柴油机声品质客观参量测试及分析

王甫江，刘 岩，张晓娟

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连116028；2.大连科技学院 机械工程系，辽宁 大连116052)

柴油机声品质客观参量测试及分析

王甫江1，刘 岩1，张晓娟2

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连116028；2.大连科技学院 机械工程系，辽宁 大连116052)

在柴油机的不同速度和负荷下，进行现场噪声测试，并且分析了响度、尖锐度、粗糙度和抖动强度等4种噪声客观评价参量。经数据分析后可知，特征响度曲线能准确反映决定人耳听觉响亮程度感受变化的声音频率成分。随着发动机转速与负荷的增加，噪声的响度值和尖锐度值呈现了明显递增的趋势。同时，在900 r/m in～1 700 r/m in范围内，抖动度值也呈现了明显减小的趋势。

声学；柴油机；噪声；声品质；客观参量

在传统的噪声评价和控制中，由于通常采用的A计权声级在低频范围的声压级被大幅衰减，其结果是：即使噪声达到A声压级要求，也与噪声实际情况，特别是其传声机理和声场分布规律不相符合，给产品的减振降噪设计带来偏差。近年来，国内外许多的学者对声品质进行了研究，并提出了现代噪声控制的全新理念，即噪声控制不仅要降低噪声的声压级，还要调节噪声的音质特性，消除令人烦恼的成分，保留令人愉悦的成分，最终实现选择性噪声控制，使其符合人们主观感受的要求[1]。当前，较为成熟的声品质参量主要有：响度、尖锐度、粗糙度和抖动度等。

1 柴油机噪声测试

1.1 声学环境与实验对象

本实验是测定柴油机整机的表面辐射噪声。试验对象为某增压直喷式，六缸直列中冷柴油发动机，额定功率为140 kW。此柴油机采用水冷装置，未安装空气滤清器，未装风扇，因此不考虑风扇噪声，对整机测试时不考虑排气噪声。柴油机固定在试验台上，并且直连到测功机上，以测定其转速和功率。试验室四周及顶面设有微穿孔板吸声材料。

1.2 测试仪器及测点布置

试验采用噪声测试及分析系统，主要由SQLab II多通道数据采集记录器前端、HMS III双耳信号采集器（人工头）、声学传感器以及Artem is分析软件等组成。测试按照国标《往复式内燃机辐射的空气噪声测量工程法及简易法》（GB1859-2000）要求采用五点布置法，如图1所示。

图1 测量表面及测点布置示意图

2 柴油机噪声声品质客观参量分析

运用人工头采集声音样本，为噪声声品质的评价提供了准确、可靠的保证。本次试验把人工头放置在测点三位置，其他测点数据将作为辅助验证与诊断。对采集到的声音样本进行响度、尖锐度、粗糙度、抖动度等客观参量进行分析。

2.1 声音样本的响度分析

响度是反映人耳对声音强弱主观感受程度的心理声学参数，它考虑人耳对声音频谱的掩蔽特性，能比A声级更准确的反映声音信号的响亮程度[2]。

由图2可知，从总体上看，响度随着速度与负荷的不断增加呈逐渐增加的趋势。当转速为900 r/min、负荷为20%时，响度值为77.4 sone；当转速为1 900 r/min、负荷为100%时，响度值达到最大为193.9 sone。理论上响度值愈大，对人造成的烦燥程度愈严重，声音品质就越差，但响度不是噪声声品质的决定标准。

由图3(a)可知，特征响度主要集中在7 Bark～13 Bark，特征响度曲线持续中频峰值，后急速下降，最后呈阶梯状逐渐减弱消失，说明人耳频率掩蔽特征对响度的作用。特征响度峰值出现在1 Bark～2 Bark(约100 Hz)和9 Bark～11 Bark(约1 000 Hz)处，在10 Bark处两耳响度差值达到最大。由图3(b)可知随着转速与负荷的增加，柴油机噪声各频率成分的特征响度增长差异较大。特征响度增长越大,与之相对应的临界频带上的噪声成分对总响度的影响就越突出，即为引起总响度变化的主要频率范围。两耳特征响度值差值在中低频处较小，特征响度的峰值向高频段转移，特征响度峰值出现在23 Bark (约1 000 Hz)处，且两耳差值达到最大。

图2 响度与速度、负荷的关系

为了对比分析响度、A计权声压级、线性声压级三者的特征，选取了速度为1 900 r/m in、负荷为80%的声音样本为研究对象进行分析。

从图4可以看出，线性声压级表征柴油机噪声表大部分能量集中在中高频段而且低频段能量也较高。A计权声压级噪声能量主要集中在1 000 Hz～10 000 Hz范围内，峰值出现在10 000 Hz（约22.5 Bark）处，为103 dB(A)。由于A计权网络在低频段声压级被大幅衰减，在低频率段与响度差别较大。在整个临界频带内左右耳响度值差异较大，且在17.5 Bark处差值到最大，两耳响度值在22.5 Bark处达到最大值。特征响度显著频段覆盖了线性声压级显著频率且包括了A声级显著频段的绝大部分,兼顾了两种声压级显著频率范围的内涵,既能体现线性声压级对噪声频谱特性的反映,也能体现A声级所隐含人耳感觉的反应[3]。由此可知，特征响度曲线能准确反映决定人耳听觉响亮程度感受变化的声音频率成分，运用A计权声压级评价噪声时，会产生误差，使评价结果偏离人的主观感受。

图3 左右耳特征响度

图4 转速为1 900 r/min、负荷为80%的噪声谱

2.2 声音样本的尖锐度分析

尖锐度是描述高频成分在声音频谱中所占比例的参数，它反映了声音信号的刺耳程度。通常高频成分响度越大，其尖锐度值就越大，人就感觉越刺耳。

由图5可知，从总体上看，尖锐度值随转速与负荷的增加而呈明显的增大趋势，且变化趋势与响度值的变化趋势相似。在转速为1 900 r/m in，负荷从20%增加到100%时，尖锐度值由7.56 acum增加到14.4 acum，差值为6.84 acum。在负荷为100%，转速从900 r/min增加到1 900 r/m in时，尖锐度值由6.69 acum增加到14.4 acum，差值为7.71 acum。由此可知，转速与负荷的增大，噪声的高频成分就越加突出，人的主观感觉就越加刺耳，声品质越差。

研究发现可以通过增加低频成分从而降低声音的尖锐度。虽然这种改变会使声音的响度略微增加，但大多数情况下通过这种方法来降低声音的尖锐度从而获得更好的声音品质[4]。

图5 尖锐度与速度、负荷的关系

2.3 声音样本的粗糙度分析

粗糙度是描述声音信号调制程度的心理声学参数，它反映信号调制幅度的大小、调制频率的分布等特征，适应于评价20 Hz～200 Hz调制频率的声音，特别对70 Hz附近的声音有突出的评价效果[2]。

由图6可知，转速在900 r/m in～1 500 r/m in范围内，左右耳粗糙度随着转速的增加而增大，转速在1 500 r/m in以后呈减小趋势，并且右耳的粗糙度值要比左耳的粗糙度值大。在转速为900 r/min、负荷为20%时，左右耳粗糙度值相差最大，左耳尖锐度为5.63 asper，右耳尖锐度为6.43 asper，差值为0.8 asper。

如图7(a)所示，特征粗糙度主要集中在7 Bark～13 Bark，峰值出现在9 Bark～11 Bark，右耳特征粗糙度值为0.742 asper，左耳的特征粗糙度值为0.611 asper 11 Bark以后逐渐减弱消失。如图7(b)所示，与图7(a)相比特征粗糙度在0～6 Bark范围内有所增加，而峰值有所降低，两耳特征粗糙度值差异较小。

图6 左右耳粗糙度与速度、负荷的关系

图7 左右耳特征粗糙度

2.4 声音样本的抖动度分析

抖动度用于描述人耳对缓慢移动调制声音的感受程度。影响抖动度的因素有：信号的时域结构、带宽、调制频率、调制的程度、声压级大小等。调制频率在0～20 Hz时，以抖动度来描述声压变动[5]。

从图8中可以看出，从总体上看，抖动度值随着转速的增加而减小。转速在900 r/m in～1 700 r/m in范围内，抖动度值呈明显的减小趋势，在1 700 r/m in以后抖动度趋于平稳。

如图9(a)所示，两耳的特征抖动度值差异较明显，特征抖动强度主要集中在8 Bark～12 Bark，峰值出现在10 Bark～11 Bark，左耳的特征抖动强度值为0.0078 vacil，左耳的特征抖动强度值为0.007 1 vacil，11 Bark以后急剧减弱。如图12(b)所示，特征抖动强度主要集中在3 Bark～5 Bark，峰值出现在2.5 Bark左右，在10 Bark以后特征抖动强度趋于平稳。从整体上看，随着转速与负荷的增加，特征抖动度有逐渐减小的趋势。

由此可知，随着转速与负荷的增加，特征抖动度峰值向低频段转移。

图8 左右耳抖动度与速度、负荷的关系

3 结语

（1）特征响度曲线能准确反映决定人耳听觉响亮程度感受变化的声音频率成分，用响度这一客观量来评价噪声可以真实地反映人对噪声的主观感觉；

（2）柴油机辐射噪声中含有高频能量成分，随着转速与负荷的增大，高频成分增加，尖锐度适宜于描述柴油机辐射噪声中高低频成分的变化情况；

（3）随着柴油机转速与负荷的增加噪声的响度值和尖锐度值呈明显递增趋势；在900 r/min～1 700 r/m in范围内，抖动度值呈明显的减小趋势。

图9 左右耳特征抖动度

[1]刘宗巍，王登峰.车内噪声质量的主观评价及其改善措施的研究与发展[J].汽车技术，2006(7)：1-4.

[2]申 珅.噪声声品质客观评价分析系统的研究与开发[D].长春：吉林大学，2007.

[3]张 伟，陈光雄，等.高速列车车内噪声声品质客观评价分析[J].铁道学报，33(2)：13-19.

[4]石 岩，毕凤荣，等.心理声学基本理论及其在声音品质主观评价中的应用[J].小型内燃机与摩拖车，35(1)：57-60.

[5]乌 静.汽车声品质评价方法研究及软件平台的搭建[D].合肥：合肥工业大学，2010.

Measurement and Analysis of Objective Parameters of Sound Quality for a Diesel Engine

WANG Fu-jiang1,LIU Yan1,ZHANG Xiao-juan2

(1.Institute of Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,Liaoning China; 2.Department of Mechanical Engineering,Dalian Institute of Science and Technology, Dalian 116052,Liaoning China)

The noise of a diesel engine at different speed and load is measured and analyzed w ith the four objective evaluation parameters of noise:loudness,sharpness,roughness and fluctuation intensity.The results show that the specific loudness curve can accurately reflect the human auditory experience due to the change of sound frequency components.With the increase of the speed and the load of the engine,the loudness and sharpness increase significantly.And in the speed range of 900 r/m in～1 700 r/m in,the fluctuation intensity decreases significantly.

acoustics;diesel engine;noise;sound quality;objective parameter

1006-1355(2014)04-0192-05

O42；O422.8；TK42；TK417+.125 < class="emphasis_bold">文献标识码：A DOI编码：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.042

2013-09-29

王甫江（1986-），男，江苏徐州人，硕士，研究方向：噪声与振动控制。

E-mail:fu2008jiang@163.com