音乐控制法改善车内声品质的试验研究

李芳，左言言，李玉东

(1.镇江船艇学院，江苏镇江212003 2.江苏大学振动噪声研究所，江苏镇江212013 3.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆213717)

音乐控制法改善车内声品质的试验研究

李芳1,2，左言言2,3，李玉东1

(1.镇江船艇学院，江苏镇江212003 2.江苏大学振动噪声研究所，江苏镇江212013 3.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆213717)

以4种类型汽车内采集到的32个不同噪声样本为评价对象，通过试验研究建立了以心理声学客观参数描述主观评价结果的车内声品质模型，并对声品质较差的噪声样本实施了音乐掩蔽控制试验，试验结果表明，车内噪声的低沉度下降，音调度上升。研究结果表明音乐掩蔽控制法用于改善汽车声品质的可行性和有效性。

声学；声品质；音乐掩蔽控制；烦恼度；低沉度；音调度

创造一个舒适、安静的乘车环境是汽车研究人员一直追求的课题。到目前为止，关于降噪的理论、工具、手段一整套体系都已建立[1―6]。这些方法大部分是通过改变汽车的机械结构或加消声元件来降低噪声的。人们还希望在不改变车身结构的前提下找到一种简易可操作的方法来改善对噪声的主观感受。

汽车行驶过程中在车内产生的持续的噪声会让人烦恼，而音乐可以掩蔽复杂环境中的噪声，降低总体噪声中令人烦恼的成分。因此，人们开车时喜欢听音乐，这样可以分散人对噪声的关注度，从而减弱对噪声的烦躁感。本文通过对不同车型不同工况下的噪声信号的研究，建立了主观感受烦恼度和客观参数之间的模型，找到影响烦恼度的主要参量；经过实施音乐前后噪声样本的分析对比，结果显示音乐可改变噪声的低沉度和音调度两个参量，从而使人的主观烦恼度降低。

1 车内噪声声品质评价模型的建立

1.1 噪声样本的采集

为了获取准确的噪声样本，试验采用德国Head Acoustics公司HMS III数字式仿真头记录实际车况条件下的双耳噪声信号，通过该公司的SQ Lab多通道声振测试系统硬件和Artemis 12.0软件，并配以耳机回放系统HPS IV通过Sennheiser HD 600耳机进行高保真回放，使采集和重放的噪声信号能够真实反应人耳的主观感受。实验用的设备如图1所示。

图1 实验设备在车内的使用

试验中，共采集了4种型号轿车在良好路面上，以不同速度（50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h、100 km/h）匀速行驶时不同位置点处的声音信号，得到32个噪声样本，每个样本的长度为10 s，后经剪辑为5 s。这部分的噪声为标准的48 kHz,16 bit数据采样，精度与一致性较好。

1.2 噪声样本的主客观评价

本文采用等级评分法对噪声样本进行主观评价，使用烦恼度作为量化评价指标，以P表示烦恼度，为无量纲系数，其数值越大代表噪声声品质越差。经评审团评价后得到主观评价数据如表1所示。

本文选取A计权声压级、尖锐度、粗糙度、低沉度和音调度作为描述汽车车内噪声声品质的客观参数。经过对评价者的评价结果检验，其评价值的肯德尔和谐系数（kendall’s Harmonious Coefficient）达到了0.843，说明评审团的评价结果是可信的。采用Head Acoustics公司声品质分析软件Artemi S12.0对32个噪声样本的上述5种主要的心理声学客观参数进行了计算和分析，最后得到的部分样本的心理学参数和烦恼度见表1。表1中的低沉度的计算是应用同济大学的毛东兴教授提出的低沉度数学模型[7]，计算公式如式（1）所示

式中Fci表示从20 Hz～20 kHz范围内的1/3倍频中心频率，LP(Fci)为第i个频带对应的声压级，x(Fci)为对应的1/3倍频带序号，如x(20)=1，x(25)=2，…，x (20 k)=31，n为频带总数，S表示尖锐度，R为粗糙度。

1.3 相关分析

由表1中的数据可以看出，低沉度与烦恼度之间的具有很强的正相关性，低沉度越高烦恼度越大；音调度也和烦恼度有较强的负相关性；其它客观参数和烦恼度之间均没有表现出较强的相关性，可认为烦恼度与各客观参数的关系是非线性的，它们之间相互影响。为了研究声品质偏好性与客观参数之间的关系，使用统计学软件SPSS对烦恼度主观值与相应的5种心理声学客观参数值进行线性相关分析，表2为声品质烦恼度的主观评价结果与各客观参数之间的具体Pearson相关系数。

从表2中可以看出，低沉度、音调度与偏好性的主观评价结果有着明显的线性相关性，而声压级、尖锐度和粗糙度相关性较低。选取相关度较高的两个参量低沉度和音调度作散点图如图2和图3，图中更加直观反映了烦恼度与低沉度、音调度的线性相关性。图2表明烦恼度随着低沉度的增加而增加，而图3表明烦恼度随着音调度的增大而降低。

表1 样本烦恼度及心理声学参数

表2 烦恼度与心理声学客观参数间的相关系数

图2 低沉度与烦恼度的散点图

图3 音调度与烦恼度的散点图

1.4 多元线性回归模型

使用SPSS统计学软件进行多元回归分析，得到了声品质烦恼度的多元线性回归模型为式（2）所示

该模型的R2为0.812，说明该模型在统计学上是有意义的。式（2）表明，本试验汽车在匀速工况下行驶时，影响车内声品质烦恼度的主要参量是低沉度和音调度，车内声品质烦恼度可以用这两个参数进行描述。因此改善车内噪声品质，应注意对噪声的低沉度和音调度进行控制。

2 音乐掩蔽控制法试验及其效果

2.1 音乐掩蔽控制法试验方法

选择主观评价试验中烦恼度较大的噪声样本（样本4）作为控制对象，使用加背景音乐的方法进行了试验。试验中车辆行驶状态为80 km/h匀速行驶，车内噪声级为62 dB（A）。选取一段萨克斯音乐样本，时间控制在25～50 s，声压级控制在65 dB（A）。同样采用德国Head Acoustics公司的采集和回放信号系统，记录在播放背景音乐时的噪声信号，样本的长度为10 s，后经剪辑为5 s。

2.2 对低沉度和音调度的影响

应用Artemi S12.0软件分析实验得到的样本，得到加音乐前后样本的低沉度和音调度曲线如图4和图5。

图4 加音乐前后音调度的对比图

图5 加音乐前后低沉度的对比图

由图4可以看出，加音乐后噪声的音调度有了较大的提高，没有音乐掩蔽控制时音调度大多集中在0.05 tu左右，音调度不强；加上音乐后音调度提高了将近一倍，而且幅度有所增加，使噪声在音乐的掩蔽下好听的成分有了较大的增加。

图5显示了加音乐后低沉度有了很大的下降，低沉度是描述低频成分的词语，低频噪声给人的感觉通常是强劲的、恼人的、令人讨厌的。而低程度的下降使烦恼度有所降低。根据公式（1）可知低沉度的变化与尖锐度和粗糙度有关，图6、7显示了加音乐前后噪声样本的尖锐度和粗糙度，可以看出，加音乐后尖锐度和粗糙度均有所上升，由公式（1）可得出正是由于出粗糙度和尖锐度的增大导致低沉度的降低。

3 结语

针对车内噪声烦恼度，采用了音乐掩蔽法改善声品质。主要研究结论如下：

图6 加音乐前后尖锐度的对比

图7 加音乐前后粗糙度的对比

（1）对从4中轿车内采集到的32个不同噪声进行了主观评价和客观分析，建立了以客观心理学参数描述主观评价结果的声品质烦恼度模型。研究表明，稳态工况下，车内烦恼度主要受低沉度和音调度的影响；

（2）应用音乐掩蔽控制法对某一较差的噪声样本实施了控制试验。结果表明，噪声的低沉度明显降低，而音调度有所升高；

（3）控制试验表明音乐掩蔽控制法可降低噪声中令人烦扰的低沉度，而增加令人愉悦的音调度，从而提高人们在车内的舒适度，改善和提高车辆车内声环境。

[1]Scholl D,et al.Wavelet-based modification of impulsive sound character and application to diesel sound quality[C].SAE Paper,2005-01-2271.

[2]Lu J,et al.Windshields with new PVB interlayer for vehicleinteriornoisereductionandsoundquality improvement[C].SAE Paper,2003-01-1587.

[3]张翔，李传光.自适应有源噪声控制算法的研究与实现[J].北京理工大学学报，2002，22(1)：53-55.

[4]刘宗巍，王登峰，梁杰.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.

[5]李径定，方桌毅，等.汽车车内结构噪声新型控制方法试验研究[J].汽车工程，2001，23(4)：262-265.

[6]侯艳芳，靳晓雄，毛东兴，等.安装不同消声器时车内噪声烦恼度的研究[J].汽车工程，2010，32(9)：803-806.

[7]毛东兴，王勇，姜在秀.车内噪声品质低沉度参量的数学模型[J].声学技术，2006，25(6)：533-539.

Experimental Study on Improvement of Interior Sound Quality of Cars by Using Music Control Method

LIFang1,2,ZUO Yan-yan2,3,LI Yu-dong1

(1.Zhenjiang Watercraft College,Zhenjiang 212003,Jiangsu China; 2.Institute of Noise and Vibration,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu China; 3.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology,Chongqing 213717,China)

Taking 32 car’s interior noise samples acquired from 4 types of vehicles under different conditions as evaluation objects,a sound quality model is built to describe the subjective evaluation by using the objective psychoacoustical parameters.The music masking control experiments for poor noise sample are performed.The results show that the low-and-deep noise inside the cars is reduced,but the tonality is raised.The music masking control is proved to be feasible and effective in the vehicle sound quality improvement.

acoustics;sound quality;music masking control;annoyance;low-and-deep noise;tonality

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.02.015

1006-1355(2014)02-0066-04

2013-10-28

汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室2010年度开放基金（NVHSKL-201006）

李芳（1979-），女，河南确山人，博士研究生，主要从事车辆振动与噪声研究。

E-mail:lifang2008.cool@163.com

左言言(1958-)，男，江苏涟水人，教授，博士生导师，主要从事车辆振动与噪声研究。

E-mail:yyzuo@ujs.edu.cn