基于聲品質評價模型的車內噪聲優化研究

黃燦銀，陳陽

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

基于聲品質評價模型的車內噪聲優化研究

黃燦銀，陳陽

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

噪聲被動控制方法能簡單有效地改善噪聲的聲品質。首先對8輛各種型號汽車進行了怠速狀態下車內噪聲樣本的采集，通過噪聲信號的主客觀分析研究，得出車內噪聲評價的主客觀評價模型，明確了響度、尖銳度及粗糙度是影響怠速狀態車內聲品質的主要因素。而后，對聲品質最差的7號車實施噪聲優化試驗，采取添加塞麗隔聲阻尼氈的方案。通過對比發現，車內噪聲的響度等參量值變小。將數據代入聲品質客觀計算模型，同時進行主觀評價試驗，結果表明其評分等級從13級降至10級，從而證明了噪聲被動控制方法能有效提高車內噪聲的聲品質。

車內噪聲被動控制怠速狀態主觀評價客觀參數

1 引言

長久以來，人們以A聲功率級越低越好為原則來評價噪聲。后來研究發現，某些A計權聲級高的噪聲聽起來比較舒服，而一些滿足A聲級標準的噪聲卻讓人無法忍受。人們意識到A計權聲級存在很大的缺陷，它不能全面描述噪聲各個屬性。于是，能反映人主觀感受的聲品質這一概念開始引起關注，并成為噪聲領域研究的新課題[1]。聲品質旨在反映聲物理特性與人的主觀感受之間的關系。

噪聲被動控制技術由于其降噪明顯、成本較低，已在汽車、建筑、軍事等領域應用[2]。本文首先對8輛汽車在怠速工況下的車內噪聲進行采集，然后對噪聲進行主客觀分析研究，得出主觀評價與客觀參數之間的相關性。接著對評價結果最差的汽車進行被動噪聲控制，即添加塞麗隔聲阻尼氈。最后通過對改進后的汽車進行噪聲數據采集和主觀評價，從而驗證其車內聲品質得到了改善。

2 車內噪聲評價模型

聲品質是通過研究聲音的客觀物理參數與人的主觀感受之間的內在聯系，建立聲品質評價模型。通過研究評價模型得出各個參數之間的數學表達式，為聲品質的改善提供理論依據。聲品質概念提出了一種全新的噪聲控制思想，即要去除噪聲中讓人煩躁的成分，保留令人舒服的成分，使聲音符合人們的主觀感受。

2.1 車內噪聲的采集試驗

為了得到最新的噪聲原始數據，同時為了更好地比較不同汽車間怠速狀態下車內噪聲的各個參數，選擇一種可重復的試驗方案是非常重要的。通過對比各車的噪聲，能夠得到人們對汽車車內聲音品質的感覺到底如何。噪聲樣本的采集需要使用的試驗設備是1套比利時LMS Test Lab數據采集分析軟件、6個LMS SCADAS305數據采集前端、6個PCB 130ICP傳聲器、1個Larson DvaiSCAL200標定器、1臺Dell M60筆記本電腦、6個固定安裝泡沫、1卷透明膠、1把尺子。把上述標定好的設備按試驗要求安裝到汽車上。6個傳聲器分別安裝在駕駛員座椅、副駕駛員座椅和后排右座椅的頭枕兩側（分別標記為1、2、3、4、5和6），如圖1所示。駕駛員將車設置為怠速狀態，測試人員及時記錄下噪聲信號。

2.2 噪聲樣本客觀參量的分析計算

圖1 車內噪聲測量傳聲器安裝圖

聲音客觀參量是描述不同噪聲信號所產生的主觀感受差異程度的客觀物理量，其主要針對4個主要心理聲學客觀評價參數，即響度、尖銳度、抖動度、粗糙度。用比利時LMS公司生產的LMS Test Lab數據采集分析軟件對獲得的噪聲信號進行分析，得出客觀參數的數據信息。

2.2.1 響度的計算

與A聲級相比較，響度能更準確地反映聲音的響亮程度，它是人們判斷聲音強弱的依據。

ISO 532B標準給出了2種計算聲音響度的方法：一種是Stevens通過倍頻程譜數據推算得出的，其在平坦頻譜的擴散聲場中準確度相當高；另一種是Zwicher在Stevens法基礎上引入掩蔽效應加以修正。響度的計算公式為：

式中，

ETQ——聽闕在安靜環境時所對應的激勵；

E0——參考聲強I0對應的激勵，一般取I0為10-12W/m2；

E——通過計算所得的激勵。

圖2是根據響度的計算公式并結合噪聲樣本得出的第7號車各測點噪聲響度的曲線圖。

2.2.2 尖銳度的計算

式中，

圖2 怠速狀態下各測點的響度曲線圖

k——加權系數一般取0.11；

z——心理聲學的臨界頻帶尺度；

N'(z)——與臨界頻帶尺度響度變化的函數表達式；

g'(z)——取值為e0.171z。

第7號車6個測點的尖銳度值如圖3所示。

圖3 怠速狀態下各測點的尖銳度曲線圖

2.2.3 抖動度

兩組患者的一般自我效能評分隨時間均有提升，觀察組患者的評分在干預后第3個月、6個月時評分優于對照組，差異具有統計學意義（P＜0.05），見表1。

聲音隨時間表現為低頻變化時，人耳聽起來就會感覺有抖動感。抖動度的計算公式是Fastl和Zwick[3]根據前人的基礎總結出來的，為世界通用，表示如下：

式中，

F——波動級；

ΔL——調制深度；

fmod——調制頻率帶寬。

將采集的噪聲信號，通過上述公式得出各個測點的抖動度大小，圖4所示為第7號車的抖動度曲線圖。

圖4 怠速狀態下各測點的抖動度曲線圖

2.2.4 粗糙度

抖動度和粗糙度都是描述聲音信號隨時間變化給人的感受的參量，區別在于后者描述的是調制頻率為中高頻率時的情況。粗糙度顯示噪聲信號的調制程度及其分布狀況，對頻率為20～200 Hz有比較明顯的效果。粗糙度的計算公式如下：

式中，

ΔLg(z)——臨界頻帶內的聲壓函數；

fmod——調制頻率。

圖5為第7號車測點噪聲的粗糙度曲線圖。

2.3 噪聲樣本的主觀評價

主觀評價試驗定在遠離鬧市區的教室里，聲音樣本采用高保真耳機播放。選取高校及內燃機研究所的成員共計50人組成評審團，預先選8組聲音樣本，用成對比較法[4]對評審團成員進行評價培訓。評價的規定與足球比賽計分規則剛好相反，即如果感覺聲音樣本甲比乙好，那么記錄甲得0分，乙得2分；反之亦然；如甲與乙相當，則甲和乙都得1分。積分的高低就代表聲品質的優劣。通過多次訓練后，使用等級打分法對全部聲音信號進行主觀評價，每個聲音樣本播放時間均為10 s。評審團就所聽到的聲音，帶給自己的主觀感覺進行打分（1～10），分數越高說明聲品質越差。將各個評價人員的分數取平均值就可以得到該聲音樣本的品質等級[5]。采集的噪聲樣本的主觀評價結果如表1所示。

圖5 怠速狀態下各測點的粗糙度曲線圖

表1 噪聲等級評分結果

2.4 主客觀相關性分析

將采集的聲音信號進行核對，因為每輛車在怠速工況下總共有3對聲音信號，保證3對信號無明顯的波動，并選擇其中一個信號作為分析代表樣本。用采集分析軟件對獲得的噪聲信號進行分析，得出6組客觀參數的數據信息，即噪聲的響度、尖銳度、抖動度、粗糙度、音調度、脈沖特性和清晰度指數。然后將這些數據連同等級評分的結果編制成主觀評價結果與客觀參量之間的回歸數據分布圖，如圖6所示。

從圖6可以直觀地看出主客觀間的相關性，但是此圖無法反應各個客觀參數對車內聲品質的影響程度。于是運用SPSS統計分析軟件對主觀評價結果和6組客觀參數進行多元回歸相關性分析，以獲取如下的主觀評價結果和客觀參數之間的數學關系表達式：

式中，

SQ——主觀評價結果；

LS——響度；

SA——尖銳度；

RV——粗糙度；

r——對應的系數。

將各數據代入公式中，求出rL、rS、rR，進而得出怠速狀態下車內聲品質客觀評價模型。

通過此表達式，可以得出以下結論：確定車內聲品質與客觀參量（響度、尖銳度和粗糙度）有關，客觀參量對聲品質的影響程度可以從公式得出，怠速狀態下車內噪聲的改善要從控制響度、尖銳度和粗糙度3方面入手。

3 車內噪聲被動控制優化試驗

3.1 車內噪聲源的識別試驗

針對聲品質最差的7號車進行車內噪聲源的識別試驗。試驗使用的測量儀器是BK公司生產的3360聲強儀。

車內測試點的安排如下：首先，在車的前部地板（發動機蓋和變速桿周圍）、左地板、右地板、前圍、后圍、頂棚和左右車門上分別布置好網格，每個網格為10 cm的正方形，各個網格點安排一個測量點。接著，將測試的聲強分布圖一一展示出來進行對比，如圖7所示。最后進行處理分析。將聲強分布圖進行對比，發現左右踏板的輻射噪聲是最大的。從圖7可以看出，圖中除2個點（具體位置分別為點5×7和10×7）的其它區域，聲強都是在94.6 dB（A）以下，該2處的聲強級比其余部位高出了至少8 dB。因而可以判斷出，左右踏板所在的部位存在比較嚴重的漏聲現象，而發動機機艙和駕駛室間的防火墻隔音吸音效果不太理想。在發動機工作時引起的一系列噪聲能夠透過防火墻傳入車內，導致汽車車內噪聲的升高，從而使得該車的聲品質較差。

3.2 隔音吸音材料的重新布置

針對防火墻隔音問題，采取對其重新布置隔音材料的方案。首先，在選擇隔音材料時注意：（1）隔音材料要求盡可能輕，保證優化后汽車自重增加較少；（2）對高頻寬頻帶噪音效果明顯，能夠保持長期穩定的隔音性能；（3）防潮防水，耐腐防蛀，外觀整潔，無污染。

圖6 主觀評價結果與客觀參數間的回歸數據分布圖

圖7 測試點的布置圖

對常用的吸隔音材料進行比較后，最終選取塞麗隔聲阻尼氈。其是由EPDM橡膠（三元乙丙橡膠）與多種礦物質組成。從使用情況來看，其廣泛應用于發動機室、底板和車門。這種塞麗隔聲阻尼氈性能穩定可靠，對高頻噪聲具有良好的抑制作用，同時能阻礙各種振動的傳播，是合適的隔聲減振材料。其吸隔聲性能如圖8和圖9所示。從圖中可以看出其吸隔聲性能在中高頻段有明顯的增大，對降低車內中高頻噪聲起到很大作用，進而改善車內聲品質參數的尖銳度指標，所以選擇此種吸聲材料作為被動降噪材料。在選好吸聲材料后對吸聲材料進行了整體布置，以使防火墻處的漏聲孔隙盡可能最小；測量后，在原有的防火墻隔板處增加了樹脂氈。

4 車內聲品質優化的論證

4.1 客觀參數的優化對比

按照2.1節的采集試驗設計，對優化后的第7輛車進行車內噪聲樣本的試驗。其詳細過程參照2.2節的要求，通過對客觀參量的處理后，最后得出優化前后各物理參量的對比圖，如圖10～圖12所示。

圖8 塞麗阻尼氈的吸聲特性曲線圖

圖9 塞麗阻尼氈的隔音特性曲線圖

圖10 7號車優化前后總體響度值對比圖

上述3圖表明：通過優化，該車車內噪聲的響度值和尖銳度得到明顯降低，而抖動度變化不明顯。但是該車聲音物理參數的改善是不是能夠體現在人的主觀感受上呢？簡單的主觀分析模型是否能夠真正代替復雜的主觀評價試驗？這就要求通過主觀評價對比試驗對此進行驗證。

圖11 7號車優化前后總體尖銳度值對比圖

圖12 7號車優化前后總體抖動度值對比

4.2 主觀評價對比試驗

主觀評價對比試驗的目的在于論證噪聲物理參量的改善是否能夠被人的主觀感受所體現出來。根據相關主觀評價試驗的標準，讓同樣的主觀評價人員對優化后的車輛進行車內噪聲主觀打分評價，將其與優化前的分值進行比較，得出以下對比數據，參見表2。

Improvement of Inner-vehicle Sound Quality Based on Sound Quality Evaluation Model

Huang Yincan,Chen Yang
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,Chian）

Passiv e control noise technology can improve inner-vehicle noise effectively.Firstly 8 inner-vehicle noise samples at idle speed were acquired from 8 vehicles of various types of cars.Based on the subjective and objective analysis of noise samples,the correlation between subjective evaluation and objective parameters was formed:the loudness,the sharpness and the roughness of sound are the most important factors influencing the inner-vehicle sound quality.The passive noise control experiment specific to the worst noise sample was conducted,and through the comparison,the objective parameters were reduced significantly.By using objective calculation model and subjective evaluation test,the annoyance level fell from 13 to 10,which demonstrates that the noise control method can effectively enhance sound quality in the vehicle.

inner-vehicle noise,passive control,at idle,subjective evaluation,objective parameters

表2 優化前后主觀評價結果對比表

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.006

來稿日期：2012-05-31

黃燦銀（1984-），男，碩士，主要研究方向為噪聲振動優化控制。