申 超，彭宇明，楊明亮，宋 睿，劉希鑫

（1.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 600031；2.中國汽車技術(shù)研究中心 汽車工程研究院，天津 300300）

基于臺架試驗的汽車座椅異響評價方法探究

申 超1，彭宇明1，楊明亮1，宋 睿2，劉希鑫2

（1.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 600031；2.中國汽車技術(shù)研究中心 汽車工程研究院，天津 300300）

為了判斷特定的零部件是否存在異響，目前主要通過臺架試驗進行主觀評價。針對主觀評價過度依靠有經(jīng)驗的人員且一致性較差的問題，首先詳細地介紹座椅異響試驗時載荷譜的采集和處理方法，然后對座椅異響評價方法進行探究，通過對主觀評價結(jié)果和聲學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，總結(jié)出可反映主觀評價結(jié)果的客觀聲學(xué)參數(shù)。該方法貼近工程實踐且能將異響問題識別出來。

聲學(xué)；NVH；評價方法；載荷譜；座椅異響；心理聲學(xué)

汽車噪聲可以分為兩類：持續(xù)型噪聲和間歇型噪聲。持續(xù)型噪聲在車輛正常工作條件下會持續(xù)產(chǎn)生，例如發(fā)動機噪聲、胎噪和風(fēng)噪等。這些噪聲會讓用戶感到不適，應(yīng)首先消除[1]。隨著汽車品質(zhì)的不斷提高，這類噪聲已被不斷減小，間歇型噪聲包括Buzz、Squeak和Rattle即BSR（異響）問題變得更加明顯，異響問題亟需消除，這樣才能繼續(xù)改善車輛品質(zhì)。異響現(xiàn)象會發(fā)生在汽車內(nèi)任何兩個有相對運動的表面上，其中儀表板、車門和座椅是汽車最容易產(chǎn)生異響的幾個部件，占異響問題的百分之五十以上。產(chǎn)生異響的主要原因有尺寸公差、裝配精度、接觸材料的兼容性、結(jié)構(gòu)設(shè)計、各種溫度和濕度環(huán)境條件以及產(chǎn)品質(zhì)量等[2]。汽車企業(yè)常要求座椅供應(yīng)商的產(chǎn)品有較好的抗異響性能，但目前的測試標(biāo)準(zhǔn)不明確，供應(yīng)商并不知道他們的產(chǎn)品是否達到了客戶的標(biāo)準(zhǔn)，因此需要明確試驗方法并選取合適的評價指標(biāo)以更好地描述產(chǎn)品的異響問題。

近年來主要用主觀評價和頻譜分析等方法對異響問題進行分析。Kumar等在對座椅異響問題的研究中，利用小波分析對Squeak現(xiàn)象進行了鑒別和診斷[3]，該方法可較好地將異響現(xiàn)象鑒別出來，但不適合作為評價標(biāo)準(zhǔn)；高印寒等針對某車型車內(nèi)異響引入聲品質(zhì)客觀心理聲學(xué)參數(shù)對車內(nèi)異響進行了識別[4]；在上述研究基礎(chǔ)上，作者提取出了座椅異響試驗通用載荷譜并提出一種基于座椅異響問題點分類的主客觀評價方法，以主觀評價為基礎(chǔ)，用客觀評價方法對異響的聽覺特性定量描述。該方法更貼近工程實踐且能高效的將異響問題識別出來。

1 座椅異響問題

常見的汽車座椅主要由頭枕、靠背骨架、泡沫、面套、調(diào)角器、座墊和滑軌等組成。如圖1所示。

圖1 座椅結(jié)構(gòu)組成

座椅異響按發(fā)生部位可分為頭枕異響、靠背異響、坐墊異響、調(diào)角器異響等。文中以頭枕處異響為例進行主客觀評價試驗。

座椅頭枕異響一般出現(xiàn)在汽車行駛在顛簸路面上，主要原因是頭枕導(dǎo)套內(nèi)徑與頭枕導(dǎo)桿外徑配合有間隙，在顛簸路面時頭枕晃動導(dǎo)致頭枕導(dǎo)桿與頭枕桿鎖片相碰，產(chǎn)生撞擊異響。

2 座椅異響試驗載荷譜采集和處理

2.1 載荷譜的選取

汽車零部件S&R評價試驗選擇合適的激勵很重要。如果激勵過大，那么該部件會被過度設(shè)計，這會增加成本；若激勵過小，一些潛在問題和缺陷會在試驗過程中被忽視，會導(dǎo)致后期發(fā)生異響現(xiàn)象。另外一個問題是激勵的頻率成分是否正確，即使所用激勵信號振幅足夠，但如果激勵信號中所包含的頻率成分不正確，測試效果仍然不理想。因為某些問題會對某種特定的頻率成分較敏感，若缺失這部份頻率成分，某些動態(tài)問題不能被完全激發(fā)出來[5]。

激勵文件主要有時間歷程振動信號和隨機振動信號兩種。時間歷程信號的優(yōu)點是可以較好地復(fù)現(xiàn)任何路面的振動情況。而隨機振動是用功率譜密度(PSD Power Spectral Density)來模擬真實的隨機振動的。隨機振動會產(chǎn)生一種綜合不同頻率成分和振動等級的寬頻振動，可以代表真實路面的振動情況[6]?？梢院唵蔚貙㈦S機振動理解為許多正弦信號同時發(fā)生，那么每個曲線峰值代表了這條曲線窄頻段的振動能量。利用功率譜作為驅(qū)動文件的好處是：

(1)可以將不同的測試條件綜合為一種輸入；

(2)可以單次激勵所有頻段；

(3)生成的信號雖為高斯信號，但可以較好地模擬實際中的非高斯振動；

(4)隨機振動輸入方式更簡單，只有十幾組數(shù)據(jù)。因此本文的試驗中使用PSD譜作為激勵文件。

2.2 路譜的采集

路試時需將激勵信號采集回來，以座椅為例，將三向振動傳感器布置于座椅前安裝點處進行路試。傳感器位置及采集的時域信號如圖2與圖3所示。

圖2 傳感器位置示意圖

為了將路面信息采集完整，路試過程中往往是在進入實際路面前就已經(jīng)開始測試，駛出路面后才會結(jié)束測試。因此，在進行數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)將前后多出的平滑路面部分去除。如圖3所示。

圖3 采集時域信號示意圖

實驗室內(nèi)的S&R試驗常常將頻譜中低頻部份忽略掉，最常見的起始頻率是7 Hz或8 Hz，原因是低頻部分的振動并不會引起異響問題，反而會引起較大位移，對試驗設(shè)備造成不必要的損壞。另外，異響測試最高頻率在100 Hz左右。這樣選取出了圖3所示兩條豎線的中間部份。

2.3 路面的選擇及路譜的處理

不同的測試路面可激發(fā)出車輛不同部件的異響問題。例如比利時路、鵝卵石路和粗糙瀝青路等可引起內(nèi)飾件的異響問題，扭曲路可引起車身、副車架等部件的異響問題等。這里針對座椅異響的產(chǎn)生機理，選擇了比利時路、鵝卵石路和粗糙瀝青路三條路面作為激勵路面，如圖4。

圖4 試驗路面示意圖

對幾款同類車采集的載荷譜進行分析和對比，發(fā)現(xiàn)激勵的頻率主要集中在10 Hz～100 Hz，幾款車在同一路面的載荷譜有相似的頻率范圍，雖幅值大小存在差異，但存在一定的規(guī)律性。PSD譜有將不同載荷譜結(jié)合的優(yōu)勢，所以這里針對同一路面，采用不同車型進行載荷譜數(shù)據(jù)采集，然后用取包絡(luò)線的方法生成座椅異響試驗通用載荷譜。

圖5、圖6、圖7分別為三種典型路面的載荷譜。三種不同路面的信號特征差異較大，若將三條路譜合成一條可能不會產(chǎn)生好的測試結(jié)果，因此采用三條路面分別作為測試路面進行試驗。

圖5 比利時路載荷譜

圖6 鵝卵石路載荷譜

圖7 粗糙瀝青路載荷譜

經(jīng)主觀評價試驗驗證后發(fā)現(xiàn)，使用三條典型路面通用載荷譜可將幾款座椅的異響問題激發(fā)出來，并且和實車狀態(tài)下在實際路面的異響問題有較好的一致性，證明了載荷譜的有效性。

3 座椅異響評價方法

3.1 噪聲樣本采集

異響試驗采集布置情況如圖6。將座椅固定在與試驗臺面連接的工裝上，要求安裝方式與實車一致。在距離規(guī)定的8個測點位置150 mm處布置頻率響應(yīng)范圍在3.15 Hz～20 kHz，動態(tài)范圍在15 dB～146 dB的聲壓傳感器，測試前聲壓傳感器采用1 000 Hz、94 dB的純音標(biāo)定。八個聲壓傳感器按布點位置可分別反應(yīng)頭枕異響、靠背異響、坐墊異響、導(dǎo)軌異響等問題。此處以頭枕處聲壓傳感器所采集的數(shù)據(jù)為例，對幾款座椅的頭枕異響問題進行研究。

圖8 異響試驗聲信號采集設(shè)置

3.2 主觀評價方法及結(jié)果

常用的主觀評價方法主要有等級評分法、成對比較法、排序法和語義細分法。成對比較法和排序法適合無經(jīng)驗的評價者，并且數(shù)據(jù)相關(guān)分析常包含多種變量，要獲得精確的多重回歸分析系數(shù)，要求評價人數(shù)較多。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗和為了提高實際工程中的工作效率，文中評價方法采取了等級評分法。等級評分法是將聲音信號按某一屬性劃分位若干等級，每個等級中又包含不同的分值，試驗中評價者根據(jù)各自的主觀感知程度給出對應(yīng)的評價分值，最后對全部評分取算術(shù)平均分[7]。該方法的主要缺點是對評價人員要求較高，同時需將評分范圍明確劃分，作為評價者評分時的參照。

因等級評分法自由度較大，為保證有意義的評價結(jié)果，評價人員選取了五名長期從事異響開發(fā)工作的工程師。同時制定評分標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 主觀評分標(biāo)準(zhǔn)

將異響程度劃分為四個等級、七種評分。評價人員需對異響發(fā)生部位和類型進行描述，并按評分規(guī)則對不同位置的異響問題進行評分。

3.3 客觀參數(shù)的選取和計算方法

3.3.1 傳統(tǒng)聲學(xué)參數(shù)的選取

A計權(quán)聲壓級是對噪聲的評價的主要指標(biāo)。計權(quán)聲級的提出是為了模擬人對噪聲的響度感覺和頻率的關(guān)系，其設(shè)計是根據(jù)對人進行純音響度反應(yīng)試驗結(jié)果得出的。A計權(quán)是為了反映人對噪聲的感覺，從等響曲線中選取了40方曲線的倒置來模擬人耳對噪聲的主觀感受。下文計算了所采集聲音信號的A計權(quán)聲壓級并與主觀評分結(jié)果進行相關(guān)性分析。

3.3.2 客觀心理聲學(xué)參數(shù)的選取

雖主觀評價反應(yīng)了人對聲音的真實感受，但主觀評價一致性和可重復(fù)性較差，不能在工程中方便應(yīng)用。為了克服主觀評價的缺點，出現(xiàn)了聲品質(zhì)客觀評價方法。目前，有一系列合適描述人對聲音主觀感受的物理參量，如：響度（Loudness）、粗糙度（Roughness）、尖銳度（Sharpness）、抖動度（Fluctuation）等[7]。

3.3.3 響度

響度是對聲品質(zhì)評價中最常用的心理聲學(xué)參數(shù)。異響測試中聲音是隨著時間變化的，因此它們的響度也是隨著時間變化的。為了計算出這種隨時間變化的響度，可按照ISO532B的方法進行計算，然后多次重復(fù)這一過程并得出累計結(jié)果即可。但這一方法沒有考慮非同時掩蔽效應(yīng)，平均響度不能很好地估算隨時間變化的聲音的總響度[8]。因此，常采用整個時間段中超過10%的統(tǒng)計響度（N10）來預(yù)估對異響聲音的主觀感知。

3.3.4 粗糙度

粗糙度是描述人對聲音信號順勢變化的感覺，與調(diào)制頻率、調(diào)制比和中心頻率等有關(guān)。為定量描述粗糙度，需要規(guī)定粗糙度的參考值。粗糙度的單位是asper，并規(guī)定用調(diào)制比為1的聲壓級為60 dB的1 kHz幅值調(diào)制純音在調(diào)制頻率為70 Hz時的粗糙度為1 asper。

目前粗糙度沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，存在好幾種粗糙度算法，如Aures方法和Fastl方法等。這些方法的主要不同在于用何種途徑把特征頻帶包絡(luò)變化為粗糙度。這里采用了Aures方法，該方法先利用幾個特征頻帶激勵的包絡(luò)算得有效調(diào)制指數(shù)，然后用有效調(diào)制指數(shù)計算粗糙度譜密度，總粗糙度由粗糙度譜密度對特征頻帶求和求出。該算法計算精度較高，適用范圍廣。

3.3.5 尖銳度

尖銳度是描述高頻成分在聲音頻譜中所占的比例參數(shù)，它反映了聲音的刺耳程度。由于人耳對高頻聲音比較敏感，因此尖銳度能較好體現(xiàn)人耳對聲音感覺的舒適度，尖銳度值越高，給人的感覺就越刺耳。尖銳度的單位是acum，規(guī)定中心頻率為1 kHz、帶寬為160 Hz的60 dB窄帶噪聲的尖銳度為1 acum。噪聲信號的頻譜成分和窄帶噪聲的中心頻率是影響尖銳度最重要的兩個因素。

目前尖銳度的計算還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般采用對響度譜加權(quán)積分的方式來計算。

3.3.6 抖動度

抖動度是人耳對低頻聲音的感知強度，用于描述人耳對緩慢移動調(diào)制聲音的感受程度，適用于評價20 Hz以低頻調(diào)制的聲信號，它反映了人耳主觀感受到聲音的響亮起伏程度[9]。抖動度的單位是vacil，規(guī)定聲壓級為60 dB的1 kHz純音經(jīng)100%調(diào)制、4 Hz頻率調(diào)制時的抖動度為1 vacil。

抖動度目前也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文計算采用了Zwicker和Fastl提出的音調(diào)抖動度計算模型。

3.4 主觀評價結(jié)果和客觀參數(shù)的關(guān)系

在獲得了有效的主觀評價結(jié)果后，計算出各組聲音信號的A計權(quán)聲壓級與各心理聲學(xué)參數(shù)值。經(jīng)計算后得到六種座椅在三種路面下的共18組參數(shù)值如表2所示。

為證明客觀評價方法的有效性，對計算出的A計權(quán)聲壓級和心理聲學(xué)參數(shù)值與主觀評價得分做相關(guān)性分析，應(yīng)用SPSS（Statistical Product and Service Solution）統(tǒng)計軟件分別計算A計權(quán)聲壓級、響度、粗糙度、尖銳度和抖動度五個聲學(xué)參數(shù)與主觀評價得分的相關(guān)系數(shù)值，結(jié)果見表3。這里因為計算得到的參量不服從雙變量正態(tài)分布，因此不采用積差相關(guān)系數(shù)（Pearson）來表征相關(guān)性。這里采用Spearman等級相關(guān)系數(shù)來進行相關(guān)分析。它是利用量變量秩次大小做線性相關(guān)分析，應(yīng)用范圍比積差相關(guān)分析更為廣泛，其基本公式如下

式中D是每對變量等級之差；n是兩列變量值的對數(shù)；rR是等級相關(guān)系數(shù)。

從相關(guān)性計算結(jié)果來看，響度、粗糙度和尖銳度三個心理聲學(xué)參數(shù)均與主觀評價得分有較好的相關(guān)性，而A計權(quán)聲壓級和抖動度與主觀評分相關(guān)性較差。這是因為A計權(quán)聲壓級在各頻率上的計權(quán)因子是固定的，計權(quán)以后將各個頻率的聲級值疊加計算出A計權(quán)聲壓級。因此，對頻譜形狀不同的聲音，可能具有相同的A計權(quán)聲壓級，對于A計權(quán)聲壓級相等但頻譜形狀不同的噪聲，人們的主觀感受可能不一樣。所以對于異響這樣的間歇性噪聲，用聲壓級進行評價和主觀感受存在偏差是難以避免的。而抖動度是人耳對低頻聲音的感知強度，用于描述人耳對緩慢移動調(diào)制聲音的感受程度[9]，因此在異響評價中與主觀感受相關(guān)性不大。

表2 六款座椅主觀評分及客觀心理聲學(xué)參數(shù)值

表3 心理聲學(xué)參數(shù)與主觀評分相關(guān)系數(shù)值

為全面反映主觀感受，這里選取了響度、粗糙度和尖銳度三個參數(shù)作為評價指標(biāo)。圖9至圖13是各聲學(xué)參數(shù)與主觀評價得分的相關(guān)性散點圖。通過所計算的相關(guān)系數(shù)結(jié)果來看，響度與主觀評分的相關(guān)性系數(shù)絕對值大于0.9，粗糙度與尖銳度與主觀評分的相關(guān)性絕對值也都大于0.8，與主觀評分具有顯著的相關(guān)性。三個參數(shù)與主觀評分結(jié)果呈負(fù)相關(guān)，而評分越高代表異響程度越嚴(yán)重，說明三個心理聲學(xué)參數(shù)值與異響嚴(yán)重程度成正相關(guān)，即異響越嚴(yán)重，各心理聲學(xué)參數(shù)值越高。

4 結(jié)語

圖9 A聲級與主觀評分相關(guān)性散點圖

（1）所提取的通用載荷譜可將座椅異響問題激發(fā)出來，經(jīng)主觀評價試驗驗證與實車路試時的異響問題有較好的一致性，可用于小型車的座椅異響評價試驗。

（2）盡管在傳統(tǒng)的噪聲測量中A計權(quán)聲壓級被廣泛應(yīng)用，但A計權(quán)聲壓級無法有效地將異響問題識別出來，難以反映異響給人造成的聽覺感受差別。

（3）響度、粗糙度和尖銳度三種心理聲學(xué)客觀參數(shù)和主觀評價結(jié)果有較好的相關(guān)性，可以定量地反映出人對異響的聽覺感受。在實際工程中，可以應(yīng)用這三個客觀參數(shù)實現(xiàn)對異響的評估。

圖10 響度與主觀評分相關(guān)性散點圖

圖11 粗糙度與主觀評分相關(guān)性散點圖

圖12 尖銳度與主觀評分相關(guān)性散點圖

圖13 抖動度與主觀評分相關(guān)性散點圖

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Research on the S&R Evaluation Method ofAutomobile Seats Based on the BSR Tests

SHEN Chao1,PENG Yu-ming1,YANG Ming-liang1,SONG Rui2,LIU Xi-xin2
(1.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 600031,China; 2.Automotive Engineering Research Institute,ChinaAutomotive Technology and Research Center, Tianjin 300300,China)

In order to determine whether the specific parts have BSR phenomena,a squeak and rattle shaker system is employed for the subjective evaluation of the BSR tests.Since subjective evaluation has the disadvantage that it depends greatly on evaluator’s experiences and is less identical,some other efficient and accurate methods for S&R evaluation need to be developed.In this paper,the collection and processing methods of the load spectra in the seat S&R test are described in detail.Then,the method of S&R evaluation of the seat noise is discussed.Through the regressive analysis of the subjective evaluation results and the acoustic parameters data,the objective acoustic parameters which can reflect the subjective evaluation results are summarized.The method is practical in engineering and can effectively identify the BSR.

acoustics;NVH;evaluation method;load spectrum;seat S&R;psychoacoustics

TK417+.125；U467

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.020

1006-1355(2017)03-0101-06

2017-01-13

2016年中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費理工類科技創(chuàng)新資助項目（2682016CX032）2015年四川省科技計劃資助項目（2015GZ0126）

申超（1992－），男，山西省長治市人，碩士生，主要研究方向為汽車噪聲與振動。

楊明亮，男，四川省資陽市人，博士，工程師。E-mail:13880648896@163.com