季 杰，張學(xué)飛，王瑞乾，儲麗霞

(1.常州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，江蘇 常州213100；2.常州西南交通大學(xué) 軌道交通研究院，江蘇 常州213164)

隨著目前高速列車運(yùn)行速度的持續(xù)提升，列車車內(nèi)的聲環(huán)境惡化[1-2]，車內(nèi)噪聲環(huán)境首先對乘客的乘車體驗感造成極大的影響，其次還會降低車內(nèi)乘客間交流的言語清晰程度[3]，并且還會對乘客接收車內(nèi)語音廣播系統(tǒng)播報信息的準(zhǔn)確程度造成干擾，因此有必要對車內(nèi)語言清晰度進(jìn)行研究并優(yōu)化。在如今計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的年代，基于幾何聲學(xué)開發(fā)的一些室內(nèi)聲場預(yù)測方法已經(jīng)達(dá)到應(yīng)用水平，其中聲線跟蹤法由于其高精度及高效率已經(jīng)在聲場預(yù)測領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，能夠較高效地對聲粒子在聲場環(huán)境中的傳播情況進(jìn)行較好預(yù)測，故本文使用聲線跟蹤法對高鐵車廂內(nèi)的語言清晰度進(jìn)行預(yù)測。

1 理論背景

1.1 聲線跟蹤法

聲線跟蹤法（Ray Tracing Method，以下簡稱RTM）是室內(nèi)聲場計算的常用方法之一，假設(shè)聲音以聲粒子形式沿直線傳播，且不考慮其在空間內(nèi)傳播的波動性，另外在可以反射或者衍射的聲場空間內(nèi)，將聲源發(fā)出的聲粒子與聲場空間內(nèi)壁面的碰撞點(diǎn)相連便是聲線。目前為止已經(jīng)有很多在混響聲場和長封閉空間聲場中使用聲線跟蹤法進(jìn)行聲場預(yù)測的例子：Jang 等在長空間的SEA模型中采用GESEA與RTM 相結(jié)合的方法成功預(yù)測聲音傳輸情況[4]；蔣忠進(jìn)等使用RTM 根據(jù)聲音傳播的機(jī)理計算接收球半徑及聲線密度，對封閉聲場空間進(jìn)行預(yù)測[5]；蔡銘等通過對室內(nèi)聲場進(jìn)行剖分并且結(jié)合RTM 顯著提高計算效率[6]。

在整節(jié)列車車廂的模型中，先在各個揚(yáng)聲器位置上放置合適的聲源，然后從聲源發(fā)出一根聲線，求出與車廂內(nèi)反射面的碰撞點(diǎn)，基于Snell 或Lambert定律形成反射折射之后判斷聲線是否經(jīng)過車廂內(nèi)接收能量的傳感器，若未經(jīng)過則接著求反射聲線，若經(jīng)過傳感器便記錄聲線能量及傳播時間等數(shù)據(jù)，并判斷聲線能量是否低于事先設(shè)定的閾值，若高于則返回繼續(xù)計算該聲線，反之則停止運(yùn)算并同時發(fā)出下一條聲線，隨之開始計算該點(diǎn)的平均脈沖響應(yīng)，整個流程圖如圖1所示。

本文通過RTM確定合適的聲線密度、接收點(diǎn)半徑及體積，并疊加聲線傳播能量，得出傳感器最終接收到的聲壓級。初始聲線密度的影響因素包括聲源發(fā)出的初始聲線數(shù)目、聲場空間體積、反射面吸聲系數(shù)；另外傳感器的接收點(diǎn)半徑及體積大小會對聲線傳播能量誤差及聲線丟失數(shù)量有影響，導(dǎo)致預(yù)測精度降低[7]。聲線跟蹤法優(yōu)點(diǎn)為計算效率高、計算速度快、且較容易被計算機(jī)實現(xiàn)，但是計算精度略差并且對低頻段的預(yù)測有一定誤差。

1.2 聲線跟蹤法計算車內(nèi)聲壓級

在RTM 中通過前處理設(shè)置聲源發(fā)出的總聲線數(shù)目得出聲源的初始聲功率，通過聲源發(fā)出的初始聲功率L和初始聲線數(shù)量n來計算初始聲線Ln，公式如下：

式中：聲源發(fā)出的聲線初始傳播路徑為s(x,y,z)，傳感器的接收半徑關(guān)系式如下：

圖1 車廂內(nèi)部聲線跟蹤法預(yù)測流程圖

式中：V為室內(nèi)聲場環(huán)境的總體積，通過傳感器測得各個測點(diǎn)的脈沖響應(yīng)。

在車內(nèi)聲場空間使用RTM預(yù)測時，根據(jù)傳播時間及聲能量計算出車內(nèi)的聲壓級，公式如下[8]：

式中：根據(jù)各個聲線的傳播時間對聲強(qiáng)進(jìn)行排序、疊加，得出傳感器的脈沖響應(yīng)In(x,y,z)，根據(jù)脈沖響應(yīng)計算出車內(nèi)聲場的聲壓級，其中ρ0c0表示高鐵車廂內(nèi)空氣阻抗，一般取為400 kg/(m2s)，將ρ0c0值代入式（3）得出：

1.3 語言清晰度計算

本文基于RTM 對列車車內(nèi)聲場空間進(jìn)行仿真預(yù)測分析，研究高鐵車廂內(nèi)廣播系統(tǒng)揚(yáng)聲器位置和數(shù)目對車內(nèi)語言清晰度的影響。依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)“IEC60268－16（4.0 版，2011－06）”[9]預(yù)測車內(nèi)語言清晰度，該標(biāo)準(zhǔn)在經(jīng)歷4次修訂后更完整成熟。Houtgast 等將聲音傳輸系統(tǒng)中的調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）概念引入到計算語言傳輸指數(shù)（STI）中[10]，其計算示意圖如圖2[11]所示。目前推薦的STI 測量方法有兩種，分別是基于采集調(diào)制信號的直接法和基于收集脈沖響應(yīng)信號的間接法，本文使用間接法測量。

圖2 調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)示意圖

在STI 計算過程中信噪比也較為重要，根據(jù)接收到的脈沖響應(yīng)信號計算出調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)m(F)=m0/mi，其中m取值為0～1，隨后將MTF 轉(zhuǎn)化為信噪比，公式如下：

根據(jù)信噪比再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成中間傳遞指數(shù)TI：

傳遞指數(shù)TIy,z由一個頻率調(diào)制某個頻帶得出，將這個頻帶在0.63 kHz～12.5 kHz 內(nèi)用14個以1/3倍頻程為間隔的頻率調(diào)制成TIy，欲得到語言傳遞指數(shù)，需要對125 Hz～8 000 Hz 之間7個頻帶的TIy求平均，最后根據(jù)不同頻帶下的清晰度指數(shù)計權(quán)，計算出車內(nèi)語言傳遞指數(shù)，公式如下：

STI間接測量法流程圖如圖3所示。

2 模型驗證與預(yù)測結(jié)果優(yōu)化

2.1 RTM仿真模型驗證

統(tǒng)計能量法（SEA）與聲線跟蹤法(RTM)均適用于中高頻噪聲，為驗證本文RTM的正確性，將SEA與RTM及實驗室試驗結(jié)合進(jìn)行方法驗證。

先在VA One中建立預(yù)測模型聲腔，其中發(fā)聲室尺寸為5.4 m×4.1 m×3.3 m，接收室尺寸為4.5 m×4.2 m×3.3 m，將尺寸為985 mm×970 mm×8 mm的鋼板放置于兩聲腔之間，聲源位于左側(cè)聲腔，計算頻率為100 Hz～8 000 Hz，聲波速為343 m/s，阻尼損耗因子為0.1%，聲腔內(nèi)流體為空氣，聲源布置及測點(diǎn)布置與實際試驗一致，進(jìn)行RTM 仿真驗證及SEA 驗證，模型及試驗布置如圖4所示。由于模型是爆炸視圖，所以部分傳感器及聲源顯示在聲腔外部。

VA One中可以設(shè)置自動聲線數(shù)目，故在驗證模型中采用自動聲線數(shù)來進(jìn)行模型驗證，分析完成后自動生成34 677條聲線。

驗證結(jié)果如圖5所示。基于3種方法的聲壓級變化趨于一致，隨著頻率升高聲壓級緩慢降低，并在2 000 Hz左右出現(xiàn)吸收峰值，由于統(tǒng)計能量法不適用于低頻，并且在較小模型中聲波長度接近或大于聲腔尺寸，故聲線跟蹤法低頻誤差略大，因此這兩種仿真方法不能精確計算低頻聲壓級，1 250 Hz～6 000 Hz 之間的聲壓級誤差均小于8 dB，在中高頻段驗證誤差較小，結(jié)果可信，故本文中基于RTM模型的計算方法是有效的。

圖3 STI間接測量法流程示意圖

圖4 模型圖及試驗圖

圖5 驗證結(jié)果圖

2.2 高速列車模型

驗證完成后在VA One中建立高鐵車廂模型，模型分為車頂、側(cè)墻、地板、端墻、座椅、車窗等區(qū)域，模型由15 849個節(jié)點(diǎn)、644個板單元及231個聲腔構(gòu)成，使用幾何聲學(xué)中的RTM并結(jié)合列車車內(nèi)語言清晰度進(jìn)行研究。為能夠正確地模擬真實環(huán)境，在列車模型內(nèi)揚(yáng)聲器位置通過布置球狀聲源來模擬列車廣播系統(tǒng)播報的情況，并將傳感器設(shè)置到乘客所處位置，用來模擬乘客接收到的聲信號，以此來對高鐵車廂內(nèi)語言清晰度進(jìn)行預(yù)測研究并優(yōu)化。用每個聲線跟蹤計算聲源傳播到RTD傳感器（Ray tracing domain 聲線跟蹤域傳感器，以下簡稱RTD 傳感器）的聲場，計算得出的STI 數(shù)值能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測及評價車內(nèi)語言清晰度，并且在提高語言清晰度的同時STI 呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢[12-13]。在整個模型空間內(nèi)建立合適的聲線跟蹤域，借助RTM建模形成聲場內(nèi)部或外部的聲學(xué)流體子系統(tǒng)，并將聲線跟蹤域連接到模型內(nèi)所有的聲源、反射面及各個指定坐標(biāo)點(diǎn)的RTD傳感器，所建立的模型連接聲線跟蹤域后如圖6所示。將車廂內(nèi)部聲腔的流體設(shè)置為空氣，由于車內(nèi)空氣流體的內(nèi)部損耗因子較低，故將聲衰減系數(shù)設(shè)置為0.1，車廂內(nèi)地板鋪設(shè)地毯，座椅及車廂內(nèi)部側(cè)墻頂板的擴(kuò)散系數(shù)設(shè)置為1 %。由于VA One 軟件支持聲線識別模型空間，故分析前聲線數(shù)目設(shè)置為自動設(shè)置，模型內(nèi)子系統(tǒng)能夠進(jìn)行的反射數(shù)與衍射數(shù)分別設(shè)為5，分析語言清晰度過程中聲線通過模型內(nèi)部連接面進(jìn)行反射、折射并且反射面各元素之間的最大角度設(shè)為15°，連接面類型設(shè)置為Reflecting，根據(jù)模型內(nèi)部空間大小及傳感器的位置、數(shù)目等多方面因素，設(shè)置傳感器的接收半徑為0.03 m，以便傳感器更精確地接收聲信號，模型的爆炸視圖如圖7所示。

圖6 車廂聲線跟蹤域連接模型

圖7 車廂模型爆炸視圖

圖8 基于車廂內(nèi)部聲線跟蹤法預(yù)測的聲源、傳感器測點(diǎn)分布圖

2.3 聲源及傳感器的布置

本文使用聲線跟蹤法預(yù)測的對象是某型高速列車的單節(jié)車廂，使用VA One軟件進(jìn)行建模該型高速列車內(nèi)部尺寸為：長17.6 m，寬2.9 m，高2.2 m。車內(nèi)聲源S1～S18位于車廂內(nèi)部18個廣播系統(tǒng)揚(yáng)聲器處，使用聲線跟蹤法來模擬車內(nèi)語言廣播系統(tǒng)的聲傳遞，模型內(nèi)設(shè)置的球狀聲源是用于公共廣播的揚(yáng)聲器聲源（Compact acoustic sources 緊湊球型聲源，以下簡稱CAS聲源），距離車內(nèi)地板高度均為1.6 m，用來模擬車廂內(nèi)部公共廣播揚(yáng)聲器的發(fā)聲效果；傳感器設(shè)置在距離地板高度為1.2 m的所有座椅處及1.5 m高的過道中，模擬乘客在坐姿及站姿情況下人耳所處位置。聲源、6個特殊位置傳感器布置圖（左側(cè)為車頭部位）如圖8所示。

2.4 預(yù)測結(jié)果

在使用RTM進(jìn)行仿真預(yù)測的過程中，調(diào)用10個聲源S1～S10對模型先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，仿真完成后自動生成114 137條聲線，并得到RTD 傳感器處125 Hz～12 500 Hz頻率范圍內(nèi)的聲壓級，各個頻率下車內(nèi)聲壓級云圖，如圖9所示。

由圖可見，中低頻情況下車廂內(nèi)聲壓級較高，且隨著頻率升高聲壓級減小，另外從總值來看車廂中部及左側(cè)3 排座位處聲壓級較高，可以初步說明位于左側(cè)的乘客接收聲信號效果比右側(cè)好，且車廂后部區(qū)域存在盲區(qū)，聲壓級接收不全面，有待改進(jìn)。

圖9 車內(nèi)聲壓級分布云圖

隨后，通過測出的聲壓級值得出脈沖響應(yīng)信號，進(jìn)行語言清晰度分析計算，分別模擬從聲源發(fā)出男女聲的聲線，自動生成的聲線數(shù)為645 896，對傳感器測得的數(shù)據(jù)加權(quán)求出平均值，根據(jù)距離依次畫出STI值的折線圖，如圖10所示。

圖10 男女聲站、坐姿STI值對比圖

從圖中得出距離車頭3米處STI值略差，車廂頭部及中部的STI值趨于穩(wěn)定并較為良好，列車尾部STI值具有隨距離增加而下降的趨勢，總體來看女聲在同樣的情況下比男聲預(yù)測效果更好，并且在同樣情況下站姿較坐姿語言清晰度更好，且女聲依舊比男聲效果好，建議使用女聲進(jìn)行語音播報。

在預(yù)測車內(nèi)語言清晰度過程中，還采用T30 指標(biāo)作為參考系數(shù)，其數(shù)值越低語言清晰程度越好。仿真過程中車內(nèi)測點(diǎn)數(shù)目較多，故采用6個特殊位置的測點(diǎn)R1～R6進(jìn)行125 Hz～8 000 Hz的信號采集，如圖8所示。從表1可得，車廂中后部語言清晰度效果略差，并且各個測點(diǎn)處低頻率的T30值較高，語言清晰度有待提高。

表1 T30仿真結(jié)果/S

2.5 優(yōu)化結(jié)果

在進(jìn)行仿真預(yù)測后，文中還進(jìn)行了一定的優(yōu)化改進(jìn)，將車廂內(nèi)CAS 聲源數(shù)目提升至12、14、16、18個(S1～S18)，分別進(jìn)行男女聲仿真預(yù)測，如圖8所示。發(fā)現(xiàn)并不是聲源數(shù)目越多STI值越高，語言清晰度的好壞程度與聲源數(shù)目沒有線性關(guān)系。其中在使用女聲進(jìn)行預(yù)測時，在將聲源數(shù)目提升至14個的情況下，車內(nèi)各個位置的STI值都較為穩(wěn)定，并且不存在清晰度較差的盲區(qū)，效果較好，如圖11所示。而對男聲進(jìn)行預(yù)測時，聲源數(shù)目增長后清晰度反而不會提高，如圖12所示。綜合最初預(yù)測結(jié)果得出使用女聲進(jìn)行語言播報的效果較好。

圖11 女聲聲源STI值優(yōu)化對比圖

圖12 男聲聲源STI值優(yōu)化對比圖

3 結(jié)語

本文先采用聲線跟蹤法（RTM）與統(tǒng)計能量法(SEA)及試驗進(jìn)行對比驗證，證明聲線跟蹤法的正確性與準(zhǔn)確性，并基于RTM 利用最新的STI 國際測量標(biāo)準(zhǔn)對車內(nèi)語言清晰度進(jìn)行預(yù)測及簡單優(yōu)化，能夠得出以下結(jié)論：

（1）建立一種通過使用聲線跟蹤法預(yù)測高鐵車廂內(nèi)語言清晰度的模型，對車內(nèi)聲壓級、語言傳輸指數(shù)STI、混響時間T30 指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測研究，發(fā)現(xiàn)車廂內(nèi)部靠近轉(zhuǎn)向架區(qū)域語言清晰度效果略差，車廂頭部及中部的語言清晰度良好；

（2）對于車內(nèi)廣播系統(tǒng)，使用女聲效果好于男聲,且較男聲而言，女聲更不容易被干擾，建議使用女聲進(jìn)行廣播系統(tǒng)播報；

（3）基于預(yù)測得出的結(jié)果，改變聲源數(shù)目及部分聲源位置對高鐵車廂內(nèi)語言清晰度有改進(jìn)效果，但聲源數(shù)目與語言清晰度并不呈線性關(guān)系，而需采用合適的聲源數(shù)目及位置。在聲源數(shù)目為14個并采用女聲進(jìn)行播報時車內(nèi)各處的STI值都較為穩(wěn)定并且不存在清晰度較差的盲區(qū)。本文對改善乘客乘車體驗及舒適度有一定的參考價值。