高印寒，錢堃，梁杰，盧炳武，姜文君

（1.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春 130025；2.吉林大學儀器科學與電氣工程學院,長春 130061；3.一汽集團公司技術(shù)中心,長春 130011）

過去十年商用車市場保持了持續(xù)快速增長的局面，用戶對商用車性能的要求不僅是在載質(zhì)量、動力性或超載能力上，對整車NVH性能也越來越重視[1]。汽車聲品質(zhì)是汽車NVH性能研究的重要內(nèi)容,直接影響著消費者的購買欲望和汽車廠商的競爭力。聲品質(zhì)可定義為人類對聲音感受需求的滿足程度，要求更準確反映人的主觀感受，對聲音進行人性化評價[2]。

加速行駛條件下，車內(nèi)噪聲信號特征隨時間或轉(zhuǎn)速的變化較大，導致人的主觀感覺也隨之變化[3]。目前常用的由人直接去聽測的聲品質(zhì)主觀評價方法由于其效率低、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)計要求，因此尋求基于主觀感覺的客觀評價方法已成為商用車NVH研究中迫切需要解決的一個問題。

1 聲品質(zhì)客觀評價

聲品質(zhì)客觀評價研究是建立聲品質(zhì)主觀感知屬性與物理聲學、心理聲學之間的聯(lián)系，即從物理聲學、心理聲學的角度，將人們對聲音品質(zhì)的主觀屬性進行理解[4]。通過對聲音信號的時間歷程、頻譜構(gòu)成、物理聲學參數(shù)、心理聲學參數(shù)等多個角度的特征方面來進行分析。聲品質(zhì)客觀評價的目的不是要用客觀評價來完全替代主觀評價，而是使客觀評價成為一種既方便快捷又能夠準確預測出主觀評價值的聲音質(zhì)量評價手段。與對應的主觀評價相比，客觀評價的自動實現(xiàn)只需要很少的代價[5]。

通過多年的研究，國內(nèi)外學者提出了各種評價指標和方法，期望得出與主觀響應相對應的評價量及其計算方法。但是許多評價量是不通用的，而是針對某些特定的噪聲問題，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)，應用最廣泛的是響度、抖動強度、粗糙度、尖銳度、語言清晰度、音調(diào)度、顯著率等[6]。部分學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)提出一個客觀的綜合評價參數(shù)，從而對汽車某方面的聲品質(zhì)給出自己的客觀評價值。本試驗選擇了響度、尖銳度、糙度、抖動強度、音調(diào)度和語言清晰度6個主要客觀心理聲學參數(shù)進行評價研究。

2 噪聲測試準備及方法

2.1 試驗準備

1）試驗樣車準備:本實驗以某國產(chǎn)重型商用車為樣車，嚴格檢查試驗樣車，確保整車各個零部件狀況良好，處于標準工作狀態(tài)。

2）試驗儀器準備：

(1)BEQ數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)一套；

(2)HEAD人工頭一套；

(3)小野精密聲級計一臺；

(4)B&K聲級校準器一臺；(5)德國VGPS-2000雷達測速儀一臺；

(6)氣象測試儀器——風速儀、氣壓表、濕度表、溫度表各一臺；

(7)發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量裝置一套。

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

3）試驗地點:某試車場。

2.2 試驗方法

人工頭固定在副駕駛座位上，人工頭（耳）垂直坐標是座椅表面中線與靠背表面中線交點以上0.7±0.05 m處，如圖1所示。加速行駛車內(nèi)噪聲試驗依GB/T18697-2002《聲學―汽車車內(nèi)噪聲測量方法》進行，試驗時變速箱最高12檔，急加速行駛40 km/h到90 km/h，測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 噪聲測試結(jié)果分析

采集到的信號通過軟件Artemis進行結(jié)果分析處理。該軟件不僅可以對噪聲信號進行截取和等響處理還可以精確計算出各種心理聲學參數(shù)值，為后續(xù)分析在準確度上提供了保證。

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)噪聲的聲壓級增大，總的來說車內(nèi)噪聲的線性度不是很好，噪聲變化有波動。加速過程中，右耳平均聲壓級為78.9 dB(A)，而左耳平均聲壓級為78.4 dB(A)。本試驗樣車采用的是直列六缸發(fā)動機，根據(jù)六缸發(fā)動機的燃燒特性，并通過噪聲信號階次分析，如圖3所示，可以看出車內(nèi)噪聲主要噪聲源是發(fā)動機的發(fā)火階次3階（對應發(fā)動機點火頻率）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客觀參量隨著轉(zhuǎn)速的增加成明顯遞增趨勢，這表明汽車在加速過程中人對于車內(nèi)聲音的主觀感受會隨車速或時間的增加而發(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左耳的響度有一個峰值，峰值達到64.5 sone。低轉(zhuǎn)速運行時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，右耳的響度值為59.4 sone，左耳的響度值為54.10 sone，差值達到5 sone。在整個加速工況過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)沒有左耳的好。理論上響度值愈大，對人造成的煩燥程度愈嚴重，聲音品質(zhì)就越差，但響度不是噪聲聲品質(zhì)的決定的標準。

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，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，人體主觀上感覺就越加刺耳，聲品質(zhì)越差。

圖6所示，總體上來看，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)部的噪聲對于影響車內(nèi)乘客之間交談的語言清晰度有影響，從圖7中可以看出隨著轉(zhuǎn)速的增加，語言清晰度降低。在加速過程中，左耳的語言清晰度始終比右耳的語言清晰度要高，左耳的語言清晰度的平均值為28.3%，而右耳的語言清晰度的平均值為21.3%。

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

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

圖8 抖動強度和轉(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，可以看出抖動強度和音調(diào)度隨著轉(zhuǎn)速的增加，沒有明顯的趨勢規(guī)律。

3.3 在加速工況下噪聲頻譜分析

圖10所示，A計權(quán)聲壓級主要集中在50 Hz～3 500 Hz范圍內(nèi)，其中低頻成分對其貢獻量較大。A計權(quán)聲壓級在50 Hz～100 Hz、450 Hz～1 400 Hz處有較大峰值，人工頭的左右耳測點值在各頻帶范圍內(nèi)趨勢是一樣的。

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)象也說明了人耳頻率掩蔽特征對響度的作用。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量主要集中在0～5 Bark。A計權(quán)聲壓級與響度有一定的區(qū)別，由于A計權(quán)聲壓級對1 kHz以下的低頻聲音進行濾波衰減，在度量低頻成分為主的噪聲時，會產(chǎn)生誤差，使評價結(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，特征抖動強度主要集中在1～6 Bark，峰值出現(xiàn)在2～3 Bark,右耳的特征抖動強度值為3.28 mvacil，左耳的特征抖動強度值為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 雙耳特征抖動強度Fig.13 Binaural spec.fluctuation strength of artificial head

4 結(jié)語

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

（2）重型商用車加速行駛時，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加車內(nèi)噪聲的響度、尖銳度和粗糙度這三個客觀參量呈明顯遞增趨勢，而語言清晰度呈明顯遞減趨勢，而抖動度和音調(diào)度，沒有明顯變化。人對于車內(nèi)噪聲的主觀感受會隨車速或乘車時間的增加而發(fā)生變化，車內(nèi)聲品質(zhì)下降；

（3）對人工頭左右耳測點采集到的加速過程中車內(nèi)噪聲進行6個聲品質(zhì)客觀評價參量的分析計算對比，靠近車身側(cè)壁處的右耳聲音品質(zhì)沒有內(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聲品質(zhì)的客觀參量貢獻較大，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。特征抖動強度主要集中在1～6 Bark，峰值出現(xiàn)在2～3 Bark。

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

[2]申珅.噪聲聲品質(zhì)客觀評價分析系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].吉林：吉林大學，2007.18-21.

[3]高印寒，等.加速行駛時車內(nèi)噪聲品質(zhì)的評價方法及數(shù)學模型構(gòu)建[J].吉林：吉林大學工學報，2011，40(6)：1502-1505.

[4]梁杰.基于雙耳聽覺模型的車內(nèi)聲品質(zhì)分析與評價方法研究[D].吉林：吉林大學，2007.49-51.

[5]孫強.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的汽車聲音品質(zhì)評價與應用研究[D].吉林：吉林大學，2010.20-24.

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

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