汽車座椅水平驅(qū)動(dòng)器聲品質(zhì)客觀參量分析

胡佩佩，戢金國，金江明，盧奐采( .浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州3004；.浙江省信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州3004)

?

汽車座椅水平驅(qū)動(dòng)器聲品質(zhì)客觀參量分析

胡佩佩1，戢金國1，金江明2，盧奐采1
( 1.浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310014；2.浙江省信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310014)

摘要：針對汽車座椅水平驅(qū)動(dòng)器（Horizontal Driving Machine，簡稱HDM）在運(yùn)行情況下出現(xiàn)的異常噪聲(簡稱異響)，提出一種基于主觀感覺的聲品質(zhì)客觀參量分析方法。通過計(jì)算并對比分析主觀判斷有異響HDM和正常HDM聲音的聲品質(zhì)客觀參量，量化有異響HDM和正常HDM噪聲特性以及主觀感受的差別；另外，通過時(shí)頻分析和聲品質(zhì)客觀參量隨時(shí)間變化曲線的對比，有效識(shí)別出有異響HDM以及異響頻率；通過互動(dòng)式濾波處理和聲學(xué)回放，進(jìn)一步確定異響聲源位置。研究結(jié)果表明，該分析方法能識(shí)別有異響HDM。各聲品質(zhì)客觀參量中，尖銳度和有調(diào)度對鑒別HDM聲品質(zhì)貢獻(xiàn)較大。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；汽車座椅水平驅(qū)動(dòng)器；噪聲特性；聲品質(zhì)客觀參量；時(shí)頻分析

汽車座椅水平驅(qū)動(dòng)器（Horizontal Driving Machine，簡稱HDM）是實(shí)現(xiàn)高檔汽車座椅位置自動(dòng)控制的重要部件[1, 2]，它在移動(dòng)過程中產(chǎn)生的噪聲聲壓級(jí)很小，但聲音品質(zhì)的好壞則對汽車舒適性指標(biāo)和定價(jià)影響很大。

目前，HDM的質(zhì)量檢測生產(chǎn)線大多是通過人工聽音的方法[3, 4]判斷產(chǎn)品的質(zhì)量，而這種依靠人主觀感覺與經(jīng)驗(yàn)來確定產(chǎn)品質(zhì)量的診斷方法效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大且判定結(jié)果的重復(fù)性差。近年來，國內(nèi)不少研究者對HDM產(chǎn)品的聲音，展開定量測定與分析診斷的研究。其中，文獻(xiàn)[5]對HDM聲音信號(hào)，進(jìn)行了1/3倍頻程帶通濾波對比分析和Gabor時(shí)頻分析，結(jié)果表明該方法能有效識(shí)別出頻率大于12 kHz的打點(diǎn)噪聲。文獻(xiàn)[6，7]從調(diào)制的角度，闡述了HDM異響原因，并提出利用希爾伯特包絡(luò)解調(diào)結(jié)合傅立葉變換的方法，獲得與故障相關(guān)的特征頻率。這些方法所定量分析的聲音指標(biāo)，都不是基于主觀感覺的客觀參量評價(jià)和分析。因此，提出針對HDM的基于聲品質(zhì)客觀參量的分析方法，客觀定量分析HDM產(chǎn)品的聲品質(zhì)，這對在線、自動(dòng)、定量評定HDM噪聲的方法和技術(shù)研究，具有重要意義[8, 9]。

分別采集人工判斷有異響的HDM和正常HDM兩組聲音信號(hào)，利用Artemis算法分別計(jì)算HDM正向、反向移動(dòng)時(shí)聲音的聲品質(zhì)客觀參量，對HDM進(jìn)行聲品質(zhì)客觀評價(jià)，定量描述有異響HDM和正常HDM的主觀感受差別；通過時(shí)頻分析和聲品質(zhì)客觀參量隨時(shí)間變化曲線對比，確定異響所在頻率范圍；通過對異響頻率進(jìn)行互動(dòng)式濾波處理和聲學(xué)回放，進(jìn)一步確定異響的聲源位置。

1　聲品質(zhì)客觀參量

選擇A聲級(jí)、響度、尖銳度、抖動(dòng)度、粗糙度和有調(diào)度6個(gè)主要聲品質(zhì)客觀參量對HDM進(jìn)行分析[10–14]。其中，A聲級(jí)是用聲級(jí)計(jì)的A計(jì)權(quán)算法測得的聲級(jí)，描述人耳對聲音強(qiáng)弱的感覺，單位dB (A)，其它聲品質(zhì)客觀參量的定義及計(jì)算公式如表1所示。

表1　聲品質(zhì)客觀參量的定義及計(jì)算公式

2　聲品質(zhì)客觀參量的測量

2.1噪聲樣本的采集

實(shí)驗(yàn)對象為人工判斷有異響的HDM和正常的HDM，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有數(shù)字人工頭、HEAD Analyzer Artemis軟件系統(tǒng)、供給電壓設(shè)備、HDM測試平臺(tái)。

在全消聲室內(nèi)，將數(shù)字人工頭放置于HDM平臺(tái)垂直上方，人工頭耳朵中心位置與HDM垂直距離為650 mm。圖1、圖2分別為實(shí)驗(yàn)測試的HDM平臺(tái)示意圖以及設(shè)備布置圖。

圖1　HDM平臺(tái)上各部件示意圖

采用德國HEAD Acoustics公司生產(chǎn)的HEAD HMSIII進(jìn)行噪聲信號(hào)采集，試驗(yàn)時(shí)依次更換不同HDM（其中編號(hào)為1#、2#、3#和4#的HDM被人工判為有異響HDM，1*、2*和3*HDM被人工判為正常HDM），分別在HDM正向、反向移動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)采集人工頭左耳的聲音信號(hào)（其中水平驅(qū)動(dòng)器上螺母座靠近電機(jī)和齒輪箱方向?yàn)檎?，螺母座部分遠(yuǎn)離電機(jī)和齒輪箱的方向?yàn)榉聪颍看尾杉瘯r(shí)間為10s。

圖2　數(shù)字人工頭與HDM平臺(tái)

2.2計(jì)算結(jié)果

經(jīng)后處理軟件HEAD Analyzer Artemis12.0對信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和處理，得到各聲品質(zhì)參量的數(shù)值，如表2所示。

3　結(jié)果分析

3.1聲品質(zhì)客觀參量分析

從表2中，單獨(dú)對比HDM反向移動(dòng)時(shí)各參數(shù)值，異響HDM與正常HDM的值沒有較大差別，單獨(dú)對比正向移動(dòng)時(shí)的各參數(shù)值也是如此，所以通過單獨(dú)比較HDM正向或者反向移動(dòng)時(shí)的各參數(shù)值，難以識(shí)別出HDM的聲品質(zhì)。

如表3、圖3和圖4所示，對比分析HDM各參數(shù)在正、反向移動(dòng)時(shí)的差值，可以看到：異響HDM正、反向移動(dòng)時(shí)聲音的尖銳度和有調(diào)度差值普遍比正常HDM的差異值大，2#和4#HDM的A計(jì)權(quán)聲級(jí)和響度在正、反向移動(dòng)時(shí)的差值較大，3# HDM尖銳度和有調(diào)度在正、反向移動(dòng)時(shí)的差值最大。這說明可通過HDM各參數(shù)正、反向移動(dòng)時(shí)的差值來識(shí)別HDM聲品質(zhì)，其中尖銳度和有調(diào)度正、反向移動(dòng)時(shí)的差值對識(shí)別HDM聲品質(zhì)的貢獻(xiàn)較大。另外，HDM粗糙度、抖動(dòng)度的值都很小，且正、反向移動(dòng)時(shí)的差值也很小，對識(shí)別HDM聲品質(zhì)的貢獻(xiàn)較小。

圖3　HDM正、反向移動(dòng)時(shí)的A聲級(jí)

表2　7個(gè)HDM正向、反向移動(dòng)時(shí)的A計(jì)權(quán)聲級(jí)、響度、尖銳度、粗糙度、抖動(dòng)度、有調(diào)度的值

表3　HDM各參量正、反向移動(dòng)的差值

圖4　HDM正、反向移動(dòng)時(shí)的響度、尖銳度、有調(diào)度

因此，可通過尖銳度和有調(diào)度在正、反向移動(dòng)時(shí)的差值是否超過一定閾值來實(shí)現(xiàn)HDM聲品質(zhì)的鑒別。

3.2異響分析

取1*HDM與1#HDM聲音信號(hào)進(jìn)行分析對比，結(jié)果如圖5至圖9所示。

從圖5至圖9中左側(cè)1*各曲線圖上可看出1*HDM正、反向移動(dòng)時(shí)聲音的時(shí)域曲線相近，各聲品質(zhì)參數(shù)正、反向移動(dòng)時(shí)聲音曲線間的差異也很小。而圖5中1#HDM反向移動(dòng)4 s之后聲音出現(xiàn)明顯異常；圖7、圖8、圖9中可直觀地看出1#HDM在分別反向移動(dòng)8 s和正向移動(dòng)5 s時(shí)響度出現(xiàn)明顯突變，尖銳度、有調(diào)度曲線在正、反向移動(dòng)時(shí)的差異明顯較大。這也與3.1節(jié)分析結(jié)果相一致。

在1#HDM FFT分析圖中，HDM反向移動(dòng)時(shí)頻率在340 Hz處聲音出現(xiàn)最高的峰值，且正、反向移動(dòng)時(shí)聲壓級(jí)差值達(dá)17 dB。對中心頻率在340 Hz的噪聲頻帶進(jìn)行互動(dòng)式濾波處理，并進(jìn)行聲學(xué)回放。通過濾波前后主觀聽覺對比，結(jié)果表明：濾波后減速箱與固定架之間接觸振動(dòng)噪聲明顯減弱，聲品質(zhì)顯著改善。而減速箱與固定架之間接觸振動(dòng)噪聲異常主要是齒輪箱內(nèi)蝸桿/斜齒輪副嚙合故障引起的。

圖5　1*與1#HDM聲音時(shí)域?qū)Ρ葓D（黑色曲線：正向移動(dòng)，灰色曲線：反向移動(dòng)）

圖6　1*與1#HDM聲音FFT對比圖（黑色曲線：正向移動(dòng)，灰色曲線：反向移動(dòng)）

圖7　1*與1#HDM聲音響度對比圖（深色曲線：正向移動(dòng)，淺色曲線：反向移動(dòng)）

4　結(jié)語

基于聲品質(zhì)客觀參量的分析方法，定量分析了人工判斷有異響與正常的兩組HDM聲音的聲品質(zhì)特性，得到如下結(jié)論：

(1)通過單獨(dú)比較HDM正向或者反向移動(dòng)時(shí)的各參數(shù)值，并不能有效識(shí)別出HDM的聲品質(zhì)。

圖8　1*與1#HDM聲音尖銳度對比圖（黑色曲線：正向移動(dòng)，灰色曲線：反向移動(dòng)）

圖9　1*與1#HDM聲音有調(diào)度對比圖（深色曲線：正向移動(dòng)，淺色曲線：反向移動(dòng)）

(2) HDM聲品質(zhì)客觀參量在正、反向移動(dòng)時(shí)的差值能有效識(shí)別其聲品質(zhì)好壞，其中尖銳度和有調(diào)度貢獻(xiàn)較大。因此，可通過尖銳度和有調(diào)度在正、反向移動(dòng)時(shí)的差值是否超過一定閾值來定量實(shí)現(xiàn)聲品質(zhì)的鑒別。

(3)通過HDM正、反向移動(dòng)時(shí)聲音的FFT分析對比圖中，可識(shí)別出故障HDM的異響頻率范圍。通過互動(dòng)式濾波處理，間接分析出異響原因。

總體而言，基于聲品質(zhì)客觀參量的分析方法能有效識(shí)別有異響的HDM，從而為HDM噪聲對汽車舒適性影響的定量評定提供一種新的思路和方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐平均，歐陽志喜，李偉，等.一種緊湊型汽車座椅水平驅(qū)動(dòng)器[P].中國專利：ZL200620106505.7，2007，9.

[2]唐艾君，張釗，劉立君.基于聲信號(hào)汽車座椅水平驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品的質(zhì)量分析[J].制造業(yè)信息化，2014，10：174-176.

[3] Erkki J. How to diagnose the wear of rolling element bearings based on indirect condition monitoring methods [J]. International Journal of Comadem, 2006, 9(3):24-38.

[4] Lahdelma S, Juuso E. Advanced signal processing and fault diagnosis in condition monitoring[J]. Insight:Non-Destructive Testing and Condition Monitoring, 2007, 49 (12):719-725.

[5]劉立君，楊克己，王奇，等.汽車座椅水平驅(qū)動(dòng)器打點(diǎn)噪聲識(shí)別分析[J].中國機(jī)械工程，2010，21(22)：2760-2770.

[6]王奇.基于聲信號(hào)汽車座椅水平驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量檢測方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[7]王奇，劉立君，楊克己，等.一種緊湊型汽車座椅水平驅(qū)動(dòng)器的聲音品質(zhì)識(shí)別[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31(1)：167-172.

[8]歐陽丹.基于動(dòng)態(tài)舒適性的汽車座椅系統(tǒng)的研究[D].長沙：湘潭大學(xué)，2012.

[9]樊慧.基于虛擬樣機(jī)和人機(jī)工程學(xué)的汽車座椅舒適性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[10]梁杰.基于雙耳聽覺模型的車內(nèi)聲品質(zhì)分析與評價(jià)方法研究[D].長春：吉林大學(xué)，2007.

[11]高印寒，孫強(qiáng)，粱杰，等. B級(jí)轎車車內(nèi)噪聲品質(zhì)的主觀評價(jià)研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2010，30(4)：115-118.

[12]扈凱，王巖松.軌道車輛車內(nèi)聲場仿真及聲品質(zhì)優(yōu)化[J].噪聲與振動(dòng)控制，2014，34(4)：174-177.

[13]李加威，張建潤，等.結(jié)合聲強(qiáng)測試的風(fēng)冷式電冰箱聲品質(zhì)評價(jià)[J].噪聲與振動(dòng)控制，2015，35(1)：187-203.

[14] Zwicker, Fastl H. Psychoacoustics:Facts and Models[M]. Germany:Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007.

Objective Parameters Analysis of Sound Quality of Auto Horizontal Driving Machines

HU Pei-pei1, JI Jin-guo1, JIN Jiang-ming2, LU Huan-cai1
(1. Key Laboratory of Special Equipment ManufactureandAdvanced Processing Technology, Ministry of Education& Zhejiang Province, Zhejiang University of Technolory, Hangzhou 310014, China; 2. Key Laboratory of Signal Processingof Zhejiang Province, Hangzhou 310014, China)

Abstract:An approach for thecharacteristic analysisof thenoiseof auto horizontal driving machine(HDM) based on the objectiveparametersof sound quality waspresented. Two setsof thesound quality objectiveparametersfrom theabnormal and normal HDMs, which were subjectively classified and judged by juries, were acquired, calculated, compared and analyzed. Thus, the subjective differences and characteristics of the noise of HDMs were objectively quantified. In addition, the frequencies of the noise from the abnormal HDMs were identified based on the time-frequency analysis and the comparison with thecurvesof objectiveparametersvs. time. Finally, thefrequency componentsof thenoisefrom theabnormal HDMscan then befurther identified by theinteractivefiltering and acoustic playback. Theresultsshow that thetwo objectiveparameters of sound quality, sharpness and tonality, are the most effective objective parameters for the identification of the noise of the abnormal HDM.

Key words:acoustics; horizontal driving machine; noise characteristic; objective parameter of sound quality; timefrequency analysis

通訊作者：盧奐采，女，博士生導(dǎo)師。E-mail:huancailu@zjut.edu.cn

作者簡介：胡佩佩(1991- )，女，浙江省衢州市人，碩士生，主要研究方向?yàn)槁暺焚|(zhì)客觀參量三維成像研究。E-mail:hupeipei_svlab@163.com

收稿日期：2015-09-22

文章編號(hào)：1006-1355(2016)02-0116-05

中圖分類號(hào)：U467.4+93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.026