張俊紅，段超陽，林杰威，周啟迪，湯周杰，徐天舒

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商用車柴油機加速聲品質(zhì)主客觀評價研究

張俊紅1, 2，段超陽1，林杰威1，周啟迪1，湯周杰1，徐天舒1

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津 301636)

以某6缸商用車柴油機為對象，研究其不同扭矩和起始轉(zhuǎn)速下的加速聲品質(zhì)評價方法. 以心理聲學(xué)參量響度、尖銳度、粗糙度、抖動度和語義清晰度作為初級客觀評價指標(biāo)，將初級指標(biāo)隨時間的變化率作為二級評價指標(biāo)，構(gòu)建兩級聲品質(zhì)評價指標(biāo)體系進(jìn)行聲品質(zhì)客觀評價；采用成對比較法對39組聲音樣本進(jìn)行評審團主觀評價，利用多元線性回歸方法建立柴油機加速聲品質(zhì)預(yù)測模型，并進(jìn)行了精確度驗證；分析了影響柴油機加速聲品質(zhì)的因素．研究顯示，模型的預(yù)測結(jié)果和主觀評價結(jié)果的平均偏差率為15.72%，說明基于新的客觀評價指標(biāo)體系建立預(yù)測模型對加速工況下的柴油機聲品質(zhì)有較好的預(yù)測能力；響度是影響發(fā)動機聲品質(zhì)的主要客觀指標(biāo)，扭矩和轉(zhuǎn)速的增加會導(dǎo)致聲品質(zhì)的下降，轉(zhuǎn)速變化的快慢程度也對柴油機聲品質(zhì)有較大影響.

聲品質(zhì)；柴油機；加速噪聲；主觀評價；預(yù)測模型

聲品質(zhì)的主客觀評價已經(jīng)成為柴油機NVH性能研究中的熱點[1-2]．以往柴油機聲品質(zhì)的研究多圍繞其穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行評價與預(yù)測，但實際上柴油機有30%～70%的工作時間中處于非穩(wěn)態(tài)工況，而針對非穩(wěn)態(tài)工況的聲品質(zhì)研究較少．發(fā)動機的非穩(wěn)態(tài)工況包括啟動、加速、減速和熄火，其中加速噪聲占比大，時頻特性復(fù)雜多變，對人的主觀感受影響大，是提高柴油機聲品質(zhì)的關(guān)鍵．

近年來，車輛加速聲品質(zhì)研究取得了一些研究成果．文獻(xiàn)[3]運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對小型客車的加速聲品質(zhì)進(jìn)行了評價，并建立了預(yù)測模型，得出影響車內(nèi)加速聲品質(zhì)的主要因素是響度、粗糙度和尖銳度；文獻(xiàn)[4]研究了9種B級轎車在加速條件下的車內(nèi)噪聲，采用多元線性回歸的方法建立了評價模型，得出響度、粗糙度和A計權(quán)聲壓級是影響加速噪聲聲品質(zhì)的主要因素；文獻(xiàn)[5]對某款重型商用車加速工況下車內(nèi)噪聲進(jìn)行了研究，得出駕駛員的各項心理聲學(xué)參量的變化規(guī)律，為車內(nèi)聲品質(zhì)研究提供了參考依據(jù)；文獻(xiàn)[6]研究了汽車固定檔位全油門汽車加速噪聲聲品質(zhì)，應(yīng)用多元線性回歸的方法建立了聲品質(zhì)評價模型，得出了響度、油門線性度和粗糙度是加速噪聲聲品質(zhì)的主要影響因素；文獻(xiàn)[7]采集了14款不同品牌汽車加速時的車內(nèi)噪聲信號，通過對聲音樣本主客觀評價，基于支持向量機理論建立了車內(nèi)加速噪聲聲品質(zhì)預(yù)測模型，并對模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗證．在這些研究中，參與建模的客觀心理聲學(xué)參量選用的都是加權(quán)均值，不能準(zhǔn)確地反映加速工況聲品質(zhì)特征，對聲學(xué)參量變化給主觀偏好度造成的影響考慮不足.

為了探究加速工況下心理聲學(xué)參量的變化對聲品質(zhì)評價的影響，構(gòu)建適用于加速工況的聲品質(zhì)評價指標(biāo)體系，本文以某6缸商用車柴油機為研究對象，研究其在不同的負(fù)荷、起始轉(zhuǎn)速下加速工況表面輻射噪聲聲品質(zhì)．采集目標(biāo)工況柴油機輻射噪聲聲音樣本，篩選處理后生成聲音樣本數(shù)據(jù)庫，組織振動噪聲領(lǐng)域?qū)I(yè)評審團隊對聲音樣本進(jìn)行主觀偏好度評價，參考國內(nèi)外研究內(nèi)容選定心理聲學(xué)參量作為客觀評價的初級評價指標(biāo)，將心理聲學(xué)參量隨時間的變化率引入到客觀評價中作為二級評價指標(biāo)，運用多元回歸分析方法建立柴油機加速聲品質(zhì)評價模型，驗證其準(zhǔn)確性，并分析柴油機加速聲品質(zhì)的影響因素．

1?噪聲樣本數(shù)據(jù)庫的建立

在精密級、半自由聲場發(fā)動機噪聲實驗室內(nèi)進(jìn)行柴油機噪聲取樣測試，如圖1所示．參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 6798：1995將發(fā)動機進(jìn)排氣噪聲引出室外，風(fēng)扇拆除，按照GB/T1859—2000進(jìn)行聲音傳感器的測點布置，如圖2所示．

本文采用5點測聲法，傳感器布置點位于1點、2點、3點、4點和9點，其中

???　(1)

???　(2)

???　(3)

???　(4)

實驗設(shè)備為LMS Test.Lab多通道聲振分析與測試系統(tǒng)．根據(jù)發(fā)動機的外特性曲線，設(shè)定不同扭矩、不同起始轉(zhuǎn)速、不同加速度進(jìn)行加速實驗，由于1點的麥克風(fēng)受到測功機噪聲的干擾偏大，故1點的聲音信號不予采用，考慮到接收發(fā)動機零部件噪聲的均衡性，最終選定機體上方測點(即9點)的聲音信號作為研究對象．聲音樣本長度為5s，既能表現(xiàn)出加速特點，又避免人耳產(chǎn)生聽覺疲勞，經(jīng)過篩選和截取，得到39個聲音樣本．從39個樣本中隨機選出34個聲音樣本作為構(gòu)建訓(xùn)練樣本集，剩余5個聲音樣本作為預(yù)測樣本．

圖1?噪聲測試現(xiàn)場

圖2?9(5)測點布置及測量表面示意

2?加速噪聲的主觀評價

常用的評價方法有排序法、等級評分法、成對比較法等，由于柴油機加速輻射噪聲復(fù)雜的聲音特性，排序法和評分法導(dǎo)致評價結(jié)果一致性較差．成對比較法較為直接，每次比較都能夠得出結(jié)果，唯一的缺點是隨著樣本數(shù)量增多，工作量也會迅速增大[8]．綜合比較后，為了保證主觀評價的準(zhǔn)確性，采用成對比較法進(jìn)行主觀評價．

由于非專業(yè)人群難以辨別柴油機噪聲的細(xì)小區(qū)別，會造成評價結(jié)果一致性較差，所以本文選取內(nèi)燃機專業(yè)人群組建評審團隊．由于受評價方法、聲音特性和評價人員情緒等因素的影響，一般心理聲學(xué)測試，有20名評價人員參與已經(jīng)足夠[9]．考慮到接觸柴油機的用戶群體以及相關(guān)專業(yè)男女比例，本文評價團隊共22人，其中男性19人，女性3人，年齡在22～34歲之間．在正式開始評價之前，對評價團隊成員進(jìn)行了熟悉聲音特性和評價過程的培訓(xùn)．

采用成對比較法進(jìn)行主觀偏好度打分，好聽的得2分，不好聽的得0分，分辨不出則各得1分，每次對比得分相加，分?jǐn)?shù)范圍在1～67分之間．為保證主觀評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，對主觀評價結(jié)果的一致性進(jìn)行了分析，剔除1組一致性系數(shù)低于0.500的評價結(jié)果，其余33組的平均一致性系數(shù)為0.806，說明主觀評價結(jié)果的離散程度低，可信度較高．

3?客觀評價參量分析

聲音的客觀評價是對心理聲學(xué)參量的量化，常見的心里聲學(xué)參量有Zwicker響度(loudness)、尖銳度(sharpness)、粗糙度(roughness)、抖動度(fluctuation strength)、語義清晰度(articulation index，AI)等，這些心理聲學(xué)參量被廣泛地應(yīng)用到了聲品質(zhì)的評價和預(yù)測之中，本文選擇這5個心理聲學(xué)參量作為聲品質(zhì)評價的初級評價指標(biāo)．

在柴油機加速過程中，心理聲學(xué)參量值會隨著加速過程而不斷變化，而參量的變化，例如響度、尖銳度的變化會對人心理產(chǎn)生影響，這部分影響不能忽略，所以本文將心理聲學(xué)參量隨時間的變化率作為二級評價指標(biāo)引入到研究中．將參量隨時間變化的值進(jìn)行線性回歸擬合得到變化率，響度變化率如圖3?所示．

主客觀評價完成后，得到33個聲音樣本的10個客觀評價指標(biāo)和主觀偏好度，如表1所示，其中1～10分別代表了響度、響度變化率、尖銳度、尖銳度變化率、粗糙度、粗糙度變化率、抖動度、抖動度變化率、語義清晰度和語義清晰度變化率．

圖3?響度隨時間的變化率

表1噪聲樣本客觀評價指標(biāo)及主觀評價結(jié)果

Tab.1?Objective evaluation index and subjective evaluation results for noise samples

4?多元回歸模型的建立

回歸分析是一種在處理變量之間的相關(guān)關(guān)系時最常用的統(tǒng)計方法，通過回歸分析，可以找出隱藏在隨機統(tǒng)計結(jié)果后面的統(tǒng)計規(guī)律[10-11]．在本文中，為研究商用車柴油機加速噪聲的主觀評價結(jié)果與客觀評價結(jié)果之間的相關(guān)關(guān)系，采用多元性回歸的方法來分析主客觀評價結(jié)果之間的聯(lián)系．

設(shè)定因變量(主觀偏好度的值)為，自變量(客觀評價指標(biāo)，包括響度、尖銳度、粗糙度、抖動度、語義清晰度及各自的變化率)為1～X-1，建立多元線性回歸模型，關(guān)系式為

???(5)

?????(6)

???(7)

表2回歸模型求解結(jié)果

Tab.2?Regression model results

由表2可知，在得出的10個標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)中，響度所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)最大，那么可以認(rèn)為影響聲品質(zhì)主觀偏好度的主要因素是聲音的響度，響度所對應(yīng)的非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)是負(fù)值，說明了響度越大，聲音就越容易引起人的煩躁．回歸方程的相關(guān)系數(shù)＝0.9628，接近于1，得到的主客觀評價結(jié)果之間的預(yù)測模型為

(8)

5?模型的準(zhǔn)確性驗證

在得到預(yù)測模型之后，對模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證．本文在處理聲音樣本時預(yù)留了5個聲音樣本作為預(yù)測對象，如表3所示，這5個聲音樣本沒有參與模型的建立．將這5個預(yù)測樣本的客觀評價指標(biāo)作為預(yù)測模型的輸入，模型的輸出結(jié)果與主觀偏好度的值進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示．

表3?預(yù)留的5個預(yù)測樣本主客觀評價結(jié)果

Tab.3?Subjective and objective evaluation results of five predictive samples

由表4中的預(yù)測結(jié)果可知，這5個樣本的預(yù)測結(jié)果均存在偏差，平均偏差在5分左右，相對于主觀偏好度的變化范圍1～67來說，平均偏差率約為15.72%，可以認(rèn)為該模型的預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確，同時也說明了在柴油機聲品質(zhì)研究中，考慮到原有的客觀評價指標(biāo)隨時間的變化特點會對人的主觀偏好度產(chǎn)生影響，引入以變化率為基礎(chǔ)的二級評價指標(biāo)是具有實際意義的．平均偏差率算法為

表4模型預(yù)測結(jié)果分析

Tab.4?Analysis of model prediction results

樣本序號主觀偏好度預(yù)測結(jié)果偏差絕對值平均偏差值平均偏差率/% 12732.555.555.0615.72 23240.618.61 33943.744.74 45456.012.01 52933.404.40

對標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)進(jìn)行百分?jǐn)?shù)處理，得出直觀的客觀評價指標(biāo)權(quán)重，如表5所示．權(quán)重1中響度對主觀偏好度的影響權(quán)重達(dá)到48%左右，由于其他心理聲學(xué)參量是由響度衍生而來的，因此證實了響度在心理聲學(xué)研究中的基礎(chǔ)性地位[12]．

表5客觀評價指標(biāo)權(quán)重分析

本文直接測取的商用車柴油機加速工況的表面輻射噪聲，主觀評價時為保留聲音的原始特性，沒有對聲音進(jìn)行等響度處理，聲音響度較大而且不同聲音樣本響度差別較大，使得響度指標(biāo)對其他評價指標(biāo)造成了一定的淹沒效應(yīng)，這也是響度對主觀偏好度的影響權(quán)重最大的原因．為了能夠體現(xiàn)出其他客觀評價指標(biāo)的重要性，在排除響度因素后重新計算權(quán)重，計算結(jié)果如表5中的權(quán)重2所示．除響度以外，響度變化率、粗糙度變化率、抖動度和語義清晰度對主觀偏好度也有較大的影響；其余指標(biāo)對主觀偏好度有影響，但是影響較?。?/p>

6?影響主觀偏好度的工況分析

柴油機加速過程中轉(zhuǎn)速隨時間變化的速率稱為轉(zhuǎn)速變化率，單位用(r/min)/s表示．為探究主觀偏好度與柴油機加速時扭矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，將柴油機噪聲樣本的工況參數(shù)與主觀偏好度的值進(jìn)行可視化處理，如圖4所示．

圖4?不同扭矩-轉(zhuǎn)速下主觀偏好度值的分布

由圖4可知，初始轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速變化范圍相同，隨著發(fā)動機輸出扭矩的提高，主觀偏好度在下降；若輸出扭矩固定不變，那么隨著發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速的增大，主觀偏好度也在下降．分析聲音樣本的客觀指標(biāo)變化，由圖5可知隨著發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩增加，發(fā)動機的響度在增大，除此之外，尖銳度、語義清晰度也在惡化．雖然抖動度前期經(jīng)過急劇上升后緩慢下降，粗糙度變化不明顯，由于響度所占的影響權(quán)重最大，仍然使得總體主觀偏好度下降．

選擇0N·m和800N·m兩種固定扭矩工況，分析轉(zhuǎn)速變化率對主觀偏好度的影響，結(jié)果如圖6所示．從圖6(a)中可以看出，扭矩為0N·m、加速較慢時，主觀偏好度的整體得分較高．收集主觀評價人員的心理反饋發(fā)現(xiàn)120(r/min)/s的聲音會導(dǎo)致部分評價人員出現(xiàn)“心慌、煩躁”的感覺，而40(r/min)/s的聲音相對來說給人一種“較溫和”的感覺，這是由于較大的轉(zhuǎn)速變化率造成的．圖7表示的是低扭矩不同加速率時，客觀參量隨轉(zhuǎn)速、時間的變化，由圖7(d)可知速度變化率為120(r/min)/s的聲音樣本整體抖動度偏大．從其他圖中可以發(fā)現(xiàn)，不同加速率下客觀參量隨轉(zhuǎn)速變化的值和趨勢基本相同，但是從客觀參量隨時間變化的圖中，可以發(fā)現(xiàn)120(r/min)/s聲音樣本的響度和尖銳度的上升速率較大，語義清晰度的下降速率也較大，造成120(r/min)/s的聲音樣本讓主觀評價人員感到“心慌、煩躁”．

圖5?不同扭矩下響度隨轉(zhuǎn)速的變化

圖6?不同轉(zhuǎn)速變化率對主觀偏好度的影響

圖7?客觀參量隨轉(zhuǎn)速和時間的變化

圖6(b)是柴油機扭矩為800N·m的情況，可見在中低轉(zhuǎn)速時，柴油機加速快慢對主觀偏好度的影響不大，但進(jìn)入中高轉(zhuǎn)速后，加速較快的聲音樣本主觀偏好度得分更高．主觀評價人員認(rèn)為，加速較慢的聲音樣本給人的感覺“較為乏力”，加速較快的聲音樣本相比較之下就顯得“動力更為強勁”．大扭矩高轉(zhuǎn)速工況，聲音的響度、粗糙度、語義清晰度的大小和變化趨勢隨加速快慢變化不明顯；而在加速較慢的情況下，尖銳度和抖動度卻比加速快時更大，特別是抖動度變大是引起主觀評價人員感覺柴油機動力不足“較為乏力”的主要原因．

7?結(jié)?論

(1) 采用響度、尖銳度、粗糙度、抖動度和語義清晰度的時間變化率作為聲品質(zhì)二級評價指標(biāo)能夠有效地描述柴油機的加速噪聲特征，對非穩(wěn)態(tài)聲品質(zhì)評價和預(yù)測能力有較大提升．

(2) 權(quán)重分析結(jié)果表明，影響該柴油機加速聲品質(zhì)的主要因素除響度外，響度變化率、粗糙度變化率、抖動度和語義清晰度對聲品質(zhì)也有較大影響．

(3) 轉(zhuǎn)速和扭矩的增加會導(dǎo)致柴油機聲品質(zhì)惡化；低扭矩時，柴油機比較平緩地加速會有較好的聲品質(zhì)；中高扭矩、中高轉(zhuǎn)速，柴油機加速較快時的聲音更受評審者的歡迎．

［1］ 畢鳳榮，李?琳，張?劍，等. 基于EEMD-HT與LSSVM的柴油機輻射噪聲品質(zhì)預(yù)測技術(shù)[J]. 天津大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2017，50(1)：28-34.

Bi Fengrong，Li Lin，Zhang Jian，et al. Sound quality prediction for diesel engine radiated noise based on EEMD-HT and LSSVM[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2017，50(1)：28-34(in Chinese).

［2］ Mao J，Hao Z Y，Jing G X，et al. Sound quality improvement for a four-cylinder diesel engine by the block structure optimization[J]. Applied Acoustics，2013，74(1)：150-159.

［3］ Lee Sang-Kwon. Objective evaluation of interior sound quality in passenger cars during acceleration[J]. Journal of Sound and Vibration，2008，310(1/2)：149-168.

［4］ 梁?杰，孫?強，盧鵬宇，等. 加速工況下車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)煩躁度的評價研究[J]. 汽車技術(shù)，2010(3)：20-25.

Liang Jie，Sun Qiang，Lu Pengyu，et al. Research on sound quality annoyance evaluation for vehicle interior noise during acceleration[J]. Automobile Technology，2010(3)：20-25(in Chinese).

［5］ 高印寒，錢?塑，梁?杰，等. 重型商用車噪聲測試及聲品質(zhì)客觀評價分析[J]. 噪聲與振動控制，2013(2)：188-192.

Gao Yinhan，Qian Su，Liang Jie，et al. Noise test and objective sound-quality evaluation of a heavy commercial vehicle[J]. Noise and Vibration Control，2013(2)：188-192(in Chinese).

［6］ 郭?勇，王海洋. 全油門加速工況車內(nèi)聲品質(zhì)研究[J]. 汽車實用技術(shù)，2014(12)：8-11.

Guo Yong，Wang Haiyang. The research of vehicle interior noise quality under the accelerating condition[J]. Automobile Applied Technology，2014(12)：8-11(in Chinese).

［7］ 劉?陽. 基于支持向量機的車內(nèi)加速噪聲聲品質(zhì)研究[D]. 武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2015.

Liu Yang. Study on the Prediction of Car Acceleration Noise Sound Quality Based on Support Vector Machine[D]. Wuhan：Hubei University of Technology，2015(in Chinese).

［8］ Liu H，Zhang J H，Guo P，et al. Sound quality prediction for engine-radiated noise[J]. Noise & Vibration Bulletin，2015，56/57：277-287.

［9］ 陳?劍，楊?雯，李偉毅. 汽車聲品質(zhì)主觀評價試驗方法探究[J]. 汽車工程，2009，31(4)：389-392，339.

Chen Jian，Yang Wen，Li Weiyi. An investigation into the test methods for subjective evaluation of vehicle sound quality[J]. Automotive Engineering，2009，31(4)：389-392，339(in Chinese).

［10］ 王?巖，隋思漣. 數(shù)理統(tǒng)計與MATLAB數(shù)據(jù)分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2014.

Wang Yan，Sui Silian. Mathematical Statistics and MATLAB Data Analysis[M]. Beijing：Tsinghua University Press，2014(in Chinese).

［11］ Pietila G，Lim T C. Intelligent systems approaches to product sound quality evaluations：A review[J]. Applied Acoustics，2012，73(10)：987-1002.

［12］ 孟祥德，張俊紅，李立順，等. 基于回歸分析的車用柴油機聲品質(zhì)預(yù)測技術(shù)[J]. 內(nèi)燃機學(xué)報，2011，29(6)：534-537.

Meng Xiangde，Zhang Junhong，Li Lishun，et al. Sound quality prediction of diesel engine noise based on regression analysis[J]. Transactions of CSICE，2011，29(6)：534-537(in Chinese).

(責(zé)任編輯：金順愛)

Research on Commercial Vehicle Diesel Engine Sound Quality Subjective and Objective Evaluation During Acceleration

Zhang Junhong1, 2，Duan Chaoyang1，Lin Jiewei1，Zhou Qidi1，Tang Zhoujie1，Xu Tianshu1

(1. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Renai College，Tianjin University，Tianjin 301636，China)

In this study，we used a six-cylinder commercial vehicle diesel engine to evaluate the sound quality of acceleration noise under different torque and initial engine speed conditions. To ensure the objective evaluation of sound quality，we constructed a two-level index system in which loudness，sharpness，roughness，fluctuation，and articulation were included in the primary level. We derived the time-dependent change rates of the primary indices as secondary indices. We performed a subjective jury test on 39 noise samples using the pairwise comparison method. Using multiple linear regressions，we then established and verified the accuracy of a prediction model for the acceleration sound quality of the diesel engine. Our analysis of the factors affecting the acceleration sound quality of the diesel engine shows the average deviation between the predicted and subjective evaluation results to be 15.72%. This indicates that our prediction model based on the new objective evaluation index system has better prediction ability of diesel engine sound quality under acceleration conditions. We determined that loudness is the main objective parameter affecting engine sound quality，and sound quality decreases with increasing engine load and speed. In addition，we determined that the acceleration rate has considerable effects on the sound quality of diesel engine.

sound quality；diesel engine；acceleration noise；subjective evaluation；prediction model

TK421.6

A

0493-2137(2019)02-0150-07

2018-04-05；

2018-08-21.

張俊紅（1962—??），女，博士，教授，zhangjh@tju.edu.cn.

林杰威，linjiewei@tju.edu.cn.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB0103504).

10.11784/tdxbz201804013

the National Key R&D Program of China(No. 2017YFB0103504).