加速行駛車內(nèi)噪聲線性度評(píng)價(jià)方法研究及應(yīng)用

仲崇發(fā) 盧炳武 畢金亮 張智

摘 要：為有效評(píng)價(jià)加速行駛車內(nèi)噪聲線性度，建立了一種基于客觀參數(shù)的回歸模型。首先以18款市場(chǎng)主流車型的加速行駛車內(nèi)噪聲主客觀試驗(yàn)結(jié)果為研究對(duì)象，通過最小二乘法對(duì)客觀試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一元線性回歸擬合，計(jì)算出最大偏差、平均絕對(duì)偏差和確定系數(shù)三項(xiàng)線性度評(píng)價(jià)參數(shù)，然后基于加速車內(nèi)噪聲線性度主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，構(gòu)建出主客觀回歸模型。最后以某C級(jí)SUV加速行駛車內(nèi)噪聲線性度優(yōu)化案例，證明了該方法的有效性及合理性。

關(guān)鍵詞：加速車內(nèi)噪聲;線性度;主客觀試驗(yàn);回歸分析

Abstract： A regression model based on objective parameters is established to evaluate the linearity of acceleration noise. Firstly， the subjective and objective test results of acceleration noise of 18 mainstream models were taken as the research object， using the least square method to monadic linear regression fitting， calculated the maximum deviation， the average absolute deviation and coefficient of three linearity evaluation parameters， and then based on the linearity subjective evaluation results， build the regression model of subjective and objective. Finally， the optimization case of acceleration noise linearity of a c-class SUV was presented， proves the validity and rationality of the method.

Keywords： Acceleration noise; Linearity; Subjective and objective test; Regression analysis

引言

加速行駛工況作為汽車最常使用的工況之一，主機(jī)廠對(duì)加速車內(nèi)聲品質(zhì)控制有著嚴(yán)格的要求。目前加速車內(nèi)聲品質(zhì)主要以響度、語音清晰度、線性度和粗糙度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[1-2]，相較于其他三項(xiàng)研究較為成熟的心理聲學(xué)參數(shù)，對(duì)于線性度的研究相對(duì)較少，但如果要追求更高級(jí)的聽覺體驗(yàn)，將車內(nèi)聲品質(zhì)打造成產(chǎn)品魅點(diǎn)，關(guān)于線性度的研究是不可或缺的。據(jù)了解目前對(duì)加速行駛車內(nèi)噪聲線性度的研究主要是針對(duì)總聲壓級(jí)曲線或響度曲線的分析[3-4]，但很多情況下發(fā)動(dòng)機(jī)主階次噪聲曲線存在人耳能夠明顯感知的峰值，總聲壓級(jí)噪聲曲線卻只有輕微幅值變化，分析總聲壓級(jí)或響度曲線的線性度并不能完全反應(yīng)人耳的感受。在加速行駛車內(nèi)噪聲線性度優(yōu)化過程中，重點(diǎn)是解決能量大，頻率成分為中低頻的發(fā)動(dòng)機(jī)主階次噪聲問題，如動(dòng)力總成共振，傳動(dòng)系共振，車身共振引起的噪聲問題及進(jìn)排氣噪聲等，所以研究發(fā)動(dòng)機(jī)主階次噪聲曲線的線性度更有意義。目前已有很多主機(jī)廠利用主動(dòng)噪聲控制技術(shù)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)主階次噪聲線性度，從而提升汽車的加速行駛車內(nèi)聲品質(zhì)[5]。

本文針對(duì)市場(chǎng)主流車型進(jìn)行了加速行駛車內(nèi)噪聲線性度主觀評(píng)價(jià)和客觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，結(jié)合回歸分析及聲學(xué)理論選取了三項(xiàng)線性度客觀評(píng)價(jià)參數(shù)，建立了加速行駛車內(nèi)噪聲線性度主觀評(píng)價(jià)分值與客觀評(píng)價(jià)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，并將該模型應(yīng)用于某C級(jí)SUV產(chǎn)品開發(fā)中加速行駛車內(nèi)噪聲線性度的優(yōu)化。

1 加速行駛車內(nèi)噪聲主客觀試驗(yàn)

1.1 客觀試驗(yàn)

為保證試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)充分，選取了市場(chǎng)主流的自主及合資轎車、SUV共計(jì)18款車型為研究對(duì)象。測(cè)試采用LMS公司的24通道數(shù)據(jù)采集前端及B&K公司的聲音傳感器，聲音傳感器布置于駕駛員外耳位置，采樣頻率為25600Hz。為減少外界因素的影響，所有車輛測(cè)試路段為同一長直線平滑瀝青路面，風(fēng)速小于5m/s，測(cè)試工況為3擋全油門加速，對(duì)于自動(dòng)擋車型采用手動(dòng)模式進(jìn)行測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1200 ～5000r/min，采集三組有效數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)采用LMS軟件進(jìn)行處理，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速步長為25r/min，頻率分辨率為1Hz，計(jì)算出加速行駛車內(nèi)噪聲總聲壓級(jí)及主階次噪聲曲線，示例如圖1所示。

1.2 主觀評(píng)價(jià)

主觀評(píng)價(jià)采用直接評(píng)分法，由8名具有NVH主觀評(píng)價(jià)資質(zhì)的NVH工程師對(duì)18款車型的加速行駛車內(nèi)噪聲線性度進(jìn)行評(píng)價(jià)。采取10分制評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，等級(jí)劃分如表1所示，評(píng)分最小單位為0.25分。為保證主觀評(píng)價(jià)與客觀試驗(yàn)的對(duì)應(yīng)性，評(píng)價(jià)道路及工況與客觀試驗(yàn)一致。計(jì)算8名評(píng)價(jià)人員主觀評(píng)價(jià)分值的算數(shù)平均值作為最終結(jié)果，結(jié)果圓整至0.25分，如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 客觀試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

線性度是指加速行駛車內(nèi)噪聲隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的線性關(guān)系。理論上，全油門加速工況下車內(nèi)噪聲應(yīng)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而線性平穩(wěn)增加，而實(shí)際因發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)共振及進(jìn)排氣噪聲調(diào)校等多方面因素影響會(huì)使加速噪聲波動(dòng)，出現(xiàn)波峰或波谷，人耳感知上聲音會(huì)有突然的增大或降低，影響人耳的主觀感受。本文采用最小二乘法對(duì)加速行駛車內(nèi)噪聲曲線進(jìn)行一元線性擬合，結(jié)合回歸分析原理，選取最大偏差、平均絕對(duì)偏差和確定系數(shù)三項(xiàng)參數(shù)對(duì)加速行駛車內(nèi)噪聲線性度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

①最大偏差。最大偏差是加速過程中實(shí)測(cè)車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)與擬合聲壓級(jí)差值絕對(duì)值的最大值，見公式（1）。最大偏差越大，線性度越差。

式中，MD為最大偏差;yi為實(shí)測(cè)聲壓級(jí);為擬合聲壓級(jí);i為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，取值范圍為1200～5000r/min。

②平均絕對(duì)偏差。平均偏差是加速過程中各點(diǎn)實(shí)測(cè)聲壓級(jí)與擬合聲壓級(jí)差值絕對(duì)值的平均值，見公式（2）。平均絕對(duì)偏差越小，說明線性度越好。

式中，MAD為平均絕對(duì)偏差;n為數(shù)據(jù)采集量。

③確定系數(shù)。確定系數(shù)是對(duì)線性擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)量，見公式（5），R2的取值范圍是[0，1]，R2的值越接近于1，表明線性度越好。

式中，R2為確定系數(shù);為平均聲壓級(jí);SSE為和方差;SST為總平方和。

按上述公式對(duì)18個(gè)樣本的加速行駛車內(nèi)噪聲總聲壓級(jí)和發(fā)動(dòng)機(jī)主階次噪聲曲線的線性度客觀評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

2.2 主客觀相關(guān)性分析

為研究全油門加速工況車內(nèi)噪聲線性度主觀評(píng)價(jià)結(jié)果與客觀試驗(yàn)參數(shù)的相關(guān)性，本文運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)分析[6]，結(jié)果如表4所示。

表示95%置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān)。

表示99%置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān)。

由主客觀相關(guān)分析結(jié)果可以看出，總聲壓級(jí)客觀參數(shù)與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)系數(shù)均在0.6以下，相關(guān)性較差;而主階次客觀參數(shù)與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)系數(shù)均在0.7以上，相關(guān)性較為顯著;從側(cè)面明確了加速行駛車內(nèi)噪聲線性度的主觀評(píng)價(jià)與發(fā)動(dòng)機(jī)主階次噪聲線性度更為相關(guān)，客觀參數(shù)對(duì)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果影響程度排序?yàn)椋鹤畲笃?確定系數(shù)>平均絕對(duì)偏差。

2.3 線性度回歸模型建立

回歸分析是在確定自變量和因變量之間相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)兩種或兩種以上自變量間的相互依賴關(guān)系進(jìn)行預(yù)測(cè)的一種統(tǒng)計(jì)分析方法。該方法不僅能分析自變量對(duì)因變量的影響程度，還能夠通過自變量對(duì)因變量進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文分析中因變量為加速行駛車內(nèi)噪聲線性度主觀評(píng)價(jià)分值，自變量為發(fā)動(dòng)機(jī)主階次噪聲線性度的三項(xiàng)客觀評(píng)價(jià)參數(shù)。采用逐步回歸方法，通過F檢驗(yàn)值對(duì)自變量能否進(jìn)入回歸方程進(jìn)行判斷，平均絕對(duì)偏差的F檢驗(yàn)值大于0.05，將其排除，最終計(jì)算得出的線性回歸模型如公式（6）所示。

（6）式中，Y1為線性度主觀評(píng)價(jià)分值，Xmd為最大偏差，Xr為確定系數(shù)。

式中表明主觀評(píng)價(jià)分值與最大偏差呈負(fù)相關(guān)，與確定系數(shù)呈正相關(guān)，可以通過降低主階次噪聲的最大偏差及提高確定系數(shù)來提升加速車內(nèi)噪聲線性度?；貧w方程的校正復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.851，大于0.8，明確主觀評(píng)分預(yù)測(cè)值與實(shí)際值擬合程度較高。

在模型建立后需要對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，其中常量，最大偏差，確定系數(shù)的t檢驗(yàn)概率P值分別為0.000、0.000、0.001，均在0.05以內(nèi);方差膨脹因子（VIF）為1.761，小于10，符合共線性診斷要求[7-8];殘差符合正態(tài)分布，證明線性度回歸方程具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 線性度優(yōu)化與應(yīng)用

一款搭載V6發(fā)動(dòng)機(jī)的C級(jí)SUV車型在開發(fā)階段發(fā)現(xiàn)加速行駛車內(nèi)主階次噪聲曲線在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1600 r/min以內(nèi)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2600 r/min附近存在兩處明顯峰值，如圖3所示，利用回歸模型對(duì)主觀評(píng)價(jià)分值進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果為5.97分，不滿足7分的產(chǎn)品開發(fā)目標(biāo)要求，需要進(jìn)行優(yōu)化。下面對(duì)兩處峰值的優(yōu)化過程進(jìn)行概述：

（1）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在160 r/min以內(nèi)主階次噪聲峰值進(jìn)行原因排查，將排氣口噪聲通過延長管的方式引出后測(cè)試發(fā)現(xiàn)噪聲峰值基本消除，證明該噪聲峰值主要是由于排氣口輻射噪聲引起，對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)音優(yōu)化后問題得以解決。

（2）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2600r/min附近的峰值問題進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)車內(nèi)噪聲在120～140Hz頻率區(qū)間存在共振帶，與后懸置主動(dòng)側(cè)120～140Hz區(qū)間共振帶相對(duì)應(yīng)。整車狀態(tài)下對(duì)動(dòng)力總成彈性體模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，識(shí)別到動(dòng)力總成一階垂向彎曲模態(tài)頻率為121Hz，一階橫向彎曲模態(tài)頻率為139Hz;初步判斷車內(nèi)噪聲共振帶是由于動(dòng)力總成共振引起。一般動(dòng)力總成彈性體模態(tài)要求高于發(fā)動(dòng)機(jī)主階次最大激勵(lì)頻率，如公式（7）所示，該動(dòng)力總成額定轉(zhuǎn)速為5500r/min，經(jīng)計(jì)算動(dòng)力總成一階彈性體模態(tài)頻率應(yīng)大于388.9 Hz。

式中：fmin為動(dòng)力總成最低模態(tài)頻率，Nmax為發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，n為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)，Z為沖程數(shù)。

由于該動(dòng)力總成為3.0T大排量縱置發(fā)動(dòng)機(jī)，受動(dòng)力總成質(zhì)量和結(jié)構(gòu)形式的影響，動(dòng)力總成彈性體模態(tài)較低，無法避開發(fā)動(dòng)機(jī)主階次激勵(lì)頻率，只能通過其它方法解決問題，其中增加動(dòng)力吸振器是解決共振的一種簡(jiǎn)單有效的方案[9-10]。

通過動(dòng)力總成彎曲模態(tài)振型分析，發(fā)現(xiàn)一階模態(tài)頻率下最大變形位置為變速器末端，結(jié)合動(dòng)力總成質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)及變速器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為130 Hz的環(huán)形動(dòng)力吸振器，如圖2所示，整車測(cè)試效果2600 r/min主階次噪聲峰值降低約8 dB（A）。

最后，將兩個(gè)方案同時(shí)進(jìn)行整車效果驗(yàn)證，加速行駛車內(nèi)噪聲曲線對(duì)比結(jié)果如圖3所示，利用回歸模型對(duì)主觀評(píng)價(jià)分值進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果為7.58分，滿足目標(biāo)要求，證明了方案的有效性。為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，對(duì)優(yōu)化前后的加速行駛車內(nèi)噪聲線性度水平進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，主觀評(píng)價(jià)分值與線性度回歸模型預(yù)測(cè)分值對(duì)比結(jié)果見表5，結(jié)果表明主觀評(píng)價(jià)分值與預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的合理性。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)18輛主流車型的加速行駛車內(nèi)噪聲主客觀試驗(yàn)及線性度分析，建立了主觀評(píng)價(jià)分值預(yù)測(cè)模型，然后將模型應(yīng)用于線性度優(yōu)化案例中，主要得到以下結(jié)論：

（1）相對(duì)于加速行駛車內(nèi)總聲壓級(jí)噪聲曲線，發(fā)動(dòng)機(jī)主階次噪聲曲線的線性度與人耳主觀感受相關(guān)性更高。

（2）應(yīng)用多元線性回歸方法建立了加速行駛車內(nèi)噪聲線性度預(yù)測(cè)模型，通過計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)主階次噪聲曲線的最大偏差和確定系數(shù)能夠預(yù)測(cè)加速車內(nèi)噪聲線性度的主觀評(píng)價(jià)分值。

（3）某款搭載V6發(fā)動(dòng)機(jī)的C級(jí)SUV車型加速行駛車內(nèi)噪聲線性度優(yōu)化案例，一方面驗(yàn)證了線性度預(yù)測(cè)模型的有效性及合理性，另一方面提供了一種加速行駛車內(nèi)噪聲線性度問題的解決思路。

參考文獻(xiàn)

[1] 董琦飛.加速工況車內(nèi)聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)研究[D].湖北?。汉惫I(yè)大學(xué)，2014.

[2] 賀巖松，涂梨娥，徐中明，等.汽車聲品質(zhì)研究綜述[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2014，4（6）：391-401.

[3] Norman O，John F，Robert C，et al.Linearity of powertrain acceleration sound[C].Sae Noise & Vibration Conference， 1997：887-890.

[4] 郭勇，王海洋.全油門加速工況車內(nèi)聲品質(zhì)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)， 2014，44（12）：8-11.

[5] 劉鋒，吳鳴，楊軍.量產(chǎn)車型噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)性能實(shí)測(cè)與分析[J].汽車工程，2019，41（6）： 676-681+710.

[6] 陳克，陽思遠(yuǎn)，毛書林.車內(nèi)聲品質(zhì)主客觀評(píng)價(jià)的相關(guān)性分析[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，36（3）：101-105.

[7] 王登峰，劉宗巍，梁杰，等.車內(nèi)噪聲品質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)與客觀量化描述[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（增刊2）：41-45.

[8] 徐中明，夏小均，賀巖松，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)聲品質(zhì)評(píng)價(jià)與分析[J].振動(dòng)與沖擊，2014，33（11）：142-147.

[9] 張建文，郭志軍，呂振華.動(dòng)力吸振器在動(dòng)力總成彎曲振動(dòng)控制中的應(yīng)用研究[J].兵工學(xué)報(bào)，1988，31（1）：39-44.

[10] 劉建婭，李舜酩，姜建中，等.動(dòng)力吸振器在動(dòng)力總成振動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].噪聲振動(dòng)與控制，2011，39（2）：115-118.