劉志恩，崔博建，張慶凱

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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汽車排氣噪聲聲品質(zhì)優(yōu)化方案設(shè)計與評價

劉志恩，崔博建，張慶凱

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

摘要：隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車聲品質(zhì)已經(jīng)成為評價車輛性能的一個重要指標(biāo)。以某車型所配備的汽油發(fā)動機(jī)為研究對象，通過試驗(yàn)來采集車輛怠速、加速過程中的聲音數(shù)據(jù)，運(yùn)用相關(guān)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制和分析，研究階次和頻率對聲品質(zhì)的影響，為排氣噪聲的優(yōu)化提供依據(jù)。并對優(yōu)化后的方案進(jìn)行了主觀評價，選取較好的聲音方案，利用響度、尖銳度、粗糙度等客觀評價參量進(jìn)行了分析驗(yàn)證，結(jié)果表明該設(shè)計方案優(yōu)化效果理想。

關(guān)鍵詞：排氣噪聲；聲品質(zhì)；主客觀評價

近幾年，汽車技術(shù)飛速發(fā)展，消費(fèi)者對汽車性能的要求不再限于操控性和安全性，也開始重視舒適性和聲學(xué)特性，因此，汽車排氣噪聲成為衡量車輛性能的一個重要指標(biāo)。

國內(nèi)外針對聲品質(zhì)做了較多研究，如文獻(xiàn)[1]運(yùn)用分組成對比較法對車內(nèi)噪聲樣本進(jìn)行偏好性主觀評價實(shí)驗(yàn)；文獻(xiàn)[2]提出了一種基于語義細(xì)分的聲品質(zhì)主觀模糊綜合評價方法，可以準(zhǔn)確地得到聲音樣本感知屬性的評價等級隸屬關(guān)系，以及聲音樣本整體主觀感受評價得分的擇優(yōu)排序。筆者通過主客觀評價方法探索階次構(gòu)成對排氣噪聲聲品質(zhì)的影響，對排氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化后的方案進(jìn)行評價分析，以期達(dá)到優(yōu)化汽車排氣噪聲聲品質(zhì)的目的。

1汽車聲品質(zhì)客觀參量及主觀評價方法

1.1聲品質(zhì)客觀評價參量

1.1.1響度

響度是反映人耳對聲音強(qiáng)弱感受程度的心理聲學(xué)參數(shù)，表示人耳對聲音的主觀感受，響度的單位為宋(sone)。頻率為1 kHz的純音，如果其聲壓級為40 dB，則其響度為1 sone 。一般來說，聲音的響度越大越響亮，人們對聲音的主觀煩躁度也越大，聲品質(zhì)就越差[3-4]。

茨維克(ZWICKER)方法是引入特征頻帶對人耳的掩蔽效應(yīng)進(jìn)行修正，適用于自由聲場或擴(kuò)散聲場。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：N′=K1100.1e1LHS[(0.75+0.25·100.1(LE-LHS))e1-1]。

式中：LE為修正分貝值；e1=0.25；常數(shù)K1為0.063 5；LHS為靜閾值。

1.1.2尖銳度

尖銳度反映了聲音信號的刺耳程度，通常來說，尖銳度越高聲音越刺耳，人們對聲音的感覺越煩惱，聲品質(zhì)也越差，其單位是為acum 。定義中心頻率為1 kHz、帶寬為160 Hz的60 dB窄帶噪聲的尖銳度為1 acum。噪聲尖銳度高低受噪聲的中心頻率、帶寬、聲壓級和頻譜包絡(luò)等參數(shù)的影響。其中，中心頻率和頻譜包絡(luò)是最主要的因素[5]。

通常采用ZWICKER模型來計算尖銳度S，其數(shù)學(xué)模型以響度模型為基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

式中：k為加權(quán)系數(shù)(k一般為0.11)；N為總響度值；N′(z)為z號Bark域內(nèi)的特征響度；g(z)為聲音信號在不同Bark域內(nèi)的權(quán)重系數(shù)，其表達(dá)式為：

(2)

1.1.3粗糙度

聲音的低頻變化產(chǎn)生波動度；聲音的高頻變化產(chǎn)生粗糙度。當(dāng)調(diào)制頻率大于 20 Hz 時逐漸表現(xiàn)為粗糙度，反之表現(xiàn)為波動度。

FASTL利用噪聲的調(diào)制頻率fmod和各特征頻帶內(nèi)的激勵級差ΔLE(z)(即聲音的掩蔽深度)來計算粗糙度[6]，即：

(3)

1.2噪聲品質(zhì)主觀評價

目前常用的噪聲品質(zhì)主觀評價方法有以下幾種：等級評分法、簡單排序法、數(shù)值估計法、成對比較法，自適應(yīng)分組成對比較法和語義細(xì)分法等。筆者所采用的主觀評價方法是語義細(xì)分法，即運(yùn)用多種描述聲音屬性的語義相反的形容詞對每一組聲音樣本進(jìn)行評價。

由于人對噪聲的感覺受心理和生理因素的影響，使聽覺帶有較大的主觀偏好性，因此無法真實(shí)全面反映人對噪聲的感受。然而目前尚未出現(xiàn)可以對噪聲感受客觀量化的儀器設(shè)備，因此主觀評價依然很重要。主觀評價可有效反映人對聲音感知的復(fù)雜過程，人們可以在交互過程中不斷體驗(yàn)、評價和修改。

2階次構(gòu)成對排氣噪聲的影響

2.1原車聲音樣本數(shù)據(jù)采集

筆者試驗(yàn)運(yùn)用LMS SCADAS多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測試工況及麥克風(fēng)布置如表1所示，測試路面及周圍環(huán)境如圖1所示。測量前，使用聲級校準(zhǔn)設(shè)備對每個麥克風(fēng)進(jìn)行聲級校準(zhǔn)。

表1　測試工況及麥克風(fēng)布置

圖1　測試路面及周圍環(huán)境

2.2原車聲音樣本調(diào)制和分析

筆者從采集的2擋和3擋加速過程的10組樣本中，選取3擋全加速第一組數(shù)據(jù)為分析依據(jù)，并針對噪聲中影響較大的排氣噪聲進(jìn)行分析和研究。

2.2.1聲音樣本的調(diào)制

原車聲音名階次的聲壓級曲線如圖2所示。從圖2可以看出，在轉(zhuǎn)速為1 400 r/min左右時，總聲壓級和6階、8階聲壓[7]均出現(xiàn)谷值，加速時聲音不夠連貫，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000～4 000 r/min時，2階、4階、6階曲線比較接近，加速穩(wěn)定但聲音單一，不夠渾厚有力。因此，在LMS Test. Lab /Sound Diagnosis模塊中對各階次的配比關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，并適當(dāng)運(yùn)用濾波器對轉(zhuǎn)速段的特定頻率進(jìn)行濾波，調(diào)制出不同的聲音方案以待試聽。

圖2　原車聲音各階次和聲壓級曲線

聲音調(diào)制過程分為3個階段：①對單個階次做變化；②奇數(shù)階次或者偶數(shù)階次組合調(diào)整，如2階、4階、6階、8階之間進(jìn)行能量配比；③奇數(shù)階次和偶數(shù)階次之間的組合變化。為了保證總聲壓級不變，故調(diào)整時限定階次變化范圍在0～12 dB之間。

筆者經(jīng)過多次調(diào)整并試聽之后發(fā)現(xiàn)，單階次調(diào)整獨(dú)自做變化時，只是對聲音進(jìn)行放大或者衰減，不能實(shí)現(xiàn)在某一轉(zhuǎn)速段內(nèi)對聲音的變化，沒有辦法消除特定的峰值或者谷值，且單階次變化對聲品質(zhì)影響不大；而混合階次的相互配比可以克服這些不足，能量通過在2階、4階、6階、8階之間的合理分配，使特定轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)速段內(nèi)的階次曲線升高或者降低，以使轉(zhuǎn)速在1 000～5 500 r/min內(nèi)的聲音具有很好的連續(xù)性和加速感。

2.2.2聲音調(diào)制方案試聽

采用聲音調(diào)制窮舉方案，在LMS軟件中對各階次進(jìn)行調(diào)整、試聽，導(dǎo)出24組聲音文件樣本，每個轉(zhuǎn)速段下選取8組，所有的聲音文件樣本組成聲音樣本庫。導(dǎo)出的聲音文件采用標(biāo)記的方法命名，即通過文件名不能識別出該聲音文件的特征，導(dǎo)出聲音文件時，對每組調(diào)整前和調(diào)整后的聲音文件進(jìn)行試聽，記錄其特征。

將聲音文件樣本庫分發(fā)給多人，分別進(jìn)行試聽，選出較優(yōu)聲音并運(yùn)用聽覺屬性描述詞(如表2所示)對其進(jìn)行主觀表述。試聽者為該專業(yè)研究生和本科生，共計10人，皆具有良好的專業(yè)理論知識；每人分別試聽，依次比較每組原始聲音和調(diào)制后的聲音，選取出對比較明顯且無明顯惡化聲音；每組中原始聲音和調(diào)制后聲音的播放間隔不超過2 s，每個聲音文件樣本播放時長為10 s。匯總每人選取出的聲音，對于某一轉(zhuǎn)速段內(nèi)選取超過一半聲音樣本的試聽者，可以認(rèn)為其在該轉(zhuǎn)速段內(nèi)對階次聲音無明顯辨別傾向，視為該轉(zhuǎn)速段內(nèi)選取的聲音樣本無效，予以剔除，共計匯總8份有效子樣本庫。

表2　汽車噪聲聽覺屬性描述詞

2.2.3結(jié)果分析

結(jié)合試聽結(jié)果和聲音樣本曲線可知：①當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 500～3 000 r/min范圍內(nèi)，4階對聲音的特點(diǎn)起作用，當(dāng)4階接近2階時，聲音比較合適且具有加速感；2階的下降對聲品質(zhì)無明顯影響。②當(dāng)轉(zhuǎn)速在3 000～4 000 r/min范圍內(nèi)，4階和6階上升至接近2階，兩者對聲品質(zhì)都有影響；相對而言，單獨(dú)上升6階效果較好。③當(dāng)轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min范圍內(nèi)，將4階和6階上升至接近2階時，聲音有明顯變化，此時不對2階做任何改變，對聲音的優(yōu)化無明顯影響；單獨(dú)上升6階至接近2階與同時上升4階、6階效果相近，8階對聲品質(zhì)影響不大。

通過對原車聲音數(shù)據(jù)的調(diào)制和分析，探索了階次構(gòu)成對于聲音的影響關(guān)系，并以此為依據(jù)進(jìn)行排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，共提出如表3所示的5個優(yōu)化方案：從階次曲線看出，方案一總聲壓級相對

表3　優(yōu)化方案簡介

于原方案有所降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min和轉(zhuǎn)速為1 900 r/min時，4階均有峰值；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時，6階有峰值，因?yàn)榉逯档拇嬖谑沟密囕v在加速過程造成加速不平穩(wěn)；方案二中4階、6階、8階階次曲線波動較大，2階階次曲線明顯低于4階、6階、8階，聲音聽起來動感不足；方案三中，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 500～2 500 r/min內(nèi)，4階和6階形成接力，保持了聲音良好的加速感，中高轉(zhuǎn)速下各階次曲線線性度較好，隨轉(zhuǎn)速增加聲音強(qiáng)勁有力；方案四4階階次曲線1 200 r/min左右聲壓值較低，整個轉(zhuǎn)速段內(nèi)4階、6階、8階階次曲線線性度較差，加速過程聲音特征不夠明顯；方案五中4階、6階、8階階次曲線在1 200～2 400 r/min存在較多的谷值和峰值，加速初始時聲音不夠連貫，有波動。

3優(yōu)化后方案的聲品質(zhì)分析

運(yùn)用上述試聽方法試聽排氣系統(tǒng)優(yōu)化后測試得到的聲音，聲音樣本由本科生、研究生、博士生、老師及相關(guān)工程師進(jìn)行試聽，運(yùn)用主觀評價方法選出人耳感覺較為理想的聲音方案。

綜合所有試聽者的結(jié)果，5組新設(shè)計的方案中得出方案三優(yōu)化效果較好，因此聲品質(zhì)分析主要是針對方案三進(jìn)行，并以原方案、方案二和方案四作為比較對象。分析過程運(yùn)用LMS Test.Lab/Post Processing模塊進(jìn)行。

3.1響度

圖3　各方案不同轉(zhuǎn)速下的響度曲線

圖3所示為原方案、方案二、方案三和方案四的響度曲線。從圖3可看出，方案三整個測試轉(zhuǎn)速段內(nèi)響度雖然大于原方案，但變化范圍在1～5 sone之間，由人耳的響度感覺程度得知，當(dāng)總響度值低于25 sone 時，人的主觀感覺是適中；當(dāng)響度值達(dá)到50 sone時，人會感覺煩躁。優(yōu)化后的方案三響度在40～50 dB之間，人耳感覺比較舒適且聲品質(zhì)變好，有明顯的加速動感；方案二和方案四在3 900 r/min以上響度比原方案小1 sone。從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面考慮，是由于方案二和方案四使用同一個后置消聲器造成的，從主觀評價的角度，方案三聲品質(zhì)優(yōu)于方案二和方案四。

3.2尖銳度

圖4所示為各方案不同轉(zhuǎn)速下的尖銳度曲線，從圖4可以看出，方案二和方案四尖銳度均大于原方案，3 000 r/min時方案四比原方案大2 dB；方案三在1 000～5 000 r/min內(nèi)尖銳度均小于原方案，聲音較為柔和悅耳。因?yàn)榧怃J度越高聲音越刺耳，人們對聲音的感覺越煩惱，聲品質(zhì)也越差，故方案二和方案四主觀評價結(jié)果相對于方案三不夠理想，客觀評價與主觀評價結(jié)論一致。

圖4　各方案不同轉(zhuǎn)速下的尖銳度曲線

3.3粗糙度

圖5所示為各方案不同轉(zhuǎn)速下的粗糙度曲線，從圖5可以看出隨著轉(zhuǎn)速的增加，各方案粗糙度逐漸降低，方案三粗糙度在2 500 r/min以后與原方案相接近，波動較小。方案二和方案四在4 000 r/min以上粗糙度波動才趨于平穩(wěn)。

4結(jié)論

對試驗(yàn)車輛進(jìn)行現(xiàn)場路面測試，使用LMS Test.Lab軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對聲音方案進(jìn)行主觀評價，并運(yùn)用客觀響度、尖銳度、粗糙度3個聲品質(zhì)客觀評價的參量分析了優(yōu)化后方案的變化規(guī)律。得出如下結(jié)論：

圖5　各方案不同轉(zhuǎn)速下的粗糙度曲線

(1)在原數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過對聲音階次和頻率做變化對比分析與原聲音的差別，在大量多次試驗(yàn)調(diào)整的基礎(chǔ)上得到優(yōu)質(zhì)、有加速感的聲音，并對所調(diào)制出來的聲音進(jìn)行主客觀評價，探索了階次和頻率對于聲音的影響。同時，經(jīng)過試驗(yàn)探究得出不同轉(zhuǎn)速段下不同階次配比對聲品質(zhì)的影響明顯不同，可以通過改變原車排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，達(dá)到優(yōu)化原車排氣噪聲聲品質(zhì)的目的。

(2)通過對有優(yōu)化方案的主客觀評價和對比分析，證明在研究所得規(guī)律的基礎(chǔ)上通過改變排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方案有效可行，并運(yùn)用客觀評價參量對主觀評價結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，兩者結(jié)論一致。

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LIU Zhien:Assoc. Prof.; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

文章編號：2095-3852(2016)02-0248-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-11-18.

作者簡介：劉志恩(1977-)，男，湖北荊門人，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院副教授；博士.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(5157052104).

中圖分類號：U464.1

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.02.024

Design and Evaluation of Sound Quality Optimization Scheme for Vehicle Exhaust Noise

LIUZhien,CUIBojian,ZHANGQingkai

Abstract：With the development of automobile technology, the sound quality has become an important indicator for evaluating the performance of vehicles. The gasoline engine which is equipped with some models is the research object, using the test method to collect the vehicle idling, acceleration of the process of sound data, using correlation software to modulate and analyze the data, studies the influence of order and frequency on the sound quality, and provides the basis for the optimization of the exhaust noise. And the optimized scheme for subjective evaluation of sound scheme for better selection and the loudness, sharpness, roughness and objective evaluation parameters are analyzed and verified.The results indicate that the design scheme optimization effect is ideal.

Key words：exhaust noise; sound quality; subjective and objective evaluation