張曉娟，劉 巖，劉宗財(cái)，賈艷賓

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.大連科技學(xué)院 機(jī)械工程系，遼寧 大連 116052;3.長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北 保定 071000)

20 世紀(jì)80 年代中期開始的聲品質(zhì)研究，是由于A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)不能正確反映車內(nèi)聲音質(zhì)量好壞作出評(píng)價(jià)來(lái)研究噪聲特性。噪聲聲品質(zhì)評(píng)價(jià)的好壞，在評(píng)價(jià)過(guò)程中存在不足［1］。聲品質(zhì)是以心理聲學(xué)為基礎(chǔ)，人為評(píng)價(jià)主體對(duì)聲音質(zhì)量好前提是獲得和實(shí)際情況一致的聲事件，這是進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)和保證。本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集使用德國(guó)Head Acousties 公司生產(chǎn)的HMSIII 仿真人工頭和SQlabII 多通道測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)在某國(guó)產(chǎn)轎車4 種不同型號(hào)的車輛上進(jìn)行，記錄不同速度勻速行駛工況下副駕駛員位置處噪聲信號(hào)，每一工況測(cè)試3 次，時(shí)間為10 s。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為平整的瀝青公路，兩側(cè)均無(wú)建筑物，且選擇在車輛運(yùn)行較少的時(shí)間段進(jìn)行;駕駛司機(jī)為專業(yè)司機(jī)保證實(shí)驗(yàn)工況的平穩(wěn)性和準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試后經(jīng)過(guò)監(jiān)聽和篩選得到40 km/h，60 km/h，80 km/h，100 km/h 4 個(gè)速度下的16 個(gè)聲樣本，將樣本的時(shí)間截取為5 s，進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

1 主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

1.1 評(píng)價(jià)主體的確定

評(píng)價(jià)主體就是主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中的接受實(shí)驗(yàn)人員。主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的與評(píng)價(jià)主體對(duì)評(píng)價(jià)內(nèi)容和評(píng)價(jià)方法的理解程度密切相關(guān)。本文評(píng)價(jià)主體均為高校學(xué)生，共30 名，平均年齡25 歲，聽力均正常。其中博士研究生1 名，碩士研究生18名，本科生11 名，一半以上的同學(xué)在進(jìn)行噪聲課題的研究。

1.2 評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)采用成對(duì)比較法進(jìn)行，將評(píng)價(jià)聲樣本按照一定的排列兩兩組合，在實(shí)驗(yàn)時(shí)成對(duì)播放，評(píng)價(jià)者據(jù)此作出判斷［2］。成對(duì)比較法選擇的詞匯是偏好性，在每組評(píng)價(jià)樣本中分為A、B 樣本。為了減小工作量，在不影響評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)有效性的基礎(chǔ)上，采用半角矩陣方法。其中有120 對(duì)i-j 比較，為了驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性，輔助設(shè)計(jì)6 對(duì)同一樣本的i-i 比較和12 對(duì)不同回放順序的i-j 和j-i 比較，共有138 對(duì)。每個(gè)聲音樣本時(shí)長(zhǎng)為5 s，樣本對(duì)中前后兩個(gè)聲音樣本播放的時(shí)間間隔約2 s，則每對(duì)評(píng)價(jià)時(shí)間約13 s，完成一組評(píng)價(jià)約需30 min，符合國(guó)外聲品質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)長(zhǎng)的普遍經(jīng)驗(yàn)［3］。本次汽車聲品質(zhì)實(shí)驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，如圖1 所示，保證了聽音環(huán)境的無(wú)干擾性。

圖1 半消聲室內(nèi)的主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

2 數(shù)據(jù)誤判和有效性分析

由于主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)很大程度上依賴評(píng)價(jià)人的主觀判斷，在評(píng)價(jià)中可能會(huì)出現(xiàn)以下3 種情況［4］:①評(píng)價(jià)者在評(píng)價(jià)過(guò)程中注意力不集中;②評(píng)價(jià)者的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一;③各聲樣本聲品質(zhì)特征相近，較難作出判斷。為了獲得有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行相應(yīng)檢驗(yàn)?；诔蓪?duì)比較法的特點(diǎn)，常用3 種基本的數(shù)據(jù)判別方法:

1)相同聲樣本的檢驗(yàn)(A-A 檢驗(yàn))，將2 個(gè)相同聲樣本編為同一組由評(píng)價(jià)者進(jìn)行比較，正確結(jié)果應(yīng)為“A 和B 差不多”，否則即說(shuō)明評(píng)價(jià)者評(píng)價(jià)結(jié)果錯(cuò)誤。

2)不同播放順序樣本的檢驗(yàn)(AB-BA 檢驗(yàn))，將同一組聲樣本以不同的順序播放，比較其判斷是否一致。如果結(jié)果完全相反則說(shuō)明評(píng)價(jià)者的評(píng)價(jià)結(jié)果是錯(cuò)誤的。

3)三角循環(huán)誤判檢驗(yàn)，3 個(gè)聲樣本兩兩分組，各組之間的判斷是相互聯(lián)系的，如果評(píng)價(jià)結(jié)果互相矛盾說(shuō)明評(píng)價(jià)是錯(cuò)誤的。例如，某評(píng)價(jià)者判斷聲樣本“A 比B 好些”、“B 比C 好些”，但是在比較A 和C 時(shí)卻又給出“C 比A 好些”的評(píng)價(jià)結(jié)果，很明顯，在這種情況下說(shuō)明至少有一個(gè)判斷結(jié)果是錯(cuò)誤的。

本次主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)三角循環(huán)誤判統(tǒng)計(jì)采用同濟(jì)大學(xué)毛東興等人提出的CalTriads 計(jì)算函數(shù):

依據(jù)此函數(shù)，3 個(gè)聲樣本正確的評(píng)價(jià)結(jié)果如表1 所示。根據(jù)表1 編寫Matlab 程序，計(jì)算每一個(gè)評(píng)價(jià)人員的三角循環(huán)誤判次數(shù)，作為數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 三角循環(huán)判斷正確的判斷

根據(jù)誤判理論得出3 種類型判別方法的誤判次數(shù)和誤判率如表2 所示。誤判計(jì)算結(jié)果可以使用由Kendall 提出的記權(quán)一致性系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)［5，6］，進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的重復(fù)性和有效性檢驗(yàn)。計(jì)權(quán)誤判率為

計(jì)權(quán)一致性系數(shù)為

式中:Cw為記權(quán)誤判率;Ei為第i 種誤判可能產(chǎn)生的次數(shù);Ci為第i 中誤判實(shí)際產(chǎn)生的誤判率;ξw為記權(quán)一致性系數(shù)。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同回放順序和三角循環(huán)誤判的可能出現(xiàn)的次數(shù)分別為12 和120 次。由此計(jì)算得出一致性系數(shù)如表2 所示。

對(duì)于誤判率較高的評(píng)價(jià)者予于剔除。剔除的一般遵循以下原則［7］:①計(jì)權(quán)一致性系數(shù)最好在0.7 以上，以保證結(jié)果的較高可靠性;②約10% ～20%人員評(píng)價(jià)結(jié)果予于剔除。根據(jù)計(jì)權(quán)一致性系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，最終剔除計(jì)權(quán)一致性系數(shù)較低的Tp13、21、28、3 位評(píng)價(jià)者。

由于在本次主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的成對(duì)比較法中關(guān)鍵詞是偏好性，在剔除一致性系數(shù)的偏低的評(píng)價(jià)者后，對(duì)剩余的評(píng)價(jià)者數(shù)據(jù)的有效性需進(jìn)一步進(jìn)行檢驗(yàn)。本文采用pearson 相關(guān)系數(shù)來(lái)評(píng)判整體評(píng)價(jià)人員數(shù)據(jù)的有效性。各樣本偏好性得分的評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)矩陣用SPSS 軟件計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)在0.8 以上，所以本次主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是有效的。

表2 3 種判別方法統(tǒng)計(jì)的誤判次數(shù)和誤判率

3 聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)與客觀參量相關(guān)性分析

3.1 樣本的偏好性分值

經(jīng)過(guò)前面的誤判分析和一致性檢驗(yàn)，編寫Matlab 程序計(jì)算得出各個(gè)樣本的偏好性分值如表3 所示。

表3 樣本工況和偏好性分值表

通過(guò)圖2 可以看出，隨著速度的增加偏好性得分逐漸降低，4 種不同車型的同一速度偏好性得分相差不大。偏好性相對(duì)較高的為1 車，1 車是某國(guó)產(chǎn)轎車的新車型，從而可以看出汽車廠家在聲品質(zhì)方面做了相應(yīng)的改進(jìn)。

圖2 車速與偏好性關(guān)系

3.2 主客觀相關(guān)性研究

為了研究主觀評(píng)價(jià)和客觀參數(shù)之間的關(guān)系，本文進(jìn)行了主客觀相關(guān)性的研究。本文一共采用了16 個(gè)聲樣本進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)偏好性和客觀參量進(jìn)行相關(guān)性研究。表4 為各樣本的客觀參量值。

通過(guò)使用SPSS 軟件計(jì)算得出偏好性與各客觀參量之間的相關(guān)系數(shù)如表5 所示，全部為負(fù)值，說(shuō)明樣本偏好性與各客觀參數(shù)為負(fù)相關(guān)，即樣本的聲品質(zhì)越好，各客觀參量的值越小。其中A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、響度、尖銳度和粗糙度的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值在0.9 以上，表明他們之間有較高的相關(guān)性。在本次的主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中，樣本的截取時(shí)間是5 s，并且是勻速工況運(yùn)行，所以樣本的抖動(dòng)程度很小。所以偏好性與抖動(dòng)度的相關(guān)程度最小，相關(guān)系數(shù)為-0.816。其中與樣本偏好性相關(guān)性最高是響度，相關(guān)系數(shù)-0.991，從而說(shuō)明其對(duì)車內(nèi)聲品質(zhì)影響較大。圖3 ～圖6 為為偏好性與A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、響度、尖銳度和粗糙度的關(guān)系散點(diǎn)圖。

圖3 偏好性與A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的關(guān)系

圖4 偏好性與響度的關(guān)系

圖5 偏好性與尖銳度的關(guān)系

圖6 偏好性與粗糙度的關(guān)系

表4 各樣本的客觀參量值

表5 客觀參數(shù)與偏好性的pearson 相關(guān)系數(shù)

3.3 偏好性與客觀參量的線性回歸分析

采用SPSS 中線性回歸多元逐步回歸過(guò)程，得出了4 個(gè)回歸模型，其參數(shù)如表6 所示。

根據(jù)4 個(gè)回歸模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R，決定系數(shù)R2和標(biāo)準(zhǔn)估誤差來(lái)看，第4 個(gè)模型好于其余模型。由此可以看出偏好性與響度和A 記權(quán)聲壓級(jí)關(guān)系密切。同時(shí)根據(jù)第4 個(gè)模型的F=811.258，顯著性的結(jié)果為0.000，R2值為0.991，可知偏好性與A 記權(quán)聲壓級(jí)和響度之間存在線性關(guān)系。根據(jù)SPSS 計(jì)算的得出的模型四的線性回歸方程為其中:P 為樣本的偏好性;x1為A 記權(quán)聲壓級(jí);x2為響度。

同時(shí)通過(guò)觀測(cè)的累計(jì)概率如圖7 所示，可以看出預(yù)測(cè)模型的殘差分布服從正態(tài)性，進(jìn)而驗(yàn)證所建線性模型的正確性。

表6 模型匯總表

圖7 回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差的標(biāo)準(zhǔn)P-P 圖

4 結(jié)論

1)本文分析了車內(nèi)聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)流程，對(duì)某國(guó)產(chǎn)四種不同類型轎車進(jìn)行了聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，得出隨著速度的增加，車內(nèi)聲品質(zhì)呈下降趨勢(shì)。當(dāng)速度為40 km/h 時(shí)偏好性得分最高位12.9，速度為100 km/h 時(shí)偏好性得分最高為2.28。

2)通過(guò)車內(nèi)聲樣本的主客觀相關(guān)性分析得出，車內(nèi)聲品質(zhì)與響度和A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)存在高的負(fù)相關(guān)性，其pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.991 和-0.987。

3)通過(guò)偏好性與客觀參量的線性回歸分析，得出4 種模型，其中與A 記權(quán)聲壓級(jí)和響度模型較為準(zhǔn)確，能很好的反映其關(guān)系其R 為0.991。并通過(guò)回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差累計(jì)概率圖驗(yàn)證其模型的正確性。

［1］張明鐸.A 記權(quán)聲級(jí)在噪聲測(cè)量和評(píng)價(jià)中的不足［J］.聲學(xué)技術(shù)，1955（1）:41-42.

［2］Hempel T，Chouard N.Evaluation of interior car sound with a new specific semantic differential design［J］. JAcoustSocAm，1999，105（2）:1280-1285.

［3］Norm Otto，Scott Amman，Chris Eaton，et al.Guidelines for Jury Evaluations of Automotive Sounds［J］. SAE TECHNICAL PAPER SERIES，1999（1）:11-12.

［4］Weber R.Interior car sound quality-assessment of acceleration noise［C］//2nd Forum Acusticum. Berlin，Germany，1999.

［5］Kendall MG，Smith B B.On the method of paires comparisons［J］.Biometrika，1940，31（3/4）:324-345.

［6］Kendall MG. Further contributions to the theory of paired comparisons［J］.Biometrika，1955，11（1）:43-62.

［7］毛東興，俞悟周，王佐民.聲品質(zhì)成對(duì)比較主觀評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)機(jī)判據(jù)［J］.聲學(xué)學(xué)報(bào)，2005，30（5）468-472.

［8］賀巖松，榮坤強(qiáng)，徐中明，等.基于聲品質(zhì)評(píng)價(jià)的消聲器護(hù)板改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版，2011（7）:44-49.