車內(nèi)聲品質(zhì)多維度主動聲學(xué)設(shè)計

姜順明，周 濤，王奕軒，吳朋朋

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

聲品質(zhì)是車輛聲學(xué)問題的一個重要領(lǐng)域。初期，人們從減小煩躁度、提升舒適性的角度來研究聲品質(zhì)，后來認(rèn)識到對車內(nèi)聲的感知具有多維度屬性[1-2]。聲品質(zhì)在感知空間可分解成多個獨(dú)立維度，最常見的為舒適性、動力感和運(yùn)動感。近來，動力感和運(yùn)動感成為車輛聲品質(zhì)研究的一個熱點(diǎn)[3-6]。

主動噪聲控制(active noise control，ANC)在20世紀(jì)90年代被引入車內(nèi)噪聲控制?，F(xiàn)有的 ANC以發(fā)動機(jī)發(fā)火頻率成分為被控對象來降低車內(nèi)聲，雖可一定程度改善聽覺舒適性，但也減弱了車內(nèi)聲與車輛運(yùn)動狀態(tài)的關(guān)聯(lián)，去除了駕駛互動性方面的正面作用。從聲品質(zhì)多維度特征的角度來看，ANC只涉及舒適性維度改善，對動力感和運(yùn)動感的提升是無效的，甚至有負(fù)面影響，不能滿足用戶的多樣化需求。為此，一些學(xué)者對ANC進(jìn)行改進(jìn)，提出了主動聲學(xué)設(shè)計(active sound design，ASD)的解決方案[7-8]。ASD與ANC的區(qū)別是，控制對象不再限于發(fā)動機(jī)發(fā)火階成分，擴(kuò)展到各種階次成分，調(diào)節(jié)方式不只是降低量級，還可增強(qiáng)或添加各階成分。

根據(jù)用戶多樣化需求，針對性設(shè)計車內(nèi)目標(biāo)聲是ASD的一個關(guān)鍵技術(shù)。Lee等[9-11]用調(diào)制指數(shù)、轟鳴指數(shù)、階次幅值衰減率建立動力感和愉悅度的多元回歸模型，并用于從備選聲中選擇目標(biāo)聲。Park等以增添若干階次成分方式開發(fā)了一種個性化發(fā)動機(jī)聲音系統(tǒng)，通過定義3種階次組并設(shè)置各組量級，獲得動力型、運(yùn)動型和極限型3種音效。Chang等[12-13]探討了獲得情感化車內(nèi)聲的ASD方法，通過對獅子和老虎嗓音進(jìn)行能量頻譜分析，得到反映聲音特征的峰值濾波器，再將其作用于車內(nèi)原聲，合成得到目標(biāo)聲。Gwak等[14]為減小電動汽車噪聲的高頻煩躁感，增強(qiáng)動力感，在原聲中加入若干低頻階次成分，設(shè)計了5種階次組合方案，并進(jìn)行主觀評價分析。

現(xiàn)有的ASD 在確定調(diào)節(jié)階次的目標(biāo)幅值時，大多憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，或在幾種聲音中選擇目標(biāo)聲，再提取目標(biāo)幅值。本文從聲品質(zhì)多維度特點(diǎn)出發(fā)，提出一種參數(shù)化的主動設(shè)計和分析方法。先建立舒適性、動力感和運(yùn)動感的聲品質(zhì)預(yù)測模型，用于評估階次調(diào)整方案的效果。然后，提出3個維度ASD的階次設(shè)計策略和方法，給出目標(biāo)幅值的設(shè)計算式，量化分析聲品質(zhì)與設(shè)計變量間的關(guān)系，實(shí)例說明設(shè)計變量的確定方法。

1 聲品質(zhì)多維度建模

1.1 多維度主觀評價

采集4款乘用車駕駛員耳旁噪聲制作評價樣本，采集工況包括20～100 km/h的等速工況和各種典型加速工況。聲樣本采集儀器為HEAD-SQuadriga四通道便攜式采集前端，并利用Cancase連接車輛OBD(on board diagnostics)端口來采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號。聲樣本采集車內(nèi)布置如圖1所示。

圖1 聲樣本采集車內(nèi)布置

等速聲和加速聲的聽感有顯著區(qū)別，初步聽音發(fā)現(xiàn)等速聲樣本的主觀聽感大多涉及舒適性維度，加速聲樣本則更多地表現(xiàn)在動力感和運(yùn)動感。最終選出20個等速聲樣本用于舒適性評價，19個加速聲樣本用于動力感評價，18個加速聲樣本用于運(yùn)動感評價。

評價人員為26位，聽力正常。評價之前對評價人員進(jìn)行聽音培訓(xùn)，對評價方法和舒適性、動力感和運(yùn)動感進(jìn)行說明，其中，舒適性好的聲音特點(diǎn)是平靜穩(wěn)定、強(qiáng)度不大和不令人煩躁，動力感強(qiáng)的特點(diǎn)是強(qiáng)度隨時間增加明顯且低沉有力，運(yùn)動感強(qiáng)的特點(diǎn)是聲音明亮、高頻成分明顯且令人興奮。采用成對比較法對3個維度進(jìn)行評價。將聲樣本以兩兩成方式對向評價人員播放，評價人員進(jìn)行比較，偏好樣本記1分，另一個記-1分，若感覺相差不大，都記0分。根據(jù)評價人員的記錄，得到一個記分矩陣，將矩陣每行的分值相加，即可獲得某評價人員對各樣本的評分。所有人員評價結(jié)束后，對評價結(jié)果進(jìn)行誤判檢驗(yàn)，去除部分誤判結(jié)果，對剩下的評價人員的評分求均值，即可得到各樣本的最終分值。3個維度下各樣本的評價得分，如圖2所示。

(c)運(yùn)動感

1.2 聲品質(zhì)多維度預(yù)測模型

目前已有較多文獻(xiàn)報道車內(nèi)聲舒適性建模問題，響度、尖銳度和粗糙度是被公認(rèn)與舒適性最相關(guān)的參量，本文將它們作為舒適性模型的輸入。

為確定動力感和運(yùn)動感模型的輸入，選擇多個參量作為備選。計算動力感和運(yùn)動感樣本組的備選參量數(shù)值，再分別進(jìn)行備選參量與動力感樣以及運(yùn)動感間的相關(guān)分析結(jié)果，如表1所示。為了避免參量反映的信息重復(fù)，對相關(guān)系數(shù)較大的參量進(jìn)行互相關(guān)分析，結(jié)果如表2和表3所示。由表1可知，平均響度、響度變化率、粗糙度變化率、尖銳度變化率、平均發(fā)火階聲壓級和發(fā)火階線性度與動力感的相關(guān)性較高。由表2可知，響度變化率、粗糙度變化率和尖銳度變化率間的相關(guān)性很大，平均響度和平均發(fā)火階聲壓級相關(guān)性也較大，最終動力感參量確定為平均響度、響度變化率和發(fā)火階線性度。由表1和表3可知，運(yùn)動感參量確定為平均響度、平均尖銳度和尖銳度變化率。

表1 備選參量與動力感和運(yùn)動感的相關(guān)系數(shù)

表2 動力感備選參量互相關(guān)系數(shù)

表3 運(yùn)動感備選參量互相關(guān)系數(shù)

聲品質(zhì)客觀參量與主觀評價之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系，當(dāng)前大多采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法來建立聲品質(zhì)模型。本文用反向傳播(back propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立車內(nèi)聲品質(zhì)3個維度的預(yù)測模型，并用遺傳算法對網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化，提高模型的預(yù)測精度和魯棒性。利用MATLAB 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱建立3個維度的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。各維度分別以已選定的參量作為輸入，以評價得分作為輸出，中間層神經(jīng)元個數(shù)為7。各樣本組各保留4個驗(yàn)證樣本，其他作為訓(xùn)練樣本。3個模型的預(yù)測值與實(shí)際評價的誤差，如圖4所示。由圖4可知，3個模型的預(yù)測誤差都小于6%，有較高的預(yù)測精度。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聲品質(zhì)模型結(jié)構(gòu)

圖4 模型預(yù)測誤差

2 舒適性ASD

車內(nèi)聲舒適性不僅與聲音強(qiáng)度相關(guān)，還與頻率成分及幅值有很大關(guān)系，車內(nèi)聲的主動設(shè)計具有很大的設(shè)計空間。Alt等[15]將音樂理論引入到發(fā)動機(jī)聲學(xué)設(shè)計當(dāng)中。樂器聲由若干基音及頻率為基音整數(shù)倍的泛音組成，泛音的存在使得樂器聲聽起來音色豐富、舒適悅耳。樂理中的協(xié)和音程規(guī)律為：兩個音的協(xié)和程度與之間的音程相關(guān)，兩個音的頻率比在數(shù)字上越簡單，協(xié)和程度越高，聽起來更悅耳、融合，頻率比越復(fù)雜則越不協(xié)和，聽起來更刺耳、不融合。發(fā)動機(jī)聲音構(gòu)成與樂器有類似之處，包含頻率成比例關(guān)系的各種階次聲音成分，若在聲學(xué)設(shè)計時按照音程規(guī)律來確定調(diào)節(jié)的階次，則有潛力獲得舒適悅耳的發(fā)動機(jī)聲。

車內(nèi)聲除了發(fā)動機(jī)發(fā)火階及諧波階次之外，還有路面噪聲和風(fēng)噪等背景噪聲。在各階次成分中，發(fā)火階占據(jù)絕對主導(dǎo)，可以明顯感知得到，而各諧波階次則弱得多，由于背景噪聲的存在，往往不能明顯聽到。為了豐富車內(nèi)聲音色，使其更舒適悅耳，本文采用調(diào)大發(fā)火頻率諧波階次的設(shè)計策略，以發(fā)火階頻率的2倍和3倍諧波階次作為調(diào)節(jié)階次。對于搭載四缸發(fā)動機(jī)的車輛，發(fā)火階為2階，選擇的調(diào)節(jié)階次則為4階和6階。采用這種設(shè)計的原因是：發(fā)火階和4階的頻率比為1∶2，之間的音程為8度，4階和6階頻率比為2∶3，之間的音程為5度，8度和5度符合樂理中的協(xié)和音程規(guī)律，都屬于完全協(xié)和音程，有利于獲得和諧悅耳的效果。

為了防止4階和6階的增強(qiáng)導(dǎo)致總強(qiáng)度增大過多而使舒適性下降，采取的措施是：4階和6階的調(diào)大要適度，并同時適當(dāng)降2階幅值；參照樂器的基音和泛音的幅值特點(diǎn)，即基音幅值最大，各泛音的幅值隨著階數(shù)的增加而逐個減弱，故 2階、4階、6階目標(biāo)幅值設(shè)計成呈等差數(shù)列依次減小。若以A2為發(fā)火階次原幅值，Δ為發(fā)火階次幅值調(diào)節(jié)量，ε為各階間幅值公差，2階、4階和6階目標(biāo)幅值可表示成

T2=A2+Δ

T4=T2+ε=A2+Δ+ε

(1)

T6=T2+2ε=A2+Δ+2ε

舒適性設(shè)計問題轉(zhuǎn)變成選擇設(shè)計變量Δ和ε。下面以某車40 km/h聲樣本為例，說明Δ和ε的設(shè)計方法。首先，對原聲進(jìn)行階次分析，計算A2。對Δ和ε取若干個數(shù)值，考慮到人耳對聲壓變化的最小分辨率約為2 dB，Δ取-2 dB、-4 dB、-6 dB、-8 dB、-10 dB和-12 dB，ε取-1.5 dB、-3 dB、-4.5 dB和-6 dB，再對Δ和ε的取值進(jìn)行組合，利用式(1)計算各種組合下的目標(biāo)幅值，得到24種調(diào)節(jié)方案。然后，按照24種方案對原聲幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，合成出24個設(shè)計聲。用舒適性預(yù)測模型計算它們的舒適性，如圖5所示。對圖5可做如下分析：

圖5 各調(diào)節(jié)方案的舒適性值

Δ取-4 dB的聲樣本比Δ取-2 dB的聲樣本的舒適性顯著要高，但Δ進(jìn)一步增加，舒適性則不再增加，甚至逐步減弱，原因是車內(nèi)還有寬頻背景噪聲存在，在階次聲減弱到一定程度后，再進(jìn)一步削弱它們，聲音總強(qiáng)度繼續(xù)減小非常有限，也不能形成發(fā)火階及其諧波階次間的協(xié)和效應(yīng)。本例Δ取-4 dB。

不論何種取值的Δ，ε過大或過小都不利于舒適性的提升。ε若過小(-1.5 dB)，則4階、6階幅值較高，導(dǎo)致總聲音強(qiáng)度大，不利于舒適性；ε若過大(-6 dB)，則4階、6階的幅值太小，人耳覺察不到，起不到豐富聲音諧波成分的作用，缺少聲音的和諧悅耳效果，也不利于提升舒適性。本例ε取-4.5 dB。

隨著Δ值的增加，各ε值下對應(yīng)的舒適性差距越小?？梢姦ぶ翟酱螅艑κ孢m性的影響效果越小。

其他典型車速的舒適性設(shè)計方法相同，某車在20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h車速的各設(shè)計階次的舒適性目標(biāo)幅值，如圖6所示。

圖6 各車速目標(biāo)幅值

3 動力感ASD

動力感強(qiáng)的聲音特點(diǎn)是對駕駛操作的跟隨性好，響應(yīng)快速，聽起來強(qiáng)勁有力，在組成成分中發(fā)火階占據(jù)著主導(dǎo)地位，能量集中于低頻。動力感不佳往往涉及以下情形：對節(jié)氣門變化的跟隨感不強(qiáng)，響應(yīng)靈敏度低；加速過程中聲音起伏波動大，不穩(wěn)定；聲音強(qiáng)度過大，產(chǎn)生很大轟鳴聲。

為獲得良好動力感的目標(biāo)聲，考慮到發(fā)火階在低頻段的主導(dǎo)地位，將發(fā)火階作為調(diào)節(jié)階次，采用的設(shè)計思想如下：為增強(qiáng)與節(jié)氣門操作的關(guān)聯(lián)度與跟隨性，將發(fā)火階幅值設(shè)計成隨轉(zhuǎn)速增加而線性增大；通過合理設(shè)置幅值隨轉(zhuǎn)速的變化率，使目標(biāo)聲具有恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和響應(yīng)靈敏度。對于搭載四缸發(fā)動機(jī)的車輛，發(fā)火階目標(biāo)幅值T2(n)可寫成

T2(n)=A2(n0)+kp(n-n0)

(2)

式中:n0為加速起始轉(zhuǎn)速;n為加速過程中轉(zhuǎn)速;A2(n0)為發(fā)火階在起始轉(zhuǎn)速的幅值;kp為發(fā)火階幅值隨轉(zhuǎn)速的變化率。

kp的設(shè)計是動力感聲學(xué)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計方法如下：先對原始加速聲進(jìn)行階次分析，提取出發(fā)火階信號；按照式(2)對發(fā)火階幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，使發(fā)火階幅值與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，kp在一定范圍內(nèi)取多個值，得到多個發(fā)火階調(diào)節(jié)方案；依據(jù)各個調(diào)節(jié)方案，重新合成多個聲樣本；采用1.2節(jié)所建動力感模型計算各聲樣本的動力感；最后，通過分析動力感與kp取值的關(guān)系，確定理想的kp值。

以某車全油門加速聲樣本為設(shè)計對象，對其進(jìn)行動力感設(shè)計。經(jīng)過發(fā)火階階次提取、幅值調(diào)節(jié)、聲音合成以及動力感計算，得到的動力感隨kp變化的關(guān)系圖，如圖7所示。由圖7可知，在kp值較小時，隨著kp的增加，動力感增強(qiáng)，但當(dāng)kp增加到一定程度后，動力感不再增加，而是逐步下降。可見，加速聲強(qiáng)度在初期對動力感音效有增強(qiáng)作用，但到了一定的臨界點(diǎn)，就產(chǎn)生負(fù)面作用。因此，選擇動力感分值最大的聲樣本作為目標(biāo)聲，對應(yīng)的kp為0.631 dB/100 r/min。原聲和設(shè)計后的目標(biāo)聲的頻譜圖如圖8所示。由圖8可知，與原聲相比，目標(biāo)聲的2階幅值顯著增強(qiáng)，且隨轉(zhuǎn)速逐漸增加，其他階次則保持原有水平，符合預(yù)期的目標(biāo)。

圖7 kp與動力感的關(guān)系

圖8 動力感樣本頻譜

4 運(yùn)動感ASD

運(yùn)動感強(qiáng)的聲音特點(diǎn)是聲音明亮，聽起來令人興奮，有較多的高頻成分，發(fā)火階未能占據(jù)主導(dǎo)地位，其他階次也具有較高的量級水平。車內(nèi)聲運(yùn)動感不足大多是由于聲音能量集中在低頻段，缺乏高頻成分所導(dǎo)致。

為了獲得具有良好運(yùn)動感的目標(biāo)聲，本文采用以下設(shè)計策略：為增添加速聲的高頻成分，選擇發(fā)動機(jī)的較高階次成分作為設(shè)計的調(diào)節(jié)階次；調(diào)節(jié)階次的幅值設(shè)計成與發(fā)火階接近，并且隨轉(zhuǎn)速的增加而線性增加，以增強(qiáng)與駕駛操作的關(guān)聯(lián)性；為防止目標(biāo)聲的響度和尖銳度過大，高頻成分的增強(qiáng)需要適度，選擇的調(diào)節(jié)階次數(shù)目不能太多，并合理設(shè)置它們的幅值隨轉(zhuǎn)速變化率。

根據(jù)上述策略，選擇頻率為發(fā)動機(jī)發(fā)火階3倍和4倍的階次作為調(diào)節(jié)階次，若車輛搭載的是四缸發(fā)動機(jī)，調(diào)節(jié)階次即為6階和8階，目標(biāo)值T6(n)和T8(n)可寫成

T6(n)=T8(n)=0.95A2(n0)+ks(n-n0)

(3)

式中:n0為加速起始轉(zhuǎn)速;n為加速過程中轉(zhuǎn)速;A2(n0)為發(fā)火階在起始轉(zhuǎn)速的幅值;ks為6階和8階隨轉(zhuǎn)速的幅值變化率。為了防止高頻成分過強(qiáng)，6階和8階起始轉(zhuǎn)速幅值選取時略小于發(fā)火階，取0.95A2(n0)。顯然，確定合適的ks是運(yùn)動感設(shè)計的關(guān)鍵步驟，設(shè)計方法與第3章kp的設(shè)計類似。其中，不同ks值的合成新樣本的運(yùn)動感計算采用1.2節(jié)所建運(yùn)動感模型。

以某車全油門加速聲樣本為對象，對其進(jìn)行運(yùn)動感聲學(xué)設(shè)計，最終得到運(yùn)動感隨ks變化的關(guān)系圖，如圖9所示。由圖9可知，在設(shè)計區(qū)間內(nèi)，隨著ks的增加，運(yùn)動感分值增加，但ks增加到一定程度，運(yùn)動感會驟降，選擇運(yùn)動感得分最高時對應(yīng)的ks作為最終的設(shè)計值，本例為0.464 dB/100 r/min。原聲和設(shè)計后的目標(biāo)聲的頻譜圖如圖10所示。由圖10可知，與原聲相比，目標(biāo)聲的6階和8階幅值顯著增強(qiáng)，與預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)一致。

圖9 ks與運(yùn)動感的關(guān)系

圖10 運(yùn)動感樣本頻譜

5 結(jié) 論

采用成對比較法對車內(nèi)聲進(jìn)行主觀評價，通過相關(guān)和自相關(guān)分析選定輸入?yún)⒘?，用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立舒適性、動力感和運(yùn)動感的預(yù)測模型，所建模型精度較高，可以用聲品質(zhì)主動設(shè)計。

基于音樂理論，舒適性設(shè)計以發(fā)火階及其2倍和3倍頻率的諧波階作為調(diào)節(jié)階次，幅值呈等差數(shù)列逐減，設(shè)計變量為發(fā)火階幅值調(diào)節(jié)量Δ和各階幅值公差ε。使用舒適性模型及幅值算式來分析舒適性與設(shè)計變量的關(guān)系，結(jié)果表明：Δ取-4 dB比取-2 dB的舒適性要高，但Δ進(jìn)一步增加，舒適性不再增加；ε過大或過小都不利于舒適性的提升；Δ值越大，ε對舒適性的影響效果越小。以上結(jié)果可用于確定Δ和ε值。

動力感設(shè)計以發(fā)火階作為調(diào)節(jié)階次，設(shè)計目標(biāo)是使發(fā)火階幅值線性化，并具有合適的響應(yīng)靈敏度，設(shè)計變量為幅值隨轉(zhuǎn)速的變化率kp。對kp與動力感的關(guān)系進(jìn)行量化分析，結(jié)果表明，在kp值較小時，隨著kp的增加，動力感增強(qiáng)，但當(dāng)kp增加到一定程度后，動力感不再增加，而是逐步下降。聲音強(qiáng)度在初期可增強(qiáng)動力感，但到了臨界點(diǎn)就產(chǎn)生負(fù)面作用。

運(yùn)動感設(shè)計以發(fā)火階3倍和4倍頻率的諧波階次作為調(diào)節(jié)階次，設(shè)計目標(biāo)是使兩者的幅值量級接近于發(fā)火階，設(shè)計變量是兩者幅值隨轉(zhuǎn)速的變化率ks。分析ks與運(yùn)動感的關(guān)系，結(jié)果顯示隨著ks增加，運(yùn)動感增加，但ks增加到一定程度，運(yùn)動感會驟降。