基于声品质评价模型的车内噪声优化研究

2012-03-28黄灿银陈阳

柴油机设计与制造 2012年3期

关键词：响度粗糙度主观

黄灿银，陈阳

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

基于声品质评价模型的车内噪声优化研究

黄灿银，陈阳

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

噪声被动控制方法能简单有效地改善噪声的声品质。首先对8辆各种型号汽车进行了怠速状态下车内噪声样本的采集，通过噪声信号的主客观分析研究，得出车内噪声评价的主客观评价模型，明确了响度、尖锐度及粗糙度是影响怠速状态车内声品质的主要因素。而后，对声品质最差的7号车实施噪声优化试验，采取添加塞丽隔声阻尼毡的方案。通过对比发现，车内噪声的响度等参量值变小。将数据代入声品质客观计算模型，同时进行主观评价试验，结果表明其评分等级从13级降至10级，从而证明了噪声被动控制方法能有效提高车内噪声的声品质。

车内噪声被动控制怠速状态主观评价客观参数

1 引言

长久以来，人们以A声功率级越低越好为原则来评价噪声。后来研究发现，某些A计权声级高的噪声听起来比较舒服，而一些满足A声级标准的噪声却让人无法忍受。人们意识到A计权声级存在很大的缺陷，它不能全面描述噪声各个属性。于是，能反映人主观感受的声品质这一概念开始引起关注，并成为噪声领域研究的新课题[1]。声品质旨在反映声物理特性与人的主观感受之间的关系。

噪声被动控制技术由于其降噪明显、成本较低，已在汽车、建筑、军事等领域应用[2]。本文首先对8辆汽车在怠速工况下的车内噪声进行采集，然后对噪声进行主客观分析研究，得出主观评价与客观参数之间的相关性。接着对评价结果最差的汽车进行被动噪声控制，即添加塞丽隔声阻尼毡。最后通过对改进后的汽车进行噪声数据采集和主观评价，从而验证其车内声品质得到了改善。

2 车内噪声评价模型

声品质是通过研究声音的客观物理参数与人的主观感受之间的内在联系，建立声品质评价模型。通过研究评价模型得出各个参数之间的数学表达式，为声品质的改善提供理论依据。声品质概念提出了一种全新的噪声控制思想，即要去除噪声中让人烦躁的成分，保留令人舒服的成分，使声音符合人们的主观感受。

2.1 车内噪声的采集试验

为了得到最新的噪声原始数据，同时为了更好地比较不同汽车间怠速状态下车内噪声的各个参数，选择一种可重复的试验方案是非常重要的。通过对比各车的噪声，能够得到人们对汽车车内声音品质的感觉到底如何。噪声样本的采集需要使用的试验设备是1套比利时LMS Test Lab数据采集分析软件、6个LMS SCADAS305数据采集前端、6个PCB 130ICP传声器、1个Larson DvaiSCAL200标定器、1台Dell M60笔记本电脑、6个固定安装泡沫、1卷透明胶、1把尺子。把上述标定好的设备按试验要求安装到汽车上。6个传声器分别安装在驾驶员座椅、副驾驶员座椅和后排右座椅的头枕两侧（分别标记为1、2、3、4、5和6），如图1所示。驾驶员将车设置为怠速状态，测试人员及时记录下噪声信号。

2.2 噪声样本客观参量的分析计算

图1 车内噪声测量传声器安装图

声音客观参量是描述不同噪声信号所产生的主观感受差异程度的客观物理量，其主要针对4个主要心理声学客观评价参数，即响度、尖锐度、抖动度、粗糙度。用比利时LMS公司生产的LMS Test Lab数据采集分析软件对获得的噪声信号进行分析，得出客观参数的数据信息。

2.2.1 响度的计算

与A声级相比较，响度能更准确地反映声音的响亮程度，它是人们判断声音强弱的依据。

ISO 532B标准给出了2种计算声音响度的方法：一种是Stevens通过倍频程谱数据推算得出的，其在平坦频谱的扩散声场中准确度相当高；另一种是Zwicher在Stevens法基础上引入掩蔽效应加以修正。响度的计算公式为：

式中，

ETQ——听阙在安静环境时所对应的激励；

E0——参考声强I0对应的激励，一般取I0为10-12W/m2；

E——通过计算所得的激励。

图2是根据响度的计算公式并结合噪声样本得出的第7号车各测点噪声响度的曲线图。

2.2.2 尖锐度的计算

式中，

图2 怠速状态下各测点的响度曲线图

k——加权系数一般取0.11；

z——心理声学的临界频带尺度；

N'(z)——与临界频带尺度响度变化的函数表达式；

g'(z)——取值为e0.171z。

第7号车6个测点的尖锐度值如图3所示。

图3 怠速状态下各测点的尖锐度曲线图

2.2.3 抖动度

两组患者的一般自我效能评分随时间均有提升，观察组患者的评分在干预后第3个月、6个月时评分优于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05），见表1。

声音随时间表现为低频变化时，人耳听起来就会感觉有抖动感。抖动度的计算公式是Fastl和Zwick[3]根据前人的基础总结出来的，为世界通用，表示如下：

式中，

F——波动级；

ΔL——调制深度；

fmod——调制频率带宽。

将采集的噪声信号，通过上述公式得出各个测点的抖动度大小，图4所示为第7号车的抖动度曲线图。

图4 怠速状态下各测点的抖动度曲线图

2.2.4 粗糙度

抖动度和粗糙度都是描述声音信号随时间变化给人的感受的参量，区别在于后者描述的是调制频率为中高频率时的情况。粗糙度显示噪声信号的调制程度及其分布状况，对频率为20～200 Hz有比较明显的效果。粗糙度的计算公式如下：

式中，

ΔLg(z)——临界频带内的声压函数；

fmod——调制频率。

图5为第7号车测点噪声的粗糙度曲线图。

2.3 噪声样本的主观评价

主观评价试验定在远离闹市区的教室里，声音样本采用高保真耳机播放。选取高校及内燃机研究所的成员共计50人组成评审团，预先选8组声音样本，用成对比较法[4]对评审团成员进行评价培训。评价的规定与足球比赛计分规则刚好相反，即如果感觉声音样本甲比乙好，那么记录甲得0分，乙得2分；反之亦然；如甲与乙相当，则甲和乙都得1分。积分的高低就代表声品质的优劣。通过多次训练后，使用等级打分法对全部声音信号进行主观评价，每个声音样本播放时间均为10 s。评审团就所听到的声音，带给自己的主观感觉进行打分（1～10），分数越高说明声品质越差。将各个评价人员的分数取平均值就可以得到该声音样本的品质等级[5]。采集的噪声样本的主观评价结果如表1所示。

图5 怠速状态下各测点的粗糙度曲线图

表1 噪声等级评分结果

2.4 主客观相关性分析

将采集的声音信号进行核对，因为每辆车在怠速工况下总共有3对声音信号，保证3对信号无明显的波动，并选择其中一个信号作为分析代表样本。用采集分析软件对获得的噪声信号进行分析，得出6组客观参数的数据信息，即噪声的响度、尖锐度、抖动度、粗糙度、音调度、脉冲特性和清晰度指数。然后将这些数据连同等级评分的结果编制成主观评价结果与客观参量之间的回归数据分布图，如图6所示。

从图6可以直观地看出主客观间的相关性，但是此图无法反应各个客观参数对车内声品质的影响程度。于是运用SPSS统计分析软件对主观评价结果和6组客观参数进行多元回归相关性分析，以获取如下的主观评价结果和客观参数之间的数学关系表达式：

式中，

SQ——主观评价结果；

LS——响度；

SA——尖锐度；

RV——粗糙度；

r——对应的系数。

将各数据代入公式中，求出rL、rS、rR，进而得出怠速状态下车内声品质客观评价模型。

通过此表达式，可以得出以下结论：确定车内声品质与客观参量（响度、尖锐度和粗糙度）有关，客观参量对声品质的影响程度可以从公式得出，怠速状态下车内噪声的改善要从控制响度、尖锐度和粗糙度3方面入手。

3 车内噪声被动控制优化试验

3.1 车内噪声源的识别试验

针对声品质最差的7号车进行车内噪声源的识别试验。试验使用的测量仪器是BK公司生产的3360声强仪。

车内测试点的安排如下：首先，在车的前部地板（发动机盖和变速杆周围）、左地板、右地板、前围、后围、顶棚和左右车门上分别布置好网格，每个网格为10 cm的正方形，各个网格点安排一个测量点。接着，将测试的声强分布图一一展示出来进行对比，如图7所示。最后进行处理分析。将声强分布图进行对比，发现左右踏板的辐射噪声是最大的。从图7可以看出，图中除2个点（具体位置分别为点5×7和10×7）的其它区域，声强都是在94.6 dB（A）以下，该2处的声强级比其余部位高出了至少8 dB。因而可以判断出，左右踏板所在的部位存在比较严重的漏声现象，而发动机机舱和驾驶室间的防火墙隔音吸音效果不太理想。在发动机工作时引起的一系列噪声能够透过防火墙传入车内，导致汽车车内噪声的升高，从而使得该车的声品质较差。

3.2 隔音吸音材料的重新布置

针对防火墙隔音问题，采取对其重新布置隔音材料的方案。首先，在选择隔音材料时注意：（1）隔音材料要求尽可能轻，保证优化后汽车自重增加较少；（2）对高频宽频带噪音效果明显，能够保持长期稳定的隔音性能；（3）防潮防水，耐腐防蛀，外观整洁，无污染。

图6 主观评价结果与客观参数间的回归数据分布图

图7 测试点的布置图

对常用的吸隔音材料进行比较后，最终选取塞丽隔声阻尼毡。其是由EPDM橡胶（三元乙丙橡胶）与多种矿物质组成。从使用情况来看，其广泛应用于发动机室、底板和车门。这种塞丽隔声阻尼毡性能稳定可靠，对高频噪声具有良好的抑制作用，同时能阻碍各种振动的传播，是合适的隔声减振材料。其吸隔声性能如图8和图9所示。从图中可以看出其吸隔声性能在中高频段有明显的增大，对降低车内中高频噪声起到很大作用，进而改善车内声品质参数的尖锐度指标，所以选择此种吸声材料作为被动降噪材料。在选好吸声材料后对吸声材料进行了整体布置，以使防火墙处的漏声孔隙尽可能最小；测量后，在原有的防火墙隔板处增加了树脂毡。

4 车内声品质优化的论证

4.1 客观参数的优化对比

按照2.1节的采集试验设计，对优化后的第7辆车进行车内噪声样本的试验。其详细过程参照2.2节的要求，通过对客观参量的处理后，最后得出优化前后各物理参量的对比图，如图10～图12所示。

图8 塞丽阻尼毡的吸声特性曲线图

图9 塞丽阻尼毡的隔音特性曲线图

图10 7号车优化前后总体响度值对比图

上述3图表明：通过优化，该车车内噪声的响度值和尖锐度得到明显降低，而抖动度变化不明显。但是该车声音物理参数的改善是不是能够体现在人的主观感受上呢？简单的主观分析模型是否能够真正代替复杂的主观评价试验？这就要求通过主观评价对比试验对此进行验证。

图11 7号车优化前后总体尖锐度值对比图

图12 7号车优化前后总体抖动度值对比

4.2 主观评价对比试验

主观评价对比试验的目的在于论证噪声物理参量的改善是否能够被人的主观感受所体现出来。根据相关主观评价试验的标准，让同样的主观评价人员对优化后的车辆进行车内噪声主观打分评价，将其与优化前的分值进行比较，得出以下对比数据，参见表2。

Improvement of Inner-vehicle Sound Quality Based on Sound Quality Evaluation Model

Huang Yincan,Chen Yang
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,Chian）

Passiv e control noise technology can improve inner-vehicle noise effectively.Firstly 8 inner-vehicle noise samples at idle speed were acquired from 8 vehicles of various types of cars.Based on the subjective and objective analysis of noise samples,the correlation between subjective evaluation and objective parameters was formed:the loudness,the sharpness and the roughness of sound are the most important factors influencing the inner-vehicle sound quality.The passive noise control experiment specific to the worst noise sample was conducted,and through the comparison,the objective parameters were reduced significantly.By using objective calculation model and subjective evaluation test,the annoyance level fell from 13 to 10,which demonstrates that the noise control method can effectively enhance sound quality in the vehicle.

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