基于心理聲學(xué)分析的多工況柴油機輻射噪聲特性研究

呂峰 田涌君 劉海

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，柳州，545005；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津，300300；3.河北工業(yè)大學(xué)，天津，300300）

1 前言

柴油機搭載整車后其輻射噪聲聲品質(zhì)將會直接影響到整車聲品質(zhì)乃至整車綜合品質(zhì)[1]。柴油機輻射噪聲主要包括機械噪聲、燃燒噪聲和空氣動力性噪聲，噪聲為寬頻帶信號，頻譜混疊嚴(yán)重，難以通過傳統(tǒng)的聲學(xué)評價指標(biāo)來描述其對環(huán)境與人帶來的不利影響[2-3]。心理聲學(xué)方法作為一種新的評價指標(biāo)，與人的心理、生理特征緊密結(jié)合，可以較為準(zhǔn)確地通過數(shù)個心理聲學(xué)客觀指標(biāo)來描述聽覺感知，該心理聲學(xué)指標(biāo)考慮了人體心理反應(yīng)機制和噪聲感知特性，能夠反映不同噪聲信號造成的主觀感受差異[4-5]。因此，通過心理聲學(xué)方法來評價柴油機輻射噪聲，對有效控制柴油機噪聲對人體的影響及實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)改進具有重要意義。目前，心理聲學(xué)參數(shù)分析方法已在國內(nèi)外汽車及柴油機行業(yè)得以應(yīng)用[6-9]。

本文同時采用傳統(tǒng)噪聲評價指標(biāo)與心理聲學(xué)分析法，對聲品質(zhì)主觀評價差異性較大的A、B兩款柴油機輻射噪聲進行對比分析，找出引起主觀評價差異性較大的原因。同時基于心理聲學(xué)分析方法，研究了不同運行工況下兩款機型輻射噪聲聲品質(zhì)變化規(guī)律及影響因素，為改善柴油機輻射噪聲聲品質(zhì)提供了理論依據(jù)。

2 基于傳統(tǒng)聲學(xué)分析的柴油機輻射噪聲

A、B兩款柴油機的結(jié)構(gòu)型式均為直列四缸水冷四沖程，燃燒室為直噴式，進氣方式為自然吸氣，為防止進、排氣噪聲對柴油機輻射噪聲的影響而將其引出室外，同時不帶風(fēng)扇與變速器結(jié)構(gòu)。

對柴油機機體附近5個主要測點進行風(fēng)扇安裝前、后噪聲對比試驗，測點分布在風(fēng)扇左、前、右、后、上5個位置，如圖1所示，其中，A=L1/2+D，B=L2/2+D，C=L3/2+D，H=C/2，D=1m。發(fā)動機在標(biāo)定工況下運行，采樣頻率為10 kHz，采樣時間為10 s。

圖1 測點布置位置

利用傳統(tǒng)噪聲評價指標(biāo)（A計權(quán)聲壓級）分析怠速工況下兩款柴油機各測點附近的A計權(quán)聲壓級變化規(guī)律，結(jié)果如表1所列。

表1 兩款柴油機的A計權(quán)聲壓級平均值

由表1可知，兩款機型在測點1的A計權(quán)聲壓級相差最小，表明在測點1位置處人耳難以感受到兩款機型存在的噪聲差異；兩款機型在測點5附近的A計權(quán)聲壓級相差最大，在測點2、3、4附近的A計權(quán)聲壓級差值均低于2 dB(A)，各點噪聲差異性明顯，人耳可以較顯著地感受到噪聲的差異。單一的A計權(quán)聲壓級僅能說明兩款機型輻射噪聲大小，不能充分反映噪聲在時間、頻率及人耳對聲音的濾波特性，故難以準(zhǔn)確反映出噪聲在聲品質(zhì)上的差異性，在聲音的測量和評價過程中存在不足。

3 基于心理聲學(xué)分析的柴油機輻射噪聲

心理聲學(xué)參數(shù)是描述不同噪聲所造成的主觀感受差異程度的客觀參量，采用心理聲學(xué)參數(shù)來評價不同噪聲的聲音質(zhì)量可以反映不同個體之間的主觀聽覺感受的差異。心理聲學(xué)分析方法被應(yīng)用于發(fā)動機[6-7]、傳統(tǒng)汽車[8]及電動汽車[9]多個領(lǐng)域。試驗研究表明，心理聲學(xué)參數(shù)中的響度、尖銳度與人的主觀偏好程度相關(guān)度最大[10]，因此本文針對響度和尖銳度兩個典型參數(shù)進行柴油機輻射噪聲聲品質(zhì)的分析。

3.1 響度

響度是反映人耳對聲音強弱主觀感受程度的心理聲學(xué)參數(shù)，它考慮了特征頻帶分布和人耳的掩蔽效應(yīng)對聲音的影響。響度大小取決于聲波振幅的大小，同時與頻率有關(guān)，能更準(zhǔn)確地反映聲音信號的響亮程度。噪聲響度值越大，對人造成的煩惱程度越嚴(yán)重。

定義1 kHz、40 dB純音的響度為1 sone（sone為響度單位），則穩(wěn)態(tài)響度計算[11]步驟如下：

a.首先獲得單邊功率譜密度函數(shù)，并將以線性頻率單位（Hz）為自變量的功率譜函數(shù)轉(zhuǎn)換成以臨界頻帶單位（Bark）為自變量的函數(shù)。

b. 考慮頻域的掩蔽效應(yīng)，以Bark為單位計算激勵級曲線。

c.計算特征響度值：

式中，N′(z)是特征響度；ETQ為安靜狀況下聽閾對應(yīng)的激勵；EQ為參考聲強(I0=10-12W/m2)對應(yīng)的激勵；E是被計算聲音對應(yīng)的激勵。

d. 在0～24Bark范圍內(nèi)對N′積分，得總響度為：

式中，z為Bark頻率帶。

3.2 尖銳度

尖銳度是首次特征頻帶分布隨指定響度級變化關(guān)系的加權(quán)，反映了高頻段聲音成分和低頻段聲音成分的比率關(guān)系。人對聲音的尖銳度感覺主要與窄帶噪聲的中心頻率、帶寬、聲壓級和頻譜包絡(luò)等因素有關(guān)。尖銳度值越高，聲品質(zhì)越差。

定義中心頻率為1 kHz、帶寬為60 dB的窄帶噪聲的尖銳度值為1 acum（acum是尖銳度單位）。

一般采用臨界頻帶的頻譜響應(yīng)對總響度加權(quán)計分的方式計算尖銳度S′(z)[12]：

式中，N′(z)為特征響度；g(z)為附加系數(shù)，與臨界頻帶值有關(guān)。

4 柴油機怠速工況輻射噪聲心理聲學(xué)分析

為了客觀地描述柴油機噪聲信號響度隨人耳特征頻帶的變化規(guī)律，采用特征響度與特征尖銳度隨臨界頻帶變化歷程來描述不同柴油機機型心理聲學(xué)特征變化。在怠速工況下，兩款機型在測點1位置處聲音樣本的心理聲學(xué)參數(shù)隨特征頻率變化曲線如圖2所示。進一步根據(jù)心理聲學(xué)計算方法，分別求解兩款機型在測點1、2、3、4、5處的響度與尖銳度，計算結(jié)果如表2所列。

圖2 心理聲學(xué)參數(shù)隨特征頻率變化曲線

表2 兩款機型心理聲學(xué)參數(shù)計算結(jié)果

由表2可知，機型A的響度及尖銳度明顯大于機型B，但是特征響度及特征尖銳度隨頻率的不同有所不同（圖2），在臨界頻帶4～5 bark之間可以看到特征響度曲線呈斜向下變化的趨勢，發(fā)生了掩蔽效應(yīng)中的同時掩蔽現(xiàn)象，即前面頻帶內(nèi)的聲音將后面頻帶的聲音掩蔽。從兩款機型的特征響度對比可以看出，機型A在整個臨界頻帶范圍內(nèi)特征響度均大于機型B，而對于尖銳度來說，機型B高頻的特征尖銳度要稍大于機型A，這表明雖然尖銳度是由響度加權(quán)積分得到的，但是最終的大小不僅與響度值有關(guān)，更與柴油機噪聲的頻譜分布密切相關(guān)。由圖2a可得，兩款機型在測點1附近的A計權(quán)聲壓級相差0.5 dB，但響度相差4.66 sone，尖銳度相差0.066 acum，三者數(shù)值大小差異性明顯，即響度、尖銳度將噪聲頻譜結(jié)構(gòu)考慮在內(nèi)，充分考慮了人耳的掩蔽效應(yīng)[13]，比A計權(quán)聲壓級能更好地反映人耳的聽覺差異。

5 柴油機變工況輻射噪聲心理聲學(xué)分析

因心理聲學(xué)方法描述柴油機輻射噪聲聲品質(zhì)更加符合實際情況，故結(jié)合柴油機實際運行中多工況運行特性，針對恒轉(zhuǎn)矩不同轉(zhuǎn)速工況下兩款柴油機在測點1附近心理聲學(xué)特性變化規(guī)律進行分析，并分析引起柴油機聲品質(zhì)差異性的原因。兩款機型實際運行轉(zhuǎn)速范圍為1 400～2 400 r/min，利用響度與尖銳度計算方法對測點1附近心理聲學(xué)特征響度值及尖銳度值進行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩款機型心理聲學(xué)參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

由圖3可看出，兩款機型的響度隨柴油機轉(zhuǎn)速的增加而遞增，并逐漸趨于穩(wěn)定，這與人的聽閾變化趨勢一致；兩款機型的尖銳度隨柴油機轉(zhuǎn)速的增加呈拋物線變化，這是由于柴油機轉(zhuǎn)速的升高而引起噪聲中高頻能量的變化而產(chǎn)生的。在整個轉(zhuǎn)速變化域中，機型A的響度和尖銳度均大于機型B，即機型B的聲學(xué)特性優(yōu)于機型A，機型B的噪聲更容易被接受。分析其聲品質(zhì)較好的原因，發(fā)現(xiàn)機型B的機體及軸承座處加強筋的結(jié)構(gòu)布置方式要優(yōu)于機型A，這可為機型A的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論支持。

通過傳統(tǒng)聲學(xué)方法分析恒扭矩變轉(zhuǎn)速可知，機型A聲壓級整體高于機型B，結(jié)論難以充分說明兩款機型聲品質(zhì)的差異性所在。通過心理聲學(xué)分析方法，在轉(zhuǎn)速為1 400～1 700 r/min范圍內(nèi)，兩款機型響度的差異性顯著，但在1 700～2 300 r/min范圍內(nèi)差異性較小，尤其是在2 100～2 300 r/min時機型B響度大于機型A；對于尖銳度而言，在整個轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)兩款機型的差異性顯著。兩款機型在不同工況下心理聲學(xué)特征響度與尖銳度變化規(guī)律不一致，僅通過指標(biāo)A計權(quán)聲壓級難以評價柴油機輻射噪聲特征，而通過響度、尖銳度等可以描述柴油機輻射噪聲隨頻率、時間及工況的不同的變化規(guī)律，一方面說明聲音具有多維度特征，另一方面說明聲音聽起來是否容易接受不是由某一物理變量或心理聲學(xué)變量決定，而是客觀變量的一個綜合反映。

6 結(jié)束語

以聲品質(zhì)主觀測評結(jié)果差異性較大的A、B兩款柴油機為研究對象，采用傳統(tǒng)噪聲聲壓級與心理聲學(xué)理論兩種方法對比分析兩款機型在不同的運行工況下其輻射噪聲的差異性。研究表明，怠速工況下，兩款機型特征響度分布均主要集中于中低頻帶3～10 bark區(qū)間內(nèi)，特征尖銳度分布于高頻帶19～22 bark區(qū)間內(nèi)，但A機型在此區(qū)間內(nèi)響度與尖銳度均高于B機型，故人耳對A機型噪聲更為敏感；恒轉(zhuǎn)矩不同轉(zhuǎn)速工況下，兩款機型的響度值均隨轉(zhuǎn)速升高而增大，尖銳度值均隨轉(zhuǎn)速呈拋物線性變化，但A機型響度、尖銳度整體高于B機型。結(jié)果表明，柴油機輻射噪聲隨頻率、時間以及工況的不同的變化規(guī)律，證明柴油機噪聲具有多維度特征，通過多維度心理聲學(xué)指標(biāo)如響度、尖銳度綜合來描述人耳對柴油機聲品質(zhì)的主觀判斷更為合適。

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