柴油機(jī)聲品質(zhì)客觀參量測試及分析

王甫江，劉 巖，張曉娟

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連116028；2.大連科技學(xué)院 機(jī)械工程系，遼寧 大連116052)

柴油機(jī)聲品質(zhì)客觀參量測試及分析

王甫江1，劉 巖1，張曉娟2

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連116028；2.大連科技學(xué)院 機(jī)械工程系，遼寧 大連116052)

在柴油機(jī)的不同速度和負(fù)荷下，進(jìn)行現(xiàn)場噪聲測試，并且分析了響度、尖銳度、粗糙度和抖動(dòng)強(qiáng)度等4種噪聲客觀評(píng)價(jià)參量。經(jīng)數(shù)據(jù)分析后可知，特征響度曲線能準(zhǔn)確反映決定人耳聽覺響亮程度感受變化的聲音頻率成分。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的增加，噪聲的響度值和尖銳度值呈現(xiàn)了明顯遞增的趨勢。同時(shí)，在900 r/m in～1 700 r/m in范圍內(nèi)，抖動(dòng)度值也呈現(xiàn)了明顯減小的趨勢。

聲學(xué)；柴油機(jī)；噪聲；聲品質(zhì)；客觀參量

在傳統(tǒng)的噪聲評(píng)價(jià)和控制中，由于通常采用的A計(jì)權(quán)聲級(jí)在低頻范圍的聲壓級(jí)被大幅衰減，其結(jié)果是：即使噪聲達(dá)到A聲壓級(jí)要求，也與噪聲實(shí)際情況，特別是其傳聲機(jī)理和聲場分布規(guī)律不相符合，給產(chǎn)品的減振降噪設(shè)計(jì)帶來偏差。近年來，國內(nèi)外許多的學(xué)者對(duì)聲品質(zhì)進(jìn)行了研究，并提出了現(xiàn)代噪聲控制的全新理念，即噪聲控制不僅要降低噪聲的聲壓級(jí)，還要調(diào)節(jié)噪聲的音質(zhì)特性，消除令人煩惱的成分，保留令人愉悅的成分，最終實(shí)現(xiàn)選擇性噪聲控制，使其符合人們主觀感受的要求[1]。當(dāng)前，較為成熟的聲品質(zhì)參量主要有：響度、尖銳度、粗糙度和抖動(dòng)度等。

1 柴油機(jī)噪聲測試

1.1 聲學(xué)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)是測定柴油機(jī)整機(jī)的表面輻射噪聲。試驗(yàn)對(duì)象為某增壓直噴式，六缸直列中冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率為140 kW。此柴油機(jī)采用水冷裝置，未安裝空氣濾清器，未裝風(fēng)扇，因此不考慮風(fēng)扇噪聲，對(duì)整機(jī)測試時(shí)不考慮排氣噪聲。柴油機(jī)固定在試驗(yàn)臺(tái)上，并且直連到測功機(jī)上，以測定其轉(zhuǎn)速和功率。試驗(yàn)室四周及頂面設(shè)有微穿孔板吸聲材料。

1.2 測試儀器及測點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用噪聲測試及分析系統(tǒng)，主要由SQLab II多通道數(shù)據(jù)采集記錄器前端、HMS III雙耳信號(hào)采集器（人工頭）、聲學(xué)傳感器以及Artem is分析軟件等組成。測試按照國標(biāo)《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)輻射的空氣噪聲測量工程法及簡易法》（GB1859-2000）要求采用五點(diǎn)布置法，如圖1所示。

圖1 測量表面及測點(diǎn)布置示意圖

2 柴油機(jī)噪聲聲品質(zhì)客觀參量分析

運(yùn)用人工頭采集聲音樣本，為噪聲聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)提供了準(zhǔn)確、可靠的保證。本次試驗(yàn)把人工頭放置在測點(diǎn)三位置，其他測點(diǎn)數(shù)據(jù)將作為輔助驗(yàn)證與診斷。對(duì)采集到的聲音樣本進(jìn)行響度、尖銳度、粗糙度、抖動(dòng)度等客觀參量進(jìn)行分析。

2.1 聲音樣本的響度分析

響度是反映人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱主觀感受程度的心理聲學(xué)參數(shù)，它考慮人耳對(duì)聲音頻譜的掩蔽特性，能比A聲級(jí)更準(zhǔn)確的反映聲音信號(hào)的響亮程度[2]。

由圖2可知，從總體上看，響度隨著速度與負(fù)荷的不斷增加呈逐漸增加的趨勢。當(dāng)轉(zhuǎn)速為900 r/min、負(fù)荷為20%時(shí)，響度值為77.4 sone；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 900 r/min、負(fù)荷為100%時(shí)，響度值達(dá)到最大為193.9 sone。理論上響度值愈大，對(duì)人造成的煩燥程度愈嚴(yán)重，聲音品質(zhì)就越差，但響度不是噪聲聲品質(zhì)的決定標(biāo)準(zhǔn)。

由圖3(a)可知，特征響度主要集中在7 Bark～13 Bark，特征響度曲線持續(xù)中頻峰值，后急速下降，最后呈階梯狀逐漸減弱消失，說明人耳頻率掩蔽特征對(duì)響度的作用。特征響度峰值出現(xiàn)在1 Bark～2 Bark(約100 Hz)和9 Bark～11 Bark(約1 000 Hz)處，在10 Bark處兩耳響度差值達(dá)到最大。由圖3(b)可知隨著轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的增加，柴油機(jī)噪聲各頻率成分的特征響度增長差異較大。特征響度增長越大,與之相對(duì)應(yīng)的臨界頻帶上的噪聲成分對(duì)總響度的影響就越突出，即為引起總響度變化的主要頻率范圍。兩耳特征響度值差值在中低頻處較小，特征響度的峰值向高頻段轉(zhuǎn)移，特征響度峰值出現(xiàn)在23 Bark (約1 000 Hz)處，且兩耳差值達(dá)到最大。

圖2 響度與速度、負(fù)荷的關(guān)系

為了對(duì)比分析響度、A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、線性聲壓級(jí)三者的特征，選取了速度為1 900 r/m in、負(fù)荷為80%的聲音樣本為研究對(duì)象進(jìn)行分析。

從圖4可以看出，線性聲壓級(jí)表征柴油機(jī)噪聲表大部分能量集中在中高頻段而且低頻段能量也較高。A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)噪聲能量主要集中在1 000 Hz～10 000 Hz范圍內(nèi)，峰值出現(xiàn)在10 000 Hz（約22.5 Bark）處，為103 dB(A)。由于A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)在低頻段聲壓級(jí)被大幅衰減，在低頻率段與響度差別較大。在整個(gè)臨界頻帶內(nèi)左右耳響度值差異較大，且在17.5 Bark處差值到最大，兩耳響度值在22.5 Bark處達(dá)到最大值。特征響度顯著頻段覆蓋了線性聲壓級(jí)顯著頻率且包括了A聲級(jí)顯著頻段的絕大部分,兼顧了兩種聲壓級(jí)顯著頻率范圍的內(nèi)涵,既能體現(xiàn)線性聲壓級(jí)對(duì)噪聲頻譜特性的反映,也能體現(xiàn)A聲級(jí)所隱含人耳感覺的反應(yīng)[3]。由此可知，特征響度曲線能準(zhǔn)確反映決定人耳聽覺響亮程度感受變化的聲音頻率成分，運(yùn)用A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)評(píng)價(jià)噪聲時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤差，使評(píng)價(jià)結(jié)果偏離人的主觀感受。

圖3 左右耳特征響度

圖4 轉(zhuǎn)速為1 900 r/min、負(fù)荷為80%的噪聲譜

2.2 聲音樣本的尖銳度分析

尖銳度是描述高頻成分在聲音頻譜中所占比例的參數(shù)，它反映了聲音信號(hào)的刺耳程度。通常高頻成分響度越大，其尖銳度值就越大，人就感覺越刺耳。

由圖5可知，從總體上看，尖銳度值隨轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的增加而呈明顯的增大趨勢，且變化趨勢與響度值的變化趨勢相似。在轉(zhuǎn)速為1 900 r/m in，負(fù)荷從20%增加到100%時(shí)，尖銳度值由7.56 acum增加到14.4 acum，差值為6.84 acum。在負(fù)荷為100%，轉(zhuǎn)速從900 r/min增加到1 900 r/m in時(shí)，尖銳度值由6.69 acum增加到14.4 acum，差值為7.71 acum。由此可知，轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的增大，噪聲的高頻成分就越加突出，人的主觀感覺就越加刺耳，聲品質(zhì)越差。

研究發(fā)現(xiàn)可以通過增加低頻成分從而降低聲音的尖銳度。雖然這種改變會(huì)使聲音的響度略微增加，但大多數(shù)情況下通過這種方法來降低聲音的尖銳度從而獲得更好的聲音品質(zhì)[4]。

圖5 尖銳度與速度、負(fù)荷的關(guān)系

2.3 聲音樣本的粗糙度分析

粗糙度是描述聲音信號(hào)調(diào)制程度的心理聲學(xué)參數(shù)，它反映信號(hào)調(diào)制幅度的大小、調(diào)制頻率的分布等特征，適應(yīng)于評(píng)價(jià)20 Hz～200 Hz調(diào)制頻率的聲音，特別對(duì)70 Hz附近的聲音有突出的評(píng)價(jià)效果[2]。

由圖6可知，轉(zhuǎn)速在900 r/m in～1 500 r/m in范圍內(nèi)，左右耳粗糙度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，轉(zhuǎn)速在1 500 r/m in以后呈減小趨勢，并且右耳的粗糙度值要比左耳的粗糙度值大。在轉(zhuǎn)速為900 r/min、負(fù)荷為20%時(shí)，左右耳粗糙度值相差最大，左耳尖銳度為5.63 asper，右耳尖銳度為6.43 asper，差值為0.8 asper。

如圖7(a)所示，特征粗糙度主要集中在7 Bark～13 Bark，峰值出現(xiàn)在9 Bark～11 Bark，右耳特征粗糙度值為0.742 asper，左耳的特征粗糙度值為0.611 asper 11 Bark以后逐漸減弱消失。如圖7(b)所示，與圖7(a)相比特征粗糙度在0～6 Bark范圍內(nèi)有所增加，而峰值有所降低，兩耳特征粗糙度值差異較小。

圖6 左右耳粗糙度與速度、負(fù)荷的關(guān)系

圖7 左右耳特征粗糙度

2.4 聲音樣本的抖動(dòng)度分析

抖動(dòng)度用于描述人耳對(duì)緩慢移動(dòng)調(diào)制聲音的感受程度。影響抖動(dòng)度的因素有：信號(hào)的時(shí)域結(jié)構(gòu)、帶寬、調(diào)制頻率、調(diào)制的程度、聲壓級(jí)大小等。調(diào)制頻率在0～20 Hz時(shí)，以抖動(dòng)度來描述聲壓變動(dòng)[5]。

從圖8中可以看出，從總體上看，抖動(dòng)度值隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。轉(zhuǎn)速在900 r/m in～1 700 r/m in范圍內(nèi)，抖動(dòng)度值呈明顯的減小趨勢，在1 700 r/m in以后抖動(dòng)度趨于平穩(wěn)。

如圖9(a)所示，兩耳的特征抖動(dòng)度值差異較明顯，特征抖動(dòng)強(qiáng)度主要集中在8 Bark～12 Bark，峰值出現(xiàn)在10 Bark～11 Bark，左耳的特征抖動(dòng)強(qiáng)度值為0.0078 vacil，左耳的特征抖動(dòng)強(qiáng)度值為0.007 1 vacil，11 Bark以后急劇減弱。如圖12(b)所示，特征抖動(dòng)強(qiáng)度主要集中在3 Bark～5 Bark，峰值出現(xiàn)在2.5 Bark左右，在10 Bark以后特征抖動(dòng)強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。從整體上看，隨著轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的增加，特征抖動(dòng)度有逐漸減小的趨勢。

由此可知，隨著轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的增加，特征抖動(dòng)度峰值向低頻段轉(zhuǎn)移。

圖8 左右耳抖動(dòng)度與速度、負(fù)荷的關(guān)系

3 結(jié)語

（1）特征響度曲線能準(zhǔn)確反映決定人耳聽覺響亮程度感受變化的聲音頻率成分，用響度這一客觀量來評(píng)價(jià)噪聲可以真實(shí)地反映人對(duì)噪聲的主觀感覺；

（2）柴油機(jī)輻射噪聲中含有高頻能量成分，隨著轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的增大，高頻成分增加，尖銳度適宜于描述柴油機(jī)輻射噪聲中高低頻成分的變化情況；

（3）隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的增加噪聲的響度值和尖銳度值呈明顯遞增趨勢；在900 r/min～1 700 r/m in范圍內(nèi)，抖動(dòng)度值呈明顯的減小趨勢。

圖9 左右耳特征抖動(dòng)度

[1]劉宗巍，王登峰.車內(nèi)噪聲質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)及其改善措施的研究與發(fā)展[J].汽車技術(shù)，2006(7)：1-4.

[2]申 珅.噪聲聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)分析系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].長春：吉林大學(xué)，2007.

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Measurement and Analysis of Objective Parameters of Sound Quality for a Diesel Engine

WANG Fu-jiang1,LIU Yan1,ZHANG Xiao-juan2

(1.Institute of Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,Liaoning China; 2.Department of Mechanical Engineering,Dalian Institute of Science and Technology, Dalian 116052,Liaoning China)

The noise of a diesel engine at different speed and load is measured and analyzed w ith the four objective evaluation parameters of noise:loudness,sharpness,roughness and fluctuation intensity.The results show that the specific loudness curve can accurately reflect the human auditory experience due to the change of sound frequency components.With the increase of the speed and the load of the engine,the loudness and sharpness increase significantly.And in the speed range of 900 r/m in～1 700 r/m in,the fluctuation intensity decreases significantly.

acoustics;diesel engine;noise;sound quality;objective parameter

1006-1355(2014)04-0192-05

O42；O422.8；TK42；TK417+.125 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.042

2013-09-29

王甫江（1986-），男，江蘇徐州人，碩士，研究方向：噪聲與振動(dòng)控制。

E-mail:fu2008jiang@163.com