汽車聲品質(zhì)主客觀評價方法研究

摘要：闡述了汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中聲品質(zhì)主觀評價方法的不足，介紹了各心理聲學(xué)參數(shù)的應(yīng)用。以10種類型轎車在不同車速下不同位置座椅處的耳旁噪聲為評價對象，對車內(nèi)噪聲品質(zhì)用成對比較法進(jìn)行了主觀評價試驗；分析計算了各噪聲樣本的主要心理聲學(xué)客觀參數(shù)；在精確計算評價結(jié)果誤判率的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)分析和多元回歸分析，建立了勻速車內(nèi)噪聲主觀偏好性與心理聲學(xué)參數(shù)間的數(shù)學(xué)模型。研究結(jié)果表明，與轎車勻速車內(nèi)噪聲品質(zhì)相關(guān)的主要心理聲學(xué)參量根據(jù)車速的不同而不盡相同。

關(guān)鍵詞：心理聲學(xué)；聲品質(zhì)；主客觀評價；偏好性

中圖分類號：U467.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）03-0057-05

Study on the ObjectiveSubjective Evaluation of Vehicle Sound Quality

KANG Run-cheng，YE Chang-jing，LI Qing-lin

（National Automobile Quality Supervision and Test Center，Xiangfan 441004，China）

Abstract: The deficiency of subjective evaluation for vehicle sound quality was described and several primary psycho-acoustical objective parameters used for sound quality evaluation were explained.The subjective evaluation test of different noise samples were carried out using the paired comparison method.Equations between subjective preference and psycho-acoustical objective parameters were developed after data analysis by ways of linear correlation and the multi-dimensional regression analysis.The research results indicate that the vehicle interior sound quality preference under the steady operation conditions is affected by different psycho-acoustical parameters while at different speeds.

Key words：psychoacoustic；sound quality；subjective and objective evaluation；preference

聲品質(zhì)反映了人對特定環(huán)境下噪聲的主觀感覺，自二十世紀(jì)九十年代以來，聲品質(zhì)的概念被清晰定義，并成為噪聲分析與控制領(lǐng)域的研究熱點。國內(nèi)外許多研究者都對汽車聲品質(zhì)問題進(jìn)行了探討和研究，并且已經(jīng)達(dá)成了多維特征的共識，即聲品質(zhì)具有多維度的特性，它不能簡單的用一個維度進(jìn)行描述，而是需要體現(xiàn)多個主觀感知維度方面的特征［1-3］。

以心理聲學(xué)客觀參數(shù)為基礎(chǔ)，綜合考慮人體心理反應(yīng)機(jī)制和噪聲感知特性，建立可以客觀衡量的聲品質(zhì)評價模型，可以較為準(zhǔn)確地反映不同噪聲信號造成的主觀感受差異。對于現(xiàn)代汽車噪聲的評價、分析與控制都具有重要意義。由于民族習(xí)慣的差異，國際上對車輛噪聲品質(zhì)的研究成果不能完全直接用于我國，需要做專門的聲品質(zhì)研究工作［3-5］。

1 主觀評價的重要性和不足

聲品質(zhì)主觀評價是通過選取合適的評價參量，運(yùn)用適當(dāng)?shù)脑u價方法得到能反映人耳聽覺特性和感知的結(jié)果，主要包括評價參量的設(shè)計、選取及評價方法的建立、分析等。

1.1 主觀評價的重要性

聲品質(zhì)主觀評價的重要性體現(xiàn)在以下方面：

（1）主觀評價可以加深對聲信號的理解，獲得對聲信號的較為全面的評價；

（2）聲品質(zhì)的客觀評價技術(shù)依賴于主觀評價技術(shù)，現(xiàn)有的聲品質(zhì)客觀參量并不是對聲品質(zhì)的完備描述，新的聲品質(zhì)客觀量的提出必須基于大量的主觀評價試驗；

（3）聲品質(zhì)客觀評價結(jié)果的準(zhǔn)確性需要通過主觀評價試驗來驗證［1，3］ 。

1.2 主觀評價的不足

由于主觀評價試驗周期較長、需要的參與人員較多，且試驗結(jié)果受試驗人員的經(jīng)驗、精神狀態(tài)、主觀能動性等各種因素影響，無法保證試驗結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性，不能很好地滿足汽車研發(fā)的需要。研究表明，汽車聲品質(zhì)可以較為準(zhǔn)確地用心理聲學(xué)客觀參數(shù)來量化描述，這些參數(shù)綜合考慮了人體心理反應(yīng)機(jī)制和噪聲感知特性，能夠反映不同噪聲信號造成的主觀感受差異［5，6，7］。通過客觀參數(shù)對汽車聲品質(zhì)進(jìn)行描述，可以消除試驗人員的個體影響，提高評價效率，降低評價成本，滿足汽車研發(fā)對試驗速度、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度的要求，有助于汽車聲品質(zhì)評價體系的建立。

2 心理聲學(xué)參數(shù)

心理聲學(xué)參數(shù)是描述不同聲音信號所造成主觀感受差別程度的客觀物理量。國內(nèi)外廣泛研究的心理聲學(xué)參數(shù)有響度、尖銳度、抖動度、粗糙度、音調(diào)度、語音清晰度等。根據(jù)相關(guān)研究，不宜對上述所有參量都進(jìn)行評價［4-7］，而且有些參量之間有較高的相關(guān)性。本文使用響度、尖銳度、粗糙度、語音清晰度這四個國際上比較常用的參量對聲品質(zhì)進(jìn)行客觀評價。

2.1 響度

響度可以線性化表示人對聲音強(qiáng)弱的主觀感受，它考慮人耳對聲音頻譜的掩蔽特性，能比A計權(quán)聲級更準(zhǔn)確地反映聲音信號的響亮程度。響度值與聲波振幅、頻帶寬度、頻譜特性和聲音持續(xù)時間有關(guān)。ISO532標(biāo)準(zhǔn)計算穩(wěn)態(tài)響度有A、B兩種方法，A方法由Stevens提出，使用倍頻帶或1/3倍頻帶譜數(shù)據(jù)計算，適用于具有平坦頻譜的擴(kuò)散聲場；B方法由Zwicker提出，使用1/3倍頻帶作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，引入臨界頻帶對人耳的掩蔽效應(yīng)作修正，適用于自由聲場或擴(kuò)散聲場的計算［3，8］。

2.2 尖銳度

尖銳度表示人耳對聲音信號中高頻成分的主觀感受程度。人耳對聲音信號中高頻部分比較敏感，因此尖銳度對聲音的舒適程度影響很大；尖銳度值越高，人聽起來越刺耳。目前，尖銳度的計算一般都是基于對特征頻帶響度積分來進(jìn)行的。國際上通用的計算尖銳度的方法有兩種，一種是基于Zwicker理論的計算方式，另一種是Aures對Zwicker計算方法的修正方法［3，8］。

2.3 粗糙度

粗糙度描述了聲音信號調(diào)制程度，它反映了信號的調(diào)制幅度大小、調(diào)制頻率分布等特征，適用于評價20～200 Hz調(diào)制頻率的聲音，特別對70 Hz附近的聲音有很突出的評價效果。粗糙度值在調(diào)制頻率為70 Hz時達(dá)到最大，高于這個頻率隨調(diào)制頻率增加而遞減［3，6］。關(guān)于粗糙度的計算目前還沒有一個國際標(biāo)準(zhǔn)，常用的公式為：

式中，?駐LE為臨界頻帶內(nèi)的聲壓變化幅值；fmod為調(diào)制頻率；f0為調(diào)制基頻，f0=70 Hz。

2.4 語音清晰度

語言清晰度描述了噪聲對語言可辨識性的衰減程度。語言可辨識性與背景噪聲的頻率成分和聲壓級水平有關(guān)。如圖1所示，語言和人耳的可聽范圍可以由頻譜圖的一部分區(qū)域表示。當(dāng)噪聲譜在語言區(qū)域上限和下限之間時，可以通過查表獲得每一個頻帶內(nèi)噪聲譜線所對應(yīng)的語言清晰度百分比數(shù)值，然后將各個頻帶的百分比數(shù)值累加起來就得到了總的語言清晰度值［6，8］。

3 信號的采集與客觀計算

3.1 信號采集

在進(jìn)行噪聲信號采集時，使用考慮了雙耳技術(shù)的數(shù)字人工頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)字人工頭通過對人頭、肩部、耳廓的幾何形狀的模擬和人耳濾波特性的模擬，能夠保證雙耳聽覺記錄的準(zhǔn)確性。為全面考核汽車的車內(nèi)噪聲品質(zhì)，需要在多種工況下對車內(nèi)不同位置的噪聲信號進(jìn)行測量；選擇的試驗工況包括勻速行駛、加速行駛、脫擋滑行、關(guān)門，人工頭分別安裝在副駕駛和駕駛員后方座椅處。

3.2 客觀參量計算

本文選擇了響度、尖銳度、粗糙度和語音清晰度4個主要參數(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)采集的信號分別計算出左右耳聲信號的上述4個客觀物理量，得到樣本的心理聲學(xué)參數(shù)。對響度的合成必須考慮屏蔽效應(yīng)的影響，不能直接取算術(shù)平均值或取單耳值。日本HONDA公司經(jīng)過反復(fù)試驗和測算，總結(jié)出如下響度合成公式［8，9］，本文即采用下式作為響度的評價值：

式中，NB為雙耳響度；NL為左耳響度；NR為右耳響度。

4 驗證客觀評價方法

為驗證客觀評價參數(shù)與主觀感受的一致性，確定各客觀參量對主觀感受的影響，驗證雙耳計權(quán)參數(shù)的正確性，對采集的勻速車內(nèi)噪聲信號進(jìn)行了主觀評價試驗。

4.1 主觀評價試驗

常用的主觀評價方法有成對比較法、系列范疇法、語義細(xì)分法等。其中成對比較法是將聲音樣本成對播放，評價者據(jù)此做出相關(guān)評判，間接地估計出所評價對象的相對心理尺度。由于評判是相對的，因此不需要評價者受過特別的聽音測試訓(xùn)練，可以廣泛的在普通人群中進(jìn)行試驗。

4.1.1 試驗準(zhǔn)備

為減小環(huán)境因素的干擾，主觀評價試驗在專門的聲音評價間進(jìn)行，選擇高保真的耳機(jī)配合專門的均衡器進(jìn)行信號回放，避免出現(xiàn)聲音混響。結(jié)合國外經(jīng)驗和國內(nèi)研究現(xiàn)狀，共選取了23名評價人員，其中男女分別為16人和7人，均身體狀況良好且無聽力障礙，可以代表大眾人群［2］。選擇的聲音樣本為10種類型轎車在平整的柏油馬路上，以60 km/h、120 km/h勻速行駛時副駕駛員座椅處和駕駛員后方座椅處的車內(nèi)耳旁噪聲信號。為降低干擾噪聲，試驗前用Artemis軟件對采集的信號逐一進(jìn)行回放，選擇并截取5秒鐘無雜音且波形穩(wěn)定的片段作為評價樣本，共40組［5，7］。

4.1.2 主觀評價試驗設(shè)計

成對比較法雖然過程復(fù)雜，但數(shù)據(jù)一致性好，對評價者的要求較低。結(jié)合實際條件，本文使用成對比較法進(jìn)行試驗，并采用半矩陣方案以減少工作量。由于聲音樣本較多，將其分成四組分別進(jìn)行試驗（見表1）。每組的10個聲音樣本隨機(jī)配對，共45組。為判定評價結(jié)果的可靠性，每組測試輔助設(shè)計5對i-i比較（同一聲樣本比較）和20對ij-ji比較（不同回放順序比較），共70個評價對，完成一組評價約需20～30分鐘，符合國外聲品質(zhì)評價時長的普遍經(jīng)驗［3，7，10］。

4.2 主觀評價數(shù)據(jù)分析

4.2.1 數(shù)據(jù)有效性判斷與一致性檢驗

用戶的誤判可歸為三種類型：

（1）相同聲誤判（i-i比較）：評價者聽到一對相同的聲事件而做出了不相同的判斷；

（2）不同回放順序誤判（ij-ji比較）：兩次以不同順序播放同一對樣本時評價者做出了不一致的判斷；

（3）三角誤判（i-j-k誤判）：評價者的判斷沒有有序性，例如三個聲音樣本i、j、k，如果成對比較的結(jié)果為：i>j，j>k，i>k，則說明主觀評價結(jié)果是有序的，反之則出現(xiàn)了所謂的三角誤判。同濟(jì)大學(xué)的毛東興教授提出了精確的三角循環(huán)誤差統(tǒng)計模型 ［10］：

Pij>0且Pjk≥0時，卻有Pik≤0Pij=0時，卻有Pik≠PjkPij<0且Pjk≤0時，卻有Pik≥0（3）

式中：Pij>0表示i優(yōu)于j，Pij<0表示j優(yōu)于i，Pij=0表示ij無差異。

在統(tǒng)計出三種誤判次數(shù)后，采用計權(quán)一致性系數(shù)來判斷數(shù)據(jù)的有效性，如下式［10］：

式中，Ei為第i種誤判可能產(chǎn)生的次數(shù)，Ci為第i種誤判實際產(chǎn)生的誤判率。

為正確反映群體特征，對于計權(quán)一致性系數(shù)較低的評價者，其數(shù)據(jù)需要剔除。數(shù)據(jù)剔除的一般原則為：

（1）計權(quán)一致性系數(shù)最好要在0.7以上；

（2）約10％～20％人員的評價結(jié)果應(yīng)予以剔除［5，10］。

通過設(shè)計的程序計算得到A組所有評價者的計權(quán)一致性系數(shù)（見表2），其中2名評價者（TP9，TP19）的計權(quán)一致性系數(shù)低于80％，其余21名評價者的計權(quán)一致性系數(shù)都在80％以上，說明了整個評價試驗數(shù)據(jù)是有效可信的，在對A組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，將這兩名評價者的結(jié)果剔除。

每個對比對中的ij兩個聲音，若Pij>0則給A記2分、B記0分；若Pij<0則與之相反；若Pij=0則各記1分，通過統(tǒng)計得到其余21名評價者對各聲樣本的賦分值［2］。對各評價者的結(jié)果利用SPSS軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，所有的相關(guān)系數(shù)均在0.82以上，說明了各評價者結(jié)果之間具有很高的一致性，也說明所采用的數(shù)據(jù)是有效的。同理，對B、C、D組的數(shù)據(jù)也進(jìn)行了誤判率判斷和一致性檢驗。

4.2.2 主觀評價數(shù)據(jù)分析

單純的得分?jǐn)?shù)累加只能說明一個樣本在全部樣本中的位置而并沒有包含它與其它樣本之間的具體關(guān)系，所以并不適合直接進(jìn)行相關(guān)分析［3，7］。Bradley-Terry模型假設(shè)每個樣本在成對比較時，都存在一個固定參數(shù)值即BT值，樣本的BT值越大，則代表該樣本的主觀偏好性越強(qiáng)。由于BT值包含了各個樣本之間的互相關(guān)聯(lián)，因此能夠滿足后續(xù)主客觀相關(guān)性的分析研究［10］。根據(jù)主觀評價偏好矩陣計算得到各樣車的BT值，并進(jìn)行歸一化處理，得到各組樣本的績效值（見表3）。這里0代表主觀偏好性最小，1代表主觀偏好性最大，即聲品質(zhì)評價結(jié)果最理想。

各組試驗數(shù)據(jù)的績效值與平均得分值的Pearson相關(guān)系數(shù)高于0.97，說明所選用的Bradley-Terry統(tǒng)計模型是合理的。

4.2.3 相關(guān)分析

利用ArtemiS軟件提供的計算模型和方法算得所有40個噪聲樣本的主要心理聲學(xué)客觀參數(shù)值（響度、尖銳度、粗糙度、語音清晰度）；對響度按照前文公式進(jìn)行雙耳計權(quán)，尖銳度、粗糙度、語音清晰度按照左右耳結(jié)果求平均得到單一評價值。使用SPSS軟件對主觀評價績效值與客觀心理聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)績效值與上述客觀參量都存在一定的線性關(guān)系，其中60 km/h車速下的兩組數(shù)據(jù)（A組、B組），績效值與響度的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)的平方為0.93和0.92；120 km/h車速下的兩組數(shù)據(jù)（C組，D組），績效值與粗糙度的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)的平方為0.99和0.91。A、D兩組的散點圖見圖2、圖3。

4.2.4 回歸分析

由于客觀參量值與樣本績效值同時存在相關(guān)關(guān)系，需要綜合考慮響度、尖銳度、粗糙度和語音清晰度對主觀偏好的影響，就要用到多元線性回歸分析。首先建立多元線性回歸的模型，取主觀評價績效值作為因變量，響度、尖銳度、粗糙度和語音清晰度四個參數(shù)作為自變量，回歸模型如下［3，5］：

式中，P為績效值，L為響度，Sh為尖銳度，R為粗糙度，A為語音清晰度，a、b、c、d、e為待定系數(shù)。

運(yùn)用SPSS軟件采用逐步法進(jìn)行回歸分析，按照F檢驗P值≤0.050變量進(jìn)入、P值≥0.100變量移出的規(guī)則進(jìn)行自變量選擇；結(jié)果A、B兩組的結(jié)果只有響度進(jìn)入了模型；C、D兩組的結(jié)果只有粗糙度進(jìn)入了模型，最終得到的各組數(shù)據(jù)的多元線性回歸分析結(jié)果見表4。

經(jīng)檢驗計算，回歸系數(shù)假設(shè)檢驗t值和置信概率值表明線性回歸有顯著性意義，模型擬合度均在0.95以上，說明擬合效果顯著，方差齊次性分析和回歸模型殘差的正態(tài)性檢驗也說明回歸方程是有效的［3］。回歸分析表明，在勻速行駛的穩(wěn)態(tài)工況下，轎車車內(nèi)聲品質(zhì)主觀偏好性在60 km/h車速時主要與響度有關(guān)，在120 km/h車速時主要與粗糙度有關(guān)。

5 結(jié)論與展望

（1）對于勻速車內(nèi)噪聲信號，心理聲學(xué)客觀參數(shù)與主觀評價結(jié)果之間有較好的一致性；不同位置的聲音樣本在相同的車速下，主觀評價分值相差較小，有較好的一致性；同一測量位置不同車速下的采集樣本，其主觀評價結(jié)果與客觀計算參量的相關(guān)性不盡相同。

（2）今后可考慮采取同樣的主觀評價和客觀量化方法，對多種不同工況下的車內(nèi)噪聲進(jìn)行分析，以期檢驗本文提出的評價模型的適用范圍，建立更為全面、完善的汽車聲品質(zhì)評價體系。

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