CN102438195A - 高速车辆客室噪声声场分时模拟系统及其模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是声音模拟系统及声音模拟方法，具体是指高速车辆客室噪声声场分时模拟系统及其模拟方法，主要解决了研究噪声特性与乘客舒适性关系需要声场再现模拟的关键问题。本发明包括计算机、模拟车体，以及连接到计算机上并设置于模拟车体内部的发音设备和传声器；还包括应用该系统实现噪声声场分时模拟的方法。本发明能满足研究噪声特性与舒适性关系，并且具有应用范围广，噪声模拟在现的精度高，系统可靠，便于实施的根本特点。
Description
技术领域
本发明涉及的是声音模拟系统及声音模拟方法，具体是指高速车辆客室座椅位置处噪声模拟系统及其模拟方法。
背景技术
近年来，随着高铁的迅猛发展,相继高速列车运行速度、服役可靠性、运行安全性研究之后的一个重要的课题，就是关于高速列车在运行过程中乘客的舒适性问题得到了高度重视，需要深入的进行研究。但在研究过程中，有许多问题急需解决，如高速列车舒适性模拟试验技术、舒适性评价理论、舒适性的提升优化技术等。其中，高速列车的运行过程的噪声让人心烦、胸闷、精神不集中等严重困扰乘客乘坐舒适性的现象，更有胜者影响乘客的心里和生理健康。然而高速列车在运行的过程中由于振动、气流作用，噪声是不能避免的，是永恒的研究课题，只有控制噪声的特性和大小。为此，需要研究不同噪声条件下人的舒适性问题。高速车辆客室噪声声场分时模拟方法就是研究高速列车在快速运行过程中噪声对乘客舒乘坐舒适性影响的一个试验系统。据铁道部《中长期铁路网规划》纲要,到2020年，全国高速铁路的运营里程达到12万公里以上，届时有上千列高速列车同时运行在路网中。可见，有关高速列车的舒适性研究的市场空间不言而喻，有关高速车辆客室噪声声场分时模拟方法、技术和系统必将有着广泛的市场需求。
噪声模拟发展主要有数值模拟方法和试验模拟方法两种。首先，噪声模拟方法主要为计算机的数值模拟，主要依据模拟空间所处的环境为边界条件，应用声学原理进行仿真计算，来预测、分析评价模拟空间的噪声品质，目前主要模拟方法主要有声线追迹法、虚声源法和声线束追迹法，遗憾的是由于声源波动性导致了声学数值模拟的复杂性，应用任何一种方法都存在局限性，不能准确逼近和预测真实的噪声特性和品质。其次，噪声模拟方法中的试验模拟，选用电子器件来模拟电磁噪声，通常模拟电子器件在不同的屏蔽环境，不同温、湿度条件下的噪声特性和抗干扰能力都有所不同。
研究高速列车噪声对乘客舒适性的影响，需要模拟在现的噪声的真实声音，由真实声音去刺激人的听觉，依据人听到噪声后的心里感受、生理参数变化来决定乘客的舒适性。因此采用数值模拟方法和电磁噪声的模拟方法不能满足研究噪声对舒适性影响的需要。
高速列车在运行的过程中，噪声声源多，传递路径复杂，传递特性差异，同时存在各种不确定性声源的影响，而且声波存在各种反射和吸收特性。为此，在高速列车的不同车厢，在不同车厢的不同位置的座椅人耳位置的噪声特性与声品质表现出多样性。因此，采用音箱播放录制的噪声信号来实现噪声模拟再现也不可能一次同时模拟再现高速列车车厢的声场。为此，本发明正是针对上述两个关键问题，提出了高速车辆客室噪声声场分时模拟方法，该方法的核心首先通过高品质隔音效果消除客室以外不确定噪声的对噪声模拟的影响；采用特殊标定方法消除噪声在客室的传递、反射特性对噪声模拟的影响；采用针对不同座椅人耳位置分次分时的播放噪声，最终实现客室噪声声场的动态模拟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能满足研究噪声特性与舒适性关系的高速车辆客室噪声声场分时模拟系统及其模拟方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高速车辆客室噪声声场分时模拟系统，其特征在于：包括计算机、模拟车体，以及连接到计算机上并设置于模拟车体内部的发音设备和传声器；所述计算机上还连接有音箱定位机构。
进一步，所述发音设备为高频音箱和低频音箱。
更进一步地，所述低频音箱与计算机相连接，高频音箱与低频音箱相连接。
作为一种最优的实施方式，所述音箱定位机构包括音箱架、与计算机相连的用于控制音箱架转动的伺服电机。
为了更好的实现本发明，所述高频音箱设置于音箱架内。
为了达到更好的效果，所述高频音箱的数量为2。
高速车辆客室噪声声场分时模拟方法，其特征在于，主要由以下步骤组成：
（1）确定各个座椅处需要模拟再现的噪声信号并对该噪声信号进行编号,建立噪声数据库；
（2）确定音箱定位机构对准各个座椅处需要的旋转角度并对该角度进行编号,建立音箱定位机构旋转角度数据库；
（3）根据音箱定位机构旋转角度数据库来控制伺服电机旋转,实现高频音箱的旋转定位；
（4）确定高频音箱旋转定位处的需要模拟再现的噪声信号,采用发音设备播放该噪声；
（5）在对应座椅人耳位置处测试实际噪声信号；
（6）对噪声信号进行修正标定；
（7）确定各个座椅处的噪声信号是否都修正完成，如果没有，返回步骤（3）继续步骤（3）～步骤（6），如果完成则进行以下步骤；
（8）建立标定修正后的噪声数据库；
（9）再次根据音箱定位机构旋转角度数据库以及标定修正后的噪声数据库实现标定修正后噪声的播放。
进一步，所述步骤（9）还包括以下步骤：
（9.1）根据音箱定位机构旋转角度数据库实现高频音箱的定位；
（9.2）播放数据库中修正后的噪声；
（9.3）确定各个座椅处的修正后的噪声信号是否都播放完全，如果没有播放完全，则返回步骤（9.1）继续步骤（9.1）～步骤（9.2），如果播放完全则试验结束。
更进一步地，所述步骤（6）中的噪声信号修正标定:对期望模拟的噪声信号进行傅里叶变换,其傅里叶频域表示为 ；对对应座椅位置人耳位置处实测的噪声信号进行傅里叶变换, 其傅里叶频域表示为
；计算出噪声发声位置到座椅人耳位置噪声在客室的传递特性： 
；根据噪声传递特性对期望噪声进行修正,即
；再对
进行反傅里叶变换得到修正后的噪声信号：即修正标定后的噪声信号
。
本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明通过对高速车辆客室座椅处的噪声声场的模拟，能够通过试验手段探索噪声特性与人的舒适性之间的关系；为高速列车降噪的进一步深化研究提供了方向；最终提升噪声的舒适性，确保高速列车的舒适性。
2、本发明应用高品质隔音、音箱特定定位、噪声的标定修正，分次分时播放噪声的方法来实现高速列车客室内任意座椅人耳朵位置噪声的播放再现，最终实现噪声声场的动态模拟。能够满足研究不同噪声对舒适性影响的需要。
3、本发明采用噪声标定修正方法，实现了噪声传递过程衰减、增强等失真的修正补偿，提高噪声再现的精度。
4、本发明采用的高频音箱定位机构解决了高频噪声的方向性问题。
5、本发明采用的高密闭性模拟车体隔离了模拟车体以外的可听频段的不确定性噪声干扰，提高了噪声标定的准确度，再次确保噪声再现的精度。
6、本发明的应用范围广泛，可用于长途汽车、普通机车、动车、地铁、飞机等交通工具噪声声场的模拟再现。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明音箱定位机构的结构示意图。
图3为本发明噪音模拟方法的流程图。
其中，图中附图标记对应的零部件名称为：
1－音箱架，2－伺服电机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1、图2所示，高速车辆客室噪声声场分时模拟方法，包括计算机、模拟车体，以及连接到计算机上并设置于模拟车体内部的发音设备和传声器；所述计算机上还连接有音箱定位机构。
所述发音设备为高频音箱和低频音箱。该低频音箱与计算机相连接，该高频音箱与低频音箱相连接。因低频音箱1发声没有方向性，所以低频音箱1不需要旋转，而高频音箱的发声具有方向性，因此针对模拟不同座椅人耳位置噪声时，需要旋转高频音箱的方向，使两个音箱指向人耳位置处，所以需要一个音箱定位机构对高频音箱进行定位。为了更好的实现本实施例，所述高频音箱的数量为2。
所述音箱定位机构包括音箱架1、与计算机相连的用于控制音箱架1转动的伺服电机2，所述高频音箱设置于音箱架1内。
音箱定位机构主要由音箱架1和伺服电机2组成，其中伺服电机2的数量为两个，其中一个伺服电机2通过支架与音箱架1相连接，控制音箱架1的上下摆动，另一个伺服电机2通过支架固定于使用者想安装该音箱定位机构的位置处，并通过该支架控制音箱架1的左右摆动。其中上下的偏转角度为90度，左右的偏转角度为180度。
以上所有设备中，传声器、音箱和音箱定位机构设置于模拟车体的内部。该模拟车体为一个密闭空间，具有良好的隔音效果，能够隔离0～120dB、20～20000Hz的密闭空间以外的噪声。因在试验过程中，常常会出现其他声音的干扰，造成模拟出噪声与实际噪声存在很大差异，因此对其他声音进行隔绝是非常必要的。在试验过程中，此模拟车体可很好的杜绝密闭空间以外的不确定噪声对噪声模拟试验再现的影响。
为了能实现对噪声声强的标定，所述传声器设置于车体内座位上方，其设置的具体位置在人坐于座位上时的人耳处，而且其位置可调，这样方便测量测定不同座椅处的声压值和声音频率。
音箱由低频音箱以及设置于音箱架1内部的高频音箱组成。低频音箱在系统中主要提供小于300HZ的超低频声波，而且鉴于低频的指向性很弱，因此在本实施例中，低频音箱只需要通过低频音箱架固定在模拟车体的端墙上，高频音箱设置于音箱架1内，该音箱定位机构则安装在悬顶支架上，通过音箱定位机构上的伺服电机2的作用使音箱架1可做上下左右转动，从而调节高频音箱的偏转或旋转角度，模拟出比较准确的噪声结像感，该高频音箱的数量为两个。
设置于模拟车体外部的设备有计算机。
连接到该计算机的设备有低频音箱、音箱定位机构上的伺服电机2以及传声器。
如图3所示，高速车辆客室噪声声场分时模拟方法，主要由以下步骤组成：
（1）确定各个座椅处需要模拟再现的噪声信号并对该噪声信号进行编号,建立噪声数据库；即在车厢的各个座椅人耳处，实线测试需要模拟再现的噪声信号，假设人坐在座椅上，耳朵距离座椅位置高度为80mm，则就在距离座椅位置高度为80mm处进行实线测试。需要模拟再现的噪声信号还可以通过人工合成的方式进行确定。确定好各个噪声信号后就对该噪声信号按照座椅的空间位置进行编号，并将确定好的需要模拟再现的噪声信号转化为可播放的WAV或APE格式。
（2）确定音箱定位机构对准各个座椅处需要的旋转角度并对该角度进行编号,建立音箱定位机构旋转角度数据库；根据各个座椅的空间位置从而确定音箱定位机构的旋转角度并进行编号，该编号与需要模拟再现的噪声信号的编号相对应，即同一座椅位置处的模拟噪声信号的编号与音箱的旋转角度的编号相同。
（3）根据音箱定位机构旋转角度数据库来控制伺服电机旋转,实现高频音箱的旋转定位；即根据音箱定位机构旋转角度数据库用计算机控制伺服电机旋转改变音箱定位机构的角度，从而实现音箱的定位；如总的编号有5个，分别为1、2、3、4、5；当音箱定位为编号为1时的音箱定位机构的旋转角度时，计算机就控制该音箱定位机构上的伺服电机旋转到编号1所记录的角度。
（4）确定高频音箱旋转定位处的需要模拟再现的噪声信号,采用发音设备播放该噪声；即将与该编号1相对应的需要模拟再现的噪声信号导入计算机，通过发音设备将该噪声播放出来。
（5）在对应座椅人耳位置处测试实际噪声信号；应用设置在各个座椅人耳处的传声器测试出该处的实际噪声信号。
（6）对噪声信号进行修正标定；
虽然模拟车体密闭性好，能隔离模拟车体以外人可听频段的噪声，但音箱发出的噪声需要经过密闭空间通过不同传递特性的传递途径和不同吸声特性的材料最后才能到达不同座椅位置的人耳处，因此音箱声源到人耳位置噪声传递特性具有多样性，存在不同频率的噪声衰减和加强。为此，需要针对不同座椅位置的噪声模拟，进行噪声信号的修正标定，从而修正噪声在传递路径上的损失。又因为只要音箱位置一定以及需要标定的人耳噪声点位置一定，在车内其他结构不变的情况下，同一噪声在模拟车体内的传递特性及其规律是一致的。因此使本发明的噪声信号的修正标定可实现。
噪声信号的修正标定，为本发明的设计要点，因为此噪声修正信号标定方法才使本发明能成功实现，该噪声信号的修正标定即对期望模拟的噪声信号进行傅里叶变换,其傅里叶频域表示为；对对应座椅位置人耳位置处实测的噪声信号进行傅里叶变换, 其傅里叶频域表示为
；计算出噪声发声位置到座椅人耳位置噪声在客室的传递特性： 
；根据噪声传递特性对期望噪声进行修正,即；再对进行反傅里叶变换得到修正后的噪声信号：即修正标定后的噪声信号。
（7）确定各个座椅处的噪声信号是否都修正完成；如对编号1进行了修正，没有对编号2、3、4、5进行修正，就要返回步骤（3）对以下编号进行修正，直到编号1～5都进行了修正，此时才进行下面的步骤。
（8）建立标定修正后的噪声数据库；即把分时修正后的噪声数据进行整合建立标定修正后的噪声数据库，该标定修正后的噪声数据库应该与音箱定位机构旋转角度数据库相统一。
（9）再次根据音箱定位机构旋转角度数据库以及标定修正后的噪声数据库实现标定修正后噪声的播放。
该步骤（9）还可以细化为以下步骤。
（9.1）根据音箱定位机构旋转角度数据库实现高频音箱的定位；即根据音箱定位机构旋转角度数据库的数据旋转该高频音箱并对该高频音箱进行定位，如：数据库的编号总共为1～5，调节音箱定位机构旋转角度达到其中一个编号的角度，从而使固定于该音箱定位机构上的高频音箱定位。
（9.2）播放数据库中修正后的噪声；即当调节音箱定位机构旋转角度达到编号1的角度时播放与该编号1相对应的修正后的噪声。
（9.3）确定各个座椅处修正后的噪声信号是否播放完全；即确定是否编号为1～5的修正后的噪声都播放完全，如果没有播放完全，则返回步骤（9.1）继续步骤（9.1）～步骤（9.2），如果播放完全则试验结束。
根据以上设计，就可以较好的实现本发明。
Claims (9)
1.高速车辆客室噪声声场分时模拟系统，其特征在于：包括计算机、模拟车体，以及连接到计算机上并设置于模拟车体内部的发音设备和传声器；所述计算机上还连接有音箱定位机构。
2.根据权利要求1所述的高速车辆客室噪声声场分时模拟系统，其特征在于：所述发音设备为高频音箱和低频音箱。
3.根据权利要求2所述的高速车辆客室噪声声场分时模拟系统，其特征在于：所述低频音箱与计算机相连接，高频音箱与低频音箱相连接。
4.根据权利要求3所述的高速车辆客室噪声声场分时模拟系统，其特征在于：所述音箱定位机构包括音箱架（1）和与计算机相连的用于控制音箱架（1）转动的伺服电机（2）。
5.根据权利要求4所述的高速车辆客室噪声声场分时模拟系统，其特征在于：所述高频音箱设置于音箱架（1）内。
6.根据权利要求5所述的高速车辆客室噪声声场分时模拟系统，其特征在于：所述高频音箱的数量为2。
7.高速车辆客室噪声声场分时模拟方法，其特征在于，主要由以下步骤组成：
（1）确定各个座椅处需要模拟再现的噪声信号并对该噪声信号进行编号,建立噪声数据库；
（2）确定音箱定位机构对准各个座椅处需要的旋转角度并对该角度进行编号,建立音箱定位机构旋转角度数据库；
（3）根据音箱定位机构旋转角度数据库来控制伺服电机旋转,实现高频音箱的旋转定位；
（4）确定高频音箱旋转定位处的需要模拟再现的噪声信号,采用发音设备播放该噪声；
（5）在对应座椅人耳位置处测试实际噪声信号；
（6）对噪声信号进行修正标定；
（7）确定各个座椅处的噪声信号是否都修正完成，如果没有，返回步骤（3）继续步骤（3）～步骤（6），如果完成则进行以下步骤；
（8）建立标定修正后的噪声数据库；
（9）再次根据音箱定位机构旋转角度数据库以及标定修正后的噪声数据库实现标定修正后噪声的播放。
8.根据权利要求7所述的高速车辆客室噪声声场分时模拟方法，其特征在于，所述步骤（9）还包括以下步骤：
（9.1）根据音箱定位机构旋转角度数据库实现高频音箱的定位；
（9.2）播放修正后的噪声数据库中的噪声；
（9.3）确定各个座椅处的修正后的噪声信号是否都播放完全，如果没有播放完全，则返回步骤（9.1）继续步骤（9.1）～步骤（9.2），如果播放完全则试验结束。
9.根据权利要求8所述的高速车辆客室噪声声场分时模拟方法，其特征在于：所述步骤（6）中的噪声信号修正标定:对期望模拟的噪声信号进行傅里叶变换,其傅里叶频域表示为 
；对对应座椅位置人耳位置处实测的噪声信号进行傅里叶变换, 其傅里叶频域表示为
；计算出噪声发声位置到座椅人耳位置噪声在客室的传递特性：
；根据噪声传递特性对期望噪声进行修正,即
；再对进行反傅里叶变换得到修正后的噪声信号：即修正标定后的噪声信号
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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Effective date of registration: 20190517 Address after: 213000 Block 502, Tianhong Science and Technology Building, Changzhou Science and Education City, 801 Changwuzhong Road, Wujin District, Changzhou City, Jiangsu Province Patentee after: Jiangsu Tianyou Road Aviation Certification and Testing Co.,Ltd. Address before: 610000 No. 3, unit 7, No. 13, Qun Xing Road, Jinniu District, Chengdu, Sichuan 10 Patentee before: Lin Jianhui |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: Time division simulation system and simulation method for noise field in high-speed vehicle passenger compartments Granted publication date: 20140326 Pledgee: China Construction Bank Corporation Changzhou Huimin sub branch Pledgor: Jiangsu Tianyou Road Aviation Certification and Testing Co.,Ltd. Registration number: Y2024980011275 |