基于心理声学整车NVH噪声试验分析

李海青，张华鑫

（1.柳州职业技术学院，广西 柳州 545006；2.河北交通职业技术学院，石家庄 050035）

1 应用背景

NVH是Noise（噪声）、Vibration（振动）和Harshness（声振粗糙度）的英文缩写。对于汽车而言，汽车的噪声、振动和声振粗糙度之间的关联是很密切的。从声学理论就可以看出噪声与振动的联系，振动在具备一定条件下就会产生声音。由于振动频率的无规律变化而产生杂乱无章的声音即是噪声。对于汽车NVH的研究而言，乘员在车内的一切触觉和听觉感受都属于NVH研究的范畴，此外还包括由于振动引起的汽车零部件强度和寿命等问题。从NVH的观点来看，汽车是一个由激励源（产生噪音与振动的源头）、振动传递器（由悬挂系统和边接件组成）和噪声发射器（车身）组成的系统。[1]

从汽车噪声产生的两种传播途径来看，有空气传播噪声和结构传播噪声。汽车在高速行驶的过程中，车速越快产生的噪声越大，高速行驶时空气动力激发并产生噪声临界车速，达到一定速度后便会激发高频噪声和振动。对于悬架、减震器的振动噪声特性和轮胎噪声而言，会激发低频振动与噪声。除此之外，还有传动系在不同车速下齿轮的啮合、发动机燃烧、惯性力和排气引起的对车身的振动噪声。

2 理论分析

心理声学对于汽车NVH主观评价有着重要作用。所谓心理声学，是研究听觉的心理反应的一门学科，该学科的主观性比较强，以人的感受作为评判标准。声音是否为噪声，是以声音是否具有骚扰性作为依据，换句话说，即是对声音品质的主观感受。为了形成客观的标准来量化主观评价，许多专家学者经过大量理论实验，形成了心理声学的基本概念和参数，为声学研究奠定了基础，同时对汽车NVH噪声主观评价有着重要参考意义。

心理声学参数包括响度、尖锐度、波动度和粗糙度。

2.1 响度

作为心理声学参数之一的响度，顾名思义为声音的强弱，即平常所说的音量大小。声音有多响，具体表现为声音能量的强弱。响度随着声音的强度变化而变化，但也受频率的影响，响度与强度的对数成正比。随着研究的不断深入，形成了一系列关于响度的定量评价指标并建立了响度表。响度的单位为宋（son），用N表示，响度为1son所表征的意义是频率为1kHz且分贝为40dB的纯音。在计算响度时，需考虑左右耳的双耳效应，以得到切合实际的响度。

2.2 尖锐度

尖锐度主要是描述声音品质评价中的音色，噪声的尖锐度高主要是由于声音频谱中高频部分占的比率大所导致的。对于一般声音频谱来说，高频率频谱所占比率越大，声音越尖锐。所以，在降低尖锐度设计中可以采用增加低频成分来降低尖锐度，虽然一定成分上增加了响度，但是对于主观的人耳来说，声品质得到了提升。尖锐度的单位是acum。尖锐度中1acum表征的意义是中心频率为1kH、频带宽为160Hz并且声级为60dB的窄频带声音的尖锐度。

计算公式为：

式中：S´为特征尖锐度，N´为特征响度，Z为尺度，N为响度，g(Z)是计权函数，表达式如下:

尖锐度数学表达式为：

式中的Bar k为Bar k尺度。

2.3 波动度和粗糙度

波动度和粗糙度是由于声音的时域变化引起的。其中波动度来源于声频中的低频变化，而粗糙度则来源于声频中的高频变化。

波动度的单位是vacil。波动度为1vacil表征的实际意义是频率为1kHz且声压级60dB的纯音经4Hz频率调制100%调幅声作用下的波动度。计算公式：

粗糙度作为心理声学参数，主要应用于评价调制频率在20Hz到200Hz之间的声音。其单位是asper，粗糙度为1asper所表征的物理意义是频率为1kHz且声压级为60dB的纯音信号经调制频率70Hz的100%调幅声作用下的粗糙度。

粗糙度的计算公式：

式中 为调制频率， 为声音信号激励级的变化量，其计算式如下：

式中 和 分别指特征频带中声音信号的特征响度的最小值和最大值。

3 试验数据采集

3.1 汽车定置噪声试验数据采集

每类试验每个测点重复进行试验，直到连续出现三个读数的变化范围在2dB（A）之内为止。若试验过程发现数据有任何异常，则应中止操作，排除异常后重新进行测量。

3.2 汽车匀速车内噪声试验数据采集

使用规定挡位，保证车速稳定在规定的车速后开始采集，采集时间不少于10s。对每一个车速要求至少采集到3组一致性较好的测量结果。若试验过程发现数据有任何异常，则应中止操作，排除异常后重新进行测量。对比三组数据，选择一组较好的数据用于分析。对于每个记录工况，计算噪声值的总值、语言清晰度、响度及1/3倍频程谱图。

3.3 汽车行驶车内噪声试验数据采集

节气门全开从发动机最低稳定转速加速至额定转速，采集1000rpm至额定转速范围内的信号。

节气门半开从发动机最低稳定转速加速至额定转速，加速过程中调节油门踏板位置，保持车辆以1m/s2±0.2 m/s2的加速度行驶，采集1000rpm至额定转速范围内的信号。

加速运行车辆至发动机额定转速以上，待转速稳定后迅速松开油门踏板，让车辆减速至最低稳定转速，采集额定转速至1000rpm范围内的信号。

要求至少采集到3组一致性较好的测量结果。若试验过程发现数据有任何异常，则应中止操作，排除异常后重新进行测量。

3.4 数据处理

对比3组数据，选择一组较好的数据用于分析。对于每个记录工况，计算噪声值的总值，点火阶次对应值随转速的变化曲线。

图1 传声器位置布置示意图

4 数据分析

数据分析是建立在一般软件处理分析之上进行的。对于汽车NVH噪声分析而言，需要借助LMS.Test.lab进行试验数据分析。LMS.Test.lab是一套振动噪声试验解决方案[2]，同时也是一种应用开发平台，集合高速多通道数据的采集和试验、分析和电子报告于一体，包括数据采集、数字信号处理、结构试验、旋转机械分析、声学和环境试验[3]。

表1 启动及熄火车内噪声振动值

由表1可知，驾驶员位置在启动及熄火工况的最大噪声值分别为51.9dB(A)、48.6dB(A)。启动时，方向盘、换挡杆及座椅导轨的振动分别为0.035g（X向）、0.054g（X向）和0.02g（X向）。

图2 启动/熄火工况车内驾驶员右耳位置噪声

图3 启动/熄火工况车内方向盘位置振动加速度

图4 启动/熄火工况车内换挡杆位置振动加速度

图5 启动/熄火工况车内座椅导轨位置振动加速度

图6 二挡全油门加速车内噪声Overall曲线

图7 二挡全油门加速车内驾驶员右耳噪声Colormap图

图8 二挡全油门加速车内副驾右耳噪声Colormap图

图9 二挡全油门加速车内左后排乘员右耳噪声Colormap图

图10 二挡全油门加速车内右后排乘员右耳噪声Col ormap图

二挡全油门加速，由图6可知，车内噪声线性度较好；驾驶员右耳位置从1000~4500rpm，声压级从47.8~70.1 dB(A)；二挡全油门加速，从图7——图10（Colormap图）看，副驾右耳的3阶、3.5阶、4阶在4000rpm以上较大，引起副驾右耳位置在4000rpm以上比其他位置声压级高（结合图6看）；其余位置Colormap图较好。

5 整车NVH噪声性能评价

第一，驾驶员位置在空调关工况怠速时，方向盘及换挡杆振动略大；其余工况车内各关重点振动总体水平均较好。

第二，对于二挡、三挡全油门加速，从Overall曲线看，车内噪声线性度较好；引起副驾右耳位置在4000rpm以上比其他位置声压级高；其余位置Colormap图较好。其中方向盘X向振动较其余方向振动大，座椅导轨Y、Z向振动较X向振动大，右后排乘员右耳位置语言清晰度在1600rpm、2200rpm有突变，其余位置线性度较好。