基于聲品質(zhì)評(píng)價(jià)模型的車內(nèi)噪聲優(yōu)化研究

黃燦銀，陳陽

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

基于聲品質(zhì)評(píng)價(jià)模型的車內(nèi)噪聲優(yōu)化研究

黃燦銀，陳陽

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

噪聲被動(dòng)控制方法能簡單有效地改善噪聲的聲品質(zhì)。首先對(duì)8輛各種型號(hào)汽車進(jìn)行了怠速狀態(tài)下車內(nèi)噪聲樣本的采集，通過噪聲信號(hào)的主客觀分析研究，得出車內(nèi)噪聲評(píng)價(jià)的主客觀評(píng)價(jià)模型，明確了響度、尖銳度及粗糙度是影響怠速狀態(tài)車內(nèi)聲品質(zhì)的主要因素。而后，對(duì)聲品質(zhì)最差的7號(hào)車實(shí)施噪聲優(yōu)化試驗(yàn)，采取添加塞麗隔聲阻尼氈的方案。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，車內(nèi)噪聲的響度等參量值變小。將數(shù)據(jù)代入聲品質(zhì)客觀計(jì)算模型，同時(shí)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果表明其評(píng)分等級(jí)從13級(jí)降至10級(jí)，從而證明了噪聲被動(dòng)控制方法能有效提高車內(nèi)噪聲的聲品質(zhì)。

車內(nèi)噪聲被動(dòng)控制怠速狀態(tài)主觀評(píng)價(jià)客觀參數(shù)

1 引言

長久以來，人們以A聲功率級(jí)越低越好為原則來評(píng)價(jià)噪聲。后來研究發(fā)現(xiàn)，某些A計(jì)權(quán)聲級(jí)高的噪聲聽起來比較舒服，而一些滿足A聲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的噪聲卻讓人無法忍受。人們意識(shí)到A計(jì)權(quán)聲級(jí)存在很大的缺陷，它不能全面描述噪聲各個(gè)屬性。于是，能反映人主觀感受的聲品質(zhì)這一概念開始引起關(guān)注，并成為噪聲領(lǐng)域研究的新課題[1]。聲品質(zhì)旨在反映聲物理特性與人的主觀感受之間的關(guān)系。

噪聲被動(dòng)控制技術(shù)由于其降噪明顯、成本較低，已在汽車、建筑、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用[2]。本文首先對(duì)8輛汽車在怠速工況下的車內(nèi)噪聲進(jìn)行采集，然后對(duì)噪聲進(jìn)行主客觀分析研究，得出主觀評(píng)價(jià)與客觀參數(shù)之間的相關(guān)性。接著對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果最差的汽車進(jìn)行被動(dòng)噪聲控制，即添加塞麗隔聲阻尼氈。最后通過對(duì)改進(jìn)后的汽車進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)采集和主觀評(píng)價(jià)，從而驗(yàn)證其車內(nèi)聲品質(zhì)得到了改善。

2 車內(nèi)噪聲評(píng)價(jià)模型

聲品質(zhì)是通過研究聲音的客觀物理參數(shù)與人的主觀感受之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立聲品質(zhì)評(píng)價(jià)模型。通過研究評(píng)價(jià)模型得出各個(gè)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為聲品質(zhì)的改善提供理論依據(jù)。聲品質(zhì)概念提出了一種全新的噪聲控制思想，即要去除噪聲中讓人煩躁的成分，保留令人舒服的成分，使聲音符合人們的主觀感受。

2.1 車內(nèi)噪聲的采集試驗(yàn)

為了得到最新的噪聲原始數(shù)據(jù)，同時(shí)為了更好地比較不同汽車間怠速狀態(tài)下車內(nèi)噪聲的各個(gè)參數(shù)，選擇一種可重復(fù)的試驗(yàn)方案是非常重要的。通過對(duì)比各車的噪聲，能夠得到人們對(duì)汽車車內(nèi)聲音品質(zhì)的感覺到底如何。噪聲樣本的采集需要使用的試驗(yàn)設(shè)備是1套比利時(shí)LMS Test Lab數(shù)據(jù)采集分析軟件、6個(gè)LMS SCADAS305數(shù)據(jù)采集前端、6個(gè)PCB 130ICP傳聲器、1個(gè)Larson DvaiSCAL200標(biāo)定器、1臺(tái)Dell M60筆記本電腦、6個(gè)固定安裝泡沫、1卷透明膠、1把尺子。把上述標(biāo)定好的設(shè)備按試驗(yàn)要求安裝到汽車上。6個(gè)傳聲器分別安裝在駕駛員座椅、副駕駛員座椅和后排右座椅的頭枕兩側(cè)（分別標(biāo)記為1、2、3、4、5和6），如圖1所示。駕駛員將車設(shè)置為怠速狀態(tài)，測試人員及時(shí)記錄下噪聲信號(hào)。

2.2 噪聲樣本客觀參量的分析計(jì)算

圖1 車內(nèi)噪聲測量傳聲器安裝圖

聲音客觀參量是描述不同噪聲信號(hào)所產(chǎn)生的主觀感受差異程度的客觀物理量，其主要針對(duì)4個(gè)主要心理聲學(xué)客觀評(píng)價(jià)參數(shù)，即響度、尖銳度、抖動(dòng)度、粗糙度。用比利時(shí)LMS公司生產(chǎn)的LMS Test Lab數(shù)據(jù)采集分析軟件對(duì)獲得的噪聲信號(hào)進(jìn)行分析，得出客觀參數(shù)的數(shù)據(jù)信息。

2.2.1 響度的計(jì)算

與A聲級(jí)相比較，響度能更準(zhǔn)確地反映聲音的響亮程度，它是人們判斷聲音強(qiáng)弱的依據(jù)。

ISO 532B標(biāo)準(zhǔn)給出了2種計(jì)算聲音響度的方法：一種是Stevens通過倍頻程譜數(shù)據(jù)推算得出的，其在平坦頻譜的擴(kuò)散聲場中準(zhǔn)確度相當(dāng)高；另一種是Zwicher在Stevens法基礎(chǔ)上引入掩蔽效應(yīng)加以修正。響度的計(jì)算公式為：

式中，

ETQ——聽闕在安靜環(huán)境時(shí)所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)；

E0——參考聲強(qiáng)I0對(duì)應(yīng)的激勵(lì)，一般取I0為10-12W/m2；

E——通過計(jì)算所得的激勵(lì)。

圖2是根據(jù)響度的計(jì)算公式并結(jié)合噪聲樣本得出的第7號(hào)車各測點(diǎn)噪聲響度的曲線圖。

2.2.2 尖銳度的計(jì)算

式中，

圖2 怠速狀態(tài)下各測點(diǎn)的響度曲線圖

k——加權(quán)系數(shù)一般取0.11；

z——心理聲學(xué)的臨界頻帶尺度；

N'(z)——與臨界頻帶尺度響度變化的函數(shù)表達(dá)式；

g'(z)——取值為e0.171z。

第7號(hào)車6個(gè)測點(diǎn)的尖銳度值如圖3所示。

圖3 怠速狀態(tài)下各測點(diǎn)的尖銳度曲線圖

2.2.3 抖動(dòng)度

兩組患者的一般自我效能評(píng)分隨時(shí)間均有提升，觀察組患者的評(píng)分在干預(yù)后第3個(gè)月、6個(gè)月時(shí)評(píng)分優(yōu)于對(duì)照組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見表1。

聲音隨時(shí)間表現(xiàn)為低頻變化時(shí)，人耳聽起來就會(huì)感覺有抖動(dòng)感。抖動(dòng)度的計(jì)算公式是Fastl和Zwick[3]根據(jù)前人的基礎(chǔ)總結(jié)出來的，為世界通用，表示如下：

式中，

F——波動(dòng)級(jí)；

ΔL——調(diào)制深度；

fmod——調(diào)制頻率帶寬。

將采集的噪聲信號(hào)，通過上述公式得出各個(gè)測點(diǎn)的抖動(dòng)度大小，圖4所示為第7號(hào)車的抖動(dòng)度曲線圖。

圖4 怠速狀態(tài)下各測點(diǎn)的抖動(dòng)度曲線圖

2.2.4 粗糙度

抖動(dòng)度和粗糙度都是描述聲音信號(hào)隨時(shí)間變化給人的感受的參量，區(qū)別在于后者描述的是調(diào)制頻率為中高頻率時(shí)的情況。粗糙度顯示噪聲信號(hào)的調(diào)制程度及其分布狀況，對(duì)頻率為20～200 Hz有比較明顯的效果。粗糙度的計(jì)算公式如下：

式中，

ΔLg(z)——臨界頻帶內(nèi)的聲壓函數(shù)；

fmod——調(diào)制頻率。

圖5為第7號(hào)車測點(diǎn)噪聲的粗糙度曲線圖。

2.3 噪聲樣本的主觀評(píng)價(jià)

主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)定在遠(yuǎn)離鬧市區(qū)的教室里，聲音樣本采用高保真耳機(jī)播放。選取高校及內(nèi)燃機(jī)研究所的成員共計(jì)50人組成評(píng)審團(tuán)，預(yù)先選8組聲音樣本，用成對(duì)比較法[4]對(duì)評(píng)審團(tuán)成員進(jìn)行評(píng)價(jià)培訓(xùn)。評(píng)價(jià)的規(guī)定與足球比賽計(jì)分規(guī)則剛好相反，即如果感覺聲音樣本甲比乙好，那么記錄甲得0分，乙得2分；反之亦然；如甲與乙相當(dāng)，則甲和乙都得1分。積分的高低就代表聲品質(zhì)的優(yōu)劣。通過多次訓(xùn)練后，使用等級(jí)打分法對(duì)全部聲音信號(hào)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，每個(gè)聲音樣本播放時(shí)間均為10 s。評(píng)審團(tuán)就所聽到的聲音，帶給自己的主觀感覺進(jìn)行打分（1～10），分?jǐn)?shù)越高說明聲品質(zhì)越差。將各個(gè)評(píng)價(jià)人員的分?jǐn)?shù)取平均值就可以得到該聲音樣本的品質(zhì)等級(jí)[5]。采集的噪聲樣本的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。

圖5 怠速狀態(tài)下各測點(diǎn)的粗糙度曲線圖

表1 噪聲等級(jí)評(píng)分結(jié)果

2.4 主客觀相關(guān)性分析

將采集的聲音信號(hào)進(jìn)行核對(duì)，因?yàn)槊枯v車在怠速工況下總共有3對(duì)聲音信號(hào)，保證3對(duì)信號(hào)無明顯的波動(dòng)，并選擇其中一個(gè)信號(hào)作為分析代表樣本。用采集分析軟件對(duì)獲得的噪聲信號(hào)進(jìn)行分析，得出6組客觀參數(shù)的數(shù)據(jù)信息，即噪聲的響度、尖銳度、抖動(dòng)度、粗糙度、音調(diào)度、脈沖特性和清晰度指數(shù)。然后將這些數(shù)據(jù)連同等級(jí)評(píng)分的結(jié)果編制成主觀評(píng)價(jià)結(jié)果與客觀參量之間的回歸數(shù)據(jù)分布圖，如圖6所示。

從圖6可以直觀地看出主客觀間的相關(guān)性，但是此圖無法反應(yīng)各個(gè)客觀參數(shù)對(duì)車內(nèi)聲品質(zhì)的影響程度。于是運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果和6組客觀參數(shù)進(jìn)行多元回歸相關(guān)性分析，以獲取如下的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果和客觀參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式：

式中，

SQ——主觀評(píng)價(jià)結(jié)果；

LS——響度；

SA——尖銳度；

RV——粗糙度；

r——對(duì)應(yīng)的系數(shù)。

將各數(shù)據(jù)代入公式中，求出rL、rS、rR，進(jìn)而得出怠速狀態(tài)下車內(nèi)聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)模型。

通過此表達(dá)式，可以得出以下結(jié)論：確定車內(nèi)聲品質(zhì)與客觀參量（響度、尖銳度和粗糙度）有關(guān)，客觀參量對(duì)聲品質(zhì)的影響程度可以從公式得出，怠速狀態(tài)下車內(nèi)噪聲的改善要從控制響度、尖銳度和粗糙度3方面入手。

3 車內(nèi)噪聲被動(dòng)控制優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 車內(nèi)噪聲源的識(shí)別試驗(yàn)

針對(duì)聲品質(zhì)最差的7號(hào)車進(jìn)行車內(nèi)噪聲源的識(shí)別試驗(yàn)。試驗(yàn)使用的測量儀器是BK公司生產(chǎn)的3360聲強(qiáng)儀。

車內(nèi)測試點(diǎn)的安排如下：首先，在車的前部地板（發(fā)動(dòng)機(jī)蓋和變速桿周圍）、左地板、右地板、前圍、后圍、頂棚和左右車門上分別布置好網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格為10 cm的正方形，各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)安排一個(gè)測量點(diǎn)。接著，將測試的聲強(qiáng)分布圖一一展示出來進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。最后進(jìn)行處理分析。將聲強(qiáng)分布圖進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)左右踏板的輻射噪聲是最大的。從圖7可以看出，圖中除2個(gè)點(diǎn)（具體位置分別為點(diǎn)5×7和10×7）的其它區(qū)域，聲強(qiáng)都是在94.6 dB（A）以下，該2處的聲強(qiáng)級(jí)比其余部位高出了至少8 dB。因而可以判斷出，左右踏板所在的部位存在比較嚴(yán)重的漏聲現(xiàn)象，而發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙和駕駛室間的防火墻隔音吸音效果不太理想。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)引起的一系列噪聲能夠透過防火墻傳入車內(nèi)，導(dǎo)致汽車車內(nèi)噪聲的升高，從而使得該車的聲品質(zhì)較差。

3.2 隔音吸音材料的重新布置

針對(duì)防火墻隔音問題，采取對(duì)其重新布置隔音材料的方案。首先，在選擇隔音材料時(shí)注意：（1）隔音材料要求盡可能輕，保證優(yōu)化后汽車自重增加較少；（2）對(duì)高頻寬頻帶噪音效果明顯，能夠保持長期穩(wěn)定的隔音性能；（3）防潮防水，耐腐防蛀，外觀整潔，無污染。

圖6 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果與客觀參數(shù)間的回歸數(shù)據(jù)分布圖

圖7 測試點(diǎn)的布置圖

對(duì)常用的吸隔音材料進(jìn)行比較后，最終選取塞麗隔聲阻尼氈。其是由EPDM橡膠（三元乙丙橡膠）與多種礦物質(zhì)組成。從使用情況來看，其廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)室、底板和車門。這種塞麗隔聲阻尼氈性能穩(wěn)定可靠，對(duì)高頻噪聲具有良好的抑制作用，同時(shí)能阻礙各種振動(dòng)的傳播，是合適的隔聲減振材料。其吸隔聲性能如圖8和圖9所示。從圖中可以看出其吸隔聲性能在中高頻段有明顯的增大，對(duì)降低車內(nèi)中高頻噪聲起到很大作用，進(jìn)而改善車內(nèi)聲品質(zhì)參數(shù)的尖銳度指標(biāo)，所以選擇此種吸聲材料作為被動(dòng)降噪材料。在選好吸聲材料后對(duì)吸聲材料進(jìn)行了整體布置，以使防火墻處的漏聲孔隙盡可能最??；測量后，在原有的防火墻隔板處增加了樹脂氈。

4 車內(nèi)聲品質(zhì)優(yōu)化的論證

4.1 客觀參數(shù)的優(yōu)化對(duì)比

按照2.1節(jié)的采集試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)優(yōu)化后的第7輛車進(jìn)行車內(nèi)噪聲樣本的試驗(yàn)。其詳細(xì)過程參照2.2節(jié)的要求，通過對(duì)客觀參量的處理后，最后得出優(yōu)化前后各物理參量的對(duì)比圖，如圖10～圖12所示。

圖8 塞麗阻尼氈的吸聲特性曲線圖

圖9 塞麗阻尼氈的隔音特性曲線圖

圖10 7號(hào)車優(yōu)化前后總體響度值對(duì)比圖

上述3圖表明：通過優(yōu)化，該車車內(nèi)噪聲的響度值和尖銳度得到明顯降低，而抖動(dòng)度變化不明顯。但是該車聲音物理參數(shù)的改善是不是能夠體現(xiàn)在人的主觀感受上呢？簡單的主觀分析模型是否能夠真正代替復(fù)雜的主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)？這就要求通過主觀評(píng)價(jià)對(duì)比試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證。

圖11 7號(hào)車優(yōu)化前后總體尖銳度值對(duì)比圖

圖12 7號(hào)車優(yōu)化前后總體抖動(dòng)度值對(duì)比

4.2 主觀評(píng)價(jià)對(duì)比試驗(yàn)

主觀評(píng)價(jià)對(duì)比試驗(yàn)的目的在于論證噪聲物理參量的改善是否能夠被人的主觀感受所體現(xiàn)出來。根據(jù)相關(guān)主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，讓同樣的主觀評(píng)價(jià)人員對(duì)優(yōu)化后的車輛進(jìn)行車內(nèi)噪聲主觀打分評(píng)價(jià)，將其與優(yōu)化前的分值進(jìn)行比較，得出以下對(duì)比數(shù)據(jù)，參見表2。

Improvement of Inner-vehicle Sound Quality Based on Sound Quality Evaluation Model

Huang Yincan,Chen Yang
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,Chian）

Passiv e control noise technology can improve inner-vehicle noise effectively.Firstly 8 inner-vehicle noise samples at idle speed were acquired from 8 vehicles of various types of cars.Based on the subjective and objective analysis of noise samples,the correlation between subjective evaluation and objective parameters was formed:the loudness,the sharpness and the roughness of sound are the most important factors influencing the inner-vehicle sound quality.The passive noise control experiment specific to the worst noise sample was conducted,and through the comparison,the objective parameters were reduced significantly.By using objective calculation model and subjective evaluation test,the annoyance level fell from 13 to 10,which demonstrates that the noise control method can effectively enhance sound quality in the vehicle.

inner-vehicle noise,passive control,at idle,subjective evaluation,objective parameters

表2 優(yōu)化前后主觀評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比表

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.006

來稿日期：2012-05-31

黃燦銀（1984-），男，碩士，主要研究方向?yàn)樵肼曊駝?dòng)優(yōu)化控制。