冰箱壓縮機(jī)聲品質(zhì)研究

王松 靳海水 鄧志強(qiáng) 吳小凌 陳會(huì)平 吳肖斌

1.廣州萬(wàn)寶集團(tuán)壓縮機(jī)有限公司 廣東廣州 510470；2.上海樸渡信息科技有限公司 上海 201203

1 引言

隨著人民生活水平的提高，消費(fèi)者對(duì)家電聲品質(zhì)要求越來(lái)越高。電冰箱或冰柜都放置在室內(nèi)，當(dāng)夜深人靜的時(shí)候，房間內(nèi)環(huán)境噪聲很低，冰箱的噪聲則被凸顯。壓縮機(jī)作為冰箱的主要噪聲源之一，對(duì)冰箱的聲品質(zhì)起著重要作用。因此研究壓縮機(jī)聲品質(zhì)就顯得非常重要。

目前大多數(shù)壓縮機(jī)制造商監(jiān)控聲品質(zhì)的方法是依賴有經(jīng)驗(yàn)的噪聲工程師的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)，并進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，此方法的缺點(diǎn)是難以將聽(tīng)感和改進(jìn)方向掛鉤，且效率較低。因此本文嘗試分析主觀聽(tīng)感和噪聲產(chǎn)生的物理過(guò)程的內(nèi)在聯(lián)系，將聽(tīng)感和客觀聲品質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，以期通過(guò)客觀聲品質(zhì)指標(biāo)來(lái)反映主觀聽(tīng)感，改善聲品質(zhì)測(cè)評(píng)效率。

2 家電產(chǎn)品聲品質(zhì)研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[1]對(duì)冰箱的聲品質(zhì)進(jìn)行了研究。當(dāng)前的聲品質(zhì)測(cè)評(píng)以主觀測(cè)評(píng)為主。主觀測(cè)評(píng)雖然可以直接反應(yīng)用戶對(duì)聲信號(hào)的實(shí)際心理感受，但在冰箱的日常分析研究中有較大局限性。故對(duì)聲品質(zhì)的客觀測(cè)評(píng)一直是研究的重點(diǎn)方向。目前得到認(rèn)可的聲品質(zhì)主要客觀指標(biāo)有響度、尖銳度、粗糙度、抖動(dòng)度、調(diào)制性等。其中，響度計(jì)算模型得到廣泛認(rèn)可，并已制訂ISO標(biāo)準(zhǔn)的聲品質(zhì)參量。響度是指人耳感受到的聲音強(qiáng)度，即聲音的響亮程度。響度是對(duì)聲品質(zhì)影響最大的參數(shù)。在多數(shù)情況下，對(duì)響度的測(cè)評(píng)分析可解釋80%以上的聲品質(zhì)差異，測(cè)試表明相比傳統(tǒng)的A聲壓級(jí)，冰箱噪聲的響度更適合測(cè)評(píng)。

隨著對(duì)冰箱聲品質(zhì)研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)響度以外的其他聲品質(zhì)指標(biāo)和主觀聽(tīng)感有更好的相關(guān)性，比如本文中的波動(dòng)度，因此有必要對(duì)其他聲品質(zhì)指標(biāo)也做深入研究。

關(guān)于家電產(chǎn)品的聲品質(zhì)研究目前還沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[2]，許多制造商還處于摸索階段。汽車聲品質(zhì)研究時(shí)間較早[3]，在很多方面已經(jīng)有相對(duì)成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。然而，產(chǎn)品的聲品質(zhì)是非常個(gè)性化的指標(biāo)，很難將一類產(chǎn)品的方法照搬到另一類產(chǎn)品，對(duì)每類產(chǎn)品的聲品質(zhì)都應(yīng)有專門(mén)研究。對(duì)聲品質(zhì)的研究應(yīng)用的最終目的還是通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)、材料或工藝來(lái)提升聲品質(zhì)，因此必須將聲品質(zhì)和結(jié)構(gòu)以及聲音產(chǎn)生的物理過(guò)程建立起關(guān)系，在這點(diǎn)上就要求聲學(xué)工程師對(duì)特定產(chǎn)品的噪聲產(chǎn)生的激勵(lì)有深入認(rèn)識(shí)，不能簡(jiǎn)單照搬其他行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)。

為了方便后續(xù)分析，現(xiàn)將常用的聲品質(zhì)指標(biāo)介紹如下[3]：

響度（Loudness）：人對(duì)聲音強(qiáng)弱的主觀感覺(jué)用響度來(lái)描述，響度的大小代表了聲音的響亮程度。

粗糙度（Roughness）：描述聲音信號(hào)快速調(diào)制帶給人的聽(tīng)覺(jué)感受，粗糙度的調(diào)制頻率范圍從20 Hz～300 Hz，單位為asper。

尖銳度（Sharpness）：描述衡量聲音中高頻成分的心理學(xué)指標(biāo)，可以理解為高頻成分與總噪聲的比值，其單位是為acum。

語(yǔ)音清晰度（Articulation index）：主要應(yīng)用于噪聲環(huán)境下說(shuō)話的清晰程度。

3 冰箱壓縮機(jī)噪聲特點(diǎn)和主觀評(píng)價(jià)維度選擇

我們選擇某款量產(chǎn)的壓縮機(jī)作為研究對(duì)象。在半消聲室內(nèi)測(cè)試壓縮機(jī)單機(jī)噪聲和冰箱噪聲，測(cè)試場(chǎng)景見(jiàn)圖1，壓縮機(jī)噪聲的典型頻譜如圖2?？梢钥吹絾误w噪聲，從頻段上看100 Hz、160 Hz、630 Hz、1600 Hz處的噪聲峰值較高。通常情況下聽(tīng)感和這些峰值有關(guān)系。圖3顯示了200 Hz內(nèi)的噪聲線譜，從中可以看出在100 Hz附近有兩個(gè)相近的峰值，這通常會(huì)引起拍頻聲，影響聽(tīng)感。

圖1 噪聲測(cè)試場(chǎng)景

圖2 標(biāo)準(zhǔn)工況下1 m處的單體噪聲1/3倍頻

圖3 壓縮機(jī)低頻噪聲頻譜

根據(jù)客戶的反饋以及我們的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)本系列壓縮機(jī)最關(guān)心的異常音有兩個(gè)，我們稱之為“嗡嗡聲”和“尖銳聲”。為此進(jìn)行了主觀聲品質(zhì)測(cè)試，測(cè)試條件是將壓縮機(jī)裝在冰箱上，由10個(gè)參與主觀評(píng)價(jià)的工程師對(duì)測(cè)到的聲音進(jìn)行打分，評(píng)價(jià)壓縮機(jī)的聲音。為了數(shù)據(jù)的完整性，同時(shí)也對(duì)聲音總評(píng)價(jià)進(jìn)行打分。多臺(tái)樣機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，客戶聽(tīng)到的“嗡嗡聲”和“尖銳聲”并不能和圖2的尖峰值簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)，因此期望通過(guò)引進(jìn)聲品質(zhì)客觀指標(biāo)來(lái)對(duì)應(yīng)這種關(guān)系。

對(duì)壓縮機(jī)而言，由于冰箱啟動(dòng)和正常運(yùn)行時(shí)聲音有很大的差異，因此兩種情況下的聲品質(zhì)都要考慮，同時(shí)還要考慮冰箱工況：冷凍和冷藏，綜合起來(lái)設(shè)計(jì)的主觀評(píng)分表如表1所示。

看完信，阿強(qiáng)覺(jué)得好笑，以為是誰(shuí)的惡作劇，但也沒(méi)有掉以輕心，出門(mén)進(jìn)門(mén)都小心翼翼。三天過(guò)去了，家里一樣?xùn)|西也沒(méi)有少，阿強(qiáng)逐漸放松了警惕。第四天，阿強(qiáng)在家休息，忽然聽(tīng)到一個(gè)女子的驚叫聲從門(mén)外傳來(lái)：“來(lái)人呀，快抓流氓呀！”

對(duì)同一機(jī)型的12臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行了打分，參見(jiàn)表2。

4 主觀和客觀指標(biāo)之間關(guān)系的建立

建立主觀和客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系的目的是通過(guò)客觀指標(biāo)預(yù)測(cè)主觀感覺(jué)，快速測(cè)評(píng)聲品質(zhì)，為改善聲品質(zhì)提出方向。

表1 主觀評(píng)價(jià)記錄表

表2 主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)

將主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)尖銳聲、嗡嗡聲和總體評(píng)價(jià)分別用J、W和Z表示，將聲品質(zhì)指標(biāo)響度（Loudness），尖銳度（Sharpness），波動(dòng)度（Fluctuation Strength），粗糙度（Roughness），語(yǔ)音清晰度（Articulation index）分別用l、f、s、r、a表示，則主觀和客觀指標(biāo)之間關(guān)系就是求取兩個(gè)函數(shù)關(guān)系：

本案中，主要關(guān)心尖銳聲、嗡嗡聲，而經(jīng)過(guò)篩選粗糙度和語(yǔ)音清晰度與上述兩個(gè)主觀感覺(jué)關(guān)系不大，限于文章篇幅，這里只討論響度、銳度、波動(dòng)度和尖銳聲、嗡嗡聲的關(guān)系。上述函數(shù)關(guān)系變?yōu)槿缦聝蓚€(gè)：

4.1 嗡嗡聲和客觀評(píng)價(jià)參數(shù)的相關(guān)性分析

將公式（5）用三元多項(xiàng)式表示：

其中n為多項(xiàng)式的階數(shù)。

采用最小二乘法，分別對(duì)1階和2階的情況進(jìn)行擬合：

當(dāng)n=1時(shí)，相關(guān)系數(shù)為0.822，表達(dá)式為：

當(dāng)n=2時(shí)，相關(guān)系數(shù)為0.946，表達(dá)式為：

用最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式擬合嗡嗡聲和客觀評(píng)價(jià)的相關(guān)性時(shí)，發(fā)現(xiàn)采用二階多項(xiàng)式來(lái)擬合相關(guān)系數(shù)為0.946，已達(dá)到精度的要求。

為進(jìn)一步研究嗡嗡聲與響度、尖銳度、波動(dòng)度的關(guān)系，將式（8）中，取n=2，分別考慮一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)客觀因素時(shí)，擬合結(jié)果如表3。

表3 嗡嗡聲非線性擬合的相關(guān)系數(shù)

由表3可以看出，用響度、尖銳度和波動(dòng)度組合來(lái)擬合嗡嗡聲是效果最好的，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.946。從單因素的對(duì)比可見(jiàn)，波動(dòng)度對(duì)嗡嗡聲的影響最大，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.794，明顯高于響度和尖銳的單因素影響。

4.2 尖銳聲和客觀評(píng)價(jià)參數(shù)的相關(guān)性分析

同4.1節(jié)，采用最小二乘法，分別對(duì)1階和2階的情況進(jìn)行擬合：

當(dāng)n=1時(shí)，相關(guān)系數(shù)為0.561，表達(dá)式為：

當(dāng)n=2時(shí)，相關(guān)系數(shù)為0.610，表達(dá)式為：

考慮一個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)客觀因素的影響，采用2階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，得到表4。

表4 尖銳聲非性擬合的相關(guān)系數(shù)

由表4可以看出，用響度、尖銳度和波動(dòng)度組合來(lái)擬合尖銳聲是效果最好的，但是相關(guān)系數(shù)仍然比較低，只有0.610。

經(jīng)過(guò)分析，導(dǎo)致相關(guān)性差的原因可能來(lái)自于以下幾個(gè)：

（1）主觀評(píng)價(jià)時(shí)參與測(cè)試的工程師對(duì)尖銳聲的評(píng)價(jià)相差較大，有參與測(cè)試的工程師對(duì)該聲音不敏感，該項(xiàng)評(píng)分方法需要改進(jìn)。

（2）數(shù)據(jù)樣本不夠，需要逐步積累數(shù)據(jù)。

（3）需要應(yīng)用更多的聲品質(zhì)客觀指標(biāo)來(lái)擬合，比如增加純音度指標(biāo)。

5 結(jié)論

通過(guò)分析主觀聽(tīng)感和噪聲產(chǎn)生的物理過(guò)程的內(nèi)在聯(lián)系，將聽(tīng)感和客觀聲品質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，得到了以下結(jié)論：

（1）根據(jù)冰箱壓縮機(jī)的特點(diǎn)制定了主觀噪聲評(píng)價(jià)方法；

（2）通過(guò)多項(xiàng)式擬合的方法建立了主觀聽(tīng)感和客觀聲品質(zhì)參數(shù)的關(guān)系；

（3）針對(duì)主觀和客觀指標(biāo)相關(guān)性不好的情況，提出了改進(jìn)方向。