車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)聲學(xué)舒適性的評價(jià)方法

雷應(yīng)鋒 ，李傳兵 ，楊明亮 ，邢永虎 ，柳文健 ，吳昱東 ，丁渭平 1，

（1.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶401120；2.長安汽車工程研究院，重慶401120；3.西南交通大學(xué) 汽車工程研究所，成都610031）

電動(dòng)汽車以驅(qū)動(dòng)電機(jī)替代（或部分替代）燃油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，其車內(nèi)噪聲的主要來源也勢必追溯到驅(qū)動(dòng)電機(jī)。較之一般工業(yè)用電機(jī)，車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有大電流、高磁密、調(diào)速范圍寬、工況復(fù)雜和采用變頻調(diào)速等技術(shù)特點(diǎn)，從而使其存在較大噪聲的可能性增加［1-3］。

在車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的噪聲組成中，電磁噪聲往往占據(jù)主導(dǎo)，一般具有特定的諧次，并主要由單頻或較少頻率成分構(gòu)成，其主觀感受是一種刺耳的“嘯叫”聲，即使是在聲壓級較低的情況下也會(huì)造成車內(nèi)乘員較為強(qiáng)烈的不適感。因此，對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的噪聲治理已成為電動(dòng)汽車研發(fā)中必須面對的關(guān)鍵問題之一，其目標(biāo)定位于改善車內(nèi)聲學(xué)環(huán)境，使乘員獲得較為滿意的舒適感。而對驅(qū)動(dòng)電機(jī)聲學(xué)舒適性的科學(xué)、正確的評價(jià)則是解決問題的基礎(chǔ)和前提。本質(zhì)上，這種評價(jià)當(dāng)屬聲音品質(zhì)評價(jià)的范疇，評價(jià)的主體是人，即意味著需要綜合考慮人體心理反應(yīng)機(jī)制和噪聲感知特性。顯然，沒有任何測試儀器能替代人體自身對聲學(xué)舒適性（或不舒適性）的感受與反映。在現(xiàn)階段的研究與實(shí)踐中，也往往以“評審團(tuán)”評分為基礎(chǔ)進(jìn)行聲音品質(zhì)的主觀評價(jià)［4］，并借助心理聲學(xué)的若干客觀指標(biāo)參數(shù)（如響度、尖銳度、粗糙度和抖動(dòng)度等）實(shí)現(xiàn)聲音品質(zhì)的客觀描述［5］。

事實(shí)上，此類評價(jià)方法業(yè)已成功應(yīng)用于一些特定領(lǐng)域的聲音品質(zhì)評價(jià)［4－7］，其關(guān)鍵在于評價(jià)方法的正確建立。一般而言，不同領(lǐng)域所面向的評價(jià)對象各有不同，其評價(jià)方法也具有各自的特點(diǎn)，因此必須具體問題具體分析，各自進(jìn)行專門研究。這里即以純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲為評價(jià)對象，立足人體舒適性/不舒適性的主觀感受，研究并確立與其相應(yīng)的聲學(xué)舒適性評價(jià)方法。

1 噪聲信號采集與測試樣本生成

選取某型純電動(dòng)公交客車為對象車型，其長度12 m，座位數(shù)33個(gè)，采用交流感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)YCVF250L－4中置后驅(qū)。

使用比利時(shí)LMS公司SCADAS MOBILE多通道數(shù)據(jù)采集前端，配用丹麥GRAS公司ICP型聲壓傳感器（頻響范圍 3.15～20 kHz），在車輛 0～30 km/h急加速，并保持30 km/h勻速行駛，最后減速至停車的工況下，同步采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)前、后兩側(cè)各自相距約150 mm處的噪聲信號，時(shí)長25 s，如圖1所示。可見前、后兩側(cè)信號規(guī)律基本一致（前側(cè)偏強(qiáng)），總體上由2 000 Hz的倍頻分布主導(dǎo)。其中，在急加速階段出現(xiàn)了明確的電磁噪聲形態(tài)；進(jìn)入勻速階段后電磁噪聲成分大大衰減；此后進(jìn)入減速階段，在噪聲總體水平降低的趨勢下，低頻成分衰減相對緩慢。

上述噪聲信號的采集位置緊鄰電機(jī)本身，而實(shí)際作用于人體的只能是傳遞至車內(nèi)的噪聲信號。噪聲在傳遞中被車體衰減，車內(nèi)噪聲控制在很大程度上就在于合理設(shè)計(jì)車體結(jié)構(gòu)及其材質(zhì)以獲得理想的噪聲衰減能力。假設(shè)這種衰減對于各個(gè)頻率成分是一致的 （實(shí)際情況并非如此簡單），根據(jù)人耳對聲壓級的辨識能力分析，這里使用信號處理軟件按照3 dB的級差逐級衰減前、后側(cè)噪聲信號的聲壓級，包括原始信號在內(nèi)，生成一組具有21個(gè)信號元素的噪聲樣本序列用于人體主觀感受的聲學(xué)舒適性/不舒適性測試，如圖2所示。其中，原始信號的樣本序號為0，樣本聲壓級隨序號的增長而降低。

2 聲學(xué)舒適性/不舒適性的主觀感受測試

使用音頻編輯軟件將同一序號下的前、后兩側(cè)噪聲信號合成為立體聲，以此來模擬人耳的聽覺感受。為保證“真實(shí)地”回放噪聲信號，使用了LMS提供的高保真聲卡和監(jiān)聽耳機(jī)。并為排除外界因素干擾，主觀感受測試在安靜的聽音室內(nèi)進(jìn)行。

2.1 主觀感受的表達(dá)與量化

主觀感受因人而異，即帶有濃厚的個(gè)性化色彩——這正是個(gè)性化設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，體現(xiàn)了NVH（Noise，Vibration&Harshness）技術(shù)的獨(dú)特魅力。 這里，對主觀感受的正確表達(dá)成為首先需要解決的問題。語言是人類表達(dá)內(nèi)心感受的重要工具，文字是記錄語言的符號。對于聲學(xué)舒適性與不舒適性也不例外，最直接、最有效的表達(dá)方式依然是使用語言文字來表達(dá)。為盡量減少語言文字使用中的隨意性、分散性以避免理解上的歧義，在充分調(diào)研、論證的基礎(chǔ)上，整理出一系列“描述符”用以增強(qiáng)對主觀感受描述的規(guī)范性，如表1所示。

表1 聲學(xué)舒適性與不舒適性的主觀感受描述符

另一方面，為能夠?qū)嵤┒糠治觯@里采用“百分制”評分方式將聲學(xué)舒適性/不舒適性的主觀感受加以量化。并為在不同應(yīng)試人員的評分之間形成一定可比性，舒適性的 “0分”標(biāo)準(zhǔn)以及不舒適性的“100分”標(biāo)準(zhǔn)均定位于樣本序號為0的原始信號。

2.2 測試過程

應(yīng)試人員20名，由西南交通大學(xué)汽車工程研究所的研究生中選取，年齡在20～30周歲之間，均為男性。測試時(shí)，每位應(yīng)試人員單獨(dú)進(jìn)入聽音室，并規(guī)定相互之間不得進(jìn)行交流。測試過程如下：

（1）向應(yīng)試人員說明對象車型技術(shù)特征及噪聲信號采集過程（結(jié)合測試現(xiàn)場錄像）；

（2）（舒適性評價(jià)）播放樣本 0，聽音、描述、評分為0；

（3）（舒適性評價(jià)）先播放樣本0，再播放樣本N（N=1，2，3，…，20），成對比較聽音，并對樣本 N 進(jìn)行描述、評分，依次完成全部樣本的處理；

（4）（舒適性評價(jià)）必要時(shí)，選擇播放樣本N聽音，對其描述與評分結(jié)果再做調(diào)整；

（5）（不舒適性評價(jià)）播放樣本 0，聽音、描述、評分為100；

（6）（不舒適性評價(jià)）先播放樣本0，再播放樣本N（N=1，2，3，…，20），成對比較聽音，并對樣本 N 進(jìn)行描述、評分，依次完成全部樣本的處理；

（7）（不舒適性評價(jià)）必要時(shí)，選擇播放樣本N聽音，對其描述與評分結(jié)果再做調(diào)整；

上述過程中的每一步驟均允許反復(fù)執(zhí)行，直至應(yīng)試人員確認(rèn)為止。

2.3 測試結(jié)果及分析

測試結(jié)束后，對每位應(yīng)試人員的描述、評分結(jié)果加以匯總，如表2所示。表中，“評分”為10名應(yīng)試人員各自評分的算術(shù)平均值。“描述”所列出的則是出現(xiàn)頻次排名前3位的描述符，如出現(xiàn)排名不足則以“□”標(biāo)示不足位——意味著主觀感受相對集中，如至前4位的頻次仍然相同，則以 “…”標(biāo)示前3位——意味著主觀感受較為分散 （事實(shí)上未出現(xiàn)這種情況）。

分別以“不舒適性”、“舒適性”為縱、橫軸建立坐標(biāo)系，以上述聲學(xué)舒適性/不舒適性的評分為坐標(biāo)值，標(biāo)出各個(gè)噪聲樣本的位置，如圖3所示。總體上，隨著不舒適性的增加，舒適性將會(huì)降低。而隨著不舒適性的降低，人體或可感知到舒適性的存在。但必須注意到，較低的不舒適性不一定意味著較高的舒適性，反之亦然。可見，人體主觀感受的聲學(xué)舒適性與不舒適性之間既非完全獨(dú)立，也非簡單的線性關(guān)系，這與Lijian Zhang等人針對人體坐姿舒適性與不舒適性關(guān)系的研究結(jié)果有著一定的相似但又不完全一致［8］。

表2 聲學(xué)舒適性/不舒適性的主觀感受測試結(jié)果匯總

3 評價(jià)方法的確立

相應(yīng)于“舒適”的感受，由表2和圖3出發(fā)，可提取出舒適性評分較高且不舒適性評分相對較低的噪聲樣本，它們的聲壓級不一定很低，但要求對其主觀感受的描述必須是積極的和非負(fù)面的，并要求盡量相對集中。據(jù)此要求并為直觀起見，這里以“舒適性評分≥80”且“不舒適性評分＜20”為準(zhǔn)則，在圖3中劃定出一個(gè)“舒適區(qū)”，進(jìn)而將其“還原”成信號曲線形態(tài)列于圖4中。再依據(jù)圖2中噪聲樣本分布區(qū)域的聲壓級大小以及對其舒適性與不舒適性的主觀感受描述，進(jìn)一步在圖4中標(biāo)示出“吵鬧區(qū)”。由此，圖4最終即成為一種車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)聲學(xué)舒適性的評價(jià)方法。

4 結(jié)論

（1）人體主觀感受的聲學(xué)舒適性與不舒適性之間既非完全獨(dú)立，也非簡單的線性關(guān)系。較低的不舒適性不一定意味著較高的舒適性，反之亦然。

（2）基于聲學(xué)舒適性與不舒適性之間的相互關(guān)系，劃定出與舒適性感受相對應(yīng)的噪聲樣本集合。以之為依據(jù)，進(jìn)一步確立了車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)聲學(xué)舒適性的評價(jià)方法。

（3）更深入的研究有待繼續(xù)，涉及驅(qū)動(dòng)電機(jī)噪聲信號的聲全息采集與樣本生成、車體對電機(jī)噪聲衰減規(guī)律的真實(shí)模擬、主觀感受描述符的進(jìn)一步充實(shí)與推敲、應(yīng)試人員的多樣化選擇以及對評分結(jié)果的概率分布規(guī)律進(jìn)行研究等。

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