基于相關(guān)性分析的發(fā)動(dòng)機(jī)臺架聲品質(zhì)評價(jià)模型研究

靖海宏 楊國芳 張旎 李東升 張建東

摘 ?要：本文以某四缸輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對象，結(jié)合聲學(xué)測試標(biāo)準(zhǔn)ISO3744及心理聲學(xué)參數(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)（ISO532等），基于噪聲聲品質(zhì)臺架試驗(yàn)，以心理聲學(xué)參量響度、尖銳度、粗糙度、抖動(dòng)度和音調(diào)度作為初級客觀評價(jià)指標(biāo)，利用Head Acoustics人工頭測試設(shè)備，提出了一種輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)評價(jià)的綜合模型。通過發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定手段對燃油噴射相關(guān)參數(shù)調(diào)整從而對發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)主要聲學(xué)參量進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化后，根據(jù)該綜合模型結(jié)論作優(yōu)化前后聲品質(zhì)主觀評價(jià)和客觀測量對比，驗(yàn)證了該聲品質(zhì)評價(jià)綜合模型的合理性和有效性，同時(shí)該模型對其他相關(guān)動(dòng)力總成產(chǎn)品聲品質(zhì)評價(jià)也可作相關(guān)借鑒。

關(guān)鍵詞：聲品質(zhì);輻射噪聲;綜合模型;主觀評價(jià);客觀測量;偏好性

中圖分類號：U467.2+1 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2022）02-0018-11

Comprehensive Model Studies of Sound Quality Evaluation of an Engine Based on Bench Testing

JING Hai-hong， YANG Guo-fang， Zhang Ni， LI Dong-sheng， ZHANG Jian-dong

（ DongFeng Motor Corp. Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： A four cylinder diesel engine was chosen as the research object on this paper， combined with acoustic testing standard ISO3744 and psychoacoustic testing standard ISO532 with different psychoacoustic parameters such as loudness， sharpness， roughness， fluctuation and tonality etc. as the primary objective evaluation index， proposes a comprehensive model of light diesel engines sound quality evaluation based on the Head Acoustics artificial ears test equipment in the semi-anechoic chamber， the primary acoustical parameters of sound quality was taken further optimized by calibration technical approaches of the engine for comparison after and before， according to the comprehensive model with subjective evaluation and objective measurement contrast， it validate and shows the rationality and validity of the integrated model of engines sound quality evaluation， and it also provides profits and references of sound quality evaluation to other kinds of powertrain products.

Key Words： Sound Quality; Radiated Noise; Comprehensive Model; Subjective Evaluation; Objective Measurement; Preference

1 ? 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲已成為環(huán)境污染噪聲的重要組成部分，開展發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲品質(zhì)的預(yù)測與評估研究具有重要的理論與實(shí)際意義，隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和測試手段的更新，以單一聲壓級為指標(biāo)的參數(shù)控制已不能完全評價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)性能的好壞，除了聲壓級大小，客戶對車輛的聲學(xué)特性描述還有響度、尖銳度、粗糙度、抖動(dòng)度和音調(diào)度等心理聲學(xué)參量的描述和感受，也是發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)。聲品質(zhì)反映了人對噪聲的主觀感受，研究及改善發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲聲品質(zhì)對提高汽車乘坐舒適性也具有及其重要的意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者及汽車生產(chǎn)廠家在汽車聲品質(zhì)研究領(lǐng)域集中在整車成型后進(jìn)行主觀評價(jià)感受其舒適性，亦或在發(fā)動(dòng)機(jī)及動(dòng)力總成開發(fā)階段形成各自心理聲學(xué)參量單一化的評價(jià)模型（參考文獻(xiàn)[1]至[7]），對于發(fā)動(dòng)機(jī)在聲學(xué)開發(fā)階段其聲品質(zhì)評價(jià)綜合模型體系的建立研究較少。本文結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)臺架客觀測試與主觀評價(jià)相結(jié)合，基于聲學(xué)測試標(biāo)準(zhǔn)ISO3744及聲品質(zhì)參數(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)（ISO532等）對某發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)評價(jià)模型進(jìn)行研究，提出該綜合模型的一般思路，并結(jié)合主觀評價(jià)和測試技術(shù)手段對其噪聲進(jìn)行優(yōu)化，通過發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲優(yōu)化前后的客觀測試和主觀評價(jià)的聯(lián)系驗(yàn)證了該聲品質(zhì)評價(jià)綜合模型的合理性和有效性，對同類產(chǎn)品的聲品質(zhì)開發(fā)及優(yōu)化提供借鑒與參考。

2 ? ?試驗(yàn)準(zhǔn)備及聲學(xué)物理量采集

2.1 ? 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）測試條件

測試環(huán)境/條件：半自由場（半消聲室）/安裝臺架等輔助設(shè)備

（2）測試硬件和軟件

測試硬件/軟件：Head Acoustic HMS Ⅲ/Head Acoustic Artemis

（3）測點(diǎn)布置

（4）測試聲品質(zhì)物理量：響度，尖銳度，粗糙度，抖動(dòng)度，音調(diào)度等。

（5）測試工況：滿載瞬態(tài)升速及穩(wěn)態(tài)工況（800-2900r/min）;

（6）臺架搭建如下圖所示：

2.2 ? 聲品質(zhì)參數(shù)的選取

聲品質(zhì)參數(shù)通過測試聲音設(shè)備“人工頭 （模擬人的耳朵真實(shí)聽覺）”采集，發(fā)動(dòng)機(jī)聲音通過“人工頭”設(shè)備被記錄，然后信號被分析，聲品質(zhì)參數(shù)數(shù)值通過計(jì)算機(jī)被計(jì)算出來。該過程即為“評價(jià)主觀噪聲”的“客觀參數(shù)”化。而主觀噪聲指標(biāo)：

通過矩陣分析和數(shù)值分析，即可得常數(shù)a、b、c、d和e，由此可得出主觀噪聲指標(biāo)。關(guān)于響度，尖銳度，粗糙度，抖動(dòng)度，音調(diào)度等聲品質(zhì)物理參數(shù)描述國內(nèi)外已有較多文獻(xiàn)介紹（參考文獻(xiàn)[8]至[10]），本文不再贅述。

3 ? ?發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲客觀模型建立

3.1 ? 聲品質(zhì)數(shù)據(jù)采集

以聲品質(zhì)參數(shù)在各穩(wěn)態(tài)工況下的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，測試不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的聲品質(zhì)參數(shù)，因三個(gè)測點(diǎn)對應(yīng)的聲品質(zhì)數(shù)據(jù)十分龐大，本文以進(jìn)氣側(cè)測點(diǎn)左右耳的聲品質(zhì)穩(wěn)態(tài)測試數(shù)據(jù)分析為例，其余測點(diǎn)數(shù)據(jù)分析方法一致。

從測試數(shù)據(jù)可以看出，人工頭左右耳在各工況聲品質(zhì)參數(shù)趨勢基本一致，且發(fā)動(dòng)機(jī)在1600r/min處人工頭左右耳聲壓級、A計(jì)權(quán)聲壓級、響度、尖銳度及音調(diào)度有明顯峰值，如下表2為進(jìn)氣側(cè)測點(diǎn)左耳滿載工況聲品質(zhì)測試數(shù)據(jù)：

3.2 ? 聲品質(zhì)相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是對兩個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，衡量變量因素的相關(guān)密切程度。根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)選取其滿載工況下1600r/min的聲品質(zhì)參數(shù)為例進(jìn)行詳細(xì)分析，可得出各聲品質(zhì)參數(shù)其相關(guān)性如表3：

從上表中可看出：

a）線性聲壓級與A計(jì)權(quán)聲壓級、響度、尖銳度以及煩擾度具有很高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上，與粗糙度也有較高相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7，與音調(diào)度相關(guān)性為0.626;

b）響度比與抖動(dòng)度的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.8，響度比和抖動(dòng)度均是反應(yīng)噪聲不平穩(wěn)程度的量;

基于以上結(jié)果，由于眾多參數(shù)存在較高的相關(guān)性，因此進(jìn)一步進(jìn)行主成份分析，將相關(guān)性高參數(shù)打包成一個(gè)參數(shù)，從而達(dá)到降低分析維度的目的，以降低后續(xù)分析的復(fù)雜程度。

3.3 ? 聲品質(zhì)評價(jià)綜合模型計(jì)算

根據(jù)3.2相關(guān)性分析結(jié)果，為了達(dá)到降低分析維度從而簡化分析復(fù)雜性目的，需要對該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)左耳滿載工況聲品質(zhì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，而主成份分析之前需要對該聲品質(zhì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣標(biāo)準(zhǔn)化或歸一化，該過程可將測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB軟件模塊計(jì)算獲取，故利用表2進(jìn)氣側(cè)左耳滿載工況聲品質(zhì)測試數(shù)據(jù)計(jì)算得到如下表4所示標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。

然后對該標(biāo)準(zhǔn)化矩陣進(jìn)行主成份分析，得到特征值和載荷矩陣分別為表5和表6：

因此，經(jīng)過主成份分析，9個(gè)聲品質(zhì)參數(shù)可簡化為兩個(gè)主成份，并得到對應(yīng)的兩個(gè)主成份的特征值、特征向量以及載荷矩陣。第一個(gè)主成份對應(yīng)的特征值為7.264，明顯大于第二個(gè)特征值的0.648，且第一個(gè)主成份與第二個(gè)主成份加起來已經(jīng)可以描述近88%的系統(tǒng)，一般來說，主成份之和能夠描述85%的系統(tǒng)信息即可，且主成份特征值大于1，因此對象選取了兩個(gè)主成份。

通過載荷矩陣可知，對應(yīng)第一個(gè)主成份，聲壓級、A計(jì)權(quán)聲壓級、響度、尖銳度、煩擾度載荷得分均達(dá)到0.9以上，粗糙度和音調(diào)度載荷得分也在0.6以上，說明可以將這幾個(gè)聲品質(zhì)參數(shù)打包成一個(gè)主成份。對應(yīng)第二個(gè)主成份，抖動(dòng)度和響度比相比于其它參數(shù)也明顯要高，分別達(dá)到了0.273和0.449，可以將這兩個(gè)參數(shù)打包成一個(gè)主成份。

第一個(gè)主成份包含的參數(shù)與第二個(gè)主成份包含的參數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)參數(shù)影響趨勢是相反的，說明第一個(gè)主成份包含的聲壓級、響度等參數(shù)越大，聲品質(zhì)越差，而抖動(dòng)度和響度比越高聲品質(zhì)參數(shù)越好，也即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)抖動(dòng)度和響度比高，而此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲較小，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的聲品質(zhì)較好，而轉(zhuǎn)速提升后，抖動(dòng)度和響度比降低，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲大，因而聲品質(zhì)較差。對比聲品質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性分析，各參數(shù)間的相關(guān)性趨勢與主成份分析一致。

根據(jù)兩個(gè)主成份的特征值和載荷矩陣對同一趨勢的聲品質(zhì)參數(shù)打包整合后，由線性回歸理論計(jì)算各聲品質(zhì)參數(shù)與主觀評價(jià)結(jié)果所確立的模型回歸方程得到回歸模型系數(shù)如下表7模型回歸系數(shù)：

從而得出該工況下主成份分析綜合模型：

AI=0.3288ZdB+0.3403ZdBA+0.3419ZLoudness+0.3328ZSharpness+0.3195ZRoughness+0.2249 ZTonality-0.2600ZFluc.+0.3435ZAnnoy.-0.2446 ZL_R

通過主成份分析的綜合模型可知，線性聲壓級、A計(jì)權(quán)聲壓級、響度、尖銳度以及煩擾度對聲品質(zhì)的貢獻(xiàn)量較大，音調(diào)度對聲音品質(zhì)的貢獻(xiàn)率相對較小;而抖動(dòng)度和響度比則影響更小并與聲品質(zhì)綜合數(shù)據(jù)負(fù)相關(guān)。

4 ? ?發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲優(yōu)化及主觀評價(jià)

4.1 ? 發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲優(yōu)化

改變發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定參數(shù)后按照相同工況及聲品質(zhì)參數(shù)設(shè)定重新測試一遍，對比滿載1600r/min穩(wěn)態(tài)工況下及瞬態(tài)升速工況下聲品質(zhì)噪聲優(yōu)化前后差異如圖4。

對比發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲優(yōu)化前后聲壓級圖，在該工況下，聲壓級優(yōu)化前明顯高于優(yōu)化后，相差約4dB。經(jīng)頻譜分析，可得到該頻譜的主要峰值均約是26Hz（對應(yīng)1600r/min）的整數(shù)倍，而頻譜圖中第一個(gè)峰值頻譜約為52Hz，正是該發(fā)動(dòng)機(jī)的2階頻率，最高峰對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的32階頻率。三分之一倍頻程對比中可確定發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲優(yōu)化前基本在整個(gè)分析頻帶內(nèi)都高于優(yōu)化后。特征響度圖中可看出，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲優(yōu)化前后的特征響度在頻域中分布相似，且優(yōu)化前的響度明顯高于優(yōu)化后。

從粗糙度和尖銳度圖中可以看出，噪聲優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)在8.5bark處粗糙度顯著好高于優(yōu)化前，在7.5bark處抖動(dòng)度也有明顯改善。說明在這兩個(gè)聽覺臨界帶上，優(yōu)化前后差異明顯。對應(yīng)到頻域約在800-1000Hz。

4.2 ? 噪聲偏好性主觀評價(jià)

仍以進(jìn)氣4滿載工況的測試數(shù)據(jù)為例進(jìn)行各穩(wěn)態(tài)工況主觀評價(jià)，選取若干名聲學(xué)試驗(yàn)工程師進(jìn)行偏好性主觀評價(jià)，要求評價(jià)主體就所聽到的聲樣本按照如下表所示間隔給出相應(yīng)的偏好性得分（可以為小數(shù)），“0”表示一點(diǎn)兒也不偏好，“10”表示極度偏好，“1-9”為中間過渡過程（如下表9噪聲偏好性主觀評價(jià)打分表）。評價(jià)主體需要就每一個(gè)聲音樣本做出獨(dú)立的判斷，最后各工況的偏好性打分（去掉最高分和最低分）取算術(shù)平均值。

根據(jù)聲品質(zhì)評價(jià)綜合模型對各穩(wěn)態(tài)工況下的AI值進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，噪聲優(yōu)化后各轉(zhuǎn)速都比優(yōu)化前低（如下表10和表11），尤其在1600r/min穩(wěn)態(tài)工況下AI值相差為19.25，且各聲品質(zhì)參數(shù)均有不同程度改善。由此主觀評價(jià)結(jié)果也進(jìn)一步論證了該模型的有效性與合理性。

5 ? ?結(jié)論

（1）通過聲品質(zhì)參數(shù)客觀測試得出本次試驗(yàn)條件下AI指數(shù)與各聲品質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，本次試驗(yàn)線性聲壓級、A計(jì)權(quán)聲壓級、響度、尖銳度以及煩擾度對聲品質(zhì)的貢獻(xiàn)量較大，音調(diào)度對聲音品質(zhì)的貢獻(xiàn)率相對較小;而抖動(dòng)度和響度比則影響更小且與聲品質(zhì)綜合數(shù)據(jù)負(fù)相關(guān)。

（2）通過聲品質(zhì)參數(shù)客觀測試，對聲品質(zhì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析和標(biāo)準(zhǔn)化主成分分析，得到特征值和載荷矩陣，根據(jù)模型回歸系數(shù)計(jì)算從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)客觀評價(jià)綜合模型。

（3）通過發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲優(yōu)化前后的客觀測試和主觀評價(jià)的聯(lián)系驗(yàn)證該發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)評價(jià)綜合模型的合理性和有效性，進(jìn)一步說明通過聲品質(zhì)客觀物理量參數(shù)來評價(jià)噪聲可以真實(shí)地反映人耳對噪聲的主觀感受，值得其他相關(guān)動(dòng)力總成產(chǎn)品聲品質(zhì)開發(fā)學(xué)習(xí)和借鑒。

總體來說，本次試驗(yàn)提供了一種發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)過程中基于臺架噪聲試驗(yàn)的客觀評價(jià)方法的模型，可操作性較強(qiáng)，可為發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)主客觀參數(shù)關(guān)系設(shè)計(jì)研究提供有力依據(jù)，但對于噪聲的主研究，由于主觀評價(jià)因人而異且需要大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)作相關(guān)性分析，時(shí)間和費(fèi)用成本都較高，要形成具有自己特色的完整的評價(jià)體系，尚待進(jìn)一步完善。

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靖海宏

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)就職于東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，任NVH試驗(yàn)室主管工程師，主要研究動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲試驗(yàn)開發(fā)。

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張宏飛

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熱力發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè) ?研究員級高級工程師

本文全面闡述了作者根據(jù)自身開發(fā)經(jīng)驗(yàn)而總結(jié)出的一種發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)評價(jià)綜合模型研究方法，建立了一套對發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)主要聲學(xué)參量進(jìn)行主觀評價(jià)和客觀測量對比驗(yàn)證的方法，可為初步開展發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)研究的工程師提供開發(fā)方法借鑒和工作思路參考。