本發(fā)明屬于軌道交通車輛行業(yè)的nvh預(yù)測分析領(lǐng)域，涉及一種基于統(tǒng)計能量流分析預(yù)測高速列車車內(nèi)心理聲學(xué)參數(shù)的方法。

背景技術(shù)：

目前國內(nèi)外高速列車車內(nèi)噪聲預(yù)測分析方法主要包括有限元法和邊界元法、混合分析法、統(tǒng)計能量分析法三種，分別適用于高速列車車內(nèi)低頻、中頻和高頻噪聲的分析預(yù)測。正是由于各方法所適用頻帶分析范圍的差異，經(jīng)常需要建立多種不同的幾何分析模型，增加了仿真預(yù)測的工作量。尤其當(dāng)幾何模型較大時，有限元和邊界元分析法需要更長的分析時間。

心理聲學(xué)客觀參數(shù)是描述人對聲音的主觀感受差別程度的客觀物理量，可以定量地反映聽覺感受的差別，消除個體的影響。常用的心理聲學(xué)參數(shù)有響度、尖銳度、語言清晰度、感覺噪度等。

利用統(tǒng)計能量分析法對車內(nèi)的噪聲預(yù)測已經(jīng)有很多案例，正是由于利用了統(tǒng)計能量的理論，在計算時間上大大的縮短，在工程上具有重大的指導(dǎo)意義，但是統(tǒng)計能量分析只適合運用到高頻噪聲的預(yù)測仿真分析之中，而中低頻噪聲的預(yù)測具有較大的誤差。然而，利用統(tǒng)計能量流分析法卻可以拓寬分析頻帶，為車內(nèi)心理聲學(xué)客觀參數(shù)的計算提供保障。

目前對高速列車車內(nèi)噪聲的預(yù)測與分析大多集中在聲壓級的預(yù)測與分析之上，但是作為人這個被噪聲影響的主體并沒有被重視，即聲壓級的參數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)并未有效體現(xiàn)出人耳對聲音的感知程度；同時，對車內(nèi)的心理聲學(xué)客觀參數(shù)的預(yù)測大多集中在算法和主觀評價之中，較難在工程實踐中應(yīng)用，本發(fā)明一方面利用了統(tǒng)計能量流分析法頻帶范圍較寬的優(yōu)勢，另一方面從人的主觀感知出發(fā)，對高速列車車內(nèi)噪聲的心理聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測與分析，從而為高速列車設(shè)計階段車內(nèi)噪聲的分析和材料選擇提供理論指導(dǎo)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：基于上述問題，本發(fā)明提供一種基于統(tǒng)計能量流分析預(yù)測高速列車車內(nèi)心理聲學(xué)參數(shù)的方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的一個技術(shù)方案是：一種基于統(tǒng)計能量流分析預(yù)測高速列車車內(nèi)心理聲學(xué)參數(shù)的方法，包括以下步驟：

(1)高速列車車外噪聲源激勵獲取，包含運行狀態(tài)下的氣動噪聲、輪軌噪聲、靜止?fàn)顟B(tài)下的輔助設(shè)備噪聲；高速列車車體樣件進(jìn)行隔聲測試；高速列車車內(nèi)聲腔的內(nèi)損耗因子測試；高速列車車內(nèi)內(nèi)飾的內(nèi)損耗因子測試；

(2)利用統(tǒng)計能量流分析法對車內(nèi)聲壓級進(jìn)行預(yù)測；

(3)對車內(nèi)心理聲學(xué)客觀參數(shù)進(jìn)行計算分析。

具體包括以下步驟：

(1)選擇類似型號高速列車作為噪聲源采集對象；

(2)在高速列車靜止?fàn)顟B(tài)之下依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)gb/t5111-2011對高速列車的輔助設(shè)備的噪聲聲壓級進(jìn)行測試，輔助設(shè)備包含空調(diào)、風(fēng)機(jī)、變電器；

(3)在相同速度等級的條件下利用b&k表面聲傳感器對高速列車車體表面的氣動噪聲進(jìn)行測試；利用聲傳感器對輪軌區(qū)域的噪聲進(jìn)行測試；

(4)在聲學(xué)實驗室中依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)gb/t19889.3-2005對研發(fā)的車體樣件進(jìn)行隔聲特性的測試，分別獲取車頂、地板、側(cè)墻、端墻、車門、車窗的隔聲量頻譜；在半消聲中依據(jù)tb/t3094-2004對風(fēng)擋的隔聲性能進(jìn)行測試；

(5)在聲學(xué)實驗室依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)gb/t18696.2和gb/t20247-2006分別對車內(nèi)地毯、座椅吸聲特性進(jìn)行測試，計算獲得其內(nèi)損耗因子；

(6)在獲得車外噪聲源的聲壓級、車體樣件的隔聲量頻譜、高速列車車內(nèi)聲腔的內(nèi)損耗因子、車內(nèi)內(nèi)飾的內(nèi)損耗因子之后，將獲得的參數(shù)附加在車體統(tǒng)計能量流分析模型中，利用統(tǒng)計能量流分析法對車內(nèi)噪聲的聲壓級進(jìn)行預(yù)測；

(7)利用相關(guān)的心理聲學(xué)客觀參量計算方法對高速列車車內(nèi)特征響度、特征尖銳度、語言清晰度、感覺噪度進(jìn)行計算分析。

本發(fā)明的有益效果是：提出了一種高速列車車內(nèi)噪聲仿真建模分析、車內(nèi)心理聲學(xué)客觀參數(shù)的預(yù)測方法，較利用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等預(yù)測方法更加快捷和準(zhǔn)確，且更加適用于工程實踐之中。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1車體結(jié)構(gòu)整體模型預(yù)測示意圖；

圖2高速列車模型車外聲腔子系統(tǒng)、車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)斷面圖；

圖3是車體結(jié)構(gòu)斷面圖；

圖4是車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)截面圖；

圖5是車外聲腔子系統(tǒng)截面圖；

圖6是車外噪聲源分布示意圖；

圖7是高速列車車外氣動噪聲頻譜圖；

圖8是高速列車車下區(qū)域噪聲頻譜圖；

圖9是地板區(qū)域隔聲量頻譜圖；

圖10是側(cè)墻隔聲量頻譜圖；

圖11是頂板和車門隔聲量頻譜圖；

圖12是風(fēng)擋i1/o1測點和i2/o2測點隔聲量計算結(jié)果圖；

圖13是風(fēng)擋i3/o3測點和i4/o4測點隔聲量計算結(jié)果圖；

圖14是高速列車座椅樣件吸聲系數(shù)頻譜圖；

圖15是高速列車地毯吸聲系數(shù)頻譜圖；

圖16是統(tǒng)計能量流分析法理論模型示意圖；

圖17是外中耳衰減因子頻譜圖；

其中：1.車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)，2.車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，3.車外聲腔子系統(tǒng)，4.車頂，5.側(cè)墻，6.座椅，7.車窗，8.裙板，9.地板。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以下實施例旨在說明本發(fā)明而不是對本發(fā)明的進(jìn)一步限定。

依據(jù)實際高速列車車體幾何參數(shù)，基于統(tǒng)計能量流分析法，利用vaone軟件對單節(jié)客室進(jìn)行了建模。如圖1所示為參照某高速列車2號車廂相關(guān)參數(shù)所建立的單節(jié)客室車內(nèi)噪聲預(yù)測模型。由圖2可見預(yù)測模型主要由車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)、車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、車外聲腔子系統(tǒng)三部分組成。

基于聲學(xué)統(tǒng)計能量流分析法對車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)均采用平板和曲面板等效車體結(jié)構(gòu)組成，如圖3所示，車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)主要由側(cè)墻上部、側(cè)墻下部、車頂、平頂、車窗、地板、座椅、風(fēng)擋、端墻、裙板等組成，對座椅和地毯等具有吸聲特性的子系統(tǒng)采用nct加以模擬其吸聲特性。

如圖4示，高速列車內(nèi)部聲腔劃分主要根據(jù)車體結(jié)構(gòu)模型的子系統(tǒng)劃分情況將客室內(nèi)部空間離散成多個子聲腔，車內(nèi)聲腔用來接收由車外聲腔子系統(tǒng)能量經(jīng)過車體結(jié)構(gòu)的能量衰減到車內(nèi)的能量，車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)與車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)相互彼此耦合，耦合面的尺寸相同。

如圖5示，高速列車車外聲腔子系統(tǒng)依據(jù)車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)劃分情況離散為多個外部聲腔子系統(tǒng)；外部聲腔子系統(tǒng)用來傳遞加載在該區(qū)域的外部激勵能量，每個外部聲腔子系統(tǒng)與車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)外表面相對應(yīng)并相互耦合，耦合面的尺寸相同，并且相鄰的外部聲腔之間相互耦合，使外部聲腔覆蓋除端部以外的整個車身表面，列車外部聲腔厚度為0.4～0.6m。

在相同速度等級的條件下，利用b&k表面聲傳感器對高速列車車體表面的氣動噪聲進(jìn)行測試，車體表面氣動噪聲聲壓級頻譜如圖6所示。

高速列車車體表面的氣動噪聲主要是由于氣體湍流導(dǎo)致的氣動噪聲，如圖6所示為利用b&k表面麥克風(fēng)實測的高速車外氣動噪聲頻譜圖，將實測車外氣動噪聲以約束場激勵分別加載到車體表面聲腔上，具體加載位置如圖7所示。

高速列車車下區(qū)域噪聲主要由空調(diào)、風(fēng)機(jī)、變電器等輔助設(shè)備噪聲以及輪軌區(qū)域噪聲，在列車運行時采用傳聲器對輪軌區(qū)域聲壓級進(jìn)行測試和列車靜止?fàn)顟B(tài)下依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)gb/t5111-2011對高速列車的輔助設(shè)備的噪聲聲壓級進(jìn)行測試，車下區(qū)域的噪聲聲壓級頻譜如圖8所示。

在聲學(xué)實驗室中依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)gb/t19889.3-2005對研發(fā)的車體樣件進(jìn)行隔聲特性的測試，分別獲取車頂、地板、側(cè)墻、端墻、車門、車窗的隔聲量頻譜；在半消聲中依據(jù)tb/t3094-2004對風(fēng)擋的隔聲性能進(jìn)行測試。

在聲學(xué)實驗室內(nèi)依據(jù)gb/t19889.3-2005對車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲量的頻譜測試，首先測試發(fā)聲室和接收室的平均聲壓級，其次對接收室的混響時間進(jìn)行測試，然后依據(jù)公式1計算獲得車體結(jié)構(gòu)的隔聲量頻譜。

式中：l1為發(fā)聲室平均聲壓級；l2為接收室聲壓級；s為樣件的面積；a為接收室吸聲量。其頻率隔聲量測試結(jié)果如圖9至11所示。

高速列車風(fēng)擋由于體積較大且形狀不規(guī)則并不適合利用混響室-混響室隔聲測試，所以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)tb/t3094-2004要求在半消聲室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)擋的隔聲量頻譜的測試；首先1個無指向聲源放置在風(fēng)擋內(nèi)部中央，風(fēng)擋內(nèi)外傳聲器測點均布置在半邊風(fēng)擋中央斷面各邊中點距風(fēng)擋表面30mm處，共8個測點。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)tb/t3094-2004要求，將風(fēng)擋四周密封完畢，開啟聲源，在風(fēng)擋內(nèi)部產(chǎn)生不低于110db(a)的噪聲，測試風(fēng)擋內(nèi)、外各測點1/3倍頻程的聲壓級。

高速列車風(fēng)擋結(jié)構(gòu)隔聲方案，各測試點的頻率隔聲量測試結(jié)果如圖12和圖13所示。風(fēng)擋低頻隔聲量要小于高頻隔聲量20db左右，總體風(fēng)擋在高頻區(qū)域的隔聲量要小于車體其他結(jié)構(gòu)。

在聲學(xué)實驗室依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和gb/t18696.2和gb/t20247-2006分別對車內(nèi)地毯、座椅吸聲特性進(jìn)行測試，計算獲得其內(nèi)損耗因子。

在混響室內(nèi)對座椅的吸聲系數(shù)進(jìn)行測試，聲源選用12面無指向聲源，分別置于3個墻角位置，6個傳聲器無規(guī)則布置于混響室內(nèi)，與墻壁、試樣、聲源以及傳聲器之間的距離滿足標(biāo)準(zhǔn)gb/t20247-2006要求。座椅試樣不在混響室中心且其邊不與混響室側(cè)墻平行，對于空場測試試樣需取出混響室，其他布置相同。分別測試無座椅時混響室吸聲量和有座椅時混響室吸聲量，然后通過公式2計算出座椅的吸聲系數(shù)。

式中：a1無座椅時混響室吸聲量；a2為有座椅時混響室吸聲量，s為樣件的裸露表面積。

通過混響室測試座椅的吸聲量測試計算得到的高速列車的座椅吸聲系數(shù)如圖14所示。

地毯吸聲特性測試儀器為丹麥b&k公司駐波管法材料聲學(xué)特性測試系統(tǒng)。試驗裝置試驗前經(jīng)過檢定，符合《gb/t18696.2：聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量，第2部分：傳遞函數(shù)法》的規(guī)定。測試系統(tǒng)包括駐波管，功率放大器，數(shù)采機(jī)箱，測試精度均為1級。高速列車地毯吸聲系數(shù)測試結(jié)果如圖15所示。

對單節(jié)車廂的車內(nèi)聲腔內(nèi)損耗因子進(jìn)行測試，采用隨機(jī)信號猝發(fā)混響衰減方法來測量車內(nèi)聲腔混響時間，將待測聲腔分為三段逐個測量。12面無指向聲源發(fā)出白噪聲，待車內(nèi)聲場穩(wěn)定后中斷聲源，通過傳聲器采集測點的聲學(xué)衰減過程；根據(jù)測得的混響時間，依據(jù)公式3獲得車內(nèi)聲腔損耗因子η

式中：t60為混響時間，f為分析頻率。

在獲得車外噪聲源的聲壓級、車體樣件的隔聲量頻譜、高速列車車內(nèi)聲腔的內(nèi)損耗因子、車內(nèi)內(nèi)飾的內(nèi)損耗因子之后，將獲得的參數(shù)附加在車體統(tǒng)計能量流分析模型中，利用統(tǒng)計能量流分析法對車內(nèi)噪聲的聲壓級進(jìn)行預(yù)測。

如圖16所示，通過三個子系統(tǒng)之間的能量流動關(guān)系圖來介紹統(tǒng)計能量流分析法的計算過程。由圖可以推導(dǎo)出子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)3之間的聲傳遞損失公式4

式中ap(m²)為有效的聲能量傳遞面鏈接的面積、ω(rad/s)為角速度、c0(m/s)為聲腔1內(nèi)的聲速、n1(rad/s)為聲腔1的模態(tài)密度、n3(rad/s)為聲腔2的模態(tài)密度、η3為聲腔2內(nèi)損耗因子、e1為聲腔1內(nèi)能量、e3為聲腔2內(nèi)能量。

因此統(tǒng)計能量流分析是建立在當(dāng)已知兩個聲腔子系統(tǒng)的聲傳遞損失(實驗測試獲得)、能量輸入聲腔子系統(tǒng)的聲壓(實驗測試聲源激勵)、聲腔子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子、模態(tài)密度已知的情況下通過計算獲得能量接收聲腔的能量和聲壓級。

統(tǒng)計能量流分析法所需的聲腔的內(nèi)損耗因子可以通過公式5測試聲腔內(nèi)的混響時間計算得到：

式中：t60表示混響時間。

若聲腔內(nèi)損耗因子通過平均吸聲系數(shù)定義時，內(nèi)損耗因子通過公式6計算獲得：

式中：α為吸聲系數(shù)、a為聲腔的表面積、c0聲腔中的聲速、v聲腔的體積、ω為角速度。

如果加以考慮聲腔的表面積和周長的影響，聲空腔的模態(tài)密度按公式7計算：

其中，as為聲空腔總的表面積，le為聲腔的周長。

由公式8可以得到聲場內(nèi)的能量e

式中：v表示聲腔的體積；ρ表示空氣密度；c表示聲速；p表示聲場內(nèi)聲壓。

所以統(tǒng)計能量流分析需要的參數(shù)為子系統(tǒng)之間的聲傳遞損失tl、聲腔子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子、模態(tài)密度以及作為聲源聲腔子系統(tǒng)的聲壓便可以計算出接收聲腔子系統(tǒng)的能量。

利用相關(guān)的心理聲學(xué)客觀參量計算方法對高速列車車內(nèi)特征響度、特征尖銳度、語言清晰度、感覺噪度進(jìn)行計算分析。

特征響度的計算依據(jù)zwicker響度模型，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)iso532b和din45631進(jìn)行計算實現(xiàn)。zwicker響度模型和stevens響度模型一樣主要通過實驗測試的結(jié)果圖表計算實現(xiàn)，通過得到聲音的激勵便可以實現(xiàn)響度的計算，它不僅適用于穩(wěn)態(tài)信號而且適用于非穩(wěn)態(tài)信號的響度計算。

首先對聲音信號進(jìn)行fft變換到頻域下功率譜，得到對應(yīng)頻率下的聲壓級在對其進(jìn)行1/3倍頻程濾波得到25-12500hz下的28個頻帶聲壓級。

由于人耳的頻帶劃分在315hz以下和1/3倍頻程濾波器不一致，所以需要對低頻部分進(jìn)行修正合并。

合并方式是對中心頻率小于等于80hz的6個聲壓級合并得到l1；中心頻率為100hz，125hz，160hz的3個聲壓級合并得到l2；中心頻率200hz，250hz的2個聲壓級合并得到l3；合并公式9如下：

式中：l100；l125；l160分別代表中心頻率為100hz；125hz；160hz所對應(yīng)的聲壓級。

特征響度計算是對合并得到20個頻帶聲壓級進(jìn)行外中耳以及混響場衰減，其中外耳和中耳的傳輸特性是通過20個激勵級減去外中耳傳輸因數(shù)α0加以體現(xiàn)?；祉憟龅乃p作用是通過外中耳衰減過后的20個激勵級加上混響場衰減因子β0加以實現(xiàn)，依據(jù)iso532bα0和β0標(biāo)準(zhǔn)其值如圖17所示。

依據(jù)公式10求得各個頻帶的特征響度。

式中：etq為安靜聽閥激勵級；e0為參考聲強(qiáng)i0＝10^-12w/m²；e為經(jīng)過衰減的頻帶激勵級(用頻帶聲壓級加以替換)；α和β是兩個常量，當(dāng)e＞＞etq時上面公式可以簡化為公式11：

α和β的值依據(jù)實驗得到分別為0.08和0.23。

總響度計算是對比最小聽閥曲線如果20個特征響度值在曲線以下的便加以掩蔽，加入斜坡響度，若在曲線之上則不加以掩蔽保持原值。加入斜坡響度之后，只需要對其進(jìn)行積分便可以得到總響度。公式12如下：

式中：n為總響度；n′為特征響度。

采用zwicker模型計算尖銳度，公式13如下：

式中n′(z)為特征響度，g(z)為加權(quán)函數(shù)，z為特征頻帶率；

本文采用公式14作為g(z)加權(quán)函數(shù)：

通過對特征尖銳度積分可得總尖銳度，見公式15：

語言清晰度表示獲得語言信號清晰程度占有得比值，是一個加權(quán)分?jǐn)?shù)，由測量的實測聲壓級頻譜和各個參考聲壓級以及權(quán)重可算出ai。計算公式16如下：

式中splref為參考聲壓級，noise為實測聲壓級，weight為計權(quán)因子；

依據(jù)聲壓級和噪度的關(guān)系找到對應(yīng)的噪度，便可按照公式計算得到總噪度nt。

倍頻程計算公式17：

nt＝nm+0.3(∑n-nm)(17)

1/3倍頻程計算公式18：

.nt＝nm+0.15(∑n-nm)(18)

式中nt為總噪度；nm為噪度最大值，∑n為噪度之和。進(jìn)而公式19計算出感覺噪聲級pnl。

pnl＝40+3.3lg(nt).(19)

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。