基于聽覺相關(guān)量的怠速噪聲診斷與聲品質(zhì)優(yōu)化*

李洪亮蘇麗俐,2王海洋,2邊科勝

（1.中國汽車技術(shù)研究中心；2.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

基于聽覺相關(guān)量的怠速噪聲診斷與聲品質(zhì)優(yōu)化*

李洪亮1蘇麗俐1,2王海洋1,2邊科勝1

（1.中國汽車技術(shù)研究中心；2.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

針對某自主SUV怠速時車內(nèi)噪聲較大、聲品質(zhì)較差的問題，利用聽覺相關(guān)量分析得到聲音采樣中最易被人耳察覺的頻率成分，采用噪聲源分離方法查找噪聲源并進(jìn)行整改。采取性能優(yōu)化措施后的測試數(shù)據(jù)表明，車內(nèi)怠速N擋空調(diào)關(guān)工況聲壓級從43.86 dB（A）降低至37.5 dB（A），已達(dá)到同級別合資品牌SUV車型優(yōu)秀水平，車內(nèi)聲品質(zhì)主觀評價得分提高。

1 前言

汽車聲品質(zhì)反映了作為評價主體的人對特定條件下聲音的主觀感覺。人耳能判斷的最小聲壓級變化是3 dB（A），當(dāng)?shù)∷僭肼曉?0 dB（A）以下時，雜亂的聲音更易引起煩躁的情緒，因此一味降低車內(nèi)聲壓級目標(biāo)值收效甚微，而應(yīng)更加關(guān)注聲音的純凈度。

針對某自主品牌SUV怠速工況車內(nèi)噪聲較大、聲音雜亂、聲品質(zhì)較差的問題，利用HEAD ArtemiS軟件計算怠速車內(nèi)聲音聽覺相關(guān)量，分析得到聲音中人耳最敏感的頻帶，采用噪聲分離方法查找噪聲源并重點(diǎn)對其進(jìn)行改進(jìn)。此方法可以快速準(zhǔn)確找到影響車內(nèi)聲品質(zhì)貢獻(xiàn)量最大的噪聲源，不但解決了聽覺感受與聲壓級水平不符問題，而且可以有效控制車輛開發(fā)周期及成本。

2 心理聲學(xué)參數(shù)

常用的聲學(xué)分析方法如Level vs.Time、FFT或1/n Octave，只是體現(xiàn)了時域和頻域的聲音能量分布，然而聲音信號中通常承載著令人產(chǎn)生愉悅或煩躁的信息，以上幾種方法不足以解釋。心理聲學(xué)（Psychoacous?tics）結(jié)合生理學(xué)和心理學(xué)在聲音事件和聽覺事件之間建立一種映射關(guān)系，以量化方式反映聲音所要表現(xiàn)的聽覺感受。心理聲學(xué)參數(shù)包括響度、尖銳度、聽覺相關(guān)量、語言清晰度、粗糙度、抖動度和音調(diào)度等[1]。

聽覺相關(guān)量（Relative Approach）描述聲波中突變成分，如Rattle、Squeak等異響的量化參數(shù)，其基本算法是基于人耳聽覺模板的回歸分析（Regression Analy?sis），可以分別在時域和頻域上展開[2]。正弦信號和掃

頻信號如圖1和圖2所示，橫坐標(biāo)代表測試時間（s），縱坐標(biāo)代表頻率（Hz），顏色條代表聽覺相關(guān)量（dB（A））。由圖1和圖2可知，僅在正弦和掃頻聲音信號開始時人耳反應(yīng)最為敏感，當(dāng)經(jīng)過一段時間后，聽覺信號的刺激已經(jīng)趨于平穩(wěn)。車內(nèi)噪聲的雜亂感正是由于聲音信號不穩(wěn)定或噪聲源頻率間存在明顯差異造成的，因此本文使用聽覺相關(guān)量查找車內(nèi)噪聲最易被人耳感知的頻率成分。

3 怠速車內(nèi)噪聲源識別

3.1 可察覺噪聲頻率識別

該款車怠速車內(nèi)噪聲整體水平如圖3所示，其中駕駛員右耳處為43.86 dB（A），高于該車目標(biāo)值約6 dB（A），同時主觀評價團(tuán)成員反映車內(nèi)聲音雜亂，有明顯“噠噠”聲，聲品質(zhì)主觀評價測試得分僅為5分（10分制，6分合格）。從圖3中可以看出，噪聲主要集中在120～300 Hz頻段。圖4為駕駛員右耳處聽覺相關(guān)量，可知不僅200 Hz附近頻段會引起人耳注意，1 000 Hz附近的聲音人耳同樣敏感。

3.2 噪聲源識別

怠速噪聲貢獻(xiàn)量分析試驗(yàn)中的測試數(shù)據(jù)表明，在動力總成本體輻射噪聲、懸置墊傳遞的結(jié)構(gòu)噪聲、排氣口輻射噪聲、轉(zhuǎn)向助力管路結(jié)構(gòu)噪聲和空調(diào)管路振動噪聲等多項(xiàng)噪聲源中，燃油系統(tǒng)的貢獻(xiàn)量最大。如圖5所示，在怠速噪聲源貢獻(xiàn)量分析試驗(yàn)中，駕駛員右耳處噪聲從分離燃油管路與車身連接前的41.35 dB（A）降低至38.86 dB（A），120～300 Hz間峰值明顯降低，由此說明燃油管路敲擊車身引起的結(jié)構(gòu)噪聲需要改進(jìn)。

將外接穩(wěn)壓電源調(diào)整至怠速燃油泵工作電壓，在熄火狀態(tài)下對燃油泵供電，測試燃油泵本體輻射噪聲對駕駛員右耳噪聲的貢獻(xiàn)量，測試數(shù)據(jù)顯示（圖6），1 000 Hz附近的峰值由燃油泵輻射噪聲引起。

為了快速檢驗(yàn)燃油系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量，首先將燃油管路中注入空氣，由于油液與空氣的壓縮比不同，從而削弱了燃油脈動；燃油管路上振動傳感器顯

示120～300 Hz振動降低，然后再使用鉛皮覆蓋燃油泵檢修口屏蔽燃油泵輻射噪聲，1 000 Hz附近峰值消失，怠速噪聲從43.86 dB（A）降低到39.14 dB（A），頻譜如圖7所示。

因此，該車怠速噪聲中最易被人耳察覺的120～300 Hz、1 000 Hz的噪聲源分別是燃油脈動敲擊車身引起的結(jié)構(gòu)噪聲和燃油泵本體輻射噪聲。

4 改進(jìn)措施及方案驗(yàn)證

減小燃油管路中油液脈動引起結(jié)構(gòu)噪聲的措施有：

a.增加管路直徑；

b.縮短管路長度；

c.減小管路曲率；

d.采用橡膠軟管；

e.增加燃油脈動阻尼器；

f.燃油管路與車身連接點(diǎn)增加帶減振墊管夾。

方法a～方法e是降低激勵源，方法f是從傳遞路徑入手進(jìn)行性能改善[3，4]。

鑒于項(xiàng)目開發(fā)周期及費(fèi)用的限制，方法a～方法d方法、方法f由于涉及到燃油管路重新設(shè)計及空間布置，不具備改進(jìn)條件，因此采用方法e對燃油管路油液脈動噪聲進(jìn)行改進(jìn)。

脈動阻尼器是一種用于消除管道內(nèi)液體壓力脈動或流量脈動的壓力容器，分為氣囊式和無移動部件式兩種，可起到穩(wěn)定流體壓力和流量、消除管道振動、保護(hù)下游儀表和設(shè)備、增加泵容積效率等作用。氣囊式燃油脈動阻尼器利用氣囊中惰性壓縮氣體的收縮和膨脹來吸收液體的壓力或流量脈動，適用于脈動頻率小于7 Hz情況的應(yīng)用；無移動部件式脈動阻尼器利用固體介質(zhì)直接攔截流體從而達(dá)到緩沖壓力脈動或流量脈動的效果，適用于中高頻脈動的削弱或消除。鑒于該車型噪聲集中在120～300 Hz，因此選用無移動部件式脈動阻尼器作為性能優(yōu)化的消聲減振元件。

在燃油導(dǎo)軌后增加燃油脈動阻尼器（圖8）的測試數(shù)據(jù)顯示，120～300 Hz車內(nèi)噪聲的峰值顯著降低（圖9），燃油管路與車身前圍連接點(diǎn)處振動加速度（圖10）降低，其中Z向振動由0.11 m/s2降低至0.03 m/s2，證明燃油脈動阻尼器有效降低了燃油管路中油液脈動引起的結(jié)構(gòu)噪聲。

燃油泵檢修口更換為金屬材質(zhì)后，1 000 Hz附近噪聲峰值降低，證明提高隔聲性能可以有效阻隔燃油泵本體輻射噪聲。

采集燃油系統(tǒng)改進(jìn)后的車內(nèi)噪聲，再次進(jìn)行聽覺相關(guān)量分析計算，后續(xù)又針對液壓轉(zhuǎn)向助力噪聲、排氣口輻射噪聲和懸置結(jié)構(gòu)噪聲等噪聲源進(jìn)行改進(jìn)，直至聲壓級滿足目標(biāo)要求。聲壓級達(dá)標(biāo)后的車內(nèi)怠速噪聲在主觀評價測試時已感受不到雜音，聲品質(zhì)主觀評價得分為7分。測試數(shù)據(jù)如圖11所示，駕駛員右耳噪聲從43.86 dB（A）降低至37.5 dB（A）；“CATARC SOUND”NVH性能數(shù)據(jù)庫顯示，該數(shù)據(jù)達(dá)到同級別合資SUV的優(yōu)秀水平。對比聲品質(zhì)改進(jìn)前、后的聽覺相關(guān)量（圖12），駕駛員可明顯察覺的聲音頻率已基本消失。

Diagnosis of Idle Noise and Optimization of Sound Quality Based on Auditory Correlative Quantity

Li Hongliang1,Su Lili1,2,Wang Haiyang1,2,Bian Kesheng1
（1.China Automotive Research Institute,China Automotive Technology and Research Center; 2.State Key Laboratory of Engine Combustion,Tianjin University）

A homemade SUV is diagnosed with high interior noise and poor sound quality at idle speed,to solve this problem,we use auditory correlative quantity analysis to obtain frequency components from sound sample which is most perceivable by human ears,and use noise source separation method to identify sound source and rectify.With performance optimization,the test data show that the sound pressure level of at N-gear of idle speed with the air conditioner off decreases from 43.86dB(A)to 37.56dB(A),which improves its sound level to excellent level of joint venture SUVs of the same class,and subjective evaluation score of interior sound quality is improved.

SUV,Sound quality,Idle condition,Auditory correlative quantity,Fuel system

SUV 聲品質(zhì) 怠速工況 聽覺相關(guān)量 燃油系統(tǒng)

U467.4+93

A

1000-3703（2015）12-0001-03

天津市重點(diǎn)項(xiàng)目（14TXSYJC00457）資助。