排氣噪聲階次調(diào)制軟件實現(xiàn)及應(yīng)用*

張威　盧熾華　杜松澤　劉志恩，2　侯獻(xiàn)軍，2（.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢430070；2.汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070）

?

排氣噪聲階次調(diào)制軟件實現(xiàn)及應(yīng)用*

張威1盧熾華1杜松澤1劉志恩1，2侯獻(xiàn)軍1，2
（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢430070；2.汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070）

【摘要】基于階次追蹤及提取技術(shù)，應(yīng)用MATLAB軟件開發(fā)出能對瞬時噪聲信號進(jìn)行階次分解、合成與調(diào)制的軟件。該軟件除具備傳統(tǒng)的等幅調(diào)節(jié)、濾波功能外，還可對發(fā)動機(jī)任意轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)點火階次及其諧階次的聲壓大小進(jìn)行組合，可實現(xiàn)排氣噪聲選擇性控制和聲品質(zhì)的設(shè)計。通過實例驗證了其在構(gòu)建運(yùn)動感聲音及目標(biāo)階次中的應(yīng)用。

1　前言

汽車的聲品質(zhì)已經(jīng)成為汽車制造商和研究人員關(guān)注的焦點之一。近年來由于NVH技術(shù)的進(jìn)步，汽車的噪聲得到很大控制。但消費(fèi)者對汽車的舒適性和個性化要求不斷提高，這就使消聲器的消聲特性和聲品質(zhì)不僅要滿足顧客的需求，還要樹立起獨特的品牌形象［1］。如今單純的聲壓水平的高低已經(jīng)不能代表聲品質(zhì)的好壞，在很多情況下即便聲壓級符合要求，消費(fèi)者依舊對排氣噪聲感到不滿意。因此，聲品質(zhì)的控制和設(shè)計不單要降低排氣噪聲的聲壓級，還要能夠調(diào)節(jié)產(chǎn)品的聲音特性，即消除總體噪聲中令人煩躁的成分，同時適當(dāng)保留甚至補(bǔ)充令人愉悅的成分，最終達(dá)到選擇性噪聲控制的目的，從而使產(chǎn)品聲音滿足消費(fèi)者的主觀感受［2、3］。

實現(xiàn)選擇性噪聲控制需要對排氣噪聲進(jìn)行階次分析?，F(xiàn)在通用的階次分析軟件具有濾波功能，對所采集的噪聲樣本能夠進(jìn)行頻譜上的高通、低通、帶通和帶阻處理，同時也能對階次噪聲進(jìn)行調(diào)幅處理。但其只能在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對樣本進(jìn)行等幅的衰減或是增強(qiáng)，而不能在某一轉(zhuǎn)速段任意調(diào)整特定階次幅值的大小，并且不能實時播放和輸出特定轉(zhuǎn)速段調(diào)節(jié)階次幅值后的聲音，由此很難對比出階次調(diào)整前、后聲音的差異。

因此，通過MATLAB編程的方式設(shè)計發(fā)動機(jī)排氣噪聲階次分解合成軟件，應(yīng)用其中的GUI模塊建立所需要的圖形用戶界面及相應(yīng)的回調(diào)程序。依據(jù)此軟件能夠?qū)ε艢庠肼曋械碾A次進(jìn)行分析和主觀調(diào)整，并能實時試聽調(diào)整后的聲音，建立所需要的目標(biāo)聲音樣本庫。最后通過主觀評價試驗，提出期望的排氣系統(tǒng)階次噪聲的目標(biāo)值。

2　設(shè)計原理

發(fā)動機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其振動、噪聲信號和曲軸轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系，即信號的特征頻率與參考軸的轉(zhuǎn)頻（每秒的轉(zhuǎn)速）有固定的比值關(guān)系，這個固定的比值稱為階次［4］。作為發(fā)動機(jī)氣動噪聲的重要成分，排氣噪聲包含著大量的階次信息，尤其是其中的點火階次及其諧階次對聲品質(zhì)的影響較大。因此，利用階次分析技術(shù)處理排氣噪聲是極為有效的。

傳統(tǒng)的FFT方法對發(fā)動機(jī)排氣噪聲信號進(jìn)行分析時，由于采樣頻率固定而發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化易引起“頻率混淆”和“能量泄露”問題［5］。而階次跟蹤理論是以角域采樣為基礎(chǔ)，其本質(zhì)是將旋轉(zhuǎn)機(jī)械不平穩(wěn)的時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)的角域信號，再利用快速傅里葉變換進(jìn)行處理，得到階次譜。

階次提取時，要求時域信號采樣頻率的變化與參考軸轉(zhuǎn)速的變化一致，以保證對非平穩(wěn)信號等角度采樣。將發(fā)動機(jī)每轉(zhuǎn)過一定角度的時間間隔定為階次采樣的觸發(fā)間隔［4］。其具體步驟如下。

a.將原始噪聲信號和轉(zhuǎn)速信號輸入，建立起噪聲信號隨轉(zhuǎn)速變化的對應(yīng)關(guān)系，并經(jīng)采樣和抗混淆濾波。設(shè)定實時分析采樣頻率fs=k×n×fF（k≥12，為采樣基頻倍數(shù)；n為分析的階次數(shù)；fF為信號基頻）。

b.設(shè)定抽取階數(shù)D，D值大小同分析的階次數(shù)、轉(zhuǎn)速信號的頻率和分析模式有關(guān)。

c.先以fs=k×fM（fM為信號的最高頻率）的頻率采樣，然后根據(jù)需要分析的最高頻率對信號進(jìn)行頻域抽取，得到過采樣頻率

d.將噪聲信號和轉(zhuǎn)速頻率進(jìn)行插值并重新采樣，重新采樣頻率fd=k×n×fF。

e.對得到的重新采樣信號進(jìn)行傅里葉變換，得到階次譜。

3　設(shè)計方案

3.1流程設(shè)計

此軟件的設(shè)計基于MATLAB在語音信號處理方面的優(yōu)勢和階次跟蹤原理在噪聲階次提取和分析中的應(yīng)用，將噪聲信號和轉(zhuǎn)速信號依次進(jìn)行導(dǎo)入，經(jīng)階次跟蹤和提取，計算出聲壓級并繪圖顯示；其中加入階次調(diào)整模塊，可實時輸出調(diào)整后的語音及繪制調(diào)整后的階次曲線；最后導(dǎo)出調(diào)整后的聲音樣本文件。軟件設(shè)計原理圖如圖1所示。

圖1　軟件設(shè)計原理

各階次幅值的調(diào)整采用三線插值的方法，以保證調(diào)節(jié)后的階次變化平緩，避免導(dǎo)出的樣本聲音有雜音、異響或是抖動。在語音輸出階段，為了分析各階次對聲品質(zhì)的影響需要去除高頻噪聲，因此加入低通濾波的功能，保證輸出語音的有效性。

3.2界面設(shè)計

軟件窗口界面設(shè)計分為曲線顯示、聲音文件導(dǎo)入導(dǎo)出控制、階次調(diào)整控制和播放控制4個模塊，圖形用戶控制界面如圖2所示。

圖2　圖形用戶控制界面

a.曲線顯示

曲線顯示部分包括上、下兩個繪圖界面。上邊顯示原始聲音樣本的各階次曲線，下邊顯示調(diào)整后的各階次曲線。繪圖界面下均有追蹤轉(zhuǎn)速信號的進(jìn)度條，用以確定當(dāng)前播放的聲音所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速以及播放進(jìn)度。

b.聲音文件導(dǎo)入、導(dǎo)出控制

此控制模塊由“導(dǎo)入”、“導(dǎo)出”兩按鈕組成。點擊“導(dǎo)入”時，可依次導(dǎo)入原始聲音（wav.格式）和轉(zhuǎn)速-時間序列。曲線顯示部分的兩個繪圖界面均會自動顯示出原始聲音樣本的各階次曲線。點擊“導(dǎo)出”按鈕可生成目標(biāo)聲音。

c.階次調(diào)整控制

起始轉(zhuǎn)速和終止轉(zhuǎn)速文本框用以輸入轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍，而各階次下“中心轉(zhuǎn)速”所對應(yīng)的文本框用以輸入調(diào)整階次幅值的中心轉(zhuǎn)速。調(diào)整2、4、6、8階相對幅值的大小可由各階次對應(yīng)的滑動條和“幅值”文本框雙重控制?；瑒訔l相當(dāng)于粗調(diào)，而文本框相當(dāng)于精確調(diào)整。各階次下均設(shè)有復(fù)位按鈕，用以把當(dāng)前階次曲線恢復(fù)到初始狀態(tài)。

d.播放控制

播放控制模塊可供需要選擇是否濾波并可選擇想要播放的轉(zhuǎn)速范圍以便試聽，分辨階次調(diào)整前、后的差異。點擊“播放原始聲音播放”按鈕可在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)播放原始聲音；而右鍵單擊此按鈕可彈出右鍵菜單，點擊右鍵菜單可播放先前輸入的特定轉(zhuǎn)速范圍的聲音。同樣，“播放目標(biāo)聲音”按鈕也具有雙重功能。

4　應(yīng)用實例

利用此軟件可繪制并任意調(diào)整發(fā)動機(jī)（4缸機(jī)）排氣噪聲的階次曲線以及改變各階次的能量配比，根據(jù)需要設(shè)計出符合預(yù)期的聲音樣本及階次目標(biāo)，這使得消聲器的開發(fā)從初始的被動消聲轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的主動控制。例如，某項目根據(jù)市場需求，想要開發(fā)出一款具有運(yùn)動感的車型，這就要求設(shè)計出的消聲器能夠去除不需要的階次噪聲，保留或是補(bǔ)充具有運(yùn)動感的階次成分。

4.1運(yùn)動感的階次分析

評價汽車的運(yùn)動感需要以隨時間變化的加速噪聲為基礎(chǔ)，這項聲品質(zhì)包含3個影響因子，即力量感、輕快感和加速感，其也是評價運(yùn)動型車聲品質(zhì)合格與否的3個主要指標(biāo)［6］。

Ohsasa Y和Kadomatsu K［6］利用公式建立了加速噪聲的主觀評價模型，定量描述力量感、輕快感和加速感的來源及影響因素：

式中，LOA為總體聲壓級；為半階聲壓級與總體聲壓級之比；為基頻聲壓級與總體聲壓級之比。

力量感來自于具有階次的聲音抖動與混沌的轟鳴聲所引起的加速感覺。對4缸機(jī)來說，2階為其基頻階次（點火階次），是影響轟鳴聲的主要因素［7］，并且2階比例及總體聲壓級對力量感起主要作用。

輕快感與低階次和高階次的能量平衡以及占主導(dǎo)階次的聲壓級有關(guān)。因此，尋找不同轉(zhuǎn)速下的主導(dǎo)階次對確定階次目標(biāo)值起著至關(guān)重要的作用。

加速感與γ1項的相關(guān)性最高，該項表明轉(zhuǎn)速上升過程中隨著高階次的增強(qiáng)，加速感明顯；γ2項表明占主導(dǎo)階次的頻率越高，加速感越明顯；γ3項表明當(dāng)主導(dǎo)階次由低階升向高階時會造成轉(zhuǎn)速升高的感覺。綜上所述，加速感是一個動態(tài)過程，取決于隨時間的聲音變化。

4.2數(shù)據(jù)采集試驗

排氣噪聲聲音樣本的采集按照GB 1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》進(jìn)行，試驗車為原型車，排量2.0 L（4缸），采用LMS SCADAS Mobile 16通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集聲音信號，轉(zhuǎn)速信號由RPM-800轉(zhuǎn)速計測量［8］；傳聲器水平安置在距排氣管中心14 cm處（左后方），并與排氣管軸向呈45°夾角，見圖3。

試驗工況為：在關(guān)閉空調(diào)的前提下，先以最低穩(wěn)定車速行駛，然后以3擋迅速踩下加速踏板使節(jié)氣門全開，直至發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到5 500 r/min。共采集4次，挑選最佳采樣值。

4.3主觀評價試驗

4.3.1構(gòu)建聲音樣本庫

將聲音樣本導(dǎo)入自編階次調(diào)制軟件。經(jīng)前期理論研究及試聽發(fā)現(xiàn)，對力量感起主導(dǎo)作用的2階幅值不宜降低，單獨或組合調(diào)節(jié)8階對整體感覺并無明顯影響。

考慮到掩蔽效應(yīng)，故依據(jù)Bark尺度來劃分轉(zhuǎn)速范圍（A、B、C 3組）；為了分析各階次成分和聲音樣本具有運(yùn)動感之間的關(guān)系以及各階次、頻率和轉(zhuǎn)速對聲品質(zhì)的影響，依次定量調(diào)節(jié)各階次在不同轉(zhuǎn)速下的幅值及各階次的能量配比，如表1所列；導(dǎo)出的聲音文件采用標(biāo)記的方法命名，即通過文件名不能識別出該聲音文件的特征；每個轉(zhuǎn)速段導(dǎo)出75對聲音文件樣本，所有的聲音文件樣本組成聲音文件樣本庫。

表1　階次調(diào)節(jié)

4.3.2評價主體

評價者的數(shù)量、年齡、性別、聽覺經(jīng)驗、文化背景等因素都會影響主觀評價結(jié)果。國外的評價主體通常選用專業(yè)的具有豐富噪聲評價經(jīng)驗的人員和普通乘客，數(shù)量不少于20［9］。結(jié)合國外經(jīng)驗和自身現(xiàn)狀，本試驗共選取評價人員25人，其中汽車NVH工程師4人，汽車專業(yè)教授4人，汽車專業(yè)研究生12人，非汽車行業(yè)研究生5人；男20人，女5人；年齡在23～52歲之間，平均年齡28歲，聽力均正常。

4.3.3主觀評價結(jié)果

將聲音文件樣本庫分發(fā)給25位評價者，并采用成對比較法（與原始聲音相比）對3個轉(zhuǎn)速段下各75對聲音樣本進(jìn)行打分，并對較好的聲音樣本（得分〉7.5分）寫下評語。規(guī)定運(yùn)動感得分0～10分，0表示無運(yùn)動感，10表示有極好的運(yùn)動感；原始聲音定為6分。

在A、B、C 3組中分別挑選出每位評價者認(rèn)為最有動力感（得分最高）的兩對聲音樣本，統(tǒng)計所有被選中樣本的出現(xiàn)頻率，即選中某一樣本的評價者人數(shù)［10］，結(jié)果如圖4所示。

由圖4的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，A55、B23、C47是每組中獲得評價者人數(shù)最多的聲音樣本，分別是18人、21人、19人，平均得分分別為7.82、8.36、7.80，說明調(diào)節(jié)后的聲音均好于原始聲音；并且評價者對這3個樣本的認(rèn)同率均超過70%，遠(yuǎn)高于其它樣本，由此有理由認(rèn)為挑選出的聲音樣本為最優(yōu)樣本。圖5～圖7分別為最優(yōu)樣本調(diào)節(jié)前、后的階次曲線對比圖。最后將相關(guān)評價匯總，并根據(jù)階次曲線圖及評價結(jié)果得出結(jié)論。

由圖5可知，樣本A55 4階升高12 dB，6階升高12 dB。在1 500～3 000 r/min范圍內(nèi)，4階對聲音的特點起主要作用，當(dāng)4階升高12 dB接近2階時，聲音具有較強(qiáng)力量感和渾厚感；在上述規(guī)律下，6階的增加會增強(qiáng)聲音的抖動程度和加速明快感；當(dāng)6階上升12 dB以內(nèi)時，對聲品質(zhì)無決定影響。

圖4　樣本頻率分布

圖5　樣本A55階次對比

由圖6可知，樣本B23 6階升高12dB。在3 000～4 000 r/min范圍的中高轉(zhuǎn)速下，4階上升超過6 dB且6階上升12 dB接近2階，聲品質(zhì)都有改善；相比較而言，單獨上升6階效果較好。

圖6　樣本B23階次對比

圖7　樣本C47階次對比

由圖7可知，樣本C47 2階升高6 dB，4、6階升高12 dB。在4 000～5 000 r/min范圍的高轉(zhuǎn)速下，消除2階所存在的谷值能夠明顯感受到發(fā)動機(jī)的存在，同時將4階和6階上升12 dB接近2階時，聲音有明顯變化；若此時不對2階做任何改變則無明顯影響。

由主觀評價得出的結(jié)論與之前運(yùn)動感的階次分析一致：低轉(zhuǎn)速時以2階為主，隨著轉(zhuǎn)速的增加，主導(dǎo)階次逐漸由2階過渡到4階然后過渡到6階，這樣就可以使排氣噪聲聽起來在低轉(zhuǎn)速時有力，隨著轉(zhuǎn)速升高加速感明顯，且加速輕快。

4.3.4確定階次目標(biāo)

中低轉(zhuǎn)速（1 500～3 500 r/min）是駕駛員最能享受加速駕駛樂趣的階段［6］，因此在該轉(zhuǎn)速段調(diào)制聲音，確定各階次升高的幅值。將4階和6階遞進(jìn)式升高，其中4階在1 500～3 000 r/min轉(zhuǎn)速段分別升高6 dB、9 dB、12 dB、15 dB，6階在2 500～3 500 r/min轉(zhuǎn)速段分別升高6 dB、9 dB、12 dB、15 dB、18 dB，同時保證2階在低轉(zhuǎn)速時不變，共導(dǎo)出20組聲音樣本；建立聲音樣本庫并按照之前方法再次進(jìn)行主觀評價，挑選出最佳樣本，階次曲線見圖8。

圖8　階次目標(biāo)的調(diào)制

經(jīng)過兩次主觀評價，最終確定了調(diào)節(jié)各階次所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速段及幅值：4階在1 500～3 000 r/min轉(zhuǎn)速段升高12 dB，6階在2 500～3 500 r/min轉(zhuǎn)速段升高15 dB。

結(jié)合圖8及評語分析可知，在低轉(zhuǎn)速段下，總聲壓級有所升高，由于階次成分得到加強(qiáng)，這一段力量感增強(qiáng)；在2 500 r/min以后，4階呈下降趨勢，但6階的快速升高和4階到6階的轉(zhuǎn)換表現(xiàn)出的加速感彌補(bǔ)了4階下降所減小的力量感，因此承接并延續(xù)了運(yùn)動的感覺。

本軟件結(jié)合主觀評價試驗確定了階次目標(biāo)值，但由于不同人的主觀感受不相同，主觀感受存在一定客觀量化范圍，因此最后確定的階次量化目標(biāo)曲線只是局部最優(yōu)解。

參考文獻(xiàn)

1龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動—理論與應(yīng)用.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：7～10.

2劉宗巍，王登峰，梁杰.車內(nèi)噪聲質(zhì)量的主觀評價及其改善措施的研究與發(fā)展.汽車技術(shù)，2006（7）：1～4.

3康強(qiáng)，左曙光.燃料電池轎車空氣輔助系統(tǒng)噪聲研究的進(jìn)展.噪聲與振動控制，2012（1）：1～6.

4劉卓凡，趙建寧，張超.階次分析用于車輛的噪聲診斷.北京汽車，2014（3）：26～28.

5邵宗安，周延波，張春翠.汽車發(fā)動機(jī)振動信號的數(shù)字階次跟蹤分析.汽車技術(shù)，2009（6）：11～14.

6Ohsasa Y，Kadomatsu K.Sound quality evaluation of exhaust note during acceleration.SAE Paper，951314，1995.

7Lee SangKwon.Objective evaluation of interior sound quality in passenger cars during acceleration.Journal of Sound and Vibration，2008，310：149～168.

8劉志恩，趙楠楠，侯獻(xiàn)軍，袁守利.轎車車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)改進(jìn)研究.噪聲與振動控制，2011（5）：35～38.

9高印寒，孫強(qiáng)，梁杰，等.加速行駛時車內(nèi)噪聲品質(zhì)的評價方法及數(shù)學(xué)模型構(gòu)建.吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2010，46 （6）：1502～1506.

10Yasuo Ishii，Masashi Iwai，Koji Ito，et al.A support system for development of sporty sound.SAE Paper，2003-01-1400.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年12月21日。

主題詞：排氣噪聲階次噪聲聲品質(zhì)調(diào)制軟件

The Development of Software for Exhaust Noise Orders Modulation and Application

Zhang Wei1，Lu Chihua1，Du Songze1，Liu Zhien1，2，Hou Xianjun1，2
（1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Components，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070；2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology，Wuhan 430070）

【Abstract】A software which has functions of order decomposition，composition and modulation on instantaneous noise signal is developed with software MATLAB based on order tracking and extraction technology，that not only has functions of equiamplitude regulation，filtering，but also can combine sound pressure of firing orders and order modulation at any engine speeds，and can realize exhaust noise selective control and acoustic quality design.Its application in building sporty sound and target order is verified with practical case.

Key words:Exhaust noise，Order noise，Acoustic quality，Modulation software

中圖分類號：U461.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）05-0026-05

*基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助（2014-VII-004）。