汽車座椅按摩聲品質(zhì)問題及優(yōu)化方法

楊雨圣，張言

（130000 吉林省 長春市 中國第一汽車集團(tuán)有限公司）

0 引言

隨著汽車行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，越來越多高端車型上的專屬配置已逐漸向中低端車型普及，座椅按摩功能便是其中之一。由于現(xiàn)階段市場(chǎng)上配置該項(xiàng)功能的車型仍是少數(shù)，大多數(shù)整車廠和座椅供應(yīng)商對(duì)座椅按摩性能管控的技術(shù)儲(chǔ)備尚不足，而其中對(duì)于聲品質(zhì)水平控制的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)更是欠缺，這將導(dǎo)致座椅按摩開發(fā)后期及裝車后暴露出一些聲品質(zhì)問題，而在此階段再進(jìn)行更改優(yōu)化必然導(dǎo)致開發(fā)成本的增加，因此需要在座椅開發(fā)階段盡早地介入座椅按摩聲品質(zhì)的性能管控。

對(duì)試驗(yàn)室內(nèi)60 輛國內(nèi)外不同汽車品牌車型的調(diào)研顯示，目前各級(jí)別具備座椅按摩功能的車型比例分別為：A 級(jí)車，0/14，0%；B 級(jí)車,1/20，5.0%；C級(jí)車，4/17，23.5%；D級(jí)車，5/9，55.6%；整體共計(jì)10 輛具備座椅按摩功能的車輛，10/60，16.7%。這個(gè)比例在未來會(huì)越來越高，因此座椅按摩也會(huì)越來越注重聲音品質(zhì)感的開發(fā)。

本文通過對(duì)10 臺(tái)座椅按摩的聲音樣本進(jìn)行分析，得出座椅按摩開發(fā)過程中受用戶關(guān)注的聲音成分，并通過結(jié)構(gòu)分析及具體座椅按摩問題優(yōu)化案例，總結(jié)出座椅按摩聲品質(zhì)控制方法，以更好地滿足未來市場(chǎng)高品質(zhì)發(fā)展的需求。

1 聲品質(zhì)概念及參數(shù)介紹

1985 年，日本豐田汽車公司的工程師在美國汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）會(huì)議上發(fā)表的一篇論文拉開了汽車聲品質(zhì)研究的序幕。以往汽車NVH 主要工作為減振降噪，隨著技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)聲源的輻射噪聲已得到降低。傳統(tǒng)的聲壓級(jí)以及1/3 倍頻程的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已不能反映人們對(duì)于噪聲的主觀判斷，有的聲音聲壓級(jí)雖然較高，但讓人感覺比較愉悅，在這樣的情況下，聲品質(zhì)的概念應(yīng)運(yùn)而生。定義中的“聲”并不是指單純聲波這樣一個(gè)物理過程，而是指人耳的聽覺感知過程?！捌焚|(zhì)”是指由人耳對(duì)于聲音事件感知過程最終做出的主觀判斷。這一概念更強(qiáng)調(diào)人們對(duì)聲特性判斷的主觀性。

所以聲品質(zhì)性能是車輛中與人主觀感受高度相關(guān)的性能之一。聲品質(zhì)開發(fā)主要分為主觀和客觀評(píng)價(jià)，本文主觀評(píng)價(jià)采用實(shí)車評(píng)價(jià)并以十分制進(jìn)行打分，客觀評(píng)價(jià)將采用以下心理聲學(xué)參數(shù)[1-4]：

（1）響度：由于人的聽覺不像線性測(cè)量裝置那樣工作，信號(hào)的電平（例如dB(A)）的簡單表示不能捕獲聽者感知的音量。心理聲學(xué)參數(shù)是通過模擬人類聽覺特性的信號(hào)處理來計(jì)算的。

響度的單位是sone。頻率為1 kHz、聲壓級(jí)為40 dB 的正弦信號(hào)的響度定義為1 sone。響度標(biāo)度的意義在于，具有2 倍響度的聲音信號(hào)其響度標(biāo)度sone 值也為2 倍。在聲學(xué)測(cè)試中，通過比較聲音信號(hào)和1 kHz 正弦信號(hào)的響度，確定其響度。

（2）特征響度：特征響度表示響度在臨界頻帶上的分布。它的單位是sone/Bark。總響度N 是特征響度值n'在臨界頻帶上積分得到的結(jié)果，如式（1）所示：

（3）尖銳度：聲信號(hào)的頻譜成分主要分布在高頻范圍內(nèi)，會(huì)被人類聽覺感知為“鋒利”或“刺耳”。作為這種感知的衡量標(biāo)準(zhǔn)，引入了尖銳度參數(shù)。尖銳度的決定性因素是頻譜包絡(luò)線以下區(qū)域的平衡點(diǎn)。這一點(diǎn)向高頻移動(dòng)得越遠(yuǎn)，聲音的聲學(xué)感知就越尖銳。

尖銳度單位為acum。尖銳度以線性方式描繪人類的聽覺感知。帶寬小于150 Hz、聲壓級(jí)為60 dB的窄帶噪聲在1 kHz 的尖銳度定義為1 acum。

（4）粗糙度：粗糙度是描述嘈雜、刺耳、粗獷、富有進(jìn)攻性等感受的心理聲學(xué)指標(biāo)。

如圖1 所示，粗糙度的單位是asper，定義為60 dB 的單頻1 kHz 正弦波，在70 Hz 調(diào)制頻率、幅值調(diào)制參數(shù)為100%情況下，粗糙度為1 asper。主要影響粗糙度的變量有調(diào)制頻率和調(diào)制深度。其他參數(shù)，比如響度值或聲壓值對(duì)其影響較小。

圖1 粗糙度定義示意圖Fig.1 Schematic diagram of roughness definition

（5）波動(dòng)度：波動(dòng)度是另外一個(gè)讓人感覺不愉悅的聲音指標(biāo)，表現(xiàn)為聲音信號(hào)受到低頻調(diào)制產(chǎn)生幅值變化，對(duì)人耳感受產(chǎn)生的影響，簡言之就是信號(hào)幅值有規(guī)律的低頻波動(dòng)。信號(hào)的包絡(luò)曲線可以明顯看出像波浪一樣，給人的主觀感受也是忽大忽小、忽上忽下，如圖2 所示。

圖2 波動(dòng)度定義示意圖Fig.2 Schematic diagram of fluctuation definition

波動(dòng)度的單位是vacil，定義為60 dB 的單頻1 kHz 正弦波在4 Hz 調(diào)制頻率，幅值調(diào)制參數(shù)為100%情況下，則其波動(dòng)度為1 vacil。一般在調(diào)制頻率4 Hz 時(shí)波動(dòng)度感受最明顯。對(duì)應(yīng)不同調(diào)制頻率的曲線像通濾波器曲線一樣，4 Hz 最大，依次向兩邊遞減。當(dāng)調(diào)制頻率超過20 Hz 以后，慢慢過渡為粗糙度，變成另外一種不同的聲音感受。

2 整車座椅按摩聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)

首先對(duì)具備座椅按摩功能的車輛進(jìn)行整車狀態(tài)下座椅按摩各工況的主觀評(píng)價(jià)[5]，評(píng)價(jià)環(huán)境為整車半消聲室，背景噪聲不高于25 dB(A)，保證各評(píng)價(jià)車輛沒有饋電且處于IG-ON 狀態(tài)；評(píng)價(jià)人員坐在被測(cè)座椅上模擬用戶使用工況進(jìn)行座椅按摩聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)，采用十分制評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分表如表1 所示，評(píng)價(jià)人員為NVH 專業(yè)主觀評(píng)價(jià)成員共10 人。得到10 輛車的座椅按摩聲品質(zhì)主觀評(píng)分，將10 輛車分別命名為A—J，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

表1 主觀評(píng)價(jià)打分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Scoring criteria for subjective evaluation

表2 主觀評(píng)分結(jié)果Tab.2 Subjective scoring results

從評(píng)價(jià)得分可以看出，這10 輛車中座椅按摩聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)好的有2 輛，而處于一般和可接受的占比80%，而針對(duì)幾臺(tái)評(píng)分在6 分的車輛評(píng)價(jià)中，我們?cè)黾恿艘豁?xiàng)抱怨點(diǎn)描述。評(píng)價(jià)人員反饋的評(píng)價(jià)結(jié)果是座椅按摩聲音主要的抱怨點(diǎn)有2 個(gè)：①座椅按摩系統(tǒng)工作過程中“嗡嗡”聲音偏大；②系統(tǒng)放氣的聲音突出。因此本文結(jié)合整車座椅按摩聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，總結(jié)出對(duì)座椅按摩運(yùn)行嗡嗡聲及系統(tǒng)放氣聲進(jìn)行控制的方法，以提升座椅按摩聲品質(zhì)。

3 座椅按摩結(jié)構(gòu)及聲音分析

座椅按摩的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通常由氣泵、管路、控制器、氣袋組成，如圖3 所示

圖3 座椅按摩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of seat massage system

座椅按摩工作原理：氣泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)，氣泵產(chǎn)生正壓空氣，經(jīng)控制器按需給各個(gè)氣袋充氣、放氣，進(jìn)而控制每個(gè)氣袋的頂起高度，從而實(shí)現(xiàn)舒適性調(diào)節(jié)的作用。各結(jié)構(gòu)在實(shí)車上的示意如圖4 所示。

圖4 座椅按摩實(shí)車布置圖Fig.4 Layout of seat massage vehicle

當(dāng)座椅按摩工作時(shí)，大部分結(jié)構(gòu)都處于動(dòng)作狀態(tài)，其中任一部分都會(huì)產(chǎn)生造成不良感知的噪聲，例如氣泵電機(jī)本體噪聲、管路輸氣噪聲、控制器內(nèi)部分壓閥的噪聲、氣袋充氣噪聲、氣袋泄氣噪聲等。座椅按摩的結(jié)構(gòu)及聲音均較復(fù)雜，因此本文通過Head acoustics 公司的SQuadriga II 型手持式聲音采集器以及ArtemiS 軟件進(jìn)行專業(yè)的整車按摩聲音的客觀測(cè)試及分析。測(cè)試人員滿足75±5 kg體重要求，測(cè)試環(huán)境及工況與上文主觀評(píng)價(jià)相同，測(cè)試人員佩戴設(shè)備并乘坐于被測(cè)座椅上。如圖5 所示。

圖5 整車狀態(tài)下座椅按摩客觀測(cè)試示意圖Fig.5 Schematic diagram of objective test of seat massage under vehicle state

采用以上方法對(duì)10 臺(tái)車進(jìn)行客觀測(cè)試，并依據(jù)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，分析聲音樣本，在好、一般、可接受的每個(gè)評(píng)分等級(jí)各選擇一輛車，對(duì)car8、car5、car1 進(jìn)行聲音樣本的對(duì)比分析。根據(jù)嗡嗡聲和放氣聲2 個(gè)抱怨點(diǎn)進(jìn)行充氣和放氣的聲音截取，結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

圖6 充氣階段頻譜對(duì)比示意圖Fig.6 Schematic diagram of spectrum comparison in inflation stage

圖7 放氣階段頻譜對(duì)比示意圖Fig.7 Schematic diagram of spectrum comparison in deflation stage

（a）充氣階段

通過對(duì)比頻譜圖可以看出，car1 在200 Hz 和1 000 Hz 左右的聲音成分與car5 和car8 差別較大，200 Hz 主要是聲音能量較大，1 000 Hz 以上則是其他車型沒有的頻率成分，因此此頻段聲音成為用戶的抱怨點(diǎn)“座椅按摩系統(tǒng)工作過程中‘嗡嗡’聲音偏大”，而充氣階段此聲音的主要噪聲源為氣泵。

（b）放氣階段

通過對(duì)比頻譜圖并結(jié)合聲學(xué)回放可以看出，3 輛車在50～4 000 Hz 的寬頻范圍內(nèi)的聲音成分為座椅按摩系統(tǒng)的放氣聲音。該聲音由car8、car5 到car1 能量逐漸增高，聲音品質(zhì)也逐漸變差。即該聲音對(duì)應(yīng)抱怨點(diǎn)“系統(tǒng)放氣的聲音突出”。

除頻譜分析外，針對(duì)特征響度、粗糙度和波動(dòng)度也做了對(duì)比，如圖8、圖9 所示。結(jié)果顯示，特征響度及特征粗糙度與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果非常吻合，特征波動(dòng)度則不是特別明顯，在之后的問題分析中可重點(diǎn)關(guān)注聲品質(zhì)參數(shù)響度和粗糙度。

圖8 特征響度及特征粗糙度對(duì)比示意圖Fig.8 Comparison diagram of characteristic loudness and characteristic roughness

圖9 特征波動(dòng)度對(duì)比示意圖Fig.9 Comparison diagram of characteristic volatility

聲品質(zhì)分析最終的目的是要提升產(chǎn)品的聲品質(zhì)，本文針對(duì)座椅按摩聲音進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，得到抱怨聲音的聲音特性以及與主觀評(píng)價(jià)相對(duì)應(yīng)的客觀評(píng)價(jià)參數(shù)。若完成品質(zhì)提升，則需要明確各抱怨點(diǎn)與結(jié)構(gòu)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采取相應(yīng)優(yōu)化措施。下文以某車型座椅按摩聲品質(zhì)問題優(yōu)化為例，總結(jié)座椅按摩聲品質(zhì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法及整車控制目標(biāo)。

4 某車型座椅按摩聲品質(zhì)問題優(yōu)化案例

4.1 問題識(shí)別

在某車型開發(fā)過程中，主觀評(píng)價(jià)識(shí)別出該車型前排座椅按摩電機(jī)聲音大，聲品質(zhì)差，座椅按摩泄氣聲音大，不可接受。

對(duì)問題車輛進(jìn)行測(cè)試分析，得到按摩聲音的頻譜圖，如圖10 所示。由圖10 可見，按摩聲音主要包含100～200 Hz 窄頻帶噪聲和100～1 000 Hz 寬頻帶噪聲2 個(gè)成分。通過回放，濾掉100～200 Hz 成分，電機(jī)聲明顯減弱；濾掉200～600 Hz 成分，泄氣聲明顯減弱。

圖10 問題車座椅按摩聲音頻譜圖Fig.10 Sound spectrum diagram of seat massage in problem car

在解決此問題前，首先識(shí)別出整車資源比較緊張，因此后續(xù)方案均需要進(jìn)行整椅臺(tái)架驗(yàn)證，由于問題的特殊性，本文對(duì)比了整椅臺(tái)架座椅按摩與整車狀態(tài)下座椅系統(tǒng)聲音前后差異，總結(jié)出在整車狀態(tài)下座椅系統(tǒng)各調(diào)節(jié)工況包括座椅按摩的聲壓級(jí)均高于臺(tái)架2 dB，這個(gè)規(guī)律主要源自于整車狀態(tài)下的車內(nèi)聲音測(cè)試會(huì)受到內(nèi)飾件反射的影響。臺(tái)架測(cè)試在消聲室內(nèi)進(jìn)行，屬于自由場(chǎng)，沒有反射源，因此整車狀態(tài)下聲音偏高，說明用臺(tái)架驗(yàn)證也可代表整車效果。為方便同臺(tái)架數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，且滿足聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)分值，制定了聲壓級(jí)、響度及尖銳度目標(biāo)值，目標(biāo)設(shè)定符合第2 部分主觀評(píng)分8分車輛所對(duì)應(yīng)的客觀參數(shù)值，目標(biāo)值為座椅按摩電機(jī)聲聲壓級(jí)≤40 dB(A)，響度≤3.0 sone；座椅按摩泄氣聲聲壓級(jí)≤45 dB(A)，尖銳度≤2.0 acum。

4.2 真因分析

根據(jù)座椅按摩結(jié)構(gòu)及整椅環(huán)境對(duì)影響因素進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖11 所示。

圖11 座椅按摩聲品質(zhì)影響因素分析Fig.11 Analysis of influencing factors of seat massage sound quality

對(duì)問題聲音成分及第4 部分聲音進(jìn)行分析，可判定問題主要在氣泵充氣及泄氣過程中產(chǎn)生。本文采用4 種驗(yàn)證方案驗(yàn)證真因，驗(yàn)證整椅臺(tái)架前后對(duì)比差異，如表3 所示。用整椅臺(tái)架測(cè)試模擬整車測(cè)試。將座椅安裝在臺(tái)架上，利用控制器進(jìn)行座椅按摩的控制，測(cè)試人員佩戴頭戴式聲音采集器坐在座椅上進(jìn)行測(cè)試。

表3 驗(yàn)證方案Tab.3 Validation scheme

在驗(yàn)證結(jié)果中，氣泵位置及氣泵本身空氣噪聲是影響主觀感受按摩電機(jī)聲音大的原因，控制器聲學(xué)包設(shè)計(jì)不足是引起主觀感受泄氣聲音大的原因。

4.3 制定措施及驗(yàn)證

針對(duì)4.2 中識(shí)別到的真因，進(jìn)行詳細(xì)的措施驗(yàn)證，需制定成本低可實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化方案。氣泵噪聲分為位置和本體噪聲2 個(gè)原因。首先針對(duì)位置進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)施，共2 個(gè)位置驗(yàn)證方案：一是座椅背板偏下部位置，扎帶卡扣固定，如圖12 所示；二是座椅坐墊下部位置，膠帶懸掛固定，如圖13 所示。

圖12 背板偏下位置方案示意圖Fig.12 Schematic diagram of lower position scheme of backplane

圖13 坐墊下部位置方案示意圖Fig.13 Schematic diagram of lower position scheme of cushion

2 個(gè)位置方案實(shí)施后，整椅臺(tái)架結(jié)果顯示只有坐墊下部位置可達(dá)到7 dB 優(yōu)化效果，其他方案僅能優(yōu)化1 dB，并且在座椅開發(fā)過程中，坐墊下部無空間布置氣泵，所以位置方案無法實(shí)施。

采用氣泵包裹方案，共使用3 種材料進(jìn)行驗(yàn)證，包括橡膠、鉛皮及PA 材料[6]，將材料包裹好后，重新安裝到整椅上再進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，如圖14 所示，實(shí)施后效果見表4。經(jīng)過試驗(yàn)，鉛皮和PA 包裹后對(duì)聲音的優(yōu)化效果較為明顯，但從工程可行性上分析，鉛皮包裹無法保證散熱等其他性能，因此采用PA 包裹方案。由于位置方案不能采納，電機(jī)聲最終可行性優(yōu)化方案為對(duì)電機(jī)進(jìn)行PA 包裹。

表4 驗(yàn)證方案Tab.4 Validation scheme

圖14 包裹方案示意圖Fig.14 Schematic diagram of package scheme

確定電機(jī)聲優(yōu)化方案后，根據(jù)泄氣聲有效措施制定最終方案。前文中，優(yōu)化控制器消音海綿結(jié)構(gòu)對(duì)泄氣聲優(yōu)化明顯，本文采用2 種方案進(jìn)行效果驗(yàn)證。方案1：增加8 塊26.5 mm×10 mm 的吸音海綿，密度25 kg/m3海綿；方案2：在方案1 基礎(chǔ)上氣管氣袋連接支架增加6 對(duì)快插接頭且在插頭內(nèi)部增加海綿。2 種方案分別如圖15、圖16 所示。

圖15 增加海綿方案示意圖Fig.15 Schematic diagram of adding sponge

圖16 在增加海綿基礎(chǔ)上增加快接插頭方案示意圖Fig.16 Schematic diagram of adding quick connect plug on the basis of adding sponge

由于方案2 是在方案1 實(shí)施的前提下增加快接插頭且插頭內(nèi)部采用海綿結(jié)構(gòu)，所以最終驗(yàn)證結(jié)果顯示方案2 優(yōu)化效果最明顯，可優(yōu)化6 dB，因此針對(duì)泄氣聲最終優(yōu)化方案確定為控制器內(nèi)增加8 塊海綿，氣袋與氣管連接支架增加帶海綿結(jié)構(gòu)的快插接頭。

泄氣聲及電機(jī)聲優(yōu)化最終可行性方案確定后，將方案應(yīng)用到整椅后安裝在整車上，對(duì)整車狀態(tài)下座椅再進(jìn)行優(yōu)化測(cè)試，最終達(dá)到4.1 中要求的整車目標(biāo)水平，且主觀評(píng)價(jià)達(dá)到7 分以上。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)10 臺(tái)車輛的座椅按摩聲品質(zhì)進(jìn)行主觀及客觀評(píng)價(jià)，明確座椅按摩聲音用戶容易抱怨的問題點(diǎn)，并根據(jù)客觀分析，確定同問題點(diǎn)主觀感受對(duì)應(yīng)的客觀分析參數(shù)包括響度、粗糙度等，并根據(jù)評(píng)價(jià)好的車輛的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，制定出包括聲壓級(jí)、響度、尖銳度的整車狀態(tài)下座椅按摩的聲品質(zhì)指標(biāo)，并在某車型座椅按摩聲品質(zhì)問題上得以應(yīng)用。

某車型座椅按摩聲品質(zhì)問題，包括電機(jī)聲和泄氣聲問題，本文通過原因分析，多措施驗(yàn)證，最終鎖定電機(jī)包裹及控制器增加消音結(jié)構(gòu)的可行性方案，并且整車驗(yàn)證達(dá)標(biāo)。

總結(jié)座椅按摩聲品質(zhì)問題從原因分析上可概括成源及路徑，源包括電機(jī)聲及氣流噪聲。氣流噪聲一般可以通過改變氣管的截面積或在氣道內(nèi)增加阻尼來改變氣體的流速從而改變氣流聲品質(zhì)。電機(jī)噪聲則是通過改變電機(jī)本體的性能水平，使負(fù)載工況處于電機(jī)性能特性曲線的高效率部分，這樣可以既不浪費(fèi)電機(jī)功率節(jié)約了成本，又不會(huì)有較差的聲品質(zhì)。路徑上，噪聲源很容易通過座椅骨架及座椅包覆傳遞到人耳，也可能會(huì)由于座椅內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理而產(chǎn)生空腔噪聲?？赏ㄟ^優(yōu)化氣泵布置位置和在設(shè)計(jì)初期做好模態(tài)仿真，規(guī)避有風(fēng)險(xiǎn)的座椅造型結(jié)構(gòu)。針對(duì)本文座椅問題案例，也可通過對(duì)噪聲源的包裹及特殊結(jié)構(gòu)的增加消音棉等消音方案來解決聲音問題，這是座椅按摩聲品質(zhì)的總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制方案。

汽車座椅按摩可以為駕乘人員提供舒適的享受，越來越多地應(yīng)用于汽車開發(fā)中，除保證功能外，好的座椅按摩聲音表現(xiàn)更會(huì)給用戶帶來更極致的體驗(yàn)，本文提供的座椅按摩聲音優(yōu)化方法可應(yīng)用于座椅按摩的前期開發(fā)，更好地提升座椅按摩聲品質(zhì)。