孫登科，張 鵬，王 碩，魏 源，張 強(qiáng)，趙晨鴻

基于響度的汽車(chē)聲品質(zhì)評(píng)價(jià)

孫登科，張 鵬，王 碩，魏 源，張 強(qiáng)，趙晨鴻

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

隨著對(duì)汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲評(píng)價(jià)的深入研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)上只用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)有很多不足，不能反映人們對(duì)噪聲的主觀感受。文章對(duì)人耳生理基礎(chǔ)及心理聲學(xué)進(jìn)行了研究，引入了響度這一心理聲學(xué)客觀參量對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)響度計(jì)算方法進(jìn)行了研究，建立了Zwicker響度計(jì)算模型，并用Matlab實(shí)現(xiàn)了其計(jì)算。選取一段純電動(dòng)汽車(chē)在加速工況下的聲音樣本進(jìn)行計(jì)算并與Head Artemis軟件計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差很小，證明了程序的正確性。

響度；評(píng)價(jià)模型；心理聲學(xué)；噪聲

前言

隨著人們對(duì)汽車(chē)的乘坐體驗(yàn)要求越來(lái)越高，汽車(chē)的聲品質(zhì)很大程度上決定了汽車(chē)品牌的好壞以及銷(xiāo)量的高低。傳統(tǒng)客觀評(píng)價(jià)是用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，不能反映人的主觀感受，而主觀評(píng)價(jià)又耗時(shí)耗力。因此，開(kāi)發(fā)出能反映人的主觀感受的客觀評(píng)價(jià)模型至關(guān)重要[1]。

1 人耳生理基礎(chǔ)及心理聲學(xué)

1.1 人耳的生理基礎(chǔ)

要使車(chē)內(nèi)噪聲的客觀評(píng)價(jià)考慮到人的主觀感受，首先要研究人耳的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)，進(jìn)而模擬出符合人耳聽(tīng)覺(jué)特性的評(píng)價(jià)模型。人耳結(jié)構(gòu)非常獨(dú)特且復(fù)雜，主要包括聽(tīng)覺(jué)外周系統(tǒng)和聽(tīng)覺(jué)中樞系統(tǒng)。其中聽(tīng)覺(jué)外周系統(tǒng)又包括外耳、中耳、內(nèi)耳以及聽(tīng)神經(jīng)[2]。人耳的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)

其中外耳的主要作用是收集聲音以及進(jìn)行聲源定位。外耳對(duì)不同的聲音有不同的濾波方式，不同頻率的聲音傳到鼓膜處的聲壓級(jí)增益也不同。對(duì)某些特定波長(zhǎng)的聲音還會(huì)產(chǎn)生共振作用進(jìn)而在鼓膜處就會(huì)提高其對(duì)應(yīng)的頻率成分的聲壓。中耳主要有三塊中耳小骨和鼓膜組成。中耳對(duì)收集進(jìn)來(lái)的聲音通過(guò)小骨和鼓膜一系列的運(yùn)動(dòng)和作用傳至內(nèi)耳，其主要作用相當(dāng)于傳聲裝置。另外，中耳的傳輸特點(diǎn)等同于高通濾波器，對(duì)人耳的低頻聽(tīng)閾有著主要影響。內(nèi)耳是外周系統(tǒng)最重要的一部分，由前庭、耳蝸和半規(guī)管構(gòu)成。內(nèi)耳的主要作用相當(dāng)于聽(tīng)覺(jué)感受器及頻譜分析儀，傳到這里的聲信號(hào)可以按照頻帶進(jìn)行分解。聽(tīng)覺(jué)中樞的主要作用是對(duì)聲音信號(hào)做處理，最后傳至大腦形成聽(tīng)覺(jué)。本研究中響度模型的各部分主要就是模擬以上聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的各部分處理過(guò)程，因此掌握聽(tīng)覺(jué)生理基礎(chǔ)對(duì)本研究是至關(guān)重要的。

1.2 心理聲學(xué)基本概念

心理聲學(xué)研究人的主觀感受與聲學(xué)物理量之間的關(guān)系，在建立反映人的主觀感受的響度模型之前，掌握心理聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)是非常重要的。

1.2.1臨界頻帶和Bark尺度

人類(lèi)的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)具有對(duì)復(fù)合音頻率分辨的能力，這種功能被稱(chēng)為頻率選擇性。例如，對(duì)于兩個(gè)頻率不同的單音，只要它們的頻率相差足夠大，人耳就可以聽(tīng)到不同的單音。人們用聽(tīng)覺(jué)特征頻帶來(lái)描述人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的這種特性。內(nèi)耳結(jié)構(gòu)中的耳蝸有對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行濾波的功能，經(jīng)濾波后的聲音信號(hào)進(jìn)行頻率分析，分離出聲音的正弦成分，當(dāng)頻率相差足夠大時(shí)，可以在聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)中被單獨(dú)地編碼，在聽(tīng)覺(jué)中樞中被重新組合。所以人耳具有頻率分辨性這種能力和人耳耳蝸的濾波功能密切相關(guān)。人們通常用臨界頻帶和Bark尺度來(lái)表示人耳的這種頻率選擇性。

將人耳可聽(tīng)到的聲音的頻率范圍即20 Hz～16 kHz劃分為24個(gè)特征頻帶，也稱(chēng)為臨界頻帶，如表1所示。每個(gè)臨界頻帶為1Bark，Bark尺度作為以特征頻帶為基礎(chǔ)的頻率尺度得以形成。Bark尺度可以更準(zhǔn)確反映人耳對(duì)聲音信號(hào)的主觀感受，因?yàn)锽ark尺度與人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)基底膜長(zhǎng)度成線性關(guān)系。

表1 特征頻帶劃分表

Bark尺度中心頻率/Hz上下頻限/Hz帶寬/HzBark尺度中心頻率/Hz上下頻限/Hz帶寬/Hz 15020～10080131 8501 720～2 000280 2150100～200100142 1502 000～2 320320 3250200～300100152 5002 320～2 700380 4350300～400100162 9002 700～3 150450 5450400～510110173 4003 150～3 700550 6570510～630120184 0003 700～4 400700 7700630～770140194 8004 400～5 300900 8840770～920150205 8005 300～6 4001 100 91 000920～1 080160217 0006 400～7 7001 300 101 1701 080～1 270190228 5007 700～9 5001 800 111 3701 270～1 4802102310 5009 500～12 0002 500 121 6001 480～1 7202402413 50012 000～15 5003 500

1.2.2聽(tīng)閾與痛閾

人耳只能聽(tīng)到特定頻率范圍內(nèi)的聲音，在正常情況下人耳可以聽(tīng)到的最低頻率為20 Hz、最高頻率為20 kHz的聲音信號(hào)。人耳對(duì)不同聲音的敏感度不同，我們用聽(tīng)閾和痛閾來(lái)表示人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的這種特性。人耳的可聽(tīng)范圍如圖2所示。

圖2 人耳的可聽(tīng)范圍

從圖2中可以看出，人耳對(duì)3 kHz～6 kHz頻率段的聲音最為敏感。人耳在中頻段的感知能力最強(qiáng)，高于低頻段和高頻段。聽(tīng)閾是指人耳剛能聽(tīng)到的聲音強(qiáng)度，表示人耳聽(tīng)聲音能力的大小。痛閾是指隨著聲音刺激強(qiáng)度的增加剛能引起人耳不適或疼痛的最小刺激量。

1.2.3掩蔽效應(yīng)

聲音的掩蔽效應(yīng)指的是較強(qiáng)的聲音的聽(tīng)覺(jué)感受會(huì)抑制較弱的聲音的現(xiàn)象。掩蔽音是指具有較大響度而抑制了其他較弱的聲音信號(hào)，被掩蔽的聲音信號(hào)稱(chēng)為被掩蔽音。掩蔽效應(yīng)包括時(shí)域掩蔽和頻域掩蔽，頻域掩蔽效應(yīng)要大于時(shí)域掩蔽。高頻音對(duì)低頻音的掩蔽作用要顯著小于低頻音對(duì)高頻音的掩蔽作用[3]。掩蔽效應(yīng)對(duì)我們研究汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲是非常關(guān)鍵的，本研究建立的響度模型充分考慮到了聲音的掩蔽效應(yīng)。

2 響度計(jì)算方法介紹

響度是用來(lái)表示聲音強(qiáng)弱的物理量，也是心理聲學(xué)最重要的參量，反映了人耳對(duì)聲音的主觀感受[4]。心理聲學(xué)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在響度計(jì)算方面也日趨成熟，計(jì)算程序也逐漸標(biāo)準(zhǔn)化?？紤]到人耳的生理特征，其不同的響度計(jì)算方法的流程基本相同，只是在一些聲學(xué)概念的定義有些不同。本研究通過(guò)對(duì)比Stevens和Zwicker響度模型算法，選擇更適合汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲評(píng)價(jià)的Zwicker算法模型來(lái)計(jì)算響度[5]。

2.1 Stevens響度模型算法

Stevens響度計(jì)算方法相對(duì)于之前的算法的優(yōu)點(diǎn)在于它可以通過(guò)一系列公式求解獲得評(píng)價(jià)主觀感受的參數(shù)，不用進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)力的主觀測(cè)試。Stevens方法計(jì)算響度的流程為首先通過(guò)對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行濾波，計(jì)算其頻帶聲壓級(jí)，然后結(jié)合等響指數(shù)曲線，確定每個(gè)頻帶對(duì)應(yīng)的像度指數(shù)，然后利用公式計(jì)算總響度即響度級(jí)。

2.2 Zwicker響度模型算法

與Stevens模型相比，Zwicker響度模型充分考慮了人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的生理特征，提出了激勵(lì)級(jí)的概念，模擬了人耳處理聲音的過(guò)程，使心理聲學(xué)往前邁進(jìn)了一大步。Zwicker響度模型計(jì)算流程為：首先進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，用快速傅里葉（FFT）將聲音信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)到頻域；濾波方式采用1/3倍頻程來(lái)代替24個(gè)臨界頻帶然后合并低頻頻帶聲壓級(jí)；然后考慮到人耳的濾波特性，引入外中耳傳遞因子來(lái)模擬這種特性；計(jì)算特征響度，加入斜坡響度來(lái)模擬掩蔽效應(yīng)；最后計(jì)算總響度[6]。

3 Zwicker響度模型步驟及編程

Zwicker提出的響度等級(jí)的計(jì)算方法在ISO 532中得到了標(biāo)準(zhǔn)化，但根據(jù)這個(gè)程序計(jì)算比較繁瑣，其中德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 45631對(duì)此進(jìn)行了修改，本文根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)響度模型計(jì)算響度，計(jì)算響度的流程如圖3所示。

圖3 計(jì)算響度流程圖

將根據(jù)圖3所示流程進(jìn)行1/3倍頻程濾波器組的設(shè)計(jì)、1/3倍頻程合并和修正以及設(shè)置混響場(chǎng)衰減系數(shù)等工作。

（1）1/3倍頻程濾波器組的設(shè)計(jì)。

采用特征頻帶濾波器來(lái)模擬人耳的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的濾波特性。1/3倍頻程的分析與特征頻帶的計(jì)算非常相似，可以很好地反映出噪聲的頻譜特性，因此采用1/3倍頻程帶通濾波器組來(lái)模擬特征頻帶的計(jì)算。本文基于 DIN EN 61260中規(guī)定的聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的1/3倍頻程濾波器如圖4所示。

圖4 1/3倍頻程濾波器

（2）1/3倍頻程合并和修正。

當(dāng)中心頻率比較低時(shí)（在300 Hz以下），特征頻帶和三分之一倍頻程帶相差很大，所以必須對(duì)三分之一倍頻程低頻頻帶進(jìn)行合并。合并完成后要修正對(duì)中心頻率在25 Hz～250 Hz內(nèi)的聲壓級(jí)，要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置修正量Δ。因?yàn)閆wicker響度模型把人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的傳輸特性考慮進(jìn)去，因此引入了每個(gè)頻帶的頻率閾值修正因子A0[7]。

（3）設(shè)置混響場(chǎng)衰減系數(shù)。

我們?cè)跍y(cè)量是選擇的聲場(chǎng)不僅僅是自由場(chǎng)，在很多情況下是混響場(chǎng)，對(duì)于混響場(chǎng)，需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置一個(gè)混響場(chǎng)衰減系數(shù)。在以上完成之后進(jìn)行特征響度和總響度的計(jì)算。

4 結(jié)論

根據(jù)以上介紹Zwicker響度算法模型，通過(guò)Matlab軟件編寫(xiě)程序。選取一段在加速工況下測(cè)得的純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲信號(hào)，將程序運(yùn)行得到的結(jié)果與用Head Acoustics公司的Artemis軟件算出的結(jié)果相對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 特征響度對(duì)比

如圖5所示，由Artemis軟件算出的總響度為22.10 sone，最大特征響2.804 7 sone，根據(jù)Zwicker響度模型由Matlab編寫(xiě)的程序算出的總響度為21.64 sone，最大特征響度為2.932 9 sone，誤差很小。說(shuō)明本研究根據(jù)Zwicker響度模型編寫(xiě)的程序具有很高的準(zhǔn)確性。

[1] 袁博.純電動(dòng)乘用車(chē)的多工況聲品質(zhì)評(píng)價(jià)及提升策略研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2019.

[2] 錢(qián)堃.電動(dòng)汽車(chē)聲品質(zhì)評(píng)價(jià)分析與控制技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2016.

[3] 董琦飛.加速工況車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)研究[D].武漢:湖北工業(yè)大學(xué),2014.

[4] 高印寒,錢(qián)堃,梁杰,等.重型商用車(chē)噪聲測(cè)試及聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)分析[J].噪聲與振動(dòng)控制,2013,33(02):188-192.

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Loudness-based Sound Quality Evaluation of Vehicle

SUN Dengke, ZHANG Peng, WANG Shuo, WEI Yuan, ZHANG Qiang, ZHAO Chenhong

( School of Mechanical Electronic & Information Engineering, China University of Mining & Technology-Beijing, Beijing 100083 )

With more and more in-depth research on the evaluation of vehicle interior noise, it is found that the traditional evaluation of interior noise using only A-weighted sound pressure level has many shortcomings and cannot reflect people's subjective perception of noise. The article investigates the physiological basis of the human ear and psychoacoustics, and introduces loudness as an objective psychoacoustic parameter for the evaluation of interior noise. The loudness calculation method was studied, and the Zwicker loudness calculation model was established and implemented in Matlab. The results were compared with those calculated by Head Artemis software, and the errors were very small, which proved the correctness of the procedure.

Loudness; Evaluation model; Psychoacoustics; Noise

U491.9+1

A

1671-7988(2022)02-41-04

U491.9+1

A

1671-7988(2022)02-41-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.010

孫登科（1997—），男，碩士研究生，就讀于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)檐?chē)輛振動(dòng)噪聲分析與控制。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（2009QJ01）；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目資助（C202004919）。