心，山東 青島 266111)

為了探究不同聲壓級條件下車內(nèi)噪聲對乘客乘坐舒適性的影響規(guī)律，需要建立高速列車客室噪聲模擬系統(tǒng)。分析了模擬系統(tǒng)中聲源布置合理性及其模擬系統(tǒng)的組成，說明了基于等效聲壓級的噪聲模擬數(shù)據(jù)的處理方法與軟件編寫，并進行了系統(tǒng)的軟件和硬件測試與分析。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各種聲壓級噪聲數(shù)據(jù)的動態(tài)模擬與聲音回放，達到了試驗需求的設計目的。

高速列車；噪聲模擬；聲場分析；系統(tǒng)設計

1 引 言

高速列車在運行過程中，由于受到輪軌作用、氣流作用、電氣作用等多場耦合作用，車內(nèi)受到輪對噪聲、氣流噪聲、電氣噪聲的聯(lián)合影響[1-2]。噪聲影響乘客乘坐的舒適性。為了研究噪聲的聲壓級對舒適性的影響規(guī)律和作用特性，首先需要構(gòu)建噪聲的模擬試驗環(huán)境。

采用音箱陣列來模擬噪聲，得到較為均勻的噪聲聲場模擬品質(zhì)。提出了模擬噪聲的數(shù)據(jù)生成與處理方法及其軟件編寫。完成模擬系統(tǒng)硬件與軟件設計，最后進行系統(tǒng)調(diào)試和試驗。結(jié)果表明，該試驗系統(tǒng)能完成不同聲壓級噪聲的聲場模擬，為噪聲舒適性的研究提供了試驗環(huán)境。

2 噪聲聲場模擬系統(tǒng)

2.1 聲源配置及其聲場特性模擬

在試驗車體的兩側(cè)均布置7只全頻率的音箱，兩側(cè)共計14只音箱，采用德國EASE4.3軟件進行聲學建模，模型如圖1所示。

圖1 噪聲模擬的聲學模型

添加車體的吸聲材料、音箱參數(shù)后，進行聲場模擬，模擬的效果如圖2所示。

圖2 聲場聲壓級分布

除了車體兩端之外，在距離車體地板1.2m高度的噪聲聲壓級十分均勻，滿足小于3dB的要求。滿足客室聲場模擬要求。

2.2 模擬系統(tǒng)的總體組成

噪聲模擬系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示。

圖3 車內(nèi)噪聲模擬單元的系統(tǒng)構(gòu)成

將噪聲信號輸入計算機，通過播放軟件的加載與播放，將音頻數(shù)據(jù)發(fā)送到調(diào)音臺、數(shù)字音頻矩陣、放大器。最后由音箱陣列播放、模擬、再現(xiàn)噪聲信號。由于硬件系統(tǒng)均采用成熟品牌，后面主要研究播放數(shù)據(jù)的生成方法與軟件實現(xiàn)。

3 噪聲試驗數(shù)據(jù)的生成方法與軟件實現(xiàn)

3.1 噪聲數(shù)據(jù)生成方法

描述噪聲強度的方法主要有聲壓級、聲強級、聲功率級。當聲波傳播時，介質(zhì)內(nèi)各部分產(chǎn)生壓縮與膨脹的周期性變化，壓縮時壓強增加，膨脹時壓強減小。變化的壓強與靜壓強的差值稱為聲壓，聲壓變化的平均值為零。聲壓級能很好地反映人的聽覺效果，因此本文采用聲壓級作為目標參數(shù)來生成噪聲模擬數(shù)據(jù)。一般測量有效聲壓[3]，即：

(1)

式中，T為積分時間(平均時間)；p為介質(zhì)內(nèi)壓力的變化值。

當p為諧波時：

(2)

當p為三角波時：

(3)

當p為白噪聲，σ為噪聲方差時：

PRMS=σ

(4)

人對聲音的主觀感覺和聲波的客觀量值之間不是線性關系。當聲強以10、100、1000倍的規(guī)律變化時，人耳感覺是近似按1、2、3倍的規(guī)律變化的，呈對數(shù)關系。因此引入聲壓級，單位用分貝表示[3]。

(5)

式中，p0為基準聲壓，p0=2×10-5。

通過式(5)與式(2)-式(4)的結(jié)合，可以建立需要模擬噪聲與產(chǎn)生信號幅值之間的關聯(lián)關系。如需要產(chǎn)生的聲壓級為L，則對應描述諧波、三角波、隨機波的參數(shù)分別為：

(6)

(7)

(8)

3.2 多源噪聲的合成方法

多源噪聲的合成也叫噪聲疊加，滿足線性聲學條件的多列噪聲聲波相交時滿足聲波疊加原理。設有兩個單一頻率噪聲源共同作用，聲壓分別為：

p1=p1mcos(ω1t+φ1)

p2=p2mcos(ω2t+φ2)

則總聲壓的有效值：

(9)

兩列相干噪聲聲波疊加時(頻率相同、相位差恒定)：

p2=p12+p22

(10)

聲壓振幅的平方反映了聲場中平均能量的大小，說明兩列不相干噪聲聲波相交時不會發(fā)生干涉現(xiàn)象，遵守能量相加原則。一般的噪聲均為不相干波，總聲壓級為：

(11)

式(11)建立總聲壓級與噪聲信號的聲壓級的關聯(lián)關系。

3.3 軟件實現(xiàn)

生成的噪聲數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為音頻文件以便于播放軟件在線播放，本軟件在Labview平臺上進行程序開發(fā)，該軟件平臺具備完備的聲音處理的函數(shù)庫、硬件驅(qū)動平臺，文件格式轉(zhuǎn)化模塊實現(xiàn)文本格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為音頻文件格式。具體程序框架如圖4所示。

圖4 模擬噪聲轉(zhuǎn)換為.wav音頻文件程序

將完成格式轉(zhuǎn)換的音頻文件輸入播放器，進行數(shù)據(jù)解碼，并輸送到聲卡進入噪聲的播放系統(tǒng)，具體實現(xiàn)程序如圖5所示，播放器的人機交互界面如圖6所示。

圖6 模擬噪聲播放界面

4 噪聲模擬試驗與系統(tǒng)驗證

為了測試系統(tǒng)的可行性，采用車內(nèi)噪聲測試的標準[4]，具體測點布置如圖7所示。在車體中心線上(距離地板1.2m)的車體前、中、后3個位置布置噪聲傳感器測試播放的噪聲信號，處理1min的試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

圖7 噪聲測點圖

表1 聲壓級測試驗證試驗

通過對典型噪聲數(shù)據(jù)的播放、測試比對，說明該系統(tǒng)達到了試驗設計的要求，能夠在車體前、中、后對應位置復現(xiàn)出設定的聲壓級噪聲參數(shù)來，其誤差在可接受的范圍內(nèi)。

5 小 結(jié)

本文介紹了高速車體客室內(nèi)噪聲模擬系統(tǒng)的設計方法，主要包括音箱陣列布置對噪聲均勻性的影響，系統(tǒng)的總體構(gòu)成，模擬噪聲的數(shù)據(jù)生成方法和數(shù)據(jù)處理。在Labview平臺上很好地實現(xiàn)了噪聲生成算法、文件格式轉(zhuǎn)化、硬件驅(qū)動和人機交互等功能。通過對比試驗，系統(tǒng)運行可靠，取得了令人滿意的試驗效果。

[1]陳祥.高速鐵路客車乘坐舒適度綜合評價模型研究[D].西南交通大學,2010.

[2]袁修法.列車綜合舒適度檢測系統(tǒng)的開發(fā)[D].西南交通大學,2009.

[3]杜功煥.聲學基礎[M].上海:上海科學技術(shù)出版社,1981.

[4]GB/T12816-2006 鐵道客車內(nèi)部噪聲限值及測量方法[S].

Design and Realization of Noise Simulation System in High-Speed Passenger Compartment

Jiang Liangkui, Lan Yongxia

(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd. National engineering Laboratory, Qingdao 266111, Shandong, China)

In order to study the influence of different noise levels on the riding comfort of high-speed train, the noise simulation system is designed and realized in this paper. Firstly, the sound resource arrangement is discussed and the consisting components of the noise simulation system are introduced. The data processing method based on the equivalent sound press level is analyzed and its software system is developed. The different press level noises can be simulated and played back after the simulation test of hardware and software, which can meet the requirements of noise simulation experiment.

high-speed train; noise simulation; sound field analysis; system design

2016-07-27

姜良奎(1974-)，男，高級工程師，主要研究方向：人機工程。

U270.1+6

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.017