某特種車輛車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)分析

柳 亞，張 鍵，楊鄂川，歐 健

(1.重慶理工大學(xué) a.車輛工程學(xué)院; b.機(jī)械工程學(xué)院, 重慶 400054；

某特種車輛車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)分析

柳 亞1a，張 鍵2，楊鄂川1b，歐 健1a

(1.重慶理工大學(xué) a.車輛工程學(xué)院; b.機(jī)械工程學(xué)院, 重慶 400054；

2.重慶大江工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 401321)

針對某特種車輛駕駛室聲品質(zhì)問題進(jìn)行分析。通過試驗(yàn)采集不同行駛工況下的駕駛室內(nèi)不同測點(diǎn)的噪聲，對心理聲學(xué)客觀評價參數(shù)(響度、尖銳度、波動度和粗糙度)進(jìn)行了分析。在特種車輛駕駛室室內(nèi)噪聲綜合評價基礎(chǔ)上，得到該特種車輛在各工況下響度值過高的結(jié)論。最后通過頻段濾波分析找到該特種車輛駕駛室主要噪聲頻段。

特種車；心理聲學(xué)；噪聲評價；濾波分析

特種車輛的作業(yè)環(huán)境相對于其他車輛更復(fù)雜、惡劣。車內(nèi)噪聲過大不僅影響駕乘人員的工作速度及工作質(zhì)量[1]，也影響到車體的隱蔽性和車輛零部件的使用壽命。因此，特種車輛車內(nèi)噪聲仍是理論和工程領(lǐng)域不斷研究的課題，具有十分重要的意義。

車內(nèi)噪聲主要來源于發(fā)動機(jī)噪聲、進(jìn)排氣噪聲、冷卻風(fēng)扇噪聲、底盤噪聲、板件結(jié)構(gòu)噪聲和空氣流動形成的風(fēng)噪聲等。聲品質(zhì)定義為在特定的技術(shù)目標(biāo)或任務(wù)下對聲音適宜性的描述[2-5]。

本文以某特種車輛為研究對象,在駕駛室室內(nèi)噪聲綜合評價基礎(chǔ)上，分析頻率成分的改變對聲品質(zhì)參數(shù)的影響，通過頻段濾波的方法，找到特種車輛駕駛室室內(nèi)的主要噪聲頻段。

1 實(shí)車道路試驗(yàn)

在實(shí)車道路試驗(yàn)前，確保樣車狀況良好，處于標(biāo)準(zhǔn)工作狀況。試驗(yàn)條件如聲學(xué)環(huán)境、天氣條件、車輛載荷、背景噪聲、試驗(yàn)道路等均參照GB/T18697—2002《聲學(xué) 汽車車內(nèi)噪聲測量方法》[6]，試驗(yàn)工況(車速)設(shè)置為：怠速、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h。每個工況進(jìn)行2次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)的每個工況至少測試3組數(shù)據(jù)以減少隨機(jī)誤差。在試驗(yàn)過程中，利用LMS Test.lab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集駕駛室內(nèi)主、副駕駛員，后排中間位置的聲信號。將聲音的采樣頻率設(shè)置為40 960 Hz，分辨率為1Hz，使用低通抗混濾波器。試驗(yàn)所用主要儀器與測點(diǎn)布置位置見圖1。

圖1 試驗(yàn)所用主要儀器與測點(diǎn)布置位置

2 車內(nèi)噪聲特性分析

2.1 線性聲壓級評價

線性聲壓級不做頻率聲壓計(jì)權(quán)修正，能真實(shí)體現(xiàn)車內(nèi)噪聲的能量大小。圖2為駕駛室內(nèi)3個測點(diǎn)的線性聲壓級隨速度變化的曲線。

圖2 不同車速下車內(nèi)測點(diǎn)的線性聲壓級

該特種車輛在正常行駛車速中，車內(nèi)3個測點(diǎn)的線性聲壓級均達(dá)到105 dB以上。主、副駕駛測點(diǎn)處線性聲壓級略高于中間乘客測點(diǎn)，并且車速由30 km/h升至60 km/h時，駕駛室內(nèi)的線性聲壓級明顯提高10 dB。因此，從線性聲壓級的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：該特種車輛的駕駛室內(nèi)噪聲強(qiáng)度很高，并且線性聲壓級與車速具有一定的相關(guān)性。

圖3為不同車速下駕駛室內(nèi)3個測點(diǎn)的1/3倍頻程頻譜。人耳對噪聲的主觀感覺不僅與強(qiáng)度有關(guān)，還與噪聲的頻譜特性有關(guān)，2個具有相同線性聲壓級的噪聲信號，可能在各窄帶頻帶內(nèi)的聲壓級完全不同[7]。

根據(jù)獨(dú)立聲源疊加原理，定義聲壓級最大值至10 dB以下對應(yīng)的頻率區(qū)間為噪聲的顯著頻率段[2]。如圖3所示：在不同車速下，主駕駛右耳測點(diǎn)的顯著頻段為中心頻率在100 Hz以內(nèi)的1/3倍頻程帶；副駕駛左耳測點(diǎn)的顯著頻段為中心頻率在80 Hz以內(nèi)的1/3倍頻程帶；中間乘客測點(diǎn)的顯著頻段為中心頻率在63 Hz以內(nèi)的1/3倍頻程帶。綜合各車速、各測點(diǎn)兩方面情況，此車內(nèi)噪聲顯著頻帶為中心頻率在100 Hz以內(nèi)的1/3倍頻程帶，且聲壓級強(qiáng)度較高，多處于85 dB以上，說明車內(nèi)噪聲具有顯著的中低頻特性。

圖3 各測點(diǎn)的1/3倍頻程頻譜

2.2 計(jì)權(quán)聲壓級評價

計(jì)權(quán)聲壓級能反映人耳響應(yīng)受概率的影響，A、B、C三種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)中A計(jì)權(quán)聲壓級更貼近人的主觀感受，噪聲相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大多以A計(jì)權(quán)為基礎(chǔ)制定。圖4為不同車速下車內(nèi)各個測點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級。

圖4 不同車速工況下車內(nèi)各測點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級

后排乘客測點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級最大，主駕駛右耳測點(diǎn)最小。但各測點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級并不隨車速的提高線性上升，這是因?yàn)锳計(jì)權(quán)聲壓級對低頻段有較大的衰減，使線性聲壓級的顯著頻段和最大聲壓級頻帶發(fā)生偏移。A計(jì)權(quán)聲壓級主要適用于評價低強(qiáng)度且頻譜較均勻的寬帶噪聲。60 km/h工況時聲壓頻譜中的低頻成分更多，而被A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)大量衰減。Rhona Hellman[8]提出：當(dāng)線性聲壓級超過60 dB時，A計(jì)權(quán)聲壓級在評價噪聲時存在誤判的情況尤為明顯。而特種車輛車內(nèi)噪聲有著高強(qiáng)度和顯著的低頻特征，因此使用A計(jì)權(quán)聲壓級作為主要評價指標(biāo)沒有充分體現(xiàn)噪聲本身的特性。

3 聲學(xué)客觀參數(shù)評價

3.1 特征響度

響度是人耳感受聲音響亮程度的心理聲學(xué)參數(shù)，它與聲音的強(qiáng)度和頻率都有著密切的關(guān)系，同時也是其他心理聲學(xué)評價指標(biāo)的基礎(chǔ)。使用Zwicker (ISO532B)[9]方法計(jì)算響度，穩(wěn)態(tài)聲音考慮了聽覺系統(tǒng)對聲音的非線性靈敏度、掩蔽效應(yīng)和聲場，非穩(wěn)態(tài)的聲音考慮了響度的時間效應(yīng)和掩蔽效應(yīng)。計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

其中：ETQ為人耳聽閾值的激勵；E0為參考聲強(qiáng)10-12W/m2對應(yīng)的激勵。

響度隨著臨界頻帶變化的曲線稱為特征響度，各個頻帶上特征響度之和就是響度，其計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

其中：N為總響度(sone)；n′(z)為特征響度；z為臨界頻帶。

人耳對聲音的掩蔽特性是特征響度考慮的主要因素之一，因此它比A計(jì)權(quán)聲壓級更能反映人耳對聲音強(qiáng)度的主觀感受。圖5為不同車速工況下駕駛室內(nèi)各個測點(diǎn)的特征響度。

圖5 不同工況下不同測點(diǎn)的特征響度

在30 km/h的工況下，3個測點(diǎn)的特征響度均在1～2 Bark頻帶范圍內(nèi)最大；在40 km/h車速工況時主駕駛右耳測點(diǎn)的特征響度在0～1 Bark頻帶范圍內(nèi)最大，1～2 Bark次之，副駕駛左耳測點(diǎn)在1～2.8 Bark頻帶范圍內(nèi)最大，后排中間乘客測點(diǎn)在1～2 Bark頻帶范圍內(nèi)最大； 50 km/h與60 km/h車速工況形式相近，主駕駛右耳測點(diǎn)與副駕駛左耳測點(diǎn)的特征響度在0～1.8 Bark頻帶范圍內(nèi)最大，后排中間乘客測點(diǎn)在1～2 Bark頻帶范圍內(nèi)最大。

特征響度越大，相應(yīng)的臨界頻帶上的噪聲對響度的貢獻(xiàn)就越大，因此該特種車的特征響度有著明顯的低頻特性。

不同工況下不同測點(diǎn)的總響度如圖6所示。隨著車速的提高，副駕駛左耳處測點(diǎn)與后排中間乘客處測點(diǎn)的總響度均有一定的升高。從整體看，駕駛室內(nèi)各個測點(diǎn)的總響度均大于50 sone。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表明：當(dāng)響度大于50 sone時，長期在該環(huán)境下還會導(dǎo)致不同程度的聽力損傷[10]。因此，特征響度與總響度的分析結(jié)果表明：該特種車輛車內(nèi)噪聲環(huán)境不滿足舒適性要求，需要采取必要的降噪措施。

圖6 不同工況下不同測點(diǎn)的總響度

3.2 尖銳度

尖銳度是衡量聲音中高頻成分占多少的心理聲學(xué)指標(biāo)，用來區(qū)別聲音是尖銳還是沉悶。尖銳度的單位為acum，1acum為以1 000 Hz為中心頻率的帶寬中，聲壓級為60 dB的窄帶噪聲。Zwicker 尖銳度的數(shù)學(xué)模型是以響度為基礎(chǔ)的。該模型在計(jì)算尖銳度時，引入了加權(quán)因子g(z)，其中z表示臨界頻帶，單位為Bark，其解析式如下：

(3)

尖銳度數(shù)學(xué)模型為

(4)

其中：S為尖銳度(acum)；N為總響度(sone)；N′(z) 為臨界頻帶的特征響度。

由圖7可見：隨著車速的變化，尖銳度并沒有與車速呈線性的增長或減少的趨勢，說明車內(nèi)噪聲的尖銳度與車速并沒有一定的相關(guān)關(guān)系。副駕駛左耳的尖銳度略高于其他兩個測點(diǎn)。該特種車輛裝配六缸四沖程的重型柴油發(fā)動機(jī)，其尖銳度偏高，但仍在可以接受的范圍內(nèi)。影響尖銳度的主要因素是高頻成分的多少，可在地板縫隙處添加吸聲材料，并在門框處粘貼密封條，不僅可以吸收高頻噪聲，還可以增強(qiáng)車身的封閉性，減少柴油機(jī)噪聲向車內(nèi)傳播，從而降低車內(nèi)噪聲的尖銳度，提高聲品質(zhì)。

圖7 不同工況下不同測點(diǎn)的尖銳度

3.3 波動度

調(diào)制頻率為0.5～20 Hz的聲音或者振動變化給人們帶來的聽覺感受稱為波動度(vacil)。波動度是聲音信號在被0.5～20 Hz調(diào)制時所產(chǎn)生的聽覺感受。通常定義聲壓級為60 dB、1 000 Hz的純音在調(diào)制頻率為4 Hz的100%調(diào)幅作用下產(chǎn)生的波動度為1 vacil。Zwicker數(shù)學(xué)模型如式(5)和(6)所示。

(5)

其中：F為波動度；f0為調(diào)制基頻(4 Hz)；fmod為調(diào)制頻率；ΔLE為掩蔽深度。ΔLE(z)表達(dá)式如下：

(6)

車內(nèi)噪聲通常會引起波動性聽覺感受。圖8為各個工況下不同測點(diǎn)的特征波動度，即波動度與臨界帶寬的關(guān)系曲線。

圖8 不同工況下不同測點(diǎn)的特征波動度

由圖8可見：不同工況下測點(diǎn)波動度隨著頻率的變化總體趨勢大致相同。如圖8(a)所示：波動度的強(qiáng)度主要集中在1～3 Bark，在此頻帶范圍內(nèi)，車內(nèi)3個測點(diǎn)的波動度大小沒有明顯差別，在該范圍內(nèi)波動度隨著頻率升高呈先增大后減小的趨勢，峰值出現(xiàn)在2.5 Bark處；在3 Bark之后的波動度急劇減小，趨近于0。不同工況下不同測點(diǎn)時域波動度峰值見圖9。由圖9可見：波動度的總體水平較低，不同測點(diǎn)處的波動度差別不明顯；隨著車速的提高，波動度有著升高的趨勢。

3.4 粗糙度

調(diào)制頻率為20～300 Hz的聲音或者振動變化給人們帶來的聽覺感受為粗糙度(asper)，它反映了聲音信號的頻率分布、調(diào)制幅度和頻率大小等特征[11]。定義聲壓級為60 dB的1 000 Hz的純音被70 Hz的調(diào)制音100%調(diào)制時所產(chǎn)生的粗糙度為1 asper。Zwicker數(shù)學(xué)模型如式(7)所示。

(7)

由圖10可見：隨著車速的提高，粗糙度并沒有呈線性增長或降低，表明該特種車輛的粗糙度與車速并沒有一定的相關(guān)關(guān)系。主駕駛右耳處和副駕駛左耳處測點(diǎn)的粗糙度明顯大于后排中間乘客處測點(diǎn)。影響粗糙度的因素有調(diào)制頻率和掩蔽深度，總體上該特種車輛的粗糙度略高于其他類型車輛，但在可接受的范圍內(nèi)。圖11為不同工況下各測點(diǎn)的特征粗糙度。

由圖11可見：同工況下測點(diǎn)粗糙度隨著頻率的變化趨勢大致相同；粗糙度的強(qiáng)度主要集中在1～10 Bark，在此頻帶范圍內(nèi)，主駕駛和副駕駛測點(diǎn)的粗糙度明顯大于后排中間乘客處測點(diǎn)，并且在該范圍內(nèi)粗糙度隨著頻率的升高也不斷升高；在10 Bark之后粗糙度急劇減小，車內(nèi)3個測點(diǎn)的粗糙度無明顯差別。

圖9 不同工況下不同測點(diǎn)時域波動度峰值

圖11 不同工況不同測點(diǎn)的特征粗糙度

4 濾波分析

聲音信號頻率成分及能量在不同頻段上的分布狀況對聲品質(zhì)有較大影響。以某特種車輛主駕駛聲信號為研究對象，通過頻段濾波及傅里葉逆變換方法分析時域內(nèi)聲信號頻率成分的改變對聲品質(zhì)參數(shù)的影響。將聲信號分為0～2 Bark(200 Hz以下)、2～9 Bark(200～1 080 Hz)、9～13 Bark(1 080～2 000 Hz)、13～18 Bark(2 000～-4 400 Hz)和18～24 Bark(4 400 Hz以上)5個頻段，分別進(jìn)行帶阻濾波，找出不同頻率成分對車內(nèi)噪聲特別是響度的影響程度，從而為后續(xù)的降噪提供方向。

4.1 30 km/h主駕駛測點(diǎn)濾波分析

經(jīng)多次回放試聽，選取30 km/h主駕駛測點(diǎn)聲信號較穩(wěn)定的5 s進(jìn)行濾波分析，得到響度、尖銳度、粗糙度及波動度分析結(jié)果，見圖12。

圖12 30 km/h主駕駛測點(diǎn)聲信號濾波分析

由圖12可見：濾波后響度均有不同程度的衰減，其中2～9 Bark衰減最為明顯，0～2 Bark次之，18～24 Bark濾波后衰減最少；尖銳度為高頻占總體噪聲的比，低頻濾波后尖銳度增大，高頻濾波后尖銳度減小，此處不作分析；粗糙度2～9 Bark衰減最多；波動度衰減最多為0～2 Bark。綜合各車速、工況、濾波結(jié)果，響度均大于50 sone，說明該車輛環(huán)境舒適性極差，需采取一定的降噪措施。

4.2 各工況主駕駛測點(diǎn)濾波分析

同理，對其余工況進(jìn)行相同處理，匯總出各工況各參數(shù)衰減最大及其次的頻段，如表1所示。

由本文心理聲學(xué)評價可得：該特種車輛特征響度有明顯的低頻特性，且響度值過高，時域?yàn)V波2～9 Bark降幅最大；特征波動度最大區(qū)為1～3 Bark，時域波動度濾波后在0～2 Bark、2～9 Bark降幅明顯；特征粗糙度最大區(qū)在1～10 Bark，粗糙度濾波2～9 Bark降幅明顯。綜上，降低該特種車輛車內(nèi)中低頻噪聲更加有利于車內(nèi)聲品質(zhì)的改善，以200～1 080 Hz頻率范圍為主，0～200 Hz其次。

表1 各工況各參數(shù)衰減程度

注：每個工況第1行為衰減度最大頻段，第2行為衰減度次之頻段。

5 結(jié)束語

進(jìn)行了某特種車輛實(shí)車道路試驗(yàn)，采集了車輛行駛工況下的駕駛室內(nèi)3個測點(diǎn)的聲音信號。

對該特種車輛駕駛室室內(nèi)噪聲進(jìn)行了綜合評價，并對心理聲學(xué)客觀評價參數(shù)(響度、尖銳度、波動度和粗糙度)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，發(fā)現(xiàn)該特種車各工況下的響度值過大，必須對其進(jìn)行處理。

通過頻段濾波及傅里葉逆變換方法分析時域內(nèi)聲信號頻率成分的改變對聲品質(zhì)參數(shù)的影響，得出影響車內(nèi)聲品質(zhì)最大的頻段為中頻，低頻次之。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Analysis of Interior Noise Quality in a Special Vehicle

LIU Ya1a, ZHANG Jian2, YANG E-chuan1b，OU Jian1a

(1.a.College of Vehicle Engineering; b.College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 2.Congqing Dajiang Industry Co., Ltd., Chongqing 401321, China)

Aiming at the interior sound quality problem of a special vehicle, the sound quality analysis was carried out. With sound signals of key parts in the operator cabin being acquired under various vehicles driving condition, the psychoacoustics objective evaluation parameters were analyzed in detail such as loudness, sharpness, fluctuation and roughness. Based on the comprehensive evaluation of interior noise of the special vehicle, it was concluded that the loudness level is over high under various conditions. Lastly, by means of filtering analysis method, the main frequency band of interior noise was found.

special vehicle; psychoacoustics; noise assessment; filtering analysis

2016-09-30 基金項(xiàng)目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ600911)

柳亞(1991—),女,江蘇徐州人,碩士研究生,主要從事車輛振動噪聲控制方面研究；通訊作者 歐健，男，博士，教授，主要從事車輛動力學(xué)與控制、混合動力汽車，汽車噪聲與振動控制研究，E-mail:oujian@cqut.edu.cn。

柳亞，張鍵，楊鄂川，等.某特種車輛車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(3):34-42.

format：LIU Ya, ZHANG Jian, YANG E-chuan,et al.Analysis of Interior Noise Quality in a Special Vehicle[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(3):34-42.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.03.005

TB132；TL375.2

A

1674-8425(2017)03-0034-09