車輛排氣噪聲聲音品質(zhì)的主觀評價(jià)與模型預(yù)測

石 巖，舒歌群，畢鳳榮

(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

聲音品質(zhì)的改善目標(biāo)是使產(chǎn)品的聲音能夠適應(yīng)消費(fèi)者要求、容易被人接受，不令人厭煩．產(chǎn)品的聲音也會像其造型一樣成為產(chǎn)品的賣點(diǎn)之一，直接影響到產(chǎn)品的市場銷售潛力，所以改善產(chǎn)品的聲音品質(zhì)已經(jīng)變得越來越重要．當(dāng)前，聲音品質(zhì)的研究工作已經(jīng)在電器、音響和汽車制造業(yè)等行業(yè)中受到極大重視[1]．

由于排氣噪聲是發(fā)動機(jī)與車輛的最主要噪聲源之一，改善其聲音品質(zhì)對提高動力機(jī)械乃至整車的噪聲、振動和平順性(noise，vibration，harshness，NVH)特性具有重要的影響．國內(nèi)外的研究學(xué)者在對車輛及發(fā)動機(jī)噪聲聲音品質(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn)，對聲音品質(zhì)的主觀感受和評價(jià)往往受人種、地域、經(jīng)歷等各種因素的影響[2]，國際上對車輛及發(fā)動機(jī)噪聲聲音品質(zhì)的研究成果可以參考但不能完全借鑒，因此有必要研究國人對排氣噪聲的主觀感受．

筆者以車輛的排氣噪聲作為研究對象，通過評審團(tuán)測試得到應(yīng)試者對排氣噪聲的主觀感受與評價(jià)，考察并選取適當(dāng)?shù)目陀^心理聲學(xué)參數(shù)，對應(yīng)試者的主觀感受和客觀參數(shù)間的相關(guān)性進(jìn)行了研究，并采用多元線性回歸分析的方法建立排氣噪聲聲音品質(zhì)的評價(jià)模型．

1 排氣噪聲聲音品質(zhì)主觀評價(jià)實(shí)驗(yàn)

1.1 樣本的錄制與回放

選取了18 種以汽油機(jī)為動力的、1.6,L 排量以下的小型車作為研究對象，記錄每輛車在60,km/h 行駛速度下的排氣噪聲．為了保證錄音質(zhì)量不會受到周圍環(huán)境的影響，整個(gè)測試過程在半消聲室中進(jìn)行，測試時(shí)驅(qū)動輪懸空，以排除輪胎噪聲及風(fēng)的影響．測試設(shè)備采用LMS 公司的Test.Lab 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用放置在距離排氣管出口處1,m、距地面高1.7,m 處的2 個(gè)麥克風(fēng)同時(shí)記錄噪聲信號以模擬雙耳的聽覺，之后使用音頻編輯軟件將2 個(gè)麥克風(fēng)所記錄的單聲道聲音合成為立體聲，以此來模擬人耳的真實(shí)聽覺．

對每種車型的排氣噪聲進(jìn)行回放和監(jiān)聽，從中截取長度為3,s 的較為穩(wěn)定的噪聲信號，得到一共18個(gè)聲音作為主觀評價(jià)的測試樣本．為了保證真實(shí)地還原所記錄的噪聲信號，主觀評價(jià)時(shí)使用TerraTec 聲卡和Sennheiser 監(jiān)聽耳機(jī)進(jìn)行回放；回放時(shí)各樣本的聲壓級與錄制時(shí)保持一致．為排除外界因素干擾，主觀評價(jià)測試在安靜的聽音室內(nèi)進(jìn)行[3]．

1.2 評審團(tuán)測試

評審團(tuán)測試采用成對比較法，評價(jià)指標(biāo)為滿意度系數(shù)．由計(jì)算機(jī)程序自行排列組合產(chǎn)生N＝18×(18-1)＝306 個(gè)樣本對，測試時(shí)只需應(yīng)試者選擇兩兩播放的樣本中給人主觀感受較好的一個(gè)；整個(gè)測試過程可控，可自行選擇回放之前的樣本對或者繼續(xù)測試．播放時(shí)每對樣本間停頓1,s，總測試時(shí)間約為1 h. 同樣的樣本對在整個(gè)測試過程中播放2 次，但其播放的次序不同．樣本對的數(shù)目比以往單純的成對比較法多出1 倍，目的是減少播放順序?qū)?yīng)試者的影響，并從測試結(jié)果中判別每位應(yīng)試者測試數(shù)據(jù)的可信度，以便從中篩選有效數(shù)據(jù)．

全部51 名測試人員中有男性28 人，女性23 人，年齡分別在20～40 歲不等．

2 主觀評價(jià)結(jié)果分析

2.1 客觀心理聲學(xué)參數(shù)的選擇

由于聲音品質(zhì)的研究工作開展時(shí)間較短且主觀性較強(qiáng)，國內(nèi)外研究人員和學(xué)者近年來分別提出了多種用于描述聲音品質(zhì)的客觀心理聲學(xué)參數(shù)，但其中除了響度和語音干擾級以外其他均未得到國際上一致的認(rèn)可．筆者分別詳細(xì)研究了各種心理聲學(xué)參數(shù)的概念、特征及其使用條件，參考相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果[4-6]，最終決定使用響度(loudness)、尖銳度(sharpness)、粗糙度(roughness)、波動度(fluctuation strength)和峭度(kurtosis)作為描述車輛排氣噪聲聲音品質(zhì)的客觀參數(shù)．

有關(guān)響度、尖銳度、粗糙度和波動度幾個(gè)參數(shù)的定義及描述可參考文獻(xiàn)[7]．

峭度Ks是統(tǒng)計(jì)學(xué)中描述數(shù)據(jù)分布形狀的概念，是度量一個(gè)分布經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化以后相對于正態(tài)分布的尖峭或平坦程度的指標(biāo)，為無量綱參數(shù)．

式中：σ為分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差；N為分布中存在的樣本數(shù)；xj為樣本j的值；為樣本均值．

峭度為統(tǒng)計(jì)量，可分別用于信號時(shí)域和頻域的分析，在時(shí)域中表示對整個(gè)樣本時(shí)間長度而言聲音的沖擊性．本文中采用峭度來描述聲音樣本的時(shí)域變化特性．

2.2 成對比較法測試結(jié)果

成對比較法是強(qiáng)制性選擇的方法，無論測試者是否用心參與評審團(tuán)測試，總能獲得一個(gè)結(jié)果，因此需要確定結(jié)果的可靠性．可靠性評價(jià)指標(biāo)為數(shù)據(jù)重合度和數(shù)據(jù)一致性．?dāng)?shù)據(jù)重合度是指在計(jì)算機(jī)2 次以不同順序播放同一對樣本時(shí)應(yīng)試者做出的判斷是否相同，是一個(gè)簡單的百分比．?dāng)?shù)據(jù)一致性是用來判斷測試結(jié)果有序性的標(biāo)準(zhǔn)，在此使用Kendall 一致性系數(shù)ζ(k)[8]，其計(jì)算式為

式中：I為樣本的個(gè)數(shù)；A(i，k)為應(yīng)試者所聽樣本的綜合成績；k為使用測試數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；S為一致組的個(gè)數(shù)．

經(jīng)過計(jì)算統(tǒng)計(jì)，整個(gè)評審團(tuán)測試結(jié)果的平均重合度系數(shù)為0.704，平均一致性系數(shù)為0.932，說明本次主觀評價(jià)使用成對比較法是較為可靠的．去掉其中重合度系數(shù)小于0.6 和一致性系數(shù)小于0.5 的測試數(shù)據(jù)，最后得到有效數(shù)據(jù)42 個(gè)．

將每個(gè)測試者對每個(gè)樣本的評價(jià)結(jié)果與結(jié)果的重合度和一致性系數(shù)相乘，然后對每個(gè)樣本的評價(jià)結(jié)果求和并做平均，最后按照樣本總分對各樣本平均分做等比例修正．

計(jì)算得到的平均評價(jià)值稱為滿意度(sensory pleasantness)，以P表示，為無量綱系數(shù)，其值越大代表聲音品質(zhì)越好，用于之后的相關(guān)性分析和評價(jià)模型的建立．

各樣本心理聲學(xué)參數(shù)和滿意度見表1．

表1 各樣本心理聲學(xué)參數(shù)及滿意度Tab.1 Psychoacoustics parameters and sensory pleasantness of samples

數(shù)據(jù)表明，測試者對車輛排氣噪聲響度的敏感性最強(qiáng)，響度低的樣本普遍滿意度較高，而響度高的樣本滿意度都很低，即響度和滿意度大致成反比．測試中得到評價(jià)最好的樣本3 和4 為同一車型不同工況下的噪聲，這主要是因?yàn)樗鼈兊捻懚仍谌繕颖局凶畹筒⑶仪投茸罡撸鴺颖?3 具有在全部樣本較高的響度和最高的尖銳度，因而滿意度最低．單憑觀察所能得到的信息僅止于此，進(jìn)一步的分析還需要引入統(tǒng)計(jì)學(xué)工具．

3 相關(guān)性分析及聲音品質(zhì)評價(jià)模型的建立

3.1 一元線性回歸分析

線性回歸提出了主觀評價(jià)結(jié)果和客觀物理參數(shù)間的線性數(shù)學(xué)模型，使用最小二乘法分別對滿意度和響度、尖銳度、粗糙度、波動度、峭度這些客觀心理參數(shù)值進(jìn)行回歸分析，得到的結(jié)果見圖1～圖5．

圖1 響度和滿意度間的相關(guān)性Fig.1 Correlation between loudness and sensory pleasantness

圖2 尖銳度和滿意度間的相關(guān)性Fig.2 Correlation between sharpness and sensory pleasantness

圖3 粗糙度與滿意度間的相關(guān)性Fig.3 Correlation between roughness and sensory pleasantness

圖4 波動度和滿意度間的相關(guān)性Fig.4 Correlation between fluctuation strength and sensory pleasantness

圖5 峭度和滿意度間的相關(guān)性Fig.5 Correlation between kurtosis and sensory pleasantness

結(jié)果表明，響度和滿意度之間的線性相關(guān)性很強(qiáng)，所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都分布在回歸線附近，響度與滿意度成反比關(guān)系．除響度以外，其他各心理聲學(xué)參數(shù)和滿意度之間并不存在顯著的線性相關(guān)性，說明客觀參數(shù)對滿意度的影響不是相互獨(dú)立的，用線性相關(guān)分析的方法分析排氣噪聲聲音品質(zhì)與每個(gè)客觀心理聲學(xué)參數(shù)的獨(dú)立關(guān)系[9-10]會導(dǎo)致較大的偏差．

3.2 多元線性回歸模型

主觀評價(jià)結(jié)果y的信賴變量xi(i＝1，2，…，m)為多個(gè)時(shí)，y與xi的多元線性回歸方程為

式中：α，β1，…，βm為線性回歸系數(shù)；ε為隨機(jī)誤差，假定ε遵從正態(tài)分布N(0，σ2)．

從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度講，樣本數(shù)目越多所建立的回歸模型越精確，但成對比較法評審團(tuán)測試所需時(shí)間隨著樣本數(shù)量的增加而成指數(shù)規(guī)律增加，對評審團(tuán)成員的心理狀態(tài)的要求也提高；同時(shí)，采集更多的樣本所需獲取的研究對象的難度也會增加，因此，本次研究選取了18 個(gè)樣本．

在建立回歸模型之前首先對表1 中的客觀參數(shù)結(jié)合滿意度進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，方差分析結(jié)果見表2．可以看到，組間方差與組內(nèi)方差的比率F值為261.240，顯著性概率P遠(yuǎn)小于0.05，說明滿意度和客觀參數(shù)間具有顯著的線性關(guān)系，保證了回歸模型的整體有效性．

表2 方差分析結(jié)果Tab.2 Results of variance analysis

通過最小二乘法擬合進(jìn)行多元線性回歸分析，建立回歸模型，模型各參數(shù)見表3，表中t為偏回歸系數(shù)，回歸模型反映回歸精度的R平方值為0.96，均方根誤差為1.99．通常R平方值在0.8 以上即認(rèn)為回歸模型可用，說明建立的預(yù)測模型與實(shí)際值間具有良好的一致性．

表3 多元線性回歸模型參數(shù)Tab.3 Parameters of multiple linear regression model

由表3 中的數(shù)據(jù)即可寫出回歸模型預(yù)測表達(dá)式，即車輛排氣噪聲聲音品質(zhì)預(yù)測模型

式中Sp、Ln、Sn、Rn、Fs、Ks分別表示滿意度、響度、尖銳度、粗糙度、波動度和峭度．

從式(4)可知，比較式中的各項(xiàng)系數(shù)，盡管響度的系數(shù)并不是最大，但由于式中所使用的各客觀參數(shù)值均為其實(shí)際值，而其余各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)際值數(shù)值范圍很小，與響度值相比有數(shù)十倍之差，故在式(4)中響度對滿意度仍起主導(dǎo)作用，其系數(shù)前的負(fù)號表示響度與滿意度成反比．

圖6為預(yù)測模型所生成的滿意度預(yù)測值和實(shí)際值之間的關(guān)系，虛線表示預(yù)測模型滿意度96%的范圍．可以看到絕大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于此范圍內(nèi)，說明預(yù)測與實(shí)際值的吻合程度較高，表明了預(yù)測模型的有效性．

圖6 預(yù)測模型的有效性Fig.6 Effectivity of the prediction model

4 結(jié) 論

(1) 采用響度、尖銳度、粗糙度、波動度和時(shí)域意義上的峭度作為描述車輛排氣噪聲聲音品質(zhì)的客觀心理聲學(xué)參數(shù)是合適的．

(2) 響度是影響車輛排氣噪聲主觀感受的最主要的心理聲學(xué)參數(shù)，和滿意度呈負(fù)相關(guān)，其他心理聲學(xué)參數(shù)和滿意度之間并不具備顯著的獨(dú)立線性相關(guān)性．

(3) 使用多元線性回歸方法得出的車輛排氣噪聲聲音品質(zhì)預(yù)測模型，建立了主觀感受和客觀參數(shù)之間的有效聯(lián)系，可以用來預(yù)測和描述車輛排氣噪聲的聲音品質(zhì)．

(4) 針對車輛排氣噪聲聲音品質(zhì)的多元線性回歸分析方法可以推廣到建立車輛內(nèi)、外部噪聲主觀評價(jià)與客觀心理聲學(xué)參數(shù)之間的回歸模型，預(yù)測車輛行駛噪聲與車內(nèi)環(huán)境噪聲的聲音品質(zhì)．

［1］舒歌群，劉 寧. 車輛及發(fā)動機(jī)噪聲聲音品質(zhì)的研究與發(fā)展[J]. 汽車工程，2002，24(5)：403-406.Shu Gequn，Liu Ning. Research and development of vehicle and engine noise sound quality[J].Automotive Engineering，2002，24(5)：403-406(in Chinese)．

［2］焦風(fēng)雷，田 靜，劉 克，等．人群分類與車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)主觀評價(jià)研究[J]. 聲學(xué)技術(shù)，2006，25(6)：568-572.Jiao Fenglei，Tian Jing，Liu Ke，et al. Listener clustering and subject assessment of car interior noise quality[J].Technical Acoustics，2006，25(6)：568-572(in Chinese).

［3］Otto Norm，Amman Scott，Eaton Chris，et al. Guidelines for jury evaluations of automotive sounds[J].Journal of Sound and Vibration，2001，35(4)：24-47.

［4］Shin Sung-Hwan，Ih Jeong-Guon，Hashimoto Takeo，et al. Sound quality evaluation of the booming sensation for passenger cars[J].Applied Acoustics，2009，70(2)：309-320.

［5］Lee Sang-Kwon. Objective evaluation of interior sound quality in passenger cars during acceleration[J].Journal of Sound and Vibration，2008，310(1)：149-168.

［6］De Diego M，Gonzalez A，Pinero G，et al. Subjective evaluation of actively controlled interior car noise[J].2001IEEE International Conference on Acoustics，Speech，and Signal Processing. Salt Lake City，USA，2001：3225-3228.

［7］Zwicker E，F(xiàn)astl H.Psychoacoustics—Facts and Modals[M]. 2nd ed. Berlin Heidelberg ， New York ：Springer-Verlag，1999.

［8］Hussain M，Golles J，Ronacher A. Statistical evaluation of an annoyance index for engine noise recordings[J].SAE Transactions，1991，100(6)：527-535.

［9］陳雙籍，陳端石．基于心理聲學(xué)參數(shù)的車內(nèi)聲品質(zhì)偏好性評價(jià)[J]. 噪聲與振動控制，2005，25(3)：45-47.Chen Shuangji，Chen Duanshi. Sound quality preference evaluation for car interior noise based on psychoacoustic parameters[J].Noise and Vibration Control，2005，25(3)：45-47(in Chinese).

［10］舒歌群，王養(yǎng)軍，衛(wèi)海橋，等．汽車車內(nèi)噪聲聲音品質(zhì)的測試與評價(jià)[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2007，25(1)：77-83.Shu Gequn ， Wang Yangjun ， Wei Haiqiao ， et al.Measurement and evaluation of sound quality of interior noise of vehicle cabin[J].Transactions of CSICE，2007，25(1)：77-83(in Chinese).