某特种车辆车内噪声声品质分析

柳 亚，张 键，杨鄂川，欧 健

(1.重庆理工大学 a.车辆工程学院; b.机械工程学院, 重庆 400054；

某特种车辆车内噪声声品质分析

柳 亚1a，张 键2，杨鄂川1b，欧 健1a

(1.重庆理工大学 a.车辆工程学院; b.机械工程学院, 重庆 400054；

2.重庆大江工业有限责任公司，重庆 401321)

针对某特种车辆驾驶室声品质问题进行分析。通过试验采集不同行驶工况下的驾驶室内不同测点的噪声，对心理声学客观评价参数(响度、尖锐度、波动度和粗糙度)进行了分析。在特种车辆驾驶室室内噪声综合评价基础上，得到该特种车辆在各工况下响度值过高的结论。最后通过频段滤波分析找到该特种车辆驾驶室主要噪声频段。

特种车；心理声学；噪声评价；滤波分析

特种车辆的作业环境相对于其他车辆更复杂、恶劣。车内噪声过大不仅影响驾乘人员的工作速度及工作质量[1]，也影响到车体的隐蔽性和车辆零部件的使用寿命。因此，特种车辆车内噪声仍是理论和工程领域不断研究的课题，具有十分重要的意义。

车内噪声主要来源于发动机噪声、进排气噪声、冷却风扇噪声、底盘噪声、板件结构噪声和空气流动形成的风噪声等。声品质定义为在特定的技术目标或任务下对声音适宜性的描述[2-5]。

本文以某特种车辆为研究对象,在驾驶室室内噪声综合评价基础上，分析频率成分的改变对声品质参数的影响，通过频段滤波的方法，找到特种车辆驾驶室室内的主要噪声频段。

1 实车道路试验

在实车道路试验前，确保样车状况良好，处于标准工作状况。试验条件如声学环境、天气条件、车辆载荷、背景噪声、试验道路等均参照GB/T18697—2002《声学 汽车车内噪声测量方法》[6]，试验工况(车速)设置为：怠速、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h。每个工况进行2次试验。每次试验的每个工况至少测试3组数据以减少随机误差。在试验过程中，利用LMS Test.lab数据采集系统采集驾驶室内主、副驾驶员，后排中间位置的声信号。将声音的采样频率设置为40 960 Hz，分辨率为1Hz，使用低通抗混滤波器。试验所用主要仪器与测点布置位置见图1。

图1 试验所用主要仪器与测点布置位置

2 车内噪声特性分析

2.1 线性声压级评价

线性声压级不做频率声压计权修正，能真实体现车内噪声的能量大小。图2为驾驶室内3个测点的线性声压级随速度变化的曲线。

图2 不同车速下车内测点的线性声压级

该特种车辆在正常行驶车速中，车内3个测点的线性声压级均达到105 dB以上。主、副驾驶测点处线性声压级略高于中间乘客测点，并且车速由30 km/h升至60 km/h时，驾驶室内的线性声压级明显提高10 dB。因此，从线性声压级的试验结果可以看出：该特种车辆的驾驶室内噪声强度很高，并且线性声压级与车速具有一定的相关性。

图3为不同车速下驾驶室内3个测点的1/3倍频程频谱。人耳对噪声的主观感觉不仅与强度有关，还与噪声的频谱特性有关，2个具有相同线性声压级的噪声信号，可能在各窄带频带内的声压级完全不同[7]。

根据独立声源叠加原理，定义声压级最大值至10 dB以下对应的频率区间为噪声的显著频率段[2]。如图3所示：在不同车速下，主驾驶右耳测点的显著频段为中心频率在100 Hz以内的1/3倍频程带；副驾驶左耳测点的显著频段为中心频率在80 Hz以内的1/3倍频程带；中间乘客测点的显著频段为中心频率在63 Hz以内的1/3倍频程带。综合各车速、各测点两方面情况，此车内噪声显著频带为中心频率在100 Hz以内的1/3倍频程带，且声压级强度较高，多处于85 dB以上，说明车内噪声具有显著的中低频特性。

图3 各测点的1/3倍频程频谱

2.2 计权声压级评价

计权声压级能反映人耳响应受概率的影响，A、B、C三种计权网络中A计权声压级更贴近人的主观感受，噪声相关标准大多以A计权为基础制定。图4为不同车速下车内各个测点的A计权声压级。

图4 不同车速工况下车内各测点A计权声压级

后排乘客测点A计权声压级最大，主驾驶右耳测点最小。但各测点的A计权声压级并不随车速的提高线性上升，这是因为A计权声压级对低频段有较大的衰减，使线性声压级的显著频段和最大声压级频带发生偏移。A计权声压级主要适用于评价低强度且频谱较均匀的宽带噪声。60 km/h工况时声压频谱中的低频成分更多，而被A计权网络大量衰减。Rhona Hellman[8]提出：当线性声压级超过60 dB时，A计权声压级在评价噪声时存在误判的情况尤为明显。而特种车辆车内噪声有着高强度和显著的低频特征，因此使用A计权声压级作为主要评价指标没有充分体现噪声本身的特性。

3 声学客观参数评价

3.1 特征响度

响度是人耳感受声音响亮程度的心理声学参数，它与声音的强度和频率都有着密切的关系，同时也是其他心理声学评价指标的基础。使用Zwicker (ISO532B)[9]方法计算响度，稳态声音考虑了听觉系统对声音的非线性灵敏度、掩蔽效应和声场，非稳态的声音考虑了响度的时间效应和掩蔽效应。计算公式如式(1)所示。

(1)

其中：ETQ为人耳听阈值的激励；E0为参考声强10-12W/m2对应的激励。

响度随着临界频带变化的曲线称为特征响度，各个频带上特征响度之和就是响度，其计算公式如式(2)所示。

(2)

其中：N为总响度(sone)；n′(z)为特征响度；z为临界频带。

人耳对声音的掩蔽特性是特征响度考虑的主要因素之一，因此它比A计权声压级更能反映人耳对声音强度的主观感受。图5为不同车速工况下驾驶室内各个测点的特征响度。

图5 不同工况下不同测点的特征响度

在30 km/h的工况下，3个测点的特征响度均在1～2 Bark频带范围内最大；在40 km/h车速工况时主驾驶右耳测点的特征响度在0～1 Bark频带范围内最大，1～2 Bark次之，副驾驶左耳测点在1～2.8 Bark频带范围内最大，后排中间乘客测点在1～2 Bark频带范围内最大； 50 km/h与60 km/h车速工况形式相近，主驾驶右耳测点与副驾驶左耳测点的特征响度在0～1.8 Bark频带范围内最大，后排中间乘客测点在1～2 Bark频带范围内最大。

特征响度越大，相应的临界频带上的噪声对响度的贡献就越大，因此该特种车的特征响度有着明显的低频特性。

不同工况下不同测点的总响度如图6所示。随着车速的提高，副驾驶左耳处测点与后排中间乘客处测点的总响度均有一定的升高。从整体看，驾驶室内各个测点的总响度均大于50 sone。试验统计表明：当响度大于50 sone时，长期在该环境下还会导致不同程度的听力损伤[10]。因此，特征响度与总响度的分析结果表明：该特种车辆车内噪声环境不满足舒适性要求，需要采取必要的降噪措施。

图6 不同工况下不同测点的总响度

3.2 尖锐度

尖锐度是衡量声音中高频成分占多少的心理声学指标，用来区别声音是尖锐还是沉闷。尖锐度的单位为acum，1acum为以1 000 Hz为中心频率的带宽中，声压级为60 dB的窄带噪声。Zwicker 尖锐度的数学模型是以响度为基础的。该模型在计算尖锐度时，引入了加权因子g(z)，其中z表示临界频带，单位为Bark，其解析式如下：

(3)

尖锐度数学模型为

(4)

其中：S为尖锐度(acum)；N为总响度(sone)；N′(z) 为临界频带的特征响度。

由图7可见：随着车速的变化，尖锐度并没有与车速呈线性的增长或减少的趋势，说明车内噪声的尖锐度与车速并没有一定的相关关系。副驾驶左耳的尖锐度略高于其他两个测点。该特种车辆装配六缸四冲程的重型柴油发动机，其尖锐度偏高，但仍在可以接受的范围内。影响尖锐度的主要因素是高频成分的多少，可在地板缝隙处添加吸声材料，并在门框处粘贴密封条，不仅可以吸收高频噪声，还可以增强车身的封闭性，减少柴油机噪声向车内传播，从而降低车内噪声的尖锐度，提高声品质。

图7 不同工况下不同测点的尖锐度

3.3 波动度

调制频率为0.5～20 Hz的声音或者振动变化给人们带来的听觉感受称为波动度(vacil)。波动度是声音信号在被0.5～20 Hz调制时所产生的听觉感受。通常定义声压级为60 dB、1 000 Hz的纯音在调制频率为4 Hz的100%调幅作用下产生的波动度为1 vacil。Zwicker数学模型如式(5)和(6)所示。

(5)

其中：F为波动度；f0为调制基频(4 Hz)；fmod为调制频率；ΔLE为掩蔽深度。ΔLE(z)表达式如下：

(6)

车内噪声通常会引起波动性听觉感受。图8为各个工况下不同测点的特征波动度，即波动度与临界带宽的关系曲线。

图8 不同工况下不同测点的特征波动度

由图8可见：不同工况下测点波动度随着频率的变化总体趋势大致相同。如图8(a)所示：波动度的强度主要集中在1～3 Bark，在此频带范围内，车内3个测点的波动度大小没有明显差别，在该范围内波动度随着频率升高呈先增大后减小的趋势，峰值出现在2.5 Bark处；在3 Bark之后的波动度急剧减小，趋近于0。不同工况下不同测点时域波动度峰值见图9。由图9可见：波动度的总体水平较低，不同测点处的波动度差别不明显；随着车速的提高，波动度有着升高的趋势。

3.4 粗糙度

调制频率为20～300 Hz的声音或者振动变化给人们带来的听觉感受为粗糙度(asper)，它反映了声音信号的频率分布、调制幅度和频率大小等特征[11]。定义声压级为60 dB的1 000 Hz的纯音被70 Hz的调制音100%调制时所产生的粗糙度为1 asper。Zwicker数学模型如式(7)所示。

(7)

由图10可见：随着车速的提高，粗糙度并没有呈线性增长或降低，表明该特种车辆的粗糙度与车速并没有一定的相关关系。主驾驶右耳处和副驾驶左耳处测点的粗糙度明显大于后排中间乘客处测点。影响粗糙度的因素有调制频率和掩蔽深度，总体上该特种车辆的粗糙度略高于其他类型车辆，但在可接受的范围内。图11为不同工况下各测点的特征粗糙度。

由图11可见：同工况下测点粗糙度随着频率的变化趋势大致相同；粗糙度的强度主要集中在1～10 Bark，在此频带范围内，主驾驶和副驾驶测点的粗糙度明显大于后排中间乘客处测点，并且在该范围内粗糙度随着频率的升高也不断升高；在10 Bark之后粗糙度急剧减小，车内3个测点的粗糙度无明显差别。

图9 不同工况下不同测点时域波动度峰值

图11 不同工况不同测点的特征粗糙度

4 滤波分析

声音信号频率成分及能量在不同频段上的分布状况对声品质有较大影响。以某特种车辆主驾驶声信号为研究对象，通过频段滤波及傅里叶逆变换方法分析时域内声信号频率成分的改变对声品质参数的影响。将声信号分为0～2 Bark(200 Hz以下)、2～9 Bark(200～1 080 Hz)、9～13 Bark(1 080～2 000 Hz)、13～18 Bark(2 000～-4 400 Hz)和18～24 Bark(4 400 Hz以上)5个频段，分别进行带阻滤波，找出不同频率成分对车内噪声特别是响度的影响程度，从而为后续的降噪提供方向。

4.1 30 km/h主驾驶测点滤波分析

经多次回放试听，选取30 km/h主驾驶测点声信号较稳定的5 s进行滤波分析，得到响度、尖锐度、粗糙度及波动度分析结果，见图12。

图12 30 km/h主驾驶测点声信号滤波分析

由图12可见：滤波后响度均有不同程度的衰减，其中2～9 Bark衰减最为明显，0～2 Bark次之，18～24 Bark滤波后衰减最少；尖锐度为高频占总体噪声的比，低频滤波后尖锐度增大，高频滤波后尖锐度减小，此处不作分析；粗糙度2～9 Bark衰减最多；波动度衰减最多为0～2 Bark。综合各车速、工况、滤波结果，响度均大于50 sone，说明该车辆环境舒适性极差，需采取一定的降噪措施。

4.2 各工况主驾驶测点滤波分析

同理，对其余工况进行相同处理，汇总出各工况各参数衰减最大及其次的频段，如表1所示。

由本文心理声学评价可得：该特种车辆特征响度有明显的低频特性，且响度值过高，时域滤波2～9 Bark降幅最大；特征波动度最大区为1～3 Bark，时域波动度滤波后在0～2 Bark、2～9 Bark降幅明显；特征粗糙度最大区在1～10 Bark，粗糙度滤波2～9 Bark降幅明显。综上，降低该特种车辆车内中低频噪声更加有利于车内声品质的改善，以200～1 080 Hz频率范围为主，0～200 Hz其次。

表1 各工况各参数衰减程度

注：每个工况第1行为衰减度最大频段，第2行为衰减度次之频段。

5 结束语

进行了某特种车辆实车道路试验，采集了车辆行驶工况下的驾驶室内3个测点的声音信号。

对该特种车辆驾驶室室内噪声进行了综合评价，并对心理声学客观评价参数(响度、尖锐度、波动度和粗糙度)进行了较为详细的分析，发现该特种车各工况下的响度值过大，必须对其进行处理。

通过频段滤波及傅里叶逆变换方法分析时域内声信号频率成分的改变对声品质参数的影响，得出影响车内声品质最大的频段为中频，低频次之。

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(责任编辑 刘 舸)

Analysis of Interior Noise Quality in a Special Vehicle

LIU Ya1a, ZHANG Jian2, YANG E-chuan1b，OU Jian1a

(1.a.College of Vehicle Engineering; b.College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China; 2.Congqing Dajiang Industry Co., Ltd., Chongqing 401321, China)

Aiming at the interior sound quality problem of a special vehicle, the sound quality analysis was carried out. With sound signals of key parts in the operator cabin being acquired under various vehicles driving condition, the psychoacoustics objective evaluation parameters were analyzed in detail such as loudness, sharpness, fluctuation and roughness. Based on the comprehensive evaluation of interior noise of the special vehicle, it was concluded that the loudness level is over high under various conditions. Lastly, by means of filtering analysis method, the main frequency band of interior noise was found.

special vehicle; psychoacoustics; noise assessment; filtering analysis

2016-09-30 基金项目：重庆市教委科学技术研究项目(KJ600911)

柳亚(1991—),女,江苏徐州人,硕士研究生,主要从事车辆振动噪声控制方面研究；通讯作者 欧健，男，博士，教授，主要从事车辆动力学与控制、混合动力汽车，汽车噪声与振动控制研究，E-mail:oujian@cqut.edu.cn。

柳亚，张键，杨鄂川，等.某特种车辆车内噪声声品质分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(3):34-42.

format：LIU Ya, ZHANG Jian, YANG E-chuan,et al.Analysis of Interior Noise Quality in a Special Vehicle[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(3):34-42.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.03.005

TB132；TL375.2

A

1674-8425(2017)03-0034-09