某大型挖掘机进气啸叫声品质问题的量化评价法

高云凯，杨肇通

(同济大学 汽车学院，上海 201804)

0 前言

NVH研究的三个层次分别是减振降噪、声品质控制以及声音设计，难度依次递增[1]。舒适性对产品附加值的提升与研究的不断深入促使业内将研究重心从声振的预测控制提高到舒适性的评价改善，部分企业还启动了设计声音等前瞻性研究。自1985年日本工程师提出声品质概念[2]以来，评价体系仍以主观评价为主[1-3]；尽管语义细分的方法[4]与心理声学指标的数理统计[5-6]极大增强了主观评价结果的可信度，但其原理始终是基于主观打分的分析与处理，并非真正意义上的客观评价方法，无法达到量化评价的效果；而且心理声学指标难以全面描述各种声品质问题的特征。量化评价方法的缺失增加沟通成本，应客观研究的工程问题被矮化为针锋相对的商务谈判，不断冲击上下游企业的合作关系。

为准确描述某大型挖掘机在负载升高阶段出现“尖叫”的声品质问题，并提供切实的优化目标，提出声品质的多元量化评价方法，降低主观性对评价结果的影响，增加评价的学术内涵，夯实研究基础。

1 声品质量化的评价指标

具有相同声压级的两个声音可能会获得完全不同的主观声品质评价，人耳听觉物理过程的非线性是主要原因。基于人耳的非线性特性，心理声学提出临界带宽指标，将听觉频域划分为24个频带(Bark)，同一带宽内，人耳的听觉感知是相同的。

掩蔽效应与延迟效应是人耳特性与声压信号最大的区别。针对人耳听觉特殊的非线性灵敏度、掩蔽与延迟效应等特性，心理声学提出了多项评价指标，以更好地反映主观感受。以响度、尖锐度、粗糙度三项指标的最具参考价值[1][5][6]，分别满足式(1)、式(2)、式(3)。

(1)

(2)

(3)

(4)

提炼相同声品质问题的时频特征，结合优化对比改进前后的特征异同，总结出高频连续、低频延续、高频带宽、能量集中、时频连续、频率间隔等指标。参考听阈等值线掩蔽特性的极小值10 dB，选择主要声压水平向下10 dB为可分辨范围。以该可分辨区域为基准，在时频图上分别绘制声压均值与下听阈两条等值线。啸叫问题有两项时频指标：①高频带宽，指高频频域的均值线与下听阈线的频率宽度比；②能量集中，指均值线与下听阈线二者的包络面积之比。

2 声品质的多元量化评价方法

首先初步确定声品质问题指标。除心理声学指标外，从问题工况与对标工况归纳合适的时频指标；其次，确定有效指标及其阈值范围。在绘制声压等值线的基础上，利用统计方法与其它工况信号校核指标的有效性，确定有效指标的阈值；最后，统计量化指标的分布范围，通过归一化绘制样本的雷达图并结合描绘的阈值区间，以做出判断。其中确定有效指标及其阈值范围是声品质多元量化方法的核心。具体过程如图1所示。该方法的主观评价限于争议很低的存在性问题，隔离了文化背景、教育水平与情绪的影响，降低了主观性。

图1 多元量化评价方法流程图

2.1 时频特征对啸叫声的适用性分析

用铅覆盖法简易处理进气口，有效改善加速尖叫，并确定该问题对应文献描述为啸叫(howling)。啸叫在结构冲击、进气等过程中均有出现；空滤的啸叫出现在转速急剧增加的过程[7][8]，用话筒指向扩音器也会引起该问题。图2为教室麦克风朝向音响的时频图，图3的为某发动机加速产生的啸叫及其优化。

0图2的啸叫出现在1.4 s前后，频带约50 Hz，相比周围声压水平啸叫声压明显较高；图3显示啸叫声从7 s持续至10 s，带宽约40 Hz，声压水平很高。优化后对应时间窄带高声压的特征在时频图中消失。初步选择响度、尖锐度、粗糙度、高频带宽、能量集中为啸叫声的量化指标。

图2 教室内扬声器啸叫问题时频图[9]

图3 采用1/4波长管消除啸叫问题[10]

2.2 啸叫声品质量化与评价

在空滤近场附近布置传声器，使发动机的转速快速增加，采集进气系统的噪声信号。图4为问题声信号的第一次测量，采集3组问题信号后，在进气系统加装合适的1/4波长管，采集3组对照信号如图5所示。

图4 啸叫声品质问题声压信号与对应时频图

图5 啸叫声品质问题改进后声压信号与对应时频图

分别并处理获取各次测量的时频图以及响度、尖锐度曲线与粗糙度曲线，绘制时频图等值线计算啸叫声时频指标，统计量化评价指标如表1所示。

表1 啸叫问题组与对照组参数

依次分析对照组与问题组的各项参数。啸叫消失，响度与尖锐度明显降低，故啸叫声响度与尖锐度较高，阈值区间为201～208 Sone与2.17～2.21 Acum；消除啸叫高频带宽从13%降至8%，能量集中从10%降至2%，对应的阈值区间分别为7.59%～13.33%与2.03%～8.64%。响度、尖锐度、高频带宽、能量集中4项指标为啸叫的量化指标。

3 多元量化评价方法的检验与应用

3.1 阈值区间的置信分析

表2 啸叫声品质问题指标秩和检验

表2为表1的秩和检验结果。查表[14]，n=m=3对应的关键范围是[6,13]，故判定响度、尖锐度、高频带宽、能量集中4项指标的能够有效区分啸叫声问题。

3.2 多元量化评价方法的应用

控制发动机转速均匀提升至6档后加快挂挡速度直至第23档以复现啸叫问题并验证评价方法。图6为控制工况时域声压信号及其对应的时频图信号，噪声的时频特征在11 s变化明显，与操作手收到的指示内容一致，转速变化率在11 s开始增加并达较高水平。

图6 工况声压信号与时频图

表3为快速加速时间统计与对应声品质参数。由于量化分析指标的分布范围广泛，各项指标的分布、单位、量级均存在较大差异：三大心理声学指标的单位各异，频率间隔、高频带宽与能量集中为无量纲参数；响度值与时频指标的量级差距高达104，故引入归一化与雷达图以更清晰地比较量化指标。

表3 快速加速阶段声品质参数

以最小值与最大值为基准，将表1各项指标分别投影至[0.2, 1.0]进行线性插值；反向关联的指标则反向投影，超出范围即取超出方向的极值。保留粗糙度统计，增加此方法的适用性。响度的极小值与极大值分别为181.35 Sone与226.49 Sone，分别对应无量纲响度0.2与1.0。经计算，无量纲响度指标如表4所示。

表4 无量纲响度指标转换过程

采用相同方法处理其他指标，图7左侧雷达图为换算结果，啸叫声可以通过响度、尖锐度、高频带宽与能量集中进行区分，指标在阈值区间上限以上，可认定存在对应声品质问题。

采用相同归一算法转换表3的统计结果并与阈值区间比较(图7b)，主要指标均高于阈值上限，说明存在啸叫问题，与现场感受一致；该多元量化评价法可以识别啸叫，该方法流程稳定、结果可复现，评价结论明确且具有说服力。声品质多元量化评价方法遵循从特殊到一般的数学归纳原理，在心理声学指标的基础上，引入同类声品质问题的时频图，提炼共有的特征，基于声学原理提出计量方法，采用多组声品质问题优化前后的试验数据，结合置信验证各指标的阈值区间，从而能够用于评价其他测试结果。对照组的数据越多，阈值区间的划分与评价结论就越明确。

图7 啸叫声品质评价基准及其控制工况验证

4 结论

针对声品质评价结果受主观性影响较大的问题，提出的多元量化的评价方法，能够提高评价过程的稳定性并获取明确的评价结果。引入心理声学与时频指标评价啸叫，经秩和分析，响度、尖锐度、高频带宽与能量集中四项指标有效。应用控制工况检验，该评价方法流程稳定、结论明确、可重复。随意性较大的商业谈判口径得以转化为物理意义明确的工程目标，减少沟通成本、提高研发效率，具备学术意义与巨大的商业价值，可进一步扩展评价其它声品质问题。