基于心理聲學(xué)的汽車子系統(tǒng)振動異響評價探究

沈沉+劉宇+羅俊雄+高彰杰

摘 要：汽車行駛過程中的內(nèi)飾子系統(tǒng)振動異響會引起乘員的不適與疲勞。現(xiàn)有通過評分或評級的異響主觀評價量化方法不利于噪聲記錄和工程經(jīng)驗積累，而且不同人對聲音評價的差異較大。通過對試驗結(jié)果及心理聲學(xué)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，總結(jié)出更貼合主觀感受的客觀評價經(jīng)驗公式，并解釋了不同人群對內(nèi)飾子系統(tǒng)振動異響評價結(jié)果不同的原因。試驗和分析結(jié)果能直接應(yīng)用于工程開發(fā)，具有實際工程意義。

關(guān)鍵詞：NVH；振動異響；心理聲學(xué)；聲品質(zhì)

中圖分類號：U467.4+93文獻標(biāo)文獻標(biāo)識碼：A文獻標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.03.10

Abstract：The squeak and rattle issue in the automotive interior subsystem can cause discomfort and fatigue for passengers. However， the current subjective evaluation methods， e.g.，the grading method， were unfavorable to recording the noise and accumulating the engineering experience.Furthermore， different people may have quite different evaluations for a single sound. Based on the squeak and rattle experiments and psychoacoustics analysis， an empirical formula of the objective evaluation to fit the subjective experience better was obtained， and also， the reason was explained that different types of crowds may have different subjective evaluation results for the subsystem squeak and rattle test. This new evaluation method has a practical purpose and can be applied in the engineering development.

Keywords：NVH； squeak and rattle； psychoacoustics； sound quality

乘用車的噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise，Vibration，Harshness，NVH）性能直接影響到乘坐舒適性，汽車行駛時的振動異響（Squeak and Rattle，S & R）問題是一種常見的NVH問題，會引起乘員不適與疲勞[1]，越來越多的主機廠和供應(yīng)商開始關(guān)心該問題并設(shè)法解決。由于行駛時的振動異響源主要來自車輛各個子系統(tǒng)（如儀表板總成、中控臺總成、座椅總成、門板總成等），業(yè)內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用靜音振動臺模擬路譜，并對汽車子系統(tǒng)施加激勵，在半消聲室內(nèi)評估診斷異響源，以求改善整車NVH性能。汽車振動異響是一種主觀感受，定義并識別異響在汽車子系統(tǒng)研發(fā)和認(rèn)證過程中十分重要。相關(guān)研究已經(jīng)表明：車內(nèi)NVH舒適性與響度、尖銳度、粗糙度、抖動度等因素相關(guān)[2]。而汽車子系統(tǒng)的振動異響對車內(nèi)噪聲的響度、尖銳度、粗糙度都具有明顯的影響，所以研究并改善振動異響具有重要的工程意義。雖然已經(jīng)有一些計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）方面的研究方法開始應(yīng)用于工程開發(fā)[3]，但在工程項目上，目前仍然主要通過臺架試驗對汽車子系統(tǒng)振動異響進行評估。從開發(fā)角度而言，往往會采用聲學(xué)陣列捕捉聲源分布以便診斷異響源并尋求改進[4]；從認(rèn)證或評判角度而言，由于通過評分來主觀評價的量化方法難以在不同項目中相互比較，不利于工程數(shù)據(jù)的傳承與積累，加之不同人對聲音評價的差異較大，因此，亟需一種完善并且更貼合人耳主觀感受的測量評判標(biāo)準(zhǔn)以評估汽車子系統(tǒng)振動異響特性。

1 試驗的主觀評價

1.1 試驗設(shè)置及采集

為了研究振動異響噪聲的主觀感受與心理聲學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，由于其它汽車子系統(tǒng)也有類似特性，以某車型座椅系統(tǒng)為例展開研究，圖1為試驗臺架的布置情況。信號發(fā)生器通過傅里葉（Fourier）逆變換生成的偽隨機路譜經(jīng)過功率放大器后輸入激振器，在座椅固定點附近的剛性工裝上布置加速度傳感器，反饋并修正信號發(fā)生器的輸出信號，以達到閉環(huán)控制的目的。

將頻率響應(yīng)范圍為3.15～20 000 Hz，動態(tài)范圍為15～147 dB的麥克風(fēng)布置在距離被測樣件150 mm的位置，麥克風(fēng)采用1 000 Hz、114 dB的純音標(biāo)定。分別從15個測點位置測量三個方向（x、y、z方向）的激振，測得45段聲壓信號，并從中篩選出10段具有代表性的聲音，隨機編號為a，b，c到j(luò)作為研究對象。圖2為10段聲音在1 s時長內(nèi)的時域信號。

1.2 主觀評估方法及結(jié)果

一般對于復(fù)雜的評價試驗，在試驗前要對評價人員進行適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，使評價人員熟悉聲音樣本和評價任務(wù)。通常將評價人員限制在10人以下，甚至小于5名[5]。共有9名工程師對這些聲音片段做了主觀評估（其中4名工程師長期從事整車及子系統(tǒng)異響的評估工作和異響源的識別與診斷工作）。采用高信噪比（105 dB）耳機對采集的聲壓數(shù)據(jù)實施回放，每個人均得到了各自對10段音頻的主觀擾人程度由高到低的排序。排序方法采用成對比較法（Pair-Comparison，PC），這種方法具有簡單易行的優(yōu)勢，能夠得到所有噪聲的擾人程度排序，每位工程師總共需要進行n（n-1）/2=45次比較。表1為各位工程師對a～j音頻擾人程度的排序（表中1為擾人程度最低，10為擾人程度最高），整理后的主觀評價結(jié)果見表1。

分析上述排序名次，做不同人員排序的相關(guān)性分析，計算得到每段音頻名次的平均標(biāo)準(zhǔn)差約為1.37（最大為1.81），這說明雖然各個工程師對噪聲的理解和感受不同，但總體趨勢具有一定的一致性。

2 心理聲學(xué)參數(shù)的選取和計算方法

2.1 心理聲學(xué)參數(shù)的選取

心理聲學(xué)分析參數(shù)有許多，一般描述聲音對人體感知程度最常用的有響度（Loudness）、粗糙度（Roughness）、尖銳度（Sharpness）、抖動度（Fluctuation）等心理聲學(xué)參數(shù)[6]。其中抖動度針對20 Hz以下的調(diào)制，對于振動異響，噪聲的響度比（Loudness Ratio）較大，抖動度也較大，因此在振動異響評估中與主觀感受的相關(guān)性不大。為了盡可能全面地分析異響，選取了響度、粗糙度和尖銳度三個心理聲學(xué)參數(shù)。

2.2 Zwicker N10響度

一般對振動異響的客觀評價最常使用這個心理聲學(xué)參數(shù)。由于異響噪聲是隨著時間變化的，所以它們的響度也是隨時間而變化的。按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO532B步驟和德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN45631程序算法，計算響度時未考慮掩蔽效應(yīng)，采用Zwicker的計算模型，使用1/3倍頻帶作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，引入臨界頻帶概念對人耳的掩蔽效應(yīng)作相應(yīng)修正，適用于自由聲場或擴散聲場的計算，為了能體現(xiàn)掩蔽效應(yīng)，常用超過采樣時間某一百分比的響度。Hellman和Zwicker測試了兩種混合敲擊聲音的響度，發(fā)現(xiàn)整個采樣時間段中超過10%的統(tǒng)計響度，能對振動敲擊聲的主觀感知進行預(yù)估。

為了有效屏蔽低頻噪聲，音頻預(yù)處理采用了300 Hz高通濾波，并加漢寧（Hanning）窗，以2 ms為單位，參照ISO532B的方法計算動態(tài)響度。由大到小排序后選取10%分位的響度值作為Zwicker N10響度。

2.3 平均粗糙度

粗糙度的調(diào)制范圍為20～200 Hz，由于目前粗糙度的計算尚無統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，Vassilakis、Aures、Zwicker和Fastl、Sottek、Daniel以及Weber、Hoeld-rich、Pflueger等都提出過不同的計算模型[7]，各模型的主要差別在于將信號包絡(luò)轉(zhuǎn)換為粗糙度的方式。這里采用了從Aures發(fā)展而來的Daniel和Weber粗糙度算法[8]計算，該算法具有易于實現(xiàn)的優(yōu)勢且精度較好。粗糙度的計算思路是頻帶的特征粗糙度加權(quán)求和，計算表達式如式（1）。

式中：ri為頻帶i的特征粗糙度；常數(shù)c是為了使標(biāo)準(zhǔn)信號（70 Hz、100%調(diào)幅調(diào)制、60 dB、1 kHz純音）的粗糙度為1 asper；ki的詳細(xì)定義見文獻[9]。將計算得到的動態(tài)粗糙度求出算數(shù)平均值即為平均粗糙度。

2.4 S10尖銳度

由于目前尖銳度的計算尚無統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，對音頻信號以2 ms為單位加漢寧窗，計算動態(tài)尖銳度，Zwicker & Fastl[10]。參考N10響度的統(tǒng)計計算方法，動態(tài)尖銳度的表達式如式（2），對動態(tài)尖銳度排序后計算出S10尖銳度。

式中：為臨界頻帶響度；z為臨界頻帶尺度；g（z）為修正因子。

3 心理聲學(xué)參數(shù)與主觀感受的關(guān)系

3.1 心理聲學(xué)參數(shù)計算結(jié)果

采用上述計算方法處理，得到的心理聲學(xué)參數(shù)值見表2。

3.2 機理分析

結(jié)合異響噪聲特性分析計算得到的心理聲學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)如果振動異響中存在皮革或者包覆的摩擦聲（如音頻i），平均粗糙度很高，這種聲音容易造成乘客的聽覺疲勞。

S10尖銳度也是兩批工程師判斷分歧最大的因素。由于目前汽車吸、隔聲材料大量應(yīng)用，且這些材料大都對中高頻噪聲具有良好的吸收和阻隔作用，而對于低頻噪聲的吸、隔聲效果較差，因此實車行駛環(huán)境（比如比利時路）中，路噪、胎噪和發(fā)動機噪聲傳入座艙后會形成低頻背景噪聲，因此在頻域掩蔽效應(yīng)的作用下，S10尖銳度高的噪聲更易在實車行駛過程中被乘客察覺。專業(yè)評估噪聲的工程師會考慮振動異響在整車情況下對乘客的干擾程度，而非專業(yè)評估噪聲的工程師主要針對回放時所聽到的噪聲本身，因此其平均名次趨勢更接近N10響度的排序情況。圖3分別為音頻h和音頻j的聲譜圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)音頻h包含了大量高于1.4 kHz的噪聲信號（S10尖銳度很大），而音頻j雖然N10響度大于音頻h，但專業(yè)評估噪聲的工程師認(rèn)為其擾人程度并不及音頻j。

3.3 經(jīng)驗公式

目前已經(jīng)有許多結(jié)合心理聲學(xué)參數(shù)并反映主觀擾人程度的方法，其中比較著名的有：Aures提出的一個感覺舒適度的計算，粗糙度R、尖銳度S、音調(diào)度T以及響度N[11]；Hussain提出的煩惱度指數(shù)AVL[12]；Widmann提出的心理學(xué)惱人程度符合無偏煩惱度計算模型（UBA）的計算方法[13]等。然而，從這些計算的推導(dǎo)過程來看，都不是針對振動異響而言的，而且公式也相對較為復(fù)雜，涉及的參數(shù)也較多。在這些推導(dǎo)方法的啟發(fā)下，通過心理聲學(xué)參數(shù)計算結(jié)果及其機理的分析與總結(jié)，得到了經(jīng)驗公式，如式（3）。使用該經(jīng)驗公式可以快速且較為準(zhǔn)確地得到某一段振動異響噪聲的擾人程度。

由式（3）可知，雖然我們最常采用Zwicker N10響度來衡量振動異響，但S10尖銳度更能夠代表車內(nèi)振動異響的擾人程度，因此有必要在振動異響評估時綜合考慮多個心理聲學(xué)參數(shù)。借助式（3）能夠較好地擬合人對車內(nèi)振動異響的主觀感受。

由圖4可知，通過該經(jīng)驗公式計算與擾人度平均排名十分接近。

4 結(jié)論與展望

通過上述試驗和分析，得到以下結(jié)論：

（1）通過經(jīng)驗公式，可使心理聲學(xué)的客觀評分接近主觀感受，在振動異響的評估中可以應(yīng)用這個客觀的經(jīng)驗公式對異響實現(xiàn)更為貼近主觀的評級。

（2）專業(yè)的評估工程師對尖銳及細(xì)碎的中高頻率單點異響更為敏感，而非專業(yè)評估的工程師對聲音的整體響度更敏感。其原因在于整車行駛環(huán)境下通常存在著一定的低頻背景噪聲，而有專業(yè)經(jīng)驗的評估工程師會通過臺架試驗，考慮實車狀態(tài)下的異響狀況。這一點從兩組工程師對音頻b的評判差異中可以明顯看出。

（3）N10響度的單一評價指標(biāo)具有局限性，綜合考慮S10尖銳度和平均粗糙度的評價體系與人的主觀感受更為貼近。

（4）關(guān)于三個參數(shù)擾人程度的貢獻，S10尖銳度大于N10響度，而平均粗糙度的貢獻最低；這是由于實車環(huán)境下存在低頻背景噪聲，S10尖銳度能夠反映高頻細(xì)碎敲擊噪聲的特性，車輛行駛過程中考慮到低頻背景噪聲，尖銳度最容易引起乘員不適。

經(jīng)驗公式可以直接應(yīng)用在實際工程項目中，為工程開發(fā)提供依據(jù)。今后可以做更多的數(shù)據(jù)積累，并對經(jīng)驗公式做修正和完善，制定具體閾值和明確指標(biāo)以對設(shè)計或產(chǎn)品的認(rèn)證和界定做出指導(dǎo)。

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