黃燦銀，陳陽

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

基于聲品質(zhì)評價模型的車內(nèi)噪聲優(yōu)化研究

黃燦銀，陳陽

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

噪聲被動控制方法能簡單有效地改善噪聲的聲品質(zhì)。首先對8輛各種型號汽車進行了怠速狀態(tài)下車內(nèi)噪聲樣本的采集，通過噪聲信號的主客觀分析研究，得出車內(nèi)噪聲評價的主客觀評價模型，明確了響度、尖銳度及粗糙度是影響怠速狀態(tài)車內(nèi)聲品質(zhì)的主要因素。而后，對聲品質(zhì)最差的7號車實施噪聲優(yōu)化試驗，采取添加塞麗隔聲阻尼氈的方案。通過對比發(fā)現(xiàn)，車內(nèi)噪聲的響度等參量值變小。將數(shù)據(jù)代入聲品質(zhì)客觀計算模型，同時進行主觀評價試驗，結(jié)果表明其評分等級從13級降至10級，從而證明了噪聲被動控制方法能有效提高車內(nèi)噪聲的聲品質(zhì)。

車內(nèi)噪聲被動控制怠速狀態(tài)主觀評價客觀參數(shù)

1 引言

長久以來，人們以A聲功率級越低越好為原則來評價噪聲。后來研究發(fā)現(xiàn)，某些A計權(quán)聲級高的噪聲聽起來比較舒服，而一些滿足A聲級標(biāo)準(zhǔn)的噪聲卻讓人無法忍受。人們意識到A計權(quán)聲級存在很大的缺陷，它不能全面描述噪聲各個屬性。于是，能反映人主觀感受的聲品質(zhì)這一概念開始引起關(guān)注，并成為噪聲領(lǐng)域研究的新課題[1]。聲品質(zhì)旨在反映聲物理特性與人的主觀感受之間的關(guān)系。

噪聲被動控制技術(shù)由于其降噪明顯、成本較低，已在汽車、建筑、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用[2]。本文首先對8輛汽車在怠速工況下的車內(nèi)噪聲進行采集，然后對噪聲進行主客觀分析研究，得出主觀評價與客觀參數(shù)之間的相關(guān)性。接著對評價結(jié)果最差的汽車進行被動噪聲控制，即添加塞麗隔聲阻尼氈。最后通過對改進后的汽車進行噪聲數(shù)據(jù)采集和主觀評價，從而驗證其車內(nèi)聲品質(zhì)得到了改善。

2 車內(nèi)噪聲評價模型

聲品質(zhì)是通過研究聲音的客觀物理參數(shù)與人的主觀感受之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立聲品質(zhì)評價模型。通過研究評價模型得出各個參數(shù)之間的數(shù)學(xué)表達式，為聲品質(zhì)的改善提供理論依據(jù)。聲品質(zhì)概念提出了一種全新的噪聲控制思想，即要去除噪聲中讓人煩躁的成分，保留令人舒服的成分，使聲音符合人們的主觀感受。

2.1 車內(nèi)噪聲的采集試驗

為了得到最新的噪聲原始數(shù)據(jù)，同時為了更好地比較不同汽車間怠速狀態(tài)下車內(nèi)噪聲的各個參數(shù)，選擇一種可重復(fù)的試驗方案是非常重要的。通過對比各車的噪聲，能夠得到人們對汽車車內(nèi)聲音品質(zhì)的感覺到底如何。噪聲樣本的采集需要使用的試驗設(shè)備是1套比利時LMS Test Lab數(shù)據(jù)采集分析軟件、6個LMS SCADAS305數(shù)據(jù)采集前端、6個PCB 130ICP傳聲器、1個Larson DvaiSCAL200標(biāo)定器、1臺Dell M60筆記本電腦、6個固定安裝泡沫、1卷透明膠、1把尺子。把上述標(biāo)定好的設(shè)備按試驗要求安裝到汽車上。6個傳聲器分別安裝在駕駛員座椅、副駕駛員座椅和后排右座椅的頭枕兩側(cè)（分別標(biāo)記為1、2、3、4、5和6），如圖1所示。駕駛員將車設(shè)置為怠速狀態(tài)，測試人員及時記錄下噪聲信號。

2.2 噪聲樣本客觀參量的分析計算

圖1 車內(nèi)噪聲測量傳聲器安裝圖

聲音客觀參量是描述不同噪聲信號所產(chǎn)生的主觀感受差異程度的客觀物理量，其主要針對4個主要心理聲學(xué)客觀評價參數(shù)，即響度、尖銳度、抖動度、粗糙度。用比利時LMS公司生產(chǎn)的LMS Test Lab數(shù)據(jù)采集分析軟件對獲得的噪聲信號進行分析，得出客觀參數(shù)的數(shù)據(jù)信息。

2.2.1 響度的計算

與A聲級相比較，響度能更準(zhǔn)確地反映聲音的響亮程度，它是人們判斷聲音強弱的依據(jù)。

ISO 532B標(biāo)準(zhǔn)給出了2種計算聲音響度的方法：一種是Stevens通過倍頻程譜數(shù)據(jù)推算得出的，其在平坦頻譜的擴散聲場中準(zhǔn)確度相當(dāng)高；另一種是Zwicher在Stevens法基礎(chǔ)上引入掩蔽效應(yīng)加以修正。響度的計算公式為：

式中，

ETQ——聽闕在安靜環(huán)境時所對應(yīng)的激勵；

E0——參考聲強I0對應(yīng)的激勵，一般取I0為10-12W/m2；

E——通過計算所得的激勵。

圖2是根據(jù)響度的計算公式并結(jié)合噪聲樣本得出的第7號車各測點噪聲響度的曲線圖。

2.2.2 尖銳度的計算

式中，

圖2 怠速狀態(tài)下各測點的響度曲線圖

k——加權(quán)系數(shù)一般取0.11；

z——心理聲學(xué)的臨界頻帶尺度；

N'(z)——與臨界頻帶尺度響度變化的函數(shù)表達式；

g'(z)——取值為e0.171z。

第7號車6個測點的尖銳度值如圖3所示。

圖3 怠速狀態(tài)下各測點的尖銳度曲線圖

2.2.3 抖動度

兩組患者的一般自我效能評分隨時間均有提升，觀察組患者的評分在干預(yù)后第3個月、6個月時評分優(yōu)于對照組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），見表1。

聲音隨時間表現(xiàn)為低頻變化時，人耳聽起來就會感覺有抖動感。抖動度的計算公式是Fastl和Zwick[3]根據(jù)前人的基礎(chǔ)總結(jié)出來的，為世界通用，表示如下：

式中，

F——波動級；

ΔL——調(diào)制深度；

fmod——調(diào)制頻率帶寬。

將采集的噪聲信號，通過上述公式得出各個測點的抖動度大小，圖4所示為第7號車的抖動度曲線圖。

圖4 怠速狀態(tài)下各測點的抖動度曲線圖

2.2.4 粗糙度

抖動度和粗糙度都是描述聲音信號隨時間變化給人的感受的參量，區(qū)別在于后者描述的是調(diào)制頻率為中高頻率時的情況。粗糙度顯示噪聲信號的調(diào)制程度及其分布狀況，對頻率為20～200 Hz有比較明顯的效果。粗糙度的計算公式如下：

式中，

ΔLg(z)——臨界頻帶內(nèi)的聲壓函數(shù)；

fmod——調(diào)制頻率。

圖5為第7號車測點噪聲的粗糙度曲線圖。

2.3 噪聲樣本的主觀評價

主觀評價試驗定在遠(yuǎn)離鬧市區(qū)的教室里，聲音樣本采用高保真耳機播放。選取高校及內(nèi)燃機研究所的成員共計50人組成評審團，預(yù)先選8組聲音樣本，用成對比較法[4]對評審團成員進行評價培訓(xùn)。評價的規(guī)定與足球比賽計分規(guī)則剛好相反，即如果感覺聲音樣本甲比乙好，那么記錄甲得0分，乙得2分；反之亦然；如甲與乙相當(dāng)，則甲和乙都得1分。積分的高低就代表聲品質(zhì)的優(yōu)劣。通過多次訓(xùn)練后，使用等級打分法對全部聲音信號進行主觀評價，每個聲音樣本播放時間均為10 s。評審團就所聽到的聲音，帶給自己的主觀感覺進行打分（1～10），分?jǐn)?shù)越高說明聲品質(zhì)越差。將各個評價人員的分?jǐn)?shù)取平均值就可以得到該聲音樣本的品質(zhì)等級[5]。采集的噪聲樣本的主觀評價結(jié)果如表1所示。

圖5 怠速狀態(tài)下各測點的粗糙度曲線圖

表1 噪聲等級評分結(jié)果

2.4 主客觀相關(guān)性分析

將采集的聲音信號進行核對，因為每輛車在怠速工況下總共有3對聲音信號，保證3對信號無明顯的波動，并選擇其中一個信號作為分析代表樣本。用采集分析軟件對獲得的噪聲信號進行分析，得出6組客觀參數(shù)的數(shù)據(jù)信息，即噪聲的響度、尖銳度、抖動度、粗糙度、音調(diào)度、脈沖特性和清晰度指數(shù)。然后將這些數(shù)據(jù)連同等級評分的結(jié)果編制成主觀評價結(jié)果與客觀參量之間的回歸數(shù)據(jù)分布圖，如圖6所示。

從圖6可以直觀地看出主客觀間的相關(guān)性，但是此圖無法反應(yīng)各個客觀參數(shù)對車內(nèi)聲品質(zhì)的影響程度。于是運用SPSS統(tǒng)計分析軟件對主觀評價結(jié)果和6組客觀參數(shù)進行多元回歸相關(guān)性分析，以獲取如下的主觀評價結(jié)果和客觀參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達式：

式中，

SQ——主觀評價結(jié)果；

LS——響度；

SA——尖銳度；

RV——粗糙度；

r——對應(yīng)的系數(shù)。

將各數(shù)據(jù)代入公式中，求出rL、rS、rR，進而得出怠速狀態(tài)下車內(nèi)聲品質(zhì)客觀評價模型。

通過此表達式，可以得出以下結(jié)論：確定車內(nèi)聲品質(zhì)與客觀參量（響度、尖銳度和粗糙度）有關(guān)，客觀參量對聲品質(zhì)的影響程度可以從公式得出，怠速狀態(tài)下車內(nèi)噪聲的改善要從控制響度、尖銳度和粗糙度3方面入手。

3 車內(nèi)噪聲被動控制優(yōu)化試驗

3.1 車內(nèi)噪聲源的識別試驗

針對聲品質(zhì)最差的7號車進行車內(nèi)噪聲源的識別試驗。試驗使用的測量儀器是BK公司生產(chǎn)的3360聲強儀。

車內(nèi)測試點的安排如下：首先，在車的前部地板（發(fā)動機蓋和變速桿周圍）、左地板、右地板、前圍、后圍、頂棚和左右車門上分別布置好網(wǎng)格，每個網(wǎng)格為10 cm的正方形，各個網(wǎng)格點安排一個測量點。接著，將測試的聲強分布圖一一展示出來進行對比，如圖7所示。最后進行處理分析。將聲強分布圖進行對比，發(fā)現(xiàn)左右踏板的輻射噪聲是最大的。從圖7可以看出，圖中除2個點（具體位置分別為點5×7和10×7）的其它區(qū)域，聲強都是在94.6 dB（A）以下，該2處的聲強級比其余部位高出了至少8 dB。因而可以判斷出，左右踏板所在的部位存在比較嚴(yán)重的漏聲現(xiàn)象，而發(fā)動機機艙和駕駛室間的防火墻隔音吸音效果不太理想。在發(fā)動機工作時引起的一系列噪聲能夠透過防火墻傳入車內(nèi)，導(dǎo)致汽車車內(nèi)噪聲的升高，從而使得該車的聲品質(zhì)較差。

3.2 隔音吸音材料的重新布置

針對防火墻隔音問題，采取對其重新布置隔音材料的方案。首先，在選擇隔音材料時注意：（1）隔音材料要求盡可能輕，保證優(yōu)化后汽車自重增加較少；（2）對高頻寬頻帶噪音效果明顯，能夠保持長期穩(wěn)定的隔音性能；（3）防潮防水，耐腐防蛀，外觀整潔，無污染。

圖6 主觀評價結(jié)果與客觀參數(shù)間的回歸數(shù)據(jù)分布圖

圖7 測試點的布置圖

對常用的吸隔音材料進行比較后，最終選取塞麗隔聲阻尼氈。其是由EPDM橡膠（三元乙丙橡膠）與多種礦物質(zhì)組成。從使用情況來看，其廣泛應(yīng)用于發(fā)動機室、底板和車門。這種塞麗隔聲阻尼氈性能穩(wěn)定可靠，對高頻噪聲具有良好的抑制作用，同時能阻礙各種振動的傳播，是合適的隔聲減振材料。其吸隔聲性能如圖8和圖9所示。從圖中可以看出其吸隔聲性能在中高頻段有明顯的增大，對降低車內(nèi)中高頻噪聲起到很大作用，進而改善車內(nèi)聲品質(zhì)參數(shù)的尖銳度指標(biāo)，所以選擇此種吸聲材料作為被動降噪材料。在選好吸聲材料后對吸聲材料進行了整體布置，以使防火墻處的漏聲孔隙盡可能最??；測量后，在原有的防火墻隔板處增加了樹脂氈。

4 車內(nèi)聲品質(zhì)優(yōu)化的論證

4.1 客觀參數(shù)的優(yōu)化對比

按照2.1節(jié)的采集試驗設(shè)計，對優(yōu)化后的第7輛車進行車內(nèi)噪聲樣本的試驗。其詳細(xì)過程參照2.2節(jié)的要求，通過對客觀參量的處理后，最后得出優(yōu)化前后各物理參量的對比圖，如圖10～圖12所示。

圖8 塞麗阻尼氈的吸聲特性曲線圖

圖9 塞麗阻尼氈的隔音特性曲線圖

圖10 7號車優(yōu)化前后總體響度值對比圖

上述3圖表明：通過優(yōu)化，該車車內(nèi)噪聲的響度值和尖銳度得到明顯降低，而抖動度變化不明顯。但是該車聲音物理參數(shù)的改善是不是能夠體現(xiàn)在人的主觀感受上呢？簡單的主觀分析模型是否能夠真正代替復(fù)雜的主觀評價試驗？這就要求通過主觀評價對比試驗對此進行驗證。

圖11 7號車優(yōu)化前后總體尖銳度值對比圖

圖12 7號車優(yōu)化前后總體抖動度值對比

4.2 主觀評價對比試驗

主觀評價對比試驗的目的在于論證噪聲物理參量的改善是否能夠被人的主觀感受所體現(xiàn)出來。根據(jù)相關(guān)主觀評價試驗的標(biāo)準(zhǔn)，讓同樣的主觀評價人員對優(yōu)化后的車輛進行車內(nèi)噪聲主觀打分評價，將其與優(yōu)化前的分值進行比較，得出以下對比數(shù)據(jù)，參見表2。

Improvement of Inner-vehicle Sound Quality Based on Sound Quality Evaluation Model

Huang Yincan,Chen Yang
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,Chian）

Passiv e control noise technology can improve inner-vehicle noise effectively.Firstly 8 inner-vehicle noise samples at idle speed were acquired from 8 vehicles of various types of cars.Based on the subjective and objective analysis of noise samples,the correlation between subjective evaluation and objective parameters was formed:the loudness,the sharpness and the roughness of sound are the most important factors influencing the inner-vehicle sound quality.The passive noise control experiment specific to the worst noise sample was conducted,and through the comparison,the objective parameters were reduced significantly.By using objective calculation model and subjective evaluation test,the annoyance level fell from 13 to 10,which demonstrates that the noise control method can effectively enhance sound quality in the vehicle.

inner-vehicle noise,passive control,at idle,subjective evaluation,objective parameters

表2 優(yōu)化前后主觀評價結(jié)果對比表

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.006

來稿日期：2012-05-31

黃燦銀（1984-），男，碩士，主要研究方向為噪聲振動優(yōu)化控制。