基于心理聲學(xué)分析的多工況柴油機(jī)輻射噪聲特性研究

呂峰 田涌君 劉海

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，柳州，545005；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津，300300；3.河北工業(yè)大學(xué)，天津，300300）

1 前言

柴油機(jī)搭載整車后其輻射噪聲聲品質(zhì)將會(huì)直接影響到整車聲品質(zhì)乃至整車綜合品質(zhì)[1]。柴油機(jī)輻射噪聲主要包括機(jī)械噪聲、燃燒噪聲和空氣動(dòng)力性噪聲，噪聲為寬頻帶信號(hào)，頻譜混疊嚴(yán)重，難以通過傳統(tǒng)的聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)來描述其對(duì)環(huán)境與人帶來的不利影響[2-3]。心理聲學(xué)方法作為一種新的評(píng)價(jià)指標(biāo)，與人的心理、生理特征緊密結(jié)合，可以較為準(zhǔn)確地通過數(shù)個(gè)心理聲學(xué)客觀指標(biāo)來描述聽覺感知，該心理聲學(xué)指標(biāo)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(hào)造成的主觀感受差異[4-5]。因此，通過心理聲學(xué)方法來評(píng)價(jià)柴油機(jī)輻射噪聲，對(duì)有效控制柴油機(jī)噪聲對(duì)人體的影響及實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有重要意義。目前，心理聲學(xué)參數(shù)分析方法已在國(guó)內(nèi)外汽車及柴油機(jī)行業(yè)得以應(yīng)用[6-9]。

本文同時(shí)采用傳統(tǒng)噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)與心理聲學(xué)分析法，對(duì)聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)差異性較大的A、B兩款柴油機(jī)輻射噪聲進(jìn)行對(duì)比分析，找出引起主觀評(píng)價(jià)差異性較大的原因。同時(shí)基于心理聲學(xué)分析方法，研究了不同運(yùn)行工況下兩款機(jī)型輻射噪聲聲品質(zhì)變化規(guī)律及影響因素，為改善柴油機(jī)輻射噪聲聲品質(zhì)提供了理論依據(jù)。

2 基于傳統(tǒng)聲學(xué)分析的柴油機(jī)輻射噪聲

A、B兩款柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)型式均為直列四缸水冷四沖程，燃燒室為直噴式，進(jìn)氣方式為自然吸氣，為防止進(jìn)、排氣噪聲對(duì)柴油機(jī)輻射噪聲的影響而將其引出室外，同時(shí)不帶風(fēng)扇與變速器結(jié)構(gòu)。

對(duì)柴油機(jī)機(jī)體附近5個(gè)主要測(cè)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)扇安裝前、后噪聲對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)分布在風(fēng)扇左、前、右、后、上5個(gè)位置，如圖1所示，其中，A=L1/2+D，B=L2/2+D，C=L3/2+D，H=C/2，D=1m。發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定工況下運(yùn)行，采樣頻率為10 kHz，采樣時(shí)間為10 s。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置位置

利用傳統(tǒng)噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)（A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)）分析怠速工況下兩款柴油機(jī)各測(cè)點(diǎn)附近的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)變化規(guī)律，結(jié)果如表1所列。

表1 兩款柴油機(jī)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)平均值

由表1可知，兩款機(jī)型在測(cè)點(diǎn)1的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)相差最小，表明在測(cè)點(diǎn)1位置處人耳難以感受到兩款機(jī)型存在的噪聲差異；兩款機(jī)型在測(cè)點(diǎn)5附近的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)相差最大，在測(cè)點(diǎn)2、3、4附近的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)差值均低于2 dB(A)，各點(diǎn)噪聲差異性明顯，人耳可以較顯著地感受到噪聲的差異。單一的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)僅能說明兩款機(jī)型輻射噪聲大小，不能充分反映噪聲在時(shí)間、頻率及人耳對(duì)聲音的濾波特性，故難以準(zhǔn)確反映出噪聲在聲品質(zhì)上的差異性，在聲音的測(cè)量和評(píng)價(jià)過程中存在不足。

3 基于心理聲學(xué)分析的柴油機(jī)輻射噪聲

心理聲學(xué)參數(shù)是描述不同噪聲所造成的主觀感受差異程度的客觀參量，采用心理聲學(xué)參數(shù)來評(píng)價(jià)不同噪聲的聲音質(zhì)量可以反映不同個(gè)體之間的主觀聽覺感受的差異。心理聲學(xué)分析方法被應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)[6-7]、傳統(tǒng)汽車[8]及電動(dòng)汽車[9]多個(gè)領(lǐng)域。試驗(yàn)研究表明，心理聲學(xué)參數(shù)中的響度、尖銳度與人的主觀偏好程度相關(guān)度最大[10]，因此本文針對(duì)響度和尖銳度兩個(gè)典型參數(shù)進(jìn)行柴油機(jī)輻射噪聲聲品質(zhì)的分析。

3.1 響度

響度是反映人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱主觀感受程度的心理聲學(xué)參數(shù)，它考慮了特征頻帶分布和人耳的掩蔽效應(yīng)對(duì)聲音的影響。響度大小取決于聲波振幅的大小，同時(shí)與頻率有關(guān)，能更準(zhǔn)確地反映聲音信號(hào)的響亮程度。噪聲響度值越大，對(duì)人造成的煩惱程度越嚴(yán)重。

定義1 kHz、40 dB純音的響度為1 sone（sone為響度單位），則穩(wěn)態(tài)響度計(jì)算[11]步驟如下：

a.首先獲得單邊功率譜密度函數(shù)，并將以線性頻率單位（Hz）為自變量的功率譜函數(shù)轉(zhuǎn)換成以臨界頻帶單位（Bark）為自變量的函數(shù)。

b. 考慮頻域的掩蔽效應(yīng)，以Bark為單位計(jì)算激勵(lì)級(jí)曲線。

c.計(jì)算特征響度值：

式中，N′(z)是特征響度；ETQ為安靜狀況下聽閾對(duì)應(yīng)的激勵(lì)；EQ為參考聲強(qiáng)(I0=10-12W/m2)對(duì)應(yīng)的激勵(lì)；E是被計(jì)算聲音對(duì)應(yīng)的激勵(lì)。

d. 在0～24Bark范圍內(nèi)對(duì)N′積分，得總響度為：

式中，z為Bark頻率帶。

3.2 尖銳度

尖銳度是首次特征頻帶分布隨指定響度級(jí)變化關(guān)系的加權(quán)，反映了高頻段聲音成分和低頻段聲音成分的比率關(guān)系。人對(duì)聲音的尖銳度感覺主要與窄帶噪聲的中心頻率、帶寬、聲壓級(jí)和頻譜包絡(luò)等因素有關(guān)。尖銳度值越高，聲品質(zhì)越差。

定義中心頻率為1 kHz、帶寬為60 dB的窄帶噪聲的尖銳度值為1 acum（acum是尖銳度單位）。

一般采用臨界頻帶的頻譜響應(yīng)對(duì)總響度加權(quán)計(jì)分的方式計(jì)算尖銳度S′(z)[12]：

式中，N′(z)為特征響度；g(z)為附加系數(shù)，與臨界頻帶值有關(guān)。

4 柴油機(jī)怠速工況輻射噪聲心理聲學(xué)分析

為了客觀地描述柴油機(jī)噪聲信號(hào)響度隨人耳特征頻帶的變化規(guī)律，采用特征響度與特征尖銳度隨臨界頻帶變化歷程來描述不同柴油機(jī)機(jī)型心理聲學(xué)特征變化。在怠速工況下，兩款機(jī)型在測(cè)點(diǎn)1位置處聲音樣本的心理聲學(xué)參數(shù)隨特征頻率變化曲線如圖2所示。進(jìn)一步根據(jù)心理聲學(xué)計(jì)算方法，分別求解兩款機(jī)型在測(cè)點(diǎn)1、2、3、4、5處的響度與尖銳度，計(jì)算結(jié)果如表2所列。

圖2 心理聲學(xué)參數(shù)隨特征頻率變化曲線

表2 兩款機(jī)型心理聲學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表2可知，機(jī)型A的響度及尖銳度明顯大于機(jī)型B，但是特征響度及特征尖銳度隨頻率的不同有所不同（圖2），在臨界頻帶4～5 bark之間可以看到特征響度曲線呈斜向下變化的趨勢(shì)，發(fā)生了掩蔽效應(yīng)中的同時(shí)掩蔽現(xiàn)象，即前面頻帶內(nèi)的聲音將后面頻帶的聲音掩蔽。從兩款機(jī)型的特征響度對(duì)比可以看出，機(jī)型A在整個(gè)臨界頻帶范圍內(nèi)特征響度均大于機(jī)型B，而對(duì)于尖銳度來說，機(jī)型B高頻的特征尖銳度要稍大于機(jī)型A，這表明雖然尖銳度是由響度加權(quán)積分得到的，但是最終的大小不僅與響度值有關(guān)，更與柴油機(jī)噪聲的頻譜分布密切相關(guān)。由圖2a可得，兩款機(jī)型在測(cè)點(diǎn)1附近的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)相差0.5 dB，但響度相差4.66 sone，尖銳度相差0.066 acum，三者數(shù)值大小差異性明顯，即響度、尖銳度將噪聲頻譜結(jié)構(gòu)考慮在內(nèi)，充分考慮了人耳的掩蔽效應(yīng)[13]，比A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)能更好地反映人耳的聽覺差異。

5 柴油機(jī)變工況輻射噪聲心理聲學(xué)分析

因心理聲學(xué)方法描述柴油機(jī)輻射噪聲聲品質(zhì)更加符合實(shí)際情況，故結(jié)合柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行中多工況運(yùn)行特性，針對(duì)恒轉(zhuǎn)矩不同轉(zhuǎn)速工況下兩款柴油機(jī)在測(cè)點(diǎn)1附近心理聲學(xué)特性變化規(guī)律進(jìn)行分析，并分析引起柴油機(jī)聲品質(zhì)差異性的原因。兩款機(jī)型實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍為1 400～2 400 r/min，利用響度與尖銳度計(jì)算方法對(duì)測(cè)點(diǎn)1附近心理聲學(xué)特征響度值及尖銳度值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩款機(jī)型心理聲學(xué)參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

由圖3可看出，兩款機(jī)型的響度隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而遞增，并逐漸趨于穩(wěn)定，這與人的聽閾變化趨勢(shì)一致；兩款機(jī)型的尖銳度隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加呈拋物線變化，這是由于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而引起噪聲中高頻能量的變化而產(chǎn)生的。在整個(gè)轉(zhuǎn)速變化域中，機(jī)型A的響度和尖銳度均大于機(jī)型B，即機(jī)型B的聲學(xué)特性優(yōu)于機(jī)型A，機(jī)型B的噪聲更容易被接受。分析其聲品質(zhì)較好的原因，發(fā)現(xiàn)機(jī)型B的機(jī)體及軸承座處加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)布置方式要優(yōu)于機(jī)型A，這可為機(jī)型A的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支持。

通過傳統(tǒng)聲學(xué)方法分析恒扭矩變轉(zhuǎn)速可知，機(jī)型A聲壓級(jí)整體高于機(jī)型B，結(jié)論難以充分說明兩款機(jī)型聲品質(zhì)的差異性所在。通過心理聲學(xué)分析方法，在轉(zhuǎn)速為1 400～1 700 r/min范圍內(nèi)，兩款機(jī)型響度的差異性顯著，但在1 700～2 300 r/min范圍內(nèi)差異性較小，尤其是在2 100～2 300 r/min時(shí)機(jī)型B響度大于機(jī)型A；對(duì)于尖銳度而言，在整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)兩款機(jī)型的差異性顯著。兩款機(jī)型在不同工況下心理聲學(xué)特征響度與尖銳度變化規(guī)律不一致，僅通過指標(biāo)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)難以評(píng)價(jià)柴油機(jī)輻射噪聲特征，而通過響度、尖銳度等可以描述柴油機(jī)輻射噪聲隨頻率、時(shí)間及工況的不同的變化規(guī)律，一方面說明聲音具有多維度特征，另一方面說明聲音聽起來是否容易接受不是由某一物理變量或心理聲學(xué)變量決定，而是客觀變量的一個(gè)綜合反映。

6 結(jié)束語

以聲品質(zhì)主觀測(cè)評(píng)結(jié)果差異性較大的A、B兩款柴油機(jī)為研究對(duì)象，采用傳統(tǒng)噪聲聲壓級(jí)與心理聲學(xué)理論兩種方法對(duì)比分析兩款機(jī)型在不同的運(yùn)行工況下其輻射噪聲的差異性。研究表明，怠速工況下，兩款機(jī)型特征響度分布均主要集中于中低頻帶3～10 bark區(qū)間內(nèi)，特征尖銳度分布于高頻帶19～22 bark區(qū)間內(nèi)，但A機(jī)型在此區(qū)間內(nèi)響度與尖銳度均高于B機(jī)型，故人耳對(duì)A機(jī)型噪聲更為敏感；恒轉(zhuǎn)矩不同轉(zhuǎn)速工況下，兩款機(jī)型的響度值均隨轉(zhuǎn)速升高而增大，尖銳度值均隨轉(zhuǎn)速呈拋物線性變化，但A機(jī)型響度、尖銳度整體高于B機(jī)型。結(jié)果表明，柴油機(jī)輻射噪聲隨頻率、時(shí)間以及工況的不同的變化規(guī)律，證明柴油機(jī)噪聲具有多維度特征，通過多維度心理聲學(xué)指標(biāo)如響度、尖銳度綜合來描述人耳對(duì)柴油機(jī)聲品質(zhì)的主觀判斷更為合適。

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