基于心理声学分析的多工况柴油机辐射噪声特性研究

吕峰 田涌君 刘海

（1.东风柳州汽车有限公司，柳州，545005；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津，300300；3.河北工业大学，天津，300300）

1 前言

柴油机搭载整车后其辐射噪声声品质将会直接影响到整车声品质乃至整车综合品质[1]。柴油机辐射噪声主要包括机械噪声、燃烧噪声和空气动力性噪声，噪声为宽频带信号，频谱混叠严重，难以通过传统的声学评价指标来描述其对环境与人带来的不利影响[2-3]。心理声学方法作为一种新的评价指标，与人的心理、生理特征紧密结合，可以较为准确地通过数个心理声学客观指标来描述听觉感知，该心理声学指标考虑了人体心理反应机制和噪声感知特性，能够反映不同噪声信号造成的主观感受差异[4-5]。因此，通过心理声学方法来评价柴油机辐射噪声，对有效控制柴油机噪声对人体的影响及实现其结构改进具有重要意义。目前，心理声学参数分析方法已在国内外汽车及柴油机行业得以应用[6-9]。

本文同时采用传统噪声评价指标与心理声学分析法，对声品质主观评价差异性较大的A、B两款柴油机辐射噪声进行对比分析，找出引起主观评价差异性较大的原因。同时基于心理声学分析方法，研究了不同运行工况下两款机型辐射噪声声品质变化规律及影响因素，为改善柴油机辐射噪声声品质提供了理论依据。

2 基于传统声学分析的柴油机辐射噪声

A、B两款柴油机的结构型式均为直列四缸水冷四冲程，燃烧室为直喷式，进气方式为自然吸气，为防止进、排气噪声对柴油机辐射噪声的影响而将其引出室外，同时不带风扇与变速器结构。

对柴油机机体附近5个主要测点进行风扇安装前、后噪声对比试验，测点分布在风扇左、前、右、后、上5个位置，如图1所示，其中，A=L1/2+D，B=L2/2+D，C=L3/2+D，H=C/2，D=1m。发动机在标定工况下运行，采样频率为10 kHz，采样时间为10 s。

图1 测点布置位置

利用传统噪声评价指标（A计权声压级）分析怠速工况下两款柴油机各测点附近的A计权声压级变化规律，结果如表1所列。

表1 两款柴油机的A计权声压级平均值

由表1可知，两款机型在测点1的A计权声压级相差最小，表明在测点1位置处人耳难以感受到两款机型存在的噪声差异；两款机型在测点5附近的A计权声压级相差最大，在测点2、3、4附近的A计权声压级差值均低于2 dB(A)，各点噪声差异性明显，人耳可以较显著地感受到噪声的差异。单一的A计权声压级仅能说明两款机型辐射噪声大小，不能充分反映噪声在时间、频率及人耳对声音的滤波特性，故难以准确反映出噪声在声品质上的差异性，在声音的测量和评价过程中存在不足。

3 基于心理声学分析的柴油机辐射噪声

心理声学参数是描述不同噪声所造成的主观感受差异程度的客观参量，采用心理声学参数来评价不同噪声的声音质量可以反映不同个体之间的主观听觉感受的差异。心理声学分析方法被应用于发动机[6-7]、传统汽车[8]及电动汽车[9]多个领域。试验研究表明，心理声学参数中的响度、尖锐度与人的主观偏好程度相关度最大[10]，因此本文针对响度和尖锐度两个典型参数进行柴油机辐射噪声声品质的分析。

3.1 响度

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，它考虑了特征频带分布和人耳的掩蔽效应对声音的影响。响度大小取决于声波振幅的大小，同时与频率有关，能更准确地反映声音信号的响亮程度。噪声响度值越大，对人造成的烦恼程度越严重。

定义1 kHz、40 dB纯音的响度为1 sone（sone为响度单位），则稳态响度计算[11]步骤如下：

a.首先获得单边功率谱密度函数，并将以线性频率单位（Hz）为自变量的功率谱函数转换成以临界频带单位（Bark）为自变量的函数。

b. 考虑频域的掩蔽效应，以Bark为单位计算激励级曲线。

c.计算特征响度值：

式中，N′(z)是特征响度；ETQ为安静状况下听阈对应的激励；EQ为参考声强(I0=10-12W/m2)对应的激励；E是被计算声音对应的激励。

d. 在0～24Bark范围内对N′积分，得总响度为：

式中，z为Bark频率带。

3.2 尖锐度

尖锐度是首次特征频带分布随指定响度级变化关系的加权，反映了高频段声音成分和低频段声音成分的比率关系。人对声音的尖锐度感觉主要与窄带噪声的中心频率、带宽、声压级和频谱包络等因素有关。尖锐度值越高，声品质越差。

定义中心频率为1 kHz、带宽为60 dB的窄带噪声的尖锐度值为1 acum（acum是尖锐度单位）。

一般采用临界频带的频谱响应对总响度加权计分的方式计算尖锐度S′(z)[12]：

式中，N′(z)为特征响度；g(z)为附加系数，与临界频带值有关。

4 柴油机怠速工况辐射噪声心理声学分析

为了客观地描述柴油机噪声信号响度随人耳特征频带的变化规律，采用特征响度与特征尖锐度随临界频带变化历程来描述不同柴油机机型心理声学特征变化。在怠速工况下，两款机型在测点1位置处声音样本的心理声学参数随特征频率变化曲线如图2所示。进一步根据心理声学计算方法，分别求解两款机型在测点1、2、3、4、5处的响度与尖锐度，计算结果如表2所列。

图2 心理声学参数随特征频率变化曲线

表2 两款机型心理声学参数计算结果

由表2可知，机型A的响度及尖锐度明显大于机型B，但是特征响度及特征尖锐度随频率的不同有所不同（图2），在临界频带4～5 bark之间可以看到特征响度曲线呈斜向下变化的趋势，发生了掩蔽效应中的同时掩蔽现象，即前面频带内的声音将后面频带的声音掩蔽。从两款机型的特征响度对比可以看出，机型A在整个临界频带范围内特征响度均大于机型B，而对于尖锐度来说，机型B高频的特征尖锐度要稍大于机型A，这表明虽然尖锐度是由响度加权积分得到的，但是最终的大小不仅与响度值有关，更与柴油机噪声的频谱分布密切相关。由图2a可得，两款机型在测点1附近的A计权声压级相差0.5 dB，但响度相差4.66 sone，尖锐度相差0.066 acum，三者数值大小差异性明显，即响度、尖锐度将噪声频谱结构考虑在内，充分考虑了人耳的掩蔽效应[13]，比A计权声压级能更好地反映人耳的听觉差异。

5 柴油机变工况辐射噪声心理声学分析

因心理声学方法描述柴油机辐射噪声声品质更加符合实际情况，故结合柴油机实际运行中多工况运行特性，针对恒转矩不同转速工况下两款柴油机在测点1附近心理声学特性变化规律进行分析，并分析引起柴油机声品质差异性的原因。两款机型实际运行转速范围为1 400～2 400 r/min，利用响度与尖锐度计算方法对测点1附近心理声学特征响度值及尖锐度值进行分析，结果如图3所示。

图3 两款机型心理声学参数随转速变化规律

由图3可看出，两款机型的响度随柴油机转速的增加而递增，并逐渐趋于稳定，这与人的听阈变化趋势一致；两款机型的尖锐度随柴油机转速的增加呈抛物线变化，这是由于柴油机转速的升高而引起噪声中高频能量的变化而产生的。在整个转速变化域中，机型A的响度和尖锐度均大于机型B，即机型B的声学特性优于机型A，机型B的噪声更容易被接受。分析其声品质较好的原因，发现机型B的机体及轴承座处加强筋的结构布置方式要优于机型A，这可为机型A的结构设计提供理论支持。

通过传统声学方法分析恒扭矩变转速可知，机型A声压级整体高于机型B，结论难以充分说明两款机型声品质的差异性所在。通过心理声学分析方法，在转速为1 400～1 700 r/min范围内，两款机型响度的差异性显著，但在1 700～2 300 r/min范围内差异性较小，尤其是在2 100～2 300 r/min时机型B响度大于机型A；对于尖锐度而言，在整个转速区间内两款机型的差异性显著。两款机型在不同工况下心理声学特征响度与尖锐度变化规律不一致，仅通过指标A计权声压级难以评价柴油机辐射噪声特征，而通过响度、尖锐度等可以描述柴油机辐射噪声随频率、时间及工况的不同的变化规律，一方面说明声音具有多维度特征，另一方面说明声音听起来是否容易接受不是由某一物理变量或心理声学变量决定，而是客观变量的一个综合反映。

6 结束语

以声品质主观测评结果差异性较大的A、B两款柴油机为研究对象，采用传统噪声声压级与心理声学理论两种方法对比分析两款机型在不同的运行工况下其辐射噪声的差异性。研究表明，怠速工况下，两款机型特征响度分布均主要集中于中低频带3～10 bark区间内，特征尖锐度分布于高频带19～22 bark区间内，但A机型在此区间内响度与尖锐度均高于B机型，故人耳对A机型噪声更为敏感；恒转矩不同转速工况下，两款机型的响度值均随转速升高而增大，尖锐度值均随转速呈抛物线性变化，但A机型响度、尖锐度整体高于B机型。结果表明，柴油机辐射噪声随频率、时间以及工况的不同的变化规律，证明柴油机噪声具有多维度特征，通过多维度心理声学指标如响度、尖锐度综合来描述人耳对柴油机声品质的主观判断更为合适。

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