某大型挖掘機進氣嘯叫聲品質(zhì)問題的量化評價法

高云凱，楊肇通

(同濟大學 汽車學院，上海 201804)

0 前言

NVH研究的三個層次分別是減振降噪、聲品質(zhì)控制以及聲音設(shè)計，難度依次遞增[1]。舒適性對產(chǎn)品附加值的提升與研究的不斷深入促使業(yè)內(nèi)將研究重心從聲振的預測控制提高到舒適性的評價改善，部分企業(yè)還啟動了設(shè)計聲音等前瞻性研究。自1985年日本工程師提出聲品質(zhì)概念[2]以來，評價體系仍以主觀評價為主[1-3]；盡管語義細分的方法[4]與心理聲學指標的數(shù)理統(tǒng)計[5-6]極大增強了主觀評價結(jié)果的可信度，但其原理始終是基于主觀打分的分析與處理，并非真正意義上的客觀評價方法，無法達到量化評價的效果；而且心理聲學指標難以全面描述各種聲品質(zhì)問題的特征。量化評價方法的缺失增加溝通成本，應(yīng)客觀研究的工程問題被矮化為針鋒相對的商務(wù)談判，不斷沖擊上下游企業(yè)的合作關(guān)系。

為準確描述某大型挖掘機在負載升高階段出現(xiàn)“尖叫”的聲品質(zhì)問題，并提供切實的優(yōu)化目標，提出聲品質(zhì)的多元量化評價方法，降低主觀性對評價結(jié)果的影響，增加評價的學術(shù)內(nèi)涵，夯實研究基礎(chǔ)。

1 聲品質(zhì)量化的評價指標

具有相同聲壓級的兩個聲音可能會獲得完全不同的主觀聲品質(zhì)評價，人耳聽覺物理過程的非線性是主要原因。基于人耳的非線性特性，心理聲學提出臨界帶寬指標，將聽覺頻域劃分為24個頻帶(Bark)，同一帶寬內(nèi)，人耳的聽覺感知是相同的。

掩蔽效應(yīng)與延遲效應(yīng)是人耳特性與聲壓信號最大的區(qū)別。針對人耳聽覺特殊的非線性靈敏度、掩蔽與延遲效應(yīng)等特性，心理聲學提出了多項評價指標，以更好地反映主觀感受。以響度、尖銳度、粗糙度三項指標的最具參考價值[1][5][6]，分別滿足式(1)、式(2)、式(3)。

(1)

(2)

(3)

(4)

提煉相同聲品質(zhì)問題的時頻特征，結(jié)合優(yōu)化對比改進前后的特征異同，總結(jié)出高頻連續(xù)、低頻延續(xù)、高頻帶寬、能量集中、時頻連續(xù)、頻率間隔等指標。參考聽閾等值線掩蔽特性的極小值10 dB，選擇主要聲壓水平向下10 dB為可分辨范圍。以該可分辨區(qū)域為基準，在時頻圖上分別繪制聲壓均值與下聽閾兩條等值線。嘯叫問題有兩項時頻指標：①高頻帶寬，指高頻頻域的均值線與下聽閾線的頻率寬度比；②能量集中，指均值線與下聽閾線二者的包絡(luò)面積之比。

2 聲品質(zhì)的多元量化評價方法

首先初步確定聲品質(zhì)問題指標。除心理聲學指標外，從問題工況與對標工況歸納合適的時頻指標；其次，確定有效指標及其閾值范圍。在繪制聲壓等值線的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計方法與其它工況信號校核指標的有效性，確定有效指標的閾值；最后，統(tǒng)計量化指標的分布范圍，通過歸一化繪制樣本的雷達圖并結(jié)合描繪的閾值區(qū)間，以做出判斷。其中確定有效指標及其閾值范圍是聲品質(zhì)多元量化方法的核心。具體過程如圖1所示。該方法的主觀評價限于爭議很低的存在性問題，隔離了文化背景、教育水平與情緒的影響，降低了主觀性。

圖1 多元量化評價方法流程圖

2.1 時頻特征對嘯叫聲的適用性分析

用鉛覆蓋法簡易處理進氣口，有效改善加速尖叫，并確定該問題對應(yīng)文獻描述為嘯叫(howling)。嘯叫在結(jié)構(gòu)沖擊、進氣等過程中均有出現(xiàn)；空濾的嘯叫出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速急劇增加的過程[7][8]，用話筒指向擴音器也會引起該問題。圖2為教室麥克風朝向音響的時頻圖，圖3的為某發(fā)動機加速產(chǎn)生的嘯叫及其優(yōu)化。

0圖2的嘯叫出現(xiàn)在1.4 s前后，頻帶約50 Hz，相比周圍聲壓水平嘯叫聲壓明顯較高；圖3顯示嘯叫聲從7 s持續(xù)至10 s，帶寬約40 Hz，聲壓水平很高。優(yōu)化后對應(yīng)時間窄帶高聲壓的特征在時頻圖中消失。初步選擇響度、尖銳度、粗糙度、高頻帶寬、能量集中為嘯叫聲的量化指標。

圖2 教室內(nèi)揚聲器嘯叫問題時頻圖[9]

圖3 采用1/4波長管消除嘯叫問題[10]

2.2 嘯叫聲品質(zhì)量化與評價

在空濾近場附近布置傳聲器，使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速快速增加，采集進氣系統(tǒng)的噪聲信號。圖4為問題聲信號的第一次測量，采集3組問題信號后，在進氣系統(tǒng)加裝合適的1/4波長管，采集3組對照信號如圖5所示。

圖4 嘯叫聲品質(zhì)問題聲壓信號與對應(yīng)時頻圖

圖5 嘯叫聲品質(zhì)問題改進后聲壓信號與對應(yīng)時頻圖

分別并處理獲取各次測量的時頻圖以及響度、尖銳度曲線與粗糙度曲線，繪制時頻圖等值線計算嘯叫聲時頻指標，統(tǒng)計量化評價指標如表1所示。

表1 嘯叫問題組與對照組參數(shù)

依次分析對照組與問題組的各項參數(shù)。嘯叫消失，響度與尖銳度明顯降低，故嘯叫聲響度與尖銳度較高，閾值區(qū)間為201～208 Sone與2.17～2.21 Acum；消除嘯叫高頻帶寬從13%降至8%，能量集中從10%降至2%，對應(yīng)的閾值區(qū)間分別為7.59%～13.33%與2.03%～8.64%。響度、尖銳度、高頻帶寬、能量集中4項指標為嘯叫的量化指標。

3 多元量化評價方法的檢驗與應(yīng)用

3.1 閾值區(qū)間的置信分析

表2 嘯叫聲品質(zhì)問題指標秩和檢驗

表2為表1的秩和檢驗結(jié)果。查表[14]，n=m=3對應(yīng)的關(guān)鍵范圍是[6,13]，故判定響度、尖銳度、高頻帶寬、能量集中4項指標的能夠有效區(qū)分嘯叫聲問題。

3.2 多元量化評價方法的應(yīng)用

控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速均勻提升至6檔后加快掛擋速度直至第23檔以復現(xiàn)嘯叫問題并驗證評價方法。圖6為控制工況時域聲壓信號及其對應(yīng)的時頻圖信號，噪聲的時頻特征在11 s變化明顯，與操作手收到的指示內(nèi)容一致，轉(zhuǎn)速變化率在11 s開始增加并達較高水平。

圖6 工況聲壓信號與時頻圖

表3為快速加速時間統(tǒng)計與對應(yīng)聲品質(zhì)參數(shù)。由于量化分析指標的分布范圍廣泛，各項指標的分布、單位、量級均存在較大差異：三大心理聲學指標的單位各異，頻率間隔、高頻帶寬與能量集中為無量綱參數(shù)；響度值與時頻指標的量級差距高達104，故引入歸一化與雷達圖以更清晰地比較量化指標。

表3 快速加速階段聲品質(zhì)參數(shù)

以最小值與最大值為基準，將表1各項指標分別投影至[0.2, 1.0]進行線性插值；反向關(guān)聯(lián)的指標則反向投影，超出范圍即取超出方向的極值。保留粗糙度統(tǒng)計，增加此方法的適用性。響度的極小值與極大值分別為181.35 Sone與226.49 Sone，分別對應(yīng)無量綱響度0.2與1.0。經(jīng)計算，無量綱響度指標如表4所示。

表4 無量綱響度指標轉(zhuǎn)換過程

采用相同方法處理其他指標，圖7左側(cè)雷達圖為換算結(jié)果，嘯叫聲可以通過響度、尖銳度、高頻帶寬與能量集中進行區(qū)分，指標在閾值區(qū)間上限以上，可認定存在對應(yīng)聲品質(zhì)問題。

采用相同歸一算法轉(zhuǎn)換表3的統(tǒng)計結(jié)果并與閾值區(qū)間比較(圖7b)，主要指標均高于閾值上限，說明存在嘯叫問題，與現(xiàn)場感受一致；該多元量化評價法可以識別嘯叫，該方法流程穩(wěn)定、結(jié)果可復現(xiàn)，評價結(jié)論明確且具有說服力。聲品質(zhì)多元量化評價方法遵循從特殊到一般的數(shù)學歸納原理，在心理聲學指標的基礎(chǔ)上，引入同類聲品質(zhì)問題的時頻圖，提煉共有的特征，基于聲學原理提出計量方法，采用多組聲品質(zhì)問題優(yōu)化前后的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合置信驗證各指標的閾值區(qū)間，從而能夠用于評價其他測試結(jié)果。對照組的數(shù)據(jù)越多，閾值區(qū)間的劃分與評價結(jié)論就越明確。

圖7 嘯叫聲品質(zhì)評價基準及其控制工況驗證

4 結(jié)論

針對聲品質(zhì)評價結(jié)果受主觀性影響較大的問題，提出的多元量化的評價方法，能夠提高評價過程的穩(wěn)定性并獲取明確的評價結(jié)果。引入心理聲學與時頻指標評價嘯叫，經(jīng)秩和分析，響度、尖銳度、高頻帶寬與能量集中四項指標有效。應(yīng)用控制工況檢驗，該評價方法流程穩(wěn)定、結(jié)論明確、可重復。隨意性較大的商業(yè)談判口徑得以轉(zhuǎn)化為物理意義明確的工程目標，減少溝通成本、提高研發(fā)效率，具備學術(shù)意義與巨大的商業(yè)價值，可進一步擴展評價其它聲品質(zhì)問題。