中大型SUV急加速工況聲品質(zhì)研究與應(yīng)用

畢金亮 盧炳武 鄧建交

摘要：本文主要研究車輛在急加速工況下動力總成的聲品質(zhì)，動力總成聲品質(zhì)是車輛NVH性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。在J.D，POWER市場調(diào)研報(bào)告中，發(fā)動機(jī)與排氣管急加速時的聲音感受是用戶十分關(guān)注的，也是NVH性能中十分重要的調(diào)研項(xiàng)。本文主要研究急加速工況下動力總成聲音的階次特陛、頻率特性等若干指標(biāo)。進(jìn)行急加速工況聲品質(zhì)類型研究，明確其聲品質(zhì)感受，如聲音動力感受、聲音運(yùn)動感受、聲音的豪華安靜感受等。對每種聲音感受的頻率成份、階次成份進(jìn)行量化，最終設(shè)計(jì)出用戶喜歡的中大型SUV車型加速聲音品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：中大型SUV;動力總成;聲品質(zhì);階次

中圖分類號：U461.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0105-05

畢金亮

畢業(yè)于東北大學(xué)，本科，在吉林大學(xué)獲工程碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，任整車NVH性能主觀評價(jià)主任，主要從事汽車NVH性能開發(fā)工作。

引言

隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車的駕駛品質(zhì)要求越來越高，汽車NVH發(fā)展也達(dá)到了一定的高度，用戶對汽車NVH的需求也越來越嚴(yán)格。通過J.D.POWER統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示用戶不僅對汽車的NVH問題越來越不能忍受，而且對聲音的品質(zhì)要求也越來越高，其中，APEAL項(xiàng)中急加速時的發(fā)動機(jī)與排氣管聲音是用戶比較關(guān)注的項(xiàng)目。換言之，急加速工況的動力總成聲品質(zhì)越來越重要。汽車NVH的發(fā)展歷程分為三個階段，第一階段為減振降噪階段，主要工作消除異常狀態(tài)噪聲，如嘯叫、敲擊、轟鳴等噪聲;第二階為聲品質(zhì)控制，讓聲音聽起來更舒服些，如關(guān)門聲品質(zhì);第三階段為聲音設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成有個性的、品牌之間有差異的聲音。急加速聲品質(zhì)設(shè)計(jì)為第三階段。

動力總成急加速聲品質(zhì)的研究在國內(nèi)的各大主機(jī)廠也處于發(fā)展階段，國外如奔馳、寶馬、奧迪、通用、福特與豐田的研究與應(yīng)用都已趨近成熟，在多款車型中均已體現(xiàn)聲品質(zhì)的設(shè)計(jì)。由于聲音是人們聽覺的一種感受，用戶的感受也不盡相同，歐美人較為喜歡中低頻的聲音感受;日本人不喜歡低頻聲音，在聲音設(shè)計(jì)時盡可能消除低頻聲音。除了國別以外，聲音感受還與年齡相關(guān)。聲音感受是一個極其復(fù)雜的感受，國內(nèi)的研究較少。長安汽車與東風(fēng)汽車都進(jìn)行過加速聲品質(zhì)的相關(guān)研發(fā)工作。本文對中大型SUV急加速聲品質(zhì)進(jìn)行研究，并在車輛開發(fā)過程中進(jìn)行應(yīng)用，最后達(dá)成工程目標(biāo)要求。

1聽覺的心理聲學(xué)

人對聲音的感受與人耳構(gòu)造、心理感知、情緒等因素相關(guān)，所以在分析加速工況聲品質(zhì)時應(yīng)主要關(guān)注上述因素的影響，本小節(jié)主要把掩蔽效應(yīng)、臨界頻帶等理論知識在實(shí)踐進(jìn)行應(yīng)用，從而找到與加速聲品質(zhì)相關(guān)客觀評價(jià)參數(shù)。本小節(jié)重點(diǎn)介紹與之相關(guān)的三個重要概念：

1.1臨界頻帶

由于人耳構(gòu)造特殊，對頻率具有一定的選擇特性，可以簡單的理解人耳為濾波器，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究，可形成24個濾波器，對應(yīng)的每個濾波器即為臨界頻帶，具有一定帶寬，相應(yīng)的提出了計(jì)算方法：

其中CBW：帶寬;fc：中心頻率，帶寬也被稱為Bark，按照上述公式人的聽閾可分為24個Bark。本文在急加速聲品質(zhì)研究中，會應(yīng)用頻帶參數(shù)進(jìn)行聲品質(zhì)的研究，不同聲品質(zhì)對頻帶帶寬的要求有所不同，頻帶帶寬的選擇主要的依據(jù)是臨界頻帶的人耳統(tǒng)計(jì)特性。

1.2掩蔽效應(yīng)

掩蔽效應(yīng)是人耳聽覺的重要感知特性，理論上是當(dāng)兩個聲音在頻率上或者是時間上比較接近時，響度大聲音信號會影響響度小的聲音信號的感知。結(jié)合臨界頻帶特性，在相同臨界頻帶內(nèi)，當(dāng)掩蔽音與被掩蔽音的響度相差足夠大的時候，被掩蔽的聲音是不會讓人感知的，本文在聲音階次平衡過程中會應(yīng)用到此效應(yīng)，利用掩蔽效應(yīng)進(jìn)行聲音階次的設(shè)計(jì)。

2急加速聲品質(zhì)試驗(yàn)評價(jià)方法

2.1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，試驗(yàn)車輛必須進(jìn)行預(yù)熱，使發(fā)動機(jī)冷卻液溫度達(dá)到車輛正常行駛時的溫度（85±5）℃。試驗(yàn)時，首先在選定的擋位以發(fā)動機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速行駛，然后全油門急加速到最高轉(zhuǎn)速，采集這個過程中車內(nèi)噪聲信號，同一工況至少重復(fù)測試3次。

裝配手動擋和手自一體變速器的車輛分別測量以下?lián)跷缓凸r，手動擋：選擇2擋、3擋，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從該擋位最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速加到最高轉(zhuǎn)速;手自一體：選擇手動模式3擋、4擋，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從該擋位最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速加到最高轉(zhuǎn)速。車內(nèi)噪聲測點(diǎn)位置為駕駛員外耳位置（FLO），如圖1所示：

2.2主觀評價(jià)方法

由于人耳與心理聲學(xué)的復(fù)雜性，急加速聲品質(zhì)的評估不僅需要客觀指標(biāo)定義還需結(jié)合主觀評價(jià)進(jìn)行綜合評估。本小節(jié)主要介紹急加速聲品質(zhì)評價(jià)方法。評價(jià)方法采用10分制評分方法。評價(jià)分?jǐn)?shù)的最小單位為0.5分，如下表1：

3急加速聲品質(zhì)特征與類型

3.1急加速聲品質(zhì)主觀感受

加速聲品質(zhì)是汽車品牌的主要屬性之一，是品牌差異性的重要指標(biāo)。急加速聲品質(zhì)不僅與品牌特性相關(guān)，還與車輛造型與市場定位相關(guān)，一般運(yùn)動造型的車輛應(yīng)具有運(yùn)動型的聲品質(zhì)，造型線條分明肌肉感強(qiáng)勁的車輛應(yīng)具有動力型的聲音品質(zhì)。

3.2急加速聲品質(zhì)類型分析

本文對急加速工況動力總成聲品質(zhì)大體分為三類：運(yùn)動型聲品質(zhì)、動力型聲品質(zhì)、舒適型聲品質(zhì)。急加速聲品質(zhì)有三大因素，分別為階次特性、頻率特性與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍。本文選擇了三款車輛進(jìn)行急加速聲品質(zhì)分析，其中A車與C車裝配6缸V型增壓發(fā)動機(jī)，B車裝配V型8缸增壓發(fā)動機(jī)。

A車主觀評價(jià)聲音感受為典型的運(yùn)動型聲品質(zhì)，聲音清晰明亮，有賽車的聲音感受，聽起來較為興奮?？陀^數(shù)據(jù)分析，如圖2所示，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速3000r/min以上，聲壓級較大，主階次、諧階次與半階次水平相當(dāng)，并且半階次成分較多，頻帶分布較寬，大約在750Hz以內(nèi)。

B車主觀評價(jià)聲音感受為典型的動力型聲品質(zhì)，聲音低沉有力，給人車輛動力強(qiáng)勁澎湃的聲音感受，聽起來感覺動力充足，而非綿軟無力。客觀數(shù)據(jù)分析，如圖3所示，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在1500～4700r/min之間，聲壓級適中，主階次占主導(dǎo)，適當(dāng)存在一部分半階次噪聲，頻帶分布適中，大約在500Hz以內(nèi)，4700r/min以上為運(yùn)動型聲品質(zhì)。

C車主觀評價(jià)聲音感受4500r/min以內(nèi)為舒適型聲品質(zhì)，舒適型聲品質(zhì)給人安靜舒適的感受。客觀數(shù)據(jù)分析，如圖4所示，聲音總聲壓級較小，200Hz以內(nèi)的低頻成分稍占主導(dǎo)且幅值較小，主階次、諧階次與半階次聲音幅值水平相當(dāng)，半階次成分較少，聲音的主要頻帶分布為500Hz以內(nèi)。

3.3急加速聲品質(zhì)類型特征提取

運(yùn)動型聲品質(zhì)：主要發(fā)生在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速3000r/mini）2上，聲音總聲壓級應(yīng)控制在70-80dBA之間，半階次成分較多，主階次、諧階次與半階次幅值相當(dāng)，幅值控制在55～73dBA之間，聲音的主要頻率帶分布在100～750Hz之間。

動力型聲品質(zhì)：主要發(fā)生在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2000～5000r/min之間，聲音總聲壓級應(yīng)控制在65～75dBA之間，主階次占主導(dǎo)，有一部分諧階次與半階次成分，諧階次與半階次幅值較小，主階次控制在60～70dBA之間，諧階次與半階次控制在45-65dBA之間，聲音的主要頻率帶分布在100～500Hz之間。

舒適型聲品質(zhì)：主要發(fā)生在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速4500r/min以內(nèi)，聲音總聲壓級應(yīng)控制在55-67dBA之間，主階次、諧階次與半階次的低頻成分占主導(dǎo)，半階次成分較少，主階次及諧階次幅值較小，半階次非常小;主階次及諧階次控制在45～60dBA之間，半階次控制在40～60dBA之間，聲音的主要頻率帶分布在100～500Hz之間。如表2所示：

主階次、諧階次與半階次的低頻成分給人以低沉有力的聲音感受（100～500Hz，180-300Hz聲音最強(qiáng)），半階次的高頻成分給人清晰明亮的聲音感受（300-800Hz）。

4某中大型SUV車型聲品質(zhì)設(shè)計(jì)

4.1某中大型SUV聲品質(zhì)開發(fā)目標(biāo)

本文介紹了某中大型SUV裝配6缸V形機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)的急加速工況聲品質(zhì)調(diào)校方法。該SUV車型聲品質(zhì)要求為舒適與動力兼具的聲音品質(zhì)。

4.2某中大型SUV聲品質(zhì)調(diào)校方案

調(diào)音前，該車的聲音總聲壓級較大，線性度較差，半階次成分較多且幅值較大，主要頻率帶寬較寬，高頻成分較多，主觀感受聲音響度較大，較為粗糙，無舒適型與動力型的聲音感受，是用戶不能接受的聲音，主觀評分為5分。

該車型進(jìn)行聲音總壓級控制，進(jìn)行動力總成增壓器的局部模態(tài)的提高，減小動力總成的聲音強(qiáng)度，第二步進(jìn)行排氣系統(tǒng)調(diào)音，對排氣口聲音成分進(jìn)行控制，對主階次及半階次聲音幅值進(jìn)行合理的平衡設(shè)計(jì)，提高聲音線性度，最后進(jìn)行車身防火墻性能的提高，增加車身對動力總成的隔吸聲性能，消除車內(nèi)的中高頻噪聲，保證中低頻聲音大小處于合理水平，從而使車內(nèi)的聲音更加純粹。

4.3某中大型SUV聲品質(zhì)最終效果

通過調(diào)音，該車聲音響度適中，線性度較好，半階次成分較少，幅值適中，主要的頻率帶分布較為合理，主要集中在低頻段且高頻成分較少，如圖5所示：

該車聲品質(zhì)設(shè)計(jì)結(jié)果為舒適型與動力型聲品質(zhì)并存的感受，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2500r/min以內(nèi)聲音感受為舒適型聲品質(zhì)，聲音總聲壓級控制在58～67dBA以內(nèi)，主階次與諧階次、半階次聲壓級水平相當(dāng);發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2500r/min以上聲音感受為動力型聲品質(zhì)，聲音總聲壓級控制在65～75dBA之間，主階次占主導(dǎo)聲音大小適中，為60-70dBA，半階次成分較少并且聲音大小適中，控制在50～65dBA以內(nèi)。頻率帶寬控制在450Hz以內(nèi)。急加速時整體的聲音感受較好，符合該車聲品質(zhì)設(shè)計(jì)，主觀評分為7分。

5結(jié)論

（1）本文通過主客觀數(shù)據(jù)的研究，明確了急加速聲品質(zhì)的類型及特征，并對不同類型聲音質(zhì)進(jìn)行量化分析。

（2）通過聲音階次的平衡設(shè)計(jì)與頻率成分的分布初步建立了舒適型聲品質(zhì)、動力型聲品質(zhì)與運(yùn)動型聲品質(zhì)的評價(jià)方法。

（3）本文對某中大型SUV進(jìn)行聲音品質(zhì)設(shè)計(jì)，具體介紹了聲音調(diào)校的方法，通過動力總成增壓器的局部模態(tài)的提高、排氣調(diào)音及防火墻隔吸聲性能的提升，最終滿足中大型SUV聲音品質(zhì)的開發(fā)需求。