郭 棟，熊義周，周 益，周 儀，饒文毅

（1.重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054；2.重慶大學 機械與運載工程學院，重慶 400044）

齒輪敲擊噪聲是一種發(fā)生在非承載嚙合齒輪對應的沖擊現(xiàn)象，非承載齒輪對的從動齒輪在齒側間隙內(nèi)來回撞擊主動齒輪，導致齒輪對相互碰撞并產(chǎn)生敲擊噪聲[1]。作為變速器噪聲中的主要來源，敲擊噪聲越來越引起消費者的關注，甚至會被誤認為是變速器故障噪聲，從而引起駕乘人員主觀煩惱。

雙離合變速器(DCT)是基于傳統(tǒng)手動變速器(MT)改進而來，不僅擁有手動變速器的靈活性和自動變速器的平順性，還具有換檔響應快，燃油經(jīng)濟性較好的特點。在結構上與手動變速器類似，但在換檔機制上，有特殊的“預選”檔位的差異，其擁有兩根輸入軸分別控制奇數(shù)檔和偶數(shù)檔，當某一檔位工作時，其相鄰檔位會預先掛上，但不傳力，需要換檔時，僅需切換兩根輸入軸上的離合器即可。

馬安康等[2]通過整車試驗與臺架試驗分析了潤滑油溫、平均扭矩和激勵頻率對DCT敲擊強度的影響，提出了一種評價DCT 齒輪敲擊強度的指標，模型中沒有考慮預選檔位的影響。Oliver等[3]基于9組試驗數(shù)據(jù)，在眾多的評價參數(shù)中找到一個基于振動加速度的A 計權和峰值因子的二元回歸模型，相關系數(shù)達0.93。Gerrit等[4]根據(jù)敲擊的間隔周期性特點使用調(diào)制度客觀評價車內(nèi)敲擊聲，在半消聲室內(nèi)的單軸底盤測功機上進行實車試驗，利用包絡分析對變速器敲擊噪聲進行研究，建立了主客觀評價指標定量關系。焦風雷等[5]對將評價者分為兩類進行處理，分類之后將各類別平均并進行偏好性的非度量多維尺度分析(NMDS)，研究發(fā)現(xiàn)，在進行車內(nèi)噪聲品質(zhì)研究時，應該明確產(chǎn)品的不同客戶群，應滿足特定客戶群的需要。Kwon 等[6]對噪聲進行主觀評價和客觀分析，運用相關系數(shù)來比較客觀評價的結果，基于聲信號中的時域和頻域信號特性，建立敲擊分析數(shù)學模型，提出一種基于主觀評價的敲擊指標，進一步得到敲擊噪聲的回歸方程，并驗證了有效性。

綜上所述，目前對于敲擊噪聲的評價方法大多是基于手動變速器，針對DCT的敲擊聲特性研究相對較少，且考慮預選檔機制的敲擊噪聲評價研究不足，但DCT 在工作時會有預選檔的機制，同時DCT在預選檔時的敲擊聲比不預選時的敲擊會更加明顯，且在同一檔位的不同預選檔位下，敲擊規(guī)律不同。所以，本文將預選檔的影響考慮到評價結果中，并與不考慮預選檔的評價方法[7]進行對比，建立預選檔位下DCT敲擊噪聲聲品質(zhì)評價模型，對于DCT變速器敲擊噪聲優(yōu)化及控制具有重要意義。

1 敲擊噪聲主觀評價

1.1 噪聲采集

本次試驗車搭載某型前置前驅(qū)7速濕式雙離合變速器(7DCT)，選擇陽光適中，風速較小的晴天，試驗場地選擇平直且空曠的道路，周圍無大型建筑，車內(nèi)處除駕駛人員和測試人員無其他載荷。試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況表

采用HEAD Lab 噪聲振動采集設備，采集變速器近場噪聲和駕駛員雙耳處噪聲，為避免試驗的偶然性，每個工況噪聲樣本采集多次，麥克風布置位置如圖1至圖2所示，共得到18個聲音文件，并將聲音文件進行截斷處理，得到明顯敲擊聲的噪聲樣本，每個樣本時長為5秒，通過HEAD ArtemiS軟件進行高保真回放，將近場噪聲用于主觀評價試驗。

圖1 車內(nèi)噪聲麥克風布置

圖2 近場噪聲麥克風布置

1.2 主觀評價試驗

聲品質(zhì)評價以人的主觀感受為基礎，主觀評分法可以很好地將人對聲音的感知進行量化，以便利用數(shù)學統(tǒng)計量進行數(shù)學模型的計算。

等級評分法作為一種常用的主觀評價方法，操作簡便，可靠性強，廣泛應用于聲品質(zhì)主觀評價試驗中。本次主觀評價試驗的評審團由20 位聽力正常人員組成，有一定的駕駛經(jīng)驗，包含了NVH工程師、車輛工程專業(yè)研究生以及本專業(yè)教師，其中男性11人，女性9人，年齡在22～45歲之間。由于本次主觀試驗的聲音樣本較多，且不同預選檔位下的敲擊噪聲會存在明顯的區(qū)別，因此，在等級評分法的基礎上，提出分組等級評分法，首先將聲音樣本按照各自的預選檔位進行分組，將18 個聲音樣本以3 個一組的形式通過評審團進行主觀評價打分，樣本分類如表2 所示，避免了以單一聲音樣本為基礎導致駕乘人員無法有效地對聲音樣本進行區(qū)分，從而突出了不同預選檔位對于駕乘人員主觀感受的區(qū)別。

表2 樣本分類編號

為保證評審團聽音人員不會因為聲音樣本的先后順序造成評分出現(xiàn)誤差，在進行主觀試驗之前需要評審團人員先將18 個樣本按順序依次全部試聽一遍并進行聽音培訓，然后按照組別聽音并對每一組樣本聲音確定一個分數(shù)區(qū)間，最后進行聽聲打分確定每個樣本的聽音試驗分數(shù)，評分標準如表3所示。

表3 分組等級評分法評分標準

1.3 有效性檢驗

主觀評價試驗中，每個人對聲音的偏好性也不盡相同，主觀評分之間會產(chǎn)生差異，因此需要對主觀試驗評分結果進行檢驗，剔除誤判較大的評價結果[8]。相關系數(shù)是研究變量之間線性相關程度的量，常見的有Pearson，Spearman 和Kendall 相關系數(shù)[9]。本次主觀試驗基于等級評分法改進而來，等級評分法常采Pearman 相關系數(shù)對主觀評價結果進行檢驗[7,10]，本次試驗采用Pearman 相關系數(shù)來計算評審團評價人員之間相關系數(shù)。計算評價人員兩兩之間的相關系數(shù)得到20×20 矩陣，再將每個評價人員與其他人的相關系數(shù)相加并取算術平均值，得到每位評價人員的相關系數(shù)如表4所示。

表4 平均相關系數(shù)表

回歸分析相關系數(shù)值小于0.7 表明兩者相關性不顯著，因此剔除2位評價人員[11]的結果，將剩下18位評價人員的主觀評分做算術平均處理，最終得到聲音樣本的主觀評價結果，如圖3所示。

圖3 主觀評分結果

圖3 中每3 個樣本為一個預選檔位，可以發(fā)現(xiàn)，主觀評分處于3到5.5分之間，基本處于一個穩(wěn)定的區(qū)間，說明該試驗結果有效，整體分數(shù)偏低表明DCT敲擊噪聲聽起來令人煩惱。每個預選檔位之間的分數(shù)相差不大，但同一檔位不同預選檔下的分數(shù)相差較大，如R4～R6這一組無預選檔的主觀得分比預選檔的要高，更進一步地說明DCT在預選檔時會產(chǎn)生更加嚴重敲擊現(xiàn)象。

2 客觀參數(shù)分析

2.1 客觀參數(shù)的選取與計算

心理聲學參數(shù)是描述聲音的物理客觀參量，目前國內(nèi)外常用的有響度、粗糙度、波動度、AI指數(shù)(語音清晰度)、尖銳度和音調(diào)度[4,7-8]。AI指數(shù)表示在特定環(huán)境中，能辨別清語言的程度，是一個百分比參量。以上常用的客觀參數(shù)部分可能會引起人的主觀煩惱度。

為確定所選心理聲學參數(shù)是否適用于DCT 敲擊聲評價，需要對客觀參數(shù)進行篩選，采用計算相關系數(shù)的方法[12]，與主觀煩惱度量相關系數(shù)評價指標[13]，說明該評價指標更適合用于評價DCT 敲擊聲品質(zhì)。本文利用這些常用的心理聲學參數(shù)，計算客觀參數(shù)與主觀評價之間的相關系數(shù)，選取其中相關系數(shù)較高的參數(shù)進行分析。采用ArtemiS 聲學處理軟件計算18個樣本的客觀參數(shù)的結果，如表5所示。

表5 噪聲樣本心理聲學客觀參數(shù)值

2.2 相關性分析

對于變速器敲擊噪聲的評價，目前已有的方法采用將全部客觀參數(shù)與主觀評分進行相關性計算[7]，但對于DCT 而言，由于具有預選檔的換檔機制存在，因此應該分別對考慮預選檔和不預選檔的兩種情況。剔除第二組和第五組主客觀得分，僅對具有預選檔位主客觀得分的進行相關性分析，如圖4所示。

圖4 預選檔下主客觀評價相關系數(shù)

由圖4可知，在僅考慮預選檔下，客觀參數(shù)對主觀評分的影響程度分別是：尖銳度＞粗糙度＞響度＞AI指數(shù)＞音調(diào)度＞波動度，粗糙度和尖銳度與主觀評分之間的相關系數(shù)均大于0.7。根據(jù)回歸分析相關知識[11]，相關系數(shù)小于0.7 說明兩者相關性不大，在預選檔位下影響主觀感受的主要是這兩個客觀參數(shù)，其他參數(shù)相關性較低，不作考慮[14]。

在不考慮預選的情況下，將所有檔位計算得到的相關系數(shù)如圖5所示，可以看出，客觀參數(shù)對主觀評分的影響程度分別是：粗糙度＞尖銳度＞響度＞音調(diào)度＞AI指數(shù)＞波動度，與僅考慮預選檔位下的相關系數(shù)相比，AI 指數(shù)、音調(diào)度和波動度有較大變化，但其相關系數(shù)仍然小于0.7，不予以考慮。其余客觀參數(shù)相關系數(shù)均大于0.7，說明其對主觀評分影響較大。

圖5 所有檔位下主客觀相關系數(shù)

3 預選檔位敲擊回歸模型

3.1 考慮預選檔位聲品質(zhì)模型

多元線性回歸分析是指建立兩個或兩個以上自變量與因變量之間關系的回歸分析[15]，具有方法簡單、對變量解釋性強等特點。通過上述對主客觀評價的相關分析，以相關系數(shù)較高的粗糙度和尖銳度作為自變量，主觀評分的結果作為因變量，采用常用的逐步多元線性回歸方法，回歸分析結果如表6所示。

從表6數(shù)據(jù)可以看出粗糙度和尖銳度與主觀評分的置信概率在0.100以下，表明該兩個自變量與主觀感受有顯著的線性相關?；貧w模型中自變量之間由于相關系數(shù)較高而使模型難以估計準確，需要進行共線性診斷，一般用容忍度進行檢驗，容忍度大于0.1可認為沒有共線性關系。由表6可知自變量粗糙度和尖銳度的容忍度為0.7，說明變量之間不具有共線性關系。根據(jù)分析結果，得出預選檔下敲擊聲品質(zhì)的多元回歸模型為：

表6 預選檔位下多元線性回歸分析結果

其中：M為DCT預選檔下主觀評分，R為粗糙度，S為尖銳度。

對于該回歸模型，需要檢驗回歸標準殘差的正態(tài)性，圖6是主觀評價標準化殘差頻率直方圖，由圖可以看出，該模型的回歸標準化殘差圖的分布基本比較均勻，滿足正態(tài)性檢驗。

圖6 主觀評價標準化殘差頻率直方圖

圖7是主觀評價標準化殘差圖，由圖可以看出，主觀評分無離群值，符合回歸模型的基本假設。

圖7 主觀評價標準化殘差圖

響度的相關系數(shù)為0.675，非常接近0.7，若將響度與粗糙度和尖銳度一起做線性回歸分析，得到建立模型響度的置信概率為0.289，大于0.05，在統(tǒng)計學中[11]，該值較大說明考慮將響度作為自變量建立回歸模型不符合回歸模型的基本假設，因此對于預選檔位下多元線性回歸分析不應將響度作為自變量；同時在所有檔位時音調(diào)度與主觀評分的相關系數(shù)為0.679，非常接近0.7，將音調(diào)度作為自變量進行線性回歸分析，得到建立模型音調(diào)度的置信概率為0.799，同樣不符合回歸模型的假設。

3.2 所有檔位的聲品質(zhì)模型

對于所有檔位下的聲品質(zhì)預測，由圖5可知，所有檔位下，相關系數(shù)超過0.7 的為響度、粗糙度和尖銳度，采用與上節(jié)相同的方法進行建模，回歸分析計算如表7所示。

表7 所有檔位下多元線性回歸分析結果

得到所有檔位下敲擊聲品質(zhì)多元回歸模型為：

其中：N為DCT所有檔下主觀評分，L為響度，R為粗糙度，S為尖銳度。

可以看出，兩種情況下的回歸模型不一樣，響度和尖銳度置信概率較大。因此對于DCT 進行聲品質(zhì)評價的時候，應該將預選檔位單獨考慮。

4 結語

本文進行整車試驗，采集DCT在不同工況下的敲擊噪聲，提出利用分組等級評分法對噪聲樣本進行主觀試驗并計算客觀參數(shù)，計算相關系數(shù)剔除了2位評價人員的主觀評分，考慮預選檔和不考慮預選檔位兩種情況，并與心理聲學客觀參數(shù)分別建立多元回歸模型。單獨考慮預選檔進行聲品質(zhì)評價時，粗糙度和尖銳度與主觀評分的相關系數(shù)分別為0.702 和0.772，且單獨考慮預選檔的回歸模型中粗糙度和尖銳度置信概率分別為0.098 和0.030，說明此回歸模型顯著。

因此對于雙離合變速器，在進行敲擊噪聲聲品質(zhì)評價時，應將預選檔作為考慮因素單獨進行評價，同時，本文所建立的回歸模型對于DCT的敲擊噪聲控制以及優(yōu)化有一定的參考價值。