變速器敲擊噪聲心理聲學(xué)評價研究

郭 棟，代文翔，劉 驕，熊秀文

（車輛工程學(xué)院 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗室，重慶 400054）

汽車由多個復(fù)雜系統(tǒng)組成，各個系統(tǒng)都會帶來NVH問題，且具有其獨(dú)特的NVH特征[1]。變速器作為動力傳動系統(tǒng)的主要部件之一，其NVH問題會在很大程度上影響汽車的NVH性能。其中變速器敲擊噪聲具有聲壓級跳躍和寬帶特征，當(dāng)前還缺乏全面有效的指標(biāo)或模型對其進(jìn)行評價。人耳的聽覺機(jī)制十分復(fù)雜，使得敲擊噪聲評價具有一定難度。然而基于人耳聽覺感知特性的敲擊評價方法及模型是敲擊噪聲控制的基礎(chǔ)和前提。因此，如何建立考慮人聽覺特性的敲擊噪聲評價模型，就成為了敲擊噪聲控制、優(yōu)化必須解決的一大關(guān)鍵問題。

Bodden等[2]在針對齒輪箱敲擊噪聲的評價時，考慮到齒輪箱敲擊噪聲和發(fā)動機(jī)的撞擊聲比較接近，提出了“個性化評價”方法，但是其主要運(yùn)用于車內(nèi)噪聲評價。西南交大的高思奇[3]對變速器進(jìn)行了動力學(xué)仿真和整車試驗。對變速器敲擊的評價提出了能量波動指標(biāo)。廖芳[4]利用噪聲相對量辨識方法對變速器敲擊噪聲進(jìn)行分析，辨識出整車上齒輪敲擊噪聲的發(fā)生時刻、頻率范圍和水平。吳光強(qiáng)等[5]基于變速器整車試驗，提出了整車敲擊評價模型。蔡龍生[6]對變速器進(jìn)行了振動噪聲試驗，得到了一些齒輪敲擊現(xiàn)象的特征，從而能定性的判斷出是否發(fā)生了齒輪敲擊現(xiàn)象。

綜上所述，學(xué)者們在變速器敲擊噪聲評價上取得了一定成果。然而這些評價方法大多都是針對車內(nèi)的敲擊噪聲進(jìn)行評價，目前針對敲擊臺架噪聲評價的研究相對較少?；诖?運(yùn)用考慮了人耳聽覺感知特性的心理聲學(xué)理論，本文在借鑒國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行了變速器敲擊噪聲臺架試驗，采集到了臺架試驗噪聲樣本。運(yùn)用等級評分法對噪聲樣本進(jìn)行主觀評價試驗。其次，計算了AI指數(shù)、抖動度、隨時間響度、粗糙度、尖銳度、SIL-4、音調(diào)度等心理聲學(xué)客觀指標(biāo)和平均聲壓級、A計權(quán)聲壓級。利用相關(guān)分析闡述了不同心理聲學(xué)參數(shù)與主觀評價結(jié)果的關(guān)聯(lián)性。最后通過多元回歸分析，建立了變速器臺架試驗敲擊噪聲評價模型。

1 敲擊噪聲主、客觀評價

1.1 噪聲樣本

本次試驗在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，試驗臺架為AVL公司開發(fā)的高動態(tài)特性臺架，由一個驅(qū)動電機(jī)、兩個加載電機(jī)構(gòu)成，其中，驅(qū)動電機(jī)布置于半消聲室內(nèi)部，由隔音罩包圍。整個臺架動態(tài)性能良好，可以實現(xiàn)輸入轉(zhuǎn)速波動，并且波動量大小連續(xù)可調(diào)。臺架構(gòu)造如圖1所示。

圖1 臺架結(jié)構(gòu)示意圖

試驗對象為在整車試驗中出現(xiàn)了敲擊現(xiàn)象的某型變速器，該變速器搭載四缸發(fā)動機(jī)，因此在臺架上模擬其2階輸出波動激勵。采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對變速器近場噪聲進(jìn)行實時采集，3個G.R.A.S麥克風(fēng)分別布置于距變速器包絡(luò)面10 cm處的變速器上方、前方、后方。

試驗工況為各檔位下，輸入轉(zhuǎn)速分別在600 r/min、800 r/min、1000 r/min、1200 r/min基礎(chǔ)上連續(xù)動態(tài)波動。其中掛三擋、輸入轉(zhuǎn)速600 r/min、轉(zhuǎn)速波動60秒內(nèi)從0 r/min波動到±80 r/min工況采集到的變速器近場噪聲colormap圖如圖2所示。

圖2 變速器近場噪聲colormap圖

主觀聽音發(fā)現(xiàn)在23秒左右可以明顯感受到敲擊噪聲。將得到的敲擊噪聲明顯、其他雜音相對較小的聲音文件進(jìn)行截斷處理，得到了敲擊程度不同的22組噪聲樣本，每個樣本長度為5秒，用于后續(xù)主觀評價試驗和心理聲學(xué)參數(shù)計算。

1.2 主觀評價試驗

主觀評價是以人為主體，通過問卷調(diào)查或評審團(tuán)評議的形式，并運(yùn)用試驗心理學(xué)來研究噪聲問題的一種評價方式。國際上常用的方法有成對比較法、語義細(xì)分法、排序法、等級評分法等[7]。本次主觀評價試驗流程圖如圖3所示。

圖3 主觀評價流程圖

成對比較法簡單易行，且評價是相對的，評價過程中成對的播放聲音樣本供聽音主體做出主觀評價，特別適用于聲音之間有微小差異的情況，但其數(shù)據(jù)量是隨著樣本數(shù)據(jù)量的平方增長的。語義細(xì)分法是一種多元尺度評價方法，主要是根據(jù)評價主體運(yùn)用意義相反的形容詞對聲音樣本進(jìn)行登記描述，可以對多個評價指標(biāo)或多個尺度進(jìn)行綜合評價。排序法常用于快速、簡單的主觀評價中，但只能得出各個樣本之間的相對好壞，無法對樣本的好壞進(jìn)行量化[8]。等級評分法是將聲音的某個特性劃分為不同的若干個等級，然后將各個等級以不同的分?jǐn)?shù)形式表現(xiàn)出來，以分?jǐn)?shù)的形式將抽象的印象概念具體化，最后將得到的分?jǐn)?shù)值匯總，計算其算術(shù)平均值，將其視為該樣本的聲品質(zhì)的品質(zhì)等級。這個方法相對而言比較容易操作，對于評價者而言也相對輕松，但這也要求在聽音試驗進(jìn)行之前對評價者進(jìn)行培訓(xùn)，了解評分的細(xì)則，進(jìn)行一定程度的聽音訓(xùn)練[9]。另外，等級評分法需要對評價結(jié)果進(jìn)行有效性處理。

通過對幾種主觀評價方法的比較，綜合本次試驗的實際情況，選擇等級評分法對此次試驗獲得的噪聲樣本進(jìn)行主觀評價，等級劃分采用常用的車輛噪聲評價的10等級評價尺度。研究表明50人組成的評審團(tuán)和20人組成的評審團(tuán)評價結(jié)果得分均值與標(biāo)準(zhǔn)差幾乎相同[10-11]。因此20名評價者的評價結(jié)果就可以滿足統(tǒng)計學(xué)要求。本次主觀評價試驗選擇26名評價主體，其中女生7名，男生19名，評價人員包含了NVH工程師、在讀研究生，他們都身體健康、聽力正常。在主觀評價試驗之前，對每個評價者進(jìn)行噪聲樣本說明與訓(xùn)練，主要為了讓評價者熟悉噪聲樣本與評分標(biāo)準(zhǔn)。主觀評價打分表如表1所示。

一般來說，如果樣本數(shù)小于等于30，則利用斯皮爾曼等級相關(guān)統(tǒng)計表對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[12]。因此利用斯皮爾曼等級相關(guān)系數(shù)對主觀評價結(jié)果進(jìn)行檢驗，計算每個評價者的評價結(jié)果與其他評價者相關(guān)系數(shù)的算術(shù)平均值，計算結(jié)果如表2所示。

由于1、3、15、20、22號評價者與其他評價者的平均相關(guān)系數(shù)低于0.7，故去除這些結(jié)果[13]，對于剩下的主觀評價結(jié)果，計算去除一個最高分和一個最低分剩下結(jié)果的算術(shù)平均值，作為最后的主觀評價結(jié)果。斯皮爾曼等級相關(guān)系數(shù)的表達(dá)式為

表1 敲擊噪聲主觀評價打分表

其中：Ri是第i個X值得秩，Si是第i個Y值得秩，、分別是Ri、Si的平均值。

1.3 客觀評價試驗

主觀評價可以直接反映評價主體對聲音樣本的感受，但是評價主體又容易受到外部環(huán)境干擾，而且個體之間也存在差異。因此，利用客觀心理參數(shù)建立變速器敲擊噪聲評價模型可以很好的避免上述問題，還可以對其進(jìn)行數(shù)值化的評估。常見的心理聲學(xué)參數(shù)有響度、粗糙度、尖銳度、語音清晰度(AI指數(shù))和音調(diào)度等。本文選擇選擇Head ArtemiS9計算語音清晰度、波動度、粗糙度、尖銳度、音調(diào)度、平均聲壓級、SIL-4、平均A計權(quán)聲壓等客觀心理聲學(xué)參數(shù)。

通過前面的主觀評價和客觀評價，得出了22個聲音樣本的主觀得分和客觀參數(shù)計算結(jié)果，最后結(jié)果如表3。

2 敲擊噪聲評價模型

組織評價者進(jìn)行主觀聽音試驗可以對各種噪聲進(jìn)行直接評判，直觀反映了人們對于某種噪聲的感受，然而主觀評價試驗費(fèi)時費(fèi)力，而且由于每個人個體之間的文化、經(jīng)歷等各方面的差異，使得主觀評價結(jié)果存在很大的差異[14]。因此，為了更好地研究變速器敲擊噪聲，有必要分析主觀評價結(jié)果和客觀評價之間的相互關(guān)系，希望能找到和主觀評價相關(guān)性高的一個指標(biāo)或者多個指標(biāo)的組合模型。

表2 主觀評價結(jié)果平均相關(guān)系數(shù)

表3 客觀心理聲學(xué)參數(shù)評價結(jié)果

相關(guān)分析是根據(jù)實際觀測數(shù)據(jù)，對兩個或兩個以上的變量之間的關(guān)系密切程度進(jìn)行分析的一種統(tǒng)計方法。而回歸分析是確定具有相關(guān)關(guān)系變量的表達(dá)式并進(jìn)行統(tǒng)計推斷的一種統(tǒng)計方法。他們都是研究和處理變量之間關(guān)系的數(shù)理統(tǒng)計方法。回歸分析是建立在相關(guān)分析基礎(chǔ)之上，對其進(jìn)行補(bǔ)充，研究變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并進(jìn)行預(yù)測；相關(guān)分析是回歸分析的前提，對于相關(guān)性低的變量進(jìn)行回歸分析是沒有意義的[15]。因此，為了建立變速器敲擊噪聲評價模型，本文運(yùn)用相關(guān)分析和回歸分析對主觀評價結(jié)果和心理聲學(xué)參數(shù)的相互關(guān)系進(jìn)行研究。

2.1 相關(guān)分析

（1）聲壓級與A計權(quán)聲級

齒輪敲擊現(xiàn)象發(fā)生后，嚙合非承載齒輪之間來回撞擊，輻射的噪聲使變速器近場聲壓值升高，敲擊噪聲具有聲壓級跳躍現(xiàn)象，有必要研究計權(quán)與非計權(quán)聲壓級與主觀評價結(jié)果的關(guān)系。聲壓級與計權(quán)聲壓級同主觀評價結(jié)果的關(guān)聯(lián)情況如圖3和圖4所示，經(jīng)過計算，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.927、-0.850。

（2）AI指數(shù)與SIL-4

AI即是語言清晰度[9]，是一個百分比參數(shù)，主要是對于語言可辨別程度的描述。語言干擾級定義為中心頻率600 Hz～4 800 Hz的6個頻段聲壓級的算術(shù)平均值[13]。語音清晰度指數(shù)與語言干擾級同主觀評價結(jié)果的關(guān)聯(lián)情況如圖5和圖6所示，其相關(guān)系數(shù)分別為0.872、-0.902。

圖3 聲壓級與主觀評價結(jié)果相關(guān)性圖

圖4 A計權(quán)聲級與主觀評價結(jié)果相關(guān)性

圖5 AI指數(shù)與主觀評價結(jié)果相關(guān)性圖

圖6 SIL-4與主觀評價結(jié)果相關(guān)性

（3）響度與粗糙度

響度與粗糙度同主觀評價結(jié)果的關(guān)聯(lián)情況如圖7－圖8所示，它們與主觀評價結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分別為-0.946、-0.906。

圖7 響度與主觀評價結(jié)果相關(guān)性圖

（4）波動度、尖銳度與音調(diào)度

圖8 粗糙度與主觀評價結(jié)果相關(guān)性圖

波動度、尖銳度、音調(diào)度同主觀評價結(jié)果的關(guān)聯(lián)情況如圖9－圖11所示，它們與主觀評價結(jié)果相關(guān)系數(shù)分別為-0.117、0.767、-0.955。

圖9 波動度與主觀評價結(jié)果相關(guān)性圖

圖10 尖銳度與主觀評價結(jié)果相關(guān)性

圖11 音調(diào)度與主觀評價結(jié)果相關(guān)性圖

2.2 回歸分析

相關(guān)分析結(jié)果顯示聲壓級、語言干擾級、響度、粗糙度、尖銳度與主觀評價結(jié)果相關(guān)系數(shù)都超過了0.9，因此對這些參數(shù)與主觀評價結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析。

將1－19號聲音樣本作為模型的輸入，20－22號樣本用于對模型進(jìn)行檢驗，以上述心理聲學(xué)參數(shù)為輸入變量，主觀評價結(jié)果為輸出變量，利用步進(jìn)方式進(jìn)行多元線性回歸計算，在計算過程中，如果F檢驗的P值大于0.05將會被自動消除。計算結(jié)果輸入如表4所示。

通過表4可以看出，音調(diào)度、尖銳度、聲壓級、語言干擾級的顯著水平都大于0.05，表明其概率較小，最終都未能進(jìn)入模型，所以，根據(jù)表格可以得出主觀和客觀多元線性回歸模型為

其中：SR為變速器敲擊噪聲評價模型，N為響度；R為粗糙度。

公式（2）即為通過變速器敲擊臺架試驗采集到的噪聲計算出來的評價模型，根據(jù)表4可以看出，模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.967，調(diào)整后的線性回歸系數(shù)也達(dá)到了0.936，模型中參數(shù)置信概率也都低于0.05，符合多元回歸檢驗標(biāo)準(zhǔn)。模型的回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差圖如圖12所示。

圖12 主觀評價的標(biāo)準(zhǔn)化殘差圖

表4 多元回歸結(jié)果

可以看出并無離群值，符合回歸模型的基本假設(shè)，最后利用計算值與實際評價值對模型的進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)果如表5所示。

表5 基于多元線性回歸聲品質(zhì)預(yù)測

預(yù)測誤差都在10%以內(nèi)。所以，多元線性回歸模型（公式2）可以作為變速器敲擊臺架試驗噪聲評價參考模型。

3 結(jié)語

通過對某型具有敲擊噪聲的變速器進(jìn)行敲擊臺架試驗，得到不同程度的敲擊噪聲樣本，對其進(jìn)行主觀評價與客觀心理聲學(xué)參數(shù)計算，并通過平均相關(guān)系數(shù)對主觀評價結(jié)果進(jìn)行檢驗，去掉了幾組相關(guān)系數(shù)差的數(shù)據(jù)，然后對主、客觀評價結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，得到了如下結(jié)論：

相關(guān)分析可以看出，對于變速器敲擊臺架噪聲，聲壓級、語言干擾級、響度、粗糙度、尖銳度與主觀評價結(jié)果相關(guān)性都超過了0.9，其中尖銳度與主觀評價結(jié)果的關(guān)聯(lián)度達(dá)到了0.955。

運(yùn)用多元線性回歸分析，建立了變速器臺架試驗敲擊噪聲評價模型，并對模型進(jìn)行了顯著性檢驗和標(biāo)準(zhǔn)化殘差分析，為變速器敲擊噪聲評價提供了參考。