重型商用车噪声测试及声品质客观评价分析_高印寒.pdf

2013年4月噪声与振动控制第2期文章编号：1006-1355(2013)02-0188-05重型商用车噪声测试及声品质客观评价分析高印寒1，钱堃2，梁杰1，卢炳武3，姜文君3（1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室,长春 130025；2.吉林大学 仪器科学与电气工程学院,长春 130061；3.一汽集团公司 技术中心,长春 130011）摘 要：在重型商用车减振降噪设计中，声品质已成为舒适性评价的重要指标之一。以Zwicker提出的对噪声进行主观评价的客观量化方法为基础，通过响度、尖锐度、粗糙度、抖动强度、音调度和语言清晰度6种噪声客观评价参量计算方法对某国产重型商用车加速工况车内噪声试验测试数据进行分析，得到车内副驾驶员各项心理声学参量的变化规律，可为商用车车内声品质研究提供参考依据，并对建立加速工况下商用车声音品质烦躁度的客观量化模型提供参数基础。关键词：振动与波；心理声学；商用车；声品质；客观评价中图分类号：U461.4；U467.4+92文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2013.02.042Noise Test and Objective Sound-quality Evaluation ofNoise Test and Objective Sound-quality Evaluation ofa Heavy Commercial Vehiclea Heavy Commercial VehicleGAO Yin-han1,QIANKun2,LIANGJie1,LU Bing-wu3,JIANG Wen-jun3(1.State Key Laboratory ofAutomobile Simulation and Control,Jilin University,Changchun 130025,China;2.College of Instrumentation and Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130061,China;3.FAW Group Corporation R&D Center,Changchun 130022,China）Abstract:Abstract:In design of vibration and noise reduction of heavy commercial vehicles,sound quality has become animportant index for comfort evaluation.In this paper,based on the theory of objective quantification methods by Zwicker forsubjective evaluation of the noise,the experimental data of internal noise of a domestic heavy commercial vehicle inaccelerating condition was analyzed based on six objective evaluation parameters of noise:loudness,sharpness,roughness,fluctuation strength,tonality and articulation index.The distribution regulations of various psychoacoustics parameters of thevehicle s co-pilot were obtained in the accelerating condition.This work provides some reference basis for sound qualityresearch of the commercial vehicles,and a parameter database for establishing objective and quantitative models forsound-quality annoyance analysis of commercial vehicles in the accelerating conditions.Key words:Key words:vibration and wave;psychoacoustics;commercial vehicles;sound quality;objective evaluation过去十年商用车市场保持了持续快速增长的局面，用户对商用车性能的要求不仅是在载质量、动力性或超载能力上，对整车 NVH 性能也越来越重收稿日期：2012-06-12；修改日期：2012-07-18项目基金：吉林省科技发展计划项目（基金编号20100361；20126007）作者简介：高印寒（1951-），男，吉林省 敦化人，教授，研究方向：车辆测试技术与仪器。E-mail:视1。汽车声品质是汽车NVH性能研究的重要内容,直接影响着消费者的购买欲望和汽车厂商的竞争力。声品质可定义为人类对声音感受需求的满足程度，要求更准确反映人的主观感受，对声音进行人性化评价2。加速行驶条件下，车内噪声信号特征随时间或转速的变化较大，导致人的主观感觉也随之变化3。目前常用的由人直接去听测的声品质主观评价方法由于其效率低、滞后性、多变性等局限和缺陷重型商用车噪声测试及声品质客观评价分析已满足不了商用车减振降噪设计要求，因此寻求基于主观感觉的客观评价方法已成为商用车NVH研究中迫切需要解决的一个问题。1 1声品质客观评价声品质客观评价研究是建立声品质主观感知属性与物理声学、心理声学之间的联系，即从物理声学、心理声学的角度，将人们对声音品质的主观属性进行理解4。通过对声音信号的时间历程、频谱构成、物理声学参数、心理声学参数等多个角度的特征方面来进行分析。声品质客观评价的目的不是要用客观评价来完全替代主观评价，而是使客观评价成为一种既方便快捷又能够准确预测出主观评价值的声音质量评价手段。与对应的主观评价相比，客观评价的自动实现只需要很少的代价5。通过多年的研究，国内外学者提出了各种评价指标和方法，期望得出与主观响应相对应的评价量及其计算方法但是许多评价量是不通用的，而是针对某些特定的噪声问题，这些量可以是跟速度相关、阶次相关、也可能是与特定的频带相关，应用最广泛的是响度、抖动强度、粗糙度、尖锐度、语言清晰度、音调度、显著率等6。部分学者致力于提出新的声品质客观参量，或基于现有的声品质参数提出一个客观的综合评价参数，从而对汽车某方面的声品质给出自己的客观评价值。本试验选择了响度、尖锐度、糙度、抖动强度、音调度和语言清晰度6个主要客观心理声学参数进行评价研究。2 2噪声测试准备及方法2 2.1 1 试验准备1）试验样车准备:本实验以某国产重型商用车为样车，严格检查试验样车，确保整车各个零部件状况良好，处于标准工作状态。2）试验仪器准备：(1)BEQ数据采集分析系统一套；(2)HEAD人工头一套；(3)小野精密声级计一台；(4)B&K声级校准器一台；(5)德国VGPS-2000雷达测速仪一台；(6)气象测试仪器风速仪、气压表、湿度表、温度表各一台；(7)发动机转速测量装置一套。以上试验仪器在使用检定期内，状况良好,试验仪器处于正常使用状态。3）试验地点:某试车场。2 2.2 2 试验方法人工头固定在副驾驶座位上，人工头（耳）垂直坐标是座椅表面中线与靠背表面中线交点以上0.70.05 m处，如图1所示。加速行驶车内噪声试验依GB/T18697-2002声学汽车车内噪声测量方法进行，试验时变速箱最高12档，急加速行驶40 km/h到90 km/h，测试分析加速行驶车内噪声水平。图 1 人工头位置示意图Fig.1 Artificial head location sketch map3 3噪声测试结果分析采集到的信号通过软件Artemis进行结果分析处理。该软件不仅可以对噪声信号进行截取和等响处理还可以精确计算出各种心理声学参数值，为后续分析在准确度上提供了保证。3 3.1 1 加速工况下噪声特性分析图2所示，随着转速的增加，车内噪声的声压级增大，总的来说车内噪声的线性度不是很好，噪声变化有波动。加速过程中，右耳平均声压级为78.9 dB(A)，而左耳平均声压级为78.4 dB(A)。本试验样车采用的是直列六缸发动机，根据六缸发动机的燃烧特性，并通过噪声信号阶次分析，如图3所示，可以图 2 车内噪声随转速变化曲线Fig.2 Interior noise versus rotating speed1892013年4月噪声与振动控制第2期图 3 阶次分析图Fig.3 Order analysis diagram看出车内噪声主要噪声源是发动机的发火阶次3阶（对应发动机点火频率）及其谐波成分。3 3.2 2 加速工况下声品质客观参量分析从图4、图5、图6中可以看出，响度、尖锐度和粗糙度这三个客观参量随着转速的增加成明显递增趋势，这表明汽车在加速过程中人对于车内声音的主观感受会随车速或时间的增加而发生变化。图 4 响度和转速关系曲线Fig.4 Relation between loudness and rotation speed从图 4 中，可以看到转速范围在：720940 r/min和1 4511 850 r/min右耳的响度值比左耳的响度值大，而在1 1121 295 r/min、1 3641 445 r/min左耳的响度值要比右耳的响度值大。在转速范围1 3641 445 r/min左耳的响度有一个峰值，峰值达到64.5 sone。低转速运行时左右耳的响度差距较小，但随着转速的上升，两者相差程度逐渐增大，在转速为1 749 r/min时，右耳的响度值为59.4 sone，左耳的响度值为54.10 sone，差值达到5 sone。在整个加速工况过程中右耳的平均响度值比左耳的平均响度值大，右耳的平均响度值为52.7 sone，而左耳值为51.8 sone，右耳的声音品质没有左耳的好。理论上响度值愈大，对人造成的烦燥程度愈严重，声音品质就越差，但响度不是噪声声品质的决定的标准。如图5所示，在加速工况下，右耳尖锐度值始终要比左耳尖锐度值要大，加速过程中右耳的尖锐度的平均值为2.45 acum，而左耳的尖锐度的平均值为2.12 acum。随着转速的增加，左右耳的尖锐度相差程度逐渐增大。转速为1 600 r/min时，左右耳尖锐度值相差程度最大，右耳尖锐度值为3.07 acum，左耳为 2.45 acum，差值为 0.62 acum。在加速的过程中，重型商用车随着车速的加快，噪声的高频成分就越加突出，人体主观上感觉就越加刺耳，声品质越差。图6所示，总体上来看，在加速工况下，左右耳的粗糙度值随着转速的增加而增加，并且右耳的粗糙度值要比左耳的粗糙值大，右耳的粗糙度平均值为3.39 asper，而左耳的粗糙度平均值为3.20 asper。图 5 尖锐度和转速关系曲线Fig.5 Relation between sharpness and rotation speed图 6 粗糙度和转速关系曲线Fig.6 Relation between roughness and rotation speed在汽车舱室内部的噪声对于影响车内乘客之间交谈的语言清晰度有影响，从图7中可以看出随着转速的增加，语言清晰度降低。在加速过程中，左耳的语言清晰度始终比右耳的语言清晰度要高，左耳的语言清晰度的平均值为28.3%，而右耳的语言清重型商用车噪声测试及声品质客观评价分析晰度的平均值为21.3%。抖动强度描述人耳主观感受到的声音信号响亮起伏程度，图8所示，在开始转速为650 r/min时，左右耳的抖动强度值在整个加速过程中为最大，左右耳的抖动强度值分别为：0.089 433 vacil，0.088 309vacil。转速在650750 r/min时，抖动强度值有明显下降的趋势，而在750 r/min以后区域平稳。左右耳抖动强度平均值分别为 0.007 98 vacil、0.009 15vacil，总体上看右耳的抖动强度略大于左耳的。图 7 语言清晰度和转速关系曲线Fig.7 Relation between articulation index androtation speed图 8 抖动强度和转速关系曲线Fig.8 Relation between fluctuation strength androtation speed图 9 所示，转速在 1 100 r/min、1 301 r/min、1451 r/min 处右耳的音调度有较大的峰值，分别为0.24 tu、0.22 tu、0.18 tu。左耳的音调度在1 050 r/min和1 301 r/min处有较大的峰值，分别为0.24 tu、0.21tu。加速过程中，右耳的音调度平均值要比左耳的高，右耳音调度度平均值为0.072 6 tu，左耳的音调度平均值为0.061 6 tu。图8和图9，可以看出抖动强度和音调度随着转速的增加，没有明显的趋势规律。3 3.3 3 在加速工况下噪声频谱分析图 10 所示，A 计 权 声 压 级 主 要 集 中 在 50Hz3 500 Hz范围内，其中低频成分对其贡献量较大。A 计权声压级在 50 Hz100 Hz、450 Hz1400 Hz处有较大峰值，人工头的左右耳测点值在各频带范围内趋势是一样的。图 9 音调度和转速关系曲线Fig.9 The relation between tonality and rotation speed图 10 1/3倍频程图Fig.10 The 3rd octave figure图11所示，特征响度主要集中在017 Bark，特征响度曲线持续低频峰值,后急速下降，在13 Bark之后有轻微的反弹，最后呈阶梯状逐渐减弱消失，这种现象也说明了人耳频率掩蔽特征对响度的作用。特征响度峰值出现在00.9 Bark(约91 Hz)，造成各响度差值的最大贡献量主要集中在05 Bark。A计权声压级与响度有一定的区别，由于A计权声压级对1 kHz以下的低频声音进行滤波衰减，在度量低频成分为主的噪声时，会产生误差，使评价结果偏离人的主观感受7。图12所示，特征粗糙度主要集中在512 Bark，峰值出现在811 Bark，右耳特征粗糙度值为0.284asper，左耳的特征响度值为0.276 asper。11 Bark以后逐渐减弱消失。图13所示，特征抖动强度主要集中在16 Bark，峰值出现在23 Bark,右耳的特征1912013年4月噪声与振动控制第2期图 11 双耳特征响度Fig.11 Binaural spec.loudness of artificial head图 12 双耳特征粗糙度Fig.12 Binaural spec.roughness of artificial head图 13 双耳特征抖动强度Fig.13 Binaural spec.fluctuation strength of artificial head抖动强度值为3.28 mvacil，左耳的特征抖动强度值为3.36 mvacil，6 Bark以后呈阶梯状逐渐减弱消失。4 4结 语（1）重型商用车加速行驶时，随着转速的增加，车内噪声的声压级增大。通过噪声信号阶次分析和依据六缸发动机的燃烧特性，可知主要噪声源是发动机的发火阶次3阶及其谐波成分；（2）重型商用车加速行驶时，随着发动机转速的增加车内噪声的响度、尖锐度和粗糙度这三个客观参量呈明显递增趋势，而语言清晰度呈明显递减趋势，而抖动度和音调度，没有明显变化。人对于车内噪声的主观感受会随车速或乘车时间的增加而发生变化，车内声品质下降；（3）对人工头左右耳测点采集到的加速过程中车内噪声进行6个声品质客观评价参量的分析计算对比，靠近车身侧壁处的右耳声音品质没有内侧的左耳声音品质好。这是由于车身侧壁处离噪声源更近，噪声较内侧的大；（4）加速工况下车内噪声主要集中在 55 Hz3 500 Hz范围内。其中以中低频噪声对声品质的客观参量贡献较大，特征响度主要频带为017 Bark，峰值出现在00.9 Bark。特征粗糙度主要集中在512 Bark，峰值出现在811 Bark。特征抖动强度主要集中在16 Bark，峰值出现在23 Bark。参考文献：1 傅春宏.某中型卡车振动问题的研究与系统解决D.合肥：合肥大学，2010，2-4.2申珅.噪声声品质客观评价分析系统的研究与开发D.吉林：吉林大学，2007.18-21.3 高印寒，等.加速行驶时车内噪声品质的评价方法及数学模型构建J.吉林：吉林大学工学报，2011，40(6)：1502-1505.4 梁杰.基于双耳听觉模型的车内声品质分析与 评价方法研究D.吉林：吉林大学，2007.49-51.5 孙强.基于人工神经网络的汽车声音品质评价与应用研究D.吉林：吉林大学，2010.20-24.6 E.Zwicker and H.Fastl.Psychoacoustics,facts and modelsM.Berlin:Springer,1999.7 叶贵鑫.高速动车组噪声测试及其声品质客观参量分析J.噪声与振动控制，2010，31(3)：85-88.