高印寒，錢堃，梁杰，盧炳武，姜文君

（1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130025；2.吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130061；3.一汽集團(tuán)公司技術(shù)中心,長(zhǎng)春 130011）

過(guò)去十年商用車市場(chǎng)保持了持續(xù)快速增長(zhǎng)的局面，用戶對(duì)商用車性能的要求不僅是在載質(zhì)量、動(dòng)力性或超載能力上，對(duì)整車NVH性能也越來(lái)越重視[1]。汽車聲品質(zhì)是汽車NVH性能研究的重要內(nèi)容,直接影響著消費(fèi)者的購(gòu)買欲望和汽車廠商的競(jìng)爭(zhēng)力。聲品質(zhì)可定義為人類對(duì)聲音感受需求的滿足程度，要求更準(zhǔn)確反映人的主觀感受，對(duì)聲音進(jìn)行人性化評(píng)價(jià)[2]。

加速行駛條件下，車內(nèi)噪聲信號(hào)特征隨時(shí)間或轉(zhuǎn)速的變化較大，導(dǎo)致人的主觀感覺(jué)也隨之變化[3]。目前常用的由人直接去聽(tīng)測(cè)的聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)方法由于其效率低、滯后性、多變性等局限和缺陷已滿足不了商用車減振降噪設(shè)計(jì)要求，因此尋求基于主觀感覺(jué)的客觀評(píng)價(jià)方法已成為商用車NVH研究中迫切需要解決的一個(gè)問(wèn)題。

1 聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)

聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)研究是建立聲品質(zhì)主觀感知屬性與物理聲學(xué)、心理聲學(xué)之間的聯(lián)系，即從物理聲學(xué)、心理聲學(xué)的角度，將人們對(duì)聲音品質(zhì)的主觀屬性進(jìn)行理解[4]。通過(guò)對(duì)聲音信號(hào)的時(shí)間歷程、頻譜構(gòu)成、物理聲學(xué)參數(shù)、心理聲學(xué)參數(shù)等多個(gè)角度的特征方面來(lái)進(jìn)行分析。聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)的目的不是要用客觀評(píng)價(jià)來(lái)完全替代主觀評(píng)價(jià)，而是使客觀評(píng)價(jià)成為一種既方便快捷又能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出主觀評(píng)價(jià)值的聲音質(zhì)量評(píng)價(jià)手段。與對(duì)應(yīng)的主觀評(píng)價(jià)相比，客觀評(píng)價(jià)的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)只需要很少的代價(jià)[5]。

通過(guò)多年的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了各種評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，期望得出與主觀響應(yīng)相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)量及其計(jì)算方法。但是許多評(píng)價(jià)量是不通用的，而是針對(duì)某些特定的噪聲問(wèn)題，這些量可以是跟速度相關(guān)、階次相關(guān)、也可能是與特定的頻帶相關(guān)，應(yīng)用最廣泛的是響度、抖動(dòng)強(qiáng)度、粗糙度、尖銳度、語(yǔ)言清晰度、音調(diào)度、顯著率等[6]。部分學(xué)者致力于提出新的聲品質(zhì)客觀參量，或基于現(xiàn)有的聲品質(zhì)參數(shù)提出一個(gè)客觀的綜合評(píng)價(jià)參數(shù)，從而對(duì)汽車某方面的聲品質(zhì)給出自己的客觀評(píng)價(jià)值。本試驗(yàn)選擇了響度、尖銳度、糙度、抖動(dòng)強(qiáng)度、音調(diào)度和語(yǔ)言清晰度6個(gè)主要客觀心理聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

2 噪聲測(cè)試準(zhǔn)備及方法

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1）試驗(yàn)樣車準(zhǔn)備:本實(shí)驗(yàn)以某國(guó)產(chǎn)重型商用車為樣車，嚴(yán)格檢查試驗(yàn)樣車，確保整車各個(gè)零部件狀況良好，處于標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)。

2）試驗(yàn)儀器準(zhǔn)備：

(1)BEQ數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)一套；

(2)HEAD人工頭一套；

(3)小野精密聲級(jí)計(jì)一臺(tái)；

(4)B&K聲級(jí)校準(zhǔn)器一臺(tái)；(5)德國(guó)VGPS-2000雷達(dá)測(cè)速儀一臺(tái)；

(6)氣象測(cè)試儀器——風(fēng)速儀、氣壓表、濕度表、溫度表各一臺(tái)；

(7)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置一套。

以上試驗(yàn)儀器在使用檢定期內(nèi)，狀況良好,試驗(yàn)儀器處于正常使用狀態(tài)。

3）試驗(yàn)地點(diǎn):某試車場(chǎng)。

2.2 試驗(yàn)方法

人工頭固定在副駕駛座位上，人工頭（耳）垂直坐標(biāo)是座椅表面中線與靠背表面中線交點(diǎn)以上0.7±0.05 m處，如圖1所示。加速行駛車內(nèi)噪聲試驗(yàn)依GB/T18697-2002《聲學(xué)―汽車車內(nèi)噪聲測(cè)量方法》進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)變速箱最高12檔，急加速行駛40 km/h到90 km/h，測(cè)試分析加速行駛車內(nèi)噪聲水平。

圖1 人工頭位置示意圖Fig.1 Artificial head location sketch map

3 噪聲測(cè)試結(jié)果分析

采集到的信號(hào)通過(guò)軟件Artemis進(jìn)行結(jié)果分析處理。該軟件不僅可以對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行截取和等響處理還可以精確計(jì)算出各種心理聲學(xué)參數(shù)值，為后續(xù)分析在準(zhǔn)確度上提供了保證。

3.1 加速工況下噪聲特性分析

圖2所示，隨著轉(zhuǎn)速的增加，車內(nèi)噪聲的聲壓級(jí)增大，總的來(lái)說(shuō)車內(nèi)噪聲的線性度不是很好，噪聲變化有波動(dòng)。加速過(guò)程中，右耳平均聲壓級(jí)為78.9 dB(A)，而左耳平均聲壓級(jí)為78.4 dB(A)。本試驗(yàn)樣車采用的是直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性，并通過(guò)噪聲信號(hào)階次分析，如圖3所示，可以看出車內(nèi)噪聲主要噪聲源是發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火階次3階（對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率）及其諧波成分。

圖2 車內(nèi)噪聲隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.2 Interior noise versus rotating speed

圖3 階次分析圖Fig.3 Order analysis diagram

3.2 加速工況下聲品質(zhì)客觀參量分析

從圖4、圖5、圖6中可以看出，響度、尖銳度和粗糙度這三個(gè)客觀參量隨著轉(zhuǎn)速的增加成明顯遞增趨勢(shì)，這表明汽車在加速過(guò)程中人對(duì)于車內(nèi)聲音的主觀感受會(huì)隨車速或時(shí)間的增加而發(fā)生變化。

圖4 響度和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線Fig.4 Relation between loudness and rotation speed

從圖4中，可以看到轉(zhuǎn)速范圍在：720～940 r/min和1 451～1 850 r/min右耳的響度值比左耳的響度值大，而在1 112～1 295 r/min、1 364～1 445 r/min左耳的響度值要比右耳的響度值大。在轉(zhuǎn)速范圍1 364～1 445 r/min左耳的響度有一個(gè)峰值，峰值達(dá)到64.5 sone。低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)左右耳的響度差距較小，但隨著轉(zhuǎn)速的上升，兩者相差程度逐漸增大，在轉(zhuǎn)速為1 749 r/min時(shí)，右耳的響度值為59.4 sone，左耳的響度值為54.10 sone，差值達(dá)到5 sone。在整個(gè)加速工況過(guò)程中右耳的平均響度值比左耳的平均響度值大，右耳的平均響度值為52.7 sone，而左耳值為51.8 sone，右耳的聲音品質(zhì)沒(méi)有左耳的好。理論上響度值愈大，對(duì)人造成的煩燥程度愈嚴(yán)重，聲音品質(zhì)就越差，但響度不是噪聲聲品質(zhì)的決定的標(biāo)準(zhǔn)。

如圖5所示，在加速工況下，右耳尖銳度值始終要比左耳尖銳度值要大，加速過(guò)程中右耳的尖銳度的平均值為2.45 acum，而左耳的尖銳度的平均值為2.12 acum。隨著轉(zhuǎn)速的增加，左右耳的尖銳度相差程度逐漸增大。轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí)，左右耳尖銳度值相差程度最大，右耳尖銳度值為3.07 acum，左耳為2.45 acum，差值為0.62 acum。在加速的過(guò)程中，重型商用車隨著車速的加快，噪聲的高頻成分就越加突出，人體主觀上感覺(jué)就越加刺耳，聲品質(zhì)越差。

圖6所示，總體上來(lái)看，在加速工況下，左右耳的粗糙度值隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，并且右耳的粗糙度值要比左耳的粗糙值大，右耳的粗糙度平均值為3.39 asper，而左耳的粗糙度平均值為3.20 asper。

圖5 尖銳度和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線Fig.5 Relation between sharpness and rotation speed

圖6 粗糙度和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線Fig.6 Relation between roughness and rotation speed

在汽車艙室內(nèi)部的噪聲對(duì)于影響車內(nèi)乘客之間交談的語(yǔ)言清晰度有影響，從圖7中可以看出隨著轉(zhuǎn)速的增加，語(yǔ)言清晰度降低。在加速過(guò)程中，左耳的語(yǔ)言清晰度始終比右耳的語(yǔ)言清晰度要高，左耳的語(yǔ)言清晰度的平均值為28.3%，而右耳的語(yǔ)言清晰度的平均值為21.3%。

抖動(dòng)強(qiáng)度描述人耳主觀感受到的聲音信號(hào)響亮起伏程度，圖8所示，在開(kāi)始轉(zhuǎn)速為650 r/min時(shí)，左右耳的抖動(dòng)強(qiáng)度值在整個(gè)加速過(guò)程中為最大，左右耳的抖動(dòng)強(qiáng)度值分別為：0.089 433 vacil，0.088 309 vacil。轉(zhuǎn)速在650～750 r/min時(shí)，抖動(dòng)強(qiáng)度值有明顯下降的趨勢(shì)，而在750 r/min以后區(qū)域平穩(wěn)。左右耳抖動(dòng)強(qiáng)度平均值分別為0.007 98 vacil、0.009 15 vacil，總體上看右耳的抖動(dòng)強(qiáng)度略大于左耳的。

圖7 語(yǔ)言清晰度和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線Fig.7 Relation between articulation index and rotation speed

圖8 抖動(dòng)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線Fig.8 Relation between fluctuation strength and rotation speed

圖 9所示，轉(zhuǎn)速在 1 100 r/min、1 301 r/min、1 451 r/min處右耳的音調(diào)度有較大的峰值，分別為0.24 tu、0.22 tu、0.18 tu。左耳的音調(diào)度在1 050 r/min和1 301 r/min處有較大的峰值，分別為0.24 tu、0.21 tu。加速過(guò)程中，右耳的音調(diào)度平均值要比左耳的高，右耳音調(diào)度度平均值為0.072 6 tu，左耳的音調(diào)度平均值為0.061 6 tu。圖8和圖9，可以看出抖動(dòng)強(qiáng)度和音調(diào)度隨著轉(zhuǎn)速的增加，沒(méi)有明顯的趨勢(shì)規(guī)律。

3.3 在加速工況下噪聲頻譜分析

圖10所示，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)主要集中在50 Hz～3 500 Hz范圍內(nèi)，其中低頻成分對(duì)其貢獻(xiàn)量較大。A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)在50 Hz～100 Hz、450 Hz～1 400 Hz處有較大峰值，人工頭的左右耳測(cè)點(diǎn)值在各頻帶范圍內(nèi)趨勢(shì)是一樣的。

圖9 音調(diào)度和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線Fig.9 The relation between tonality and rotation speed

圖10 1/3倍頻程圖Fig.10 The 3rd octave figure

圖11所示，特征響度主要集中在0～17 Bark，特征響度曲線持續(xù)低頻峰值,后急速下降，在13 Bark之后有輕微的反彈，最后呈階梯狀逐漸減弱消失，這種現(xiàn)象也說(shuō)明了人耳頻率掩蔽特征對(duì)響度的作用。特征響度峰值出現(xiàn)在0～0.9 Bark(約91 Hz)，造成各響度差值的最大貢獻(xiàn)量主要集中在0～5 Bark。A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)與響度有一定的區(qū)別，由于A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)對(duì)1 kHz以下的低頻聲音進(jìn)行濾波衰減，在度量低頻成分為主的噪聲時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤差，使評(píng)價(jià)結(jié)果偏離人的主觀感受[7]。

圖12所示，特征粗糙度主要集中在5～12 Bark，峰值出現(xiàn)在8～11 Bark，右耳特征粗糙度值為0.284 asper，左耳的特征響度值為0.276 asper。11 Bark以后逐漸減弱消失。圖13所示，特征抖動(dòng)強(qiáng)度主要集中在1～6 Bark，峰值出現(xiàn)在2～3 Bark,右耳的特征抖動(dòng)強(qiáng)度值為3.28 mvacil，左耳的特征抖動(dòng)強(qiáng)度值為3.36 mvacil，6 Bark以后呈階梯狀逐漸減弱消失。

圖11 雙耳特征響度Fig.11 Binaural spec.loudness of artificial head

圖12 雙耳特征粗糙度Fig.12 Binaural spec.roughness of artificial head

圖13 雙耳特征抖動(dòng)強(qiáng)度Fig.13 Binaural spec.fluctuation strength of artificial head

4 結(jié)語(yǔ)

（1）重型商用車加速行駛時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，車內(nèi)噪聲的聲壓級(jí)增大。通過(guò)噪聲信號(hào)階次分析和依據(jù)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性，可知主要噪聲源是發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火階次3階及其諧波成分；

（2）重型商用車加速行駛時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加車內(nèi)噪聲的響度、尖銳度和粗糙度這三個(gè)客觀參量呈明顯遞增趨勢(shì)，而語(yǔ)言清晰度呈明顯遞減趨勢(shì)，而抖動(dòng)度和音調(diào)度，沒(méi)有明顯變化。人對(duì)于車內(nèi)噪聲的主觀感受會(huì)隨車速或乘車時(shí)間的增加而發(fā)生變化，車內(nèi)聲品質(zhì)下降；

（3）對(duì)人工頭左右耳測(cè)點(diǎn)采集到的加速過(guò)程中車內(nèi)噪聲進(jìn)行6個(gè)聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)參量的分析計(jì)算對(duì)比，靠近車身側(cè)壁處的右耳聲音品質(zhì)沒(méi)有內(nèi)側(cè)的左耳聲音品質(zhì)好。這是由于車身側(cè)壁處離噪聲源更近，噪聲較內(nèi)側(cè)的大；

（4）加速工況下車內(nèi)噪聲主要集中在55 Hz～3 500 Hz范圍內(nèi)。其中以中低頻噪聲對(duì)聲品質(zhì)的客觀參量貢獻(xiàn)較大，特征響度主要頻帶為0～17 Bark，峰值出現(xiàn)在0～0.9 Bark。特征粗糙度主要集中在5～12 Bark，峰值出現(xiàn)在8～11 Bark。特征抖動(dòng)強(qiáng)度主要集中在1～6 Bark，峰值出現(xiàn)在2～3 Bark。

[1]傅春宏.某中型卡車振動(dòng)問(wèn)題的研究與系統(tǒng)解決[D].合肥：合肥大學(xué)，2010，2-4.

[2]申珅.噪聲聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)分析系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D].吉林：吉林大學(xué)，2007.18-21.

[3]高印寒，等.加速行駛時(shí)車內(nèi)噪聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)方法及數(shù)學(xué)模型構(gòu)建[J].吉林：吉林大學(xué)工學(xué)報(bào)，2011，40(6)：1502-1505.

[4]梁杰.基于雙耳聽(tīng)覺(jué)模型的車內(nèi)聲品質(zhì)分析與評(píng)價(jià)方法研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2007.49-51.

[5]孫強(qiáng).基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽車聲音品質(zhì)評(píng)價(jià)與應(yīng)用研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2010.20-24.

[6]E.Zwicker and H.Fastl.Psychoacoustics,facts and models[M].Berlin:Springer,1999.

[7]葉貴鑫.高速動(dòng)車組噪聲測(cè)試及其聲品質(zhì)客觀參量分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2010，31(3)：85-88.