某大型挖掘機(jī)進(jìn)氣嘯叫聲品質(zhì)問(wèn)題的量化評(píng)價(jià)法

高云凱，楊肇通

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804)

0 前言

NVH研究的三個(gè)層次分別是減振降噪、聲品質(zhì)控制以及聲音設(shè)計(jì)，難度依次遞增[1]。舒適性對(duì)產(chǎn)品附加值的提升與研究的不斷深入促使業(yè)內(nèi)將研究重心從聲振的預(yù)測(cè)控制提高到舒適性的評(píng)價(jià)改善，部分企業(yè)還啟動(dòng)了設(shè)計(jì)聲音等前瞻性研究。自1985年日本工程師提出聲品質(zhì)概念[2]以來(lái)，評(píng)價(jià)體系仍以主觀評(píng)價(jià)為主[1-3]；盡管語(yǔ)義細(xì)分的方法[4]與心理聲學(xué)指標(biāo)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)[5-6]極大增強(qiáng)了主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度，但其原理始終是基于主觀打分的分析與處理，并非真正意義上的客觀評(píng)價(jià)方法，無(wú)法達(dá)到量化評(píng)價(jià)的效果；而且心理聲學(xué)指標(biāo)難以全面描述各種聲品質(zhì)問(wèn)題的特征。量化評(píng)價(jià)方法的缺失增加溝通成本，應(yīng)客觀研究的工程問(wèn)題被矮化為針?shù)h相對(duì)的商務(wù)談判，不斷沖擊上下游企業(yè)的合作關(guān)系。

為準(zhǔn)確描述某大型挖掘機(jī)在負(fù)載升高階段出現(xiàn)“尖叫”的聲品質(zhì)問(wèn)題，并提供切實(shí)的優(yōu)化目標(biāo)，提出聲品質(zhì)的多元量化評(píng)價(jià)方法，降低主觀性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，增加評(píng)價(jià)的學(xué)術(shù)內(nèi)涵，夯實(shí)研究基礎(chǔ)。

1 聲品質(zhì)量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)

具有相同聲壓級(jí)的兩個(gè)聲音可能會(huì)獲得完全不同的主觀聲品質(zhì)評(píng)價(jià)，人耳聽(tīng)覺(jué)物理過(guò)程的非線性是主要原因。基于人耳的非線性特性，心理聲學(xué)提出臨界帶寬指標(biāo)，將聽(tīng)覺(jué)頻域劃分為24個(gè)頻帶(Bark)，同一帶寬內(nèi)，人耳的聽(tīng)覺(jué)感知是相同的。

掩蔽效應(yīng)與延遲效應(yīng)是人耳特性與聲壓信號(hào)最大的區(qū)別。針對(duì)人耳聽(tīng)覺(jué)特殊的非線性靈敏度、掩蔽與延遲效應(yīng)等特性，心理聲學(xué)提出了多項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以更好地反映主觀感受。以響度、尖銳度、粗糙度三項(xiàng)指標(biāo)的最具參考價(jià)值[1][5][6]，分別滿足式(1)、式(2)、式(3)。

(1)

(2)

(3)

(4)

提煉相同聲品質(zhì)問(wèn)題的時(shí)頻特征，結(jié)合優(yōu)化對(duì)比改進(jìn)前后的特征異同，總結(jié)出高頻連續(xù)、低頻延續(xù)、高頻帶寬、能量集中、時(shí)頻連續(xù)、頻率間隔等指標(biāo)。參考聽(tīng)閾等值線掩蔽特性的極小值10 dB，選擇主要聲壓水平向下10 dB為可分辨范圍。以該可分辨區(qū)域?yàn)榛鶞?zhǔn)，在時(shí)頻圖上分別繪制聲壓均值與下聽(tīng)閾兩條等值線。嘯叫問(wèn)題有兩項(xiàng)時(shí)頻指標(biāo)：①高頻帶寬，指高頻頻域的均值線與下聽(tīng)閾線的頻率寬度比；②能量集中，指均值線與下聽(tīng)閾線二者的包絡(luò)面積之比。

2 聲品質(zhì)的多元量化評(píng)價(jià)方法

首先初步確定聲品質(zhì)問(wèn)題指標(biāo)。除心理聲學(xué)指標(biāo)外，從問(wèn)題工況與對(duì)標(biāo)工況歸納合適的時(shí)頻指標(biāo)；其次，確定有效指標(biāo)及其閾值范圍。在繪制聲壓等值線的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)方法與其它工況信號(hào)校核指標(biāo)的有效性，確定有效指標(biāo)的閾值；最后，統(tǒng)計(jì)量化指標(biāo)的分布范圍，通過(guò)歸一化繪制樣本的雷達(dá)圖并結(jié)合描繪的閾值區(qū)間，以做出判斷。其中確定有效指標(biāo)及其閾值范圍是聲品質(zhì)多元量化方法的核心。具體過(guò)程如圖1所示。該方法的主觀評(píng)價(jià)限于爭(zhēng)議很低的存在性問(wèn)題，隔離了文化背景、教育水平與情緒的影響，降低了主觀性。

圖1 多元量化評(píng)價(jià)方法流程圖

2.1 時(shí)頻特征對(duì)嘯叫聲的適用性分析

用鉛覆蓋法簡(jiǎn)易處理進(jìn)氣口，有效改善加速尖叫，并確定該問(wèn)題對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)描述為嘯叫(howling)。嘯叫在結(jié)構(gòu)沖擊、進(jìn)氣等過(guò)程中均有出現(xiàn)；空濾的嘯叫出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速急劇增加的過(guò)程[7][8]，用話筒指向擴(kuò)音器也會(huì)引起該問(wèn)題。圖2為教室麥克風(fēng)朝向音響的時(shí)頻圖，圖3的為某發(fā)動(dòng)機(jī)加速產(chǎn)生的嘯叫及其優(yōu)化。

0圖2的嘯叫出現(xiàn)在1.4 s前后，頻帶約50 Hz，相比周圍聲壓水平嘯叫聲壓明顯較高；圖3顯示嘯叫聲從7 s持續(xù)至10 s，帶寬約40 Hz，聲壓水平很高。優(yōu)化后對(duì)應(yīng)時(shí)間窄帶高聲壓的特征在時(shí)頻圖中消失。初步選擇響度、尖銳度、粗糙度、高頻帶寬、能量集中為嘯叫聲的量化指標(biāo)。

圖2 教室內(nèi)揚(yáng)聲器嘯叫問(wèn)題時(shí)頻圖[9]

圖3 采用1/4波長(zhǎng)管消除嘯叫問(wèn)題[10]

2.2 嘯叫聲品質(zhì)量化與評(píng)價(jià)

在空濾近場(chǎng)附近布置傳聲器，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速快速增加，采集進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲信號(hào)。圖4為問(wèn)題聲信號(hào)的第一次測(cè)量，采集3組問(wèn)題信號(hào)后，在進(jìn)氣系統(tǒng)加裝合適的1/4波長(zhǎng)管，采集3組對(duì)照信號(hào)如圖5所示。

圖4 嘯叫聲品質(zhì)問(wèn)題聲壓信號(hào)與對(duì)應(yīng)時(shí)頻圖

圖5 嘯叫聲品質(zhì)問(wèn)題改進(jìn)后聲壓信號(hào)與對(duì)應(yīng)時(shí)頻圖

分別并處理獲取各次測(cè)量的時(shí)頻圖以及響度、尖銳度曲線與粗糙度曲線，繪制時(shí)頻圖等值線計(jì)算嘯叫聲時(shí)頻指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)量化評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

表1 嘯叫問(wèn)題組與對(duì)照組參數(shù)

依次分析對(duì)照組與問(wèn)題組的各項(xiàng)參數(shù)。嘯叫消失，響度與尖銳度明顯降低，故嘯叫聲響度與尖銳度較高，閾值區(qū)間為201～208 Sone與2.17～2.21 Acum；消除嘯叫高頻帶寬從13%降至8%，能量集中從10%降至2%，對(duì)應(yīng)的閾值區(qū)間分別為7.59%～13.33%與2.03%～8.64%。響度、尖銳度、高頻帶寬、能量集中4項(xiàng)指標(biāo)為嘯叫的量化指標(biāo)。

3 多元量化評(píng)價(jià)方法的檢驗(yàn)與應(yīng)用

3.1 閾值區(qū)間的置信分析

表2 嘯叫聲品質(zhì)問(wèn)題指標(biāo)秩和檢驗(yàn)

表2為表1的秩和檢驗(yàn)結(jié)果。查表[14]，n=m=3對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵范圍是[6,13]，故判定響度、尖銳度、高頻帶寬、能量集中4項(xiàng)指標(biāo)的能夠有效區(qū)分嘯叫聲問(wèn)題。

3.2 多元量化評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用

控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速均勻提升至6檔后加快掛擋速度直至第23檔以復(fù)現(xiàn)嘯叫問(wèn)題并驗(yàn)證評(píng)價(jià)方法。圖6為控制工況時(shí)域聲壓信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)頻圖信號(hào)，噪聲的時(shí)頻特征在11 s變化明顯，與操作手收到的指示內(nèi)容一致，轉(zhuǎn)速變化率在11 s開(kāi)始增加并達(dá)較高水平。

圖6 工況聲壓信號(hào)與時(shí)頻圖

表3為快速加速時(shí)間統(tǒng)計(jì)與對(duì)應(yīng)聲品質(zhì)參數(shù)。由于量化分析指標(biāo)的分布范圍廣泛，各項(xiàng)指標(biāo)的分布、單位、量級(jí)均存在較大差異：三大心理聲學(xué)指標(biāo)的單位各異，頻率間隔、高頻帶寬與能量集中為無(wú)量綱參數(shù)；響度值與時(shí)頻指標(biāo)的量級(jí)差距高達(dá)104，故引入歸一化與雷達(dá)圖以更清晰地比較量化指標(biāo)。

表3 快速加速階段聲品質(zhì)參數(shù)

以最小值與最大值為基準(zhǔn)，將表1各項(xiàng)指標(biāo)分別投影至[0.2, 1.0]進(jìn)行線性插值；反向關(guān)聯(lián)的指標(biāo)則反向投影，超出范圍即取超出方向的極值。保留粗糙度統(tǒng)計(jì)，增加此方法的適用性。響度的極小值與極大值分別為181.35 Sone與226.49 Sone，分別對(duì)應(yīng)無(wú)量綱響度0.2與1.0。經(jīng)計(jì)算，無(wú)量綱響度指標(biāo)如表4所示。

表4 無(wú)量綱響度指標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程

采用相同方法處理其他指標(biāo)，圖7左側(cè)雷達(dá)圖為換算結(jié)果，嘯叫聲可以通過(guò)響度、尖銳度、高頻帶寬與能量集中進(jìn)行區(qū)分，指標(biāo)在閾值區(qū)間上限以上，可認(rèn)定存在對(duì)應(yīng)聲品質(zhì)問(wèn)題。

采用相同歸一算法轉(zhuǎn)換表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果并與閾值區(qū)間比較(圖7b)，主要指標(biāo)均高于閾值上限，說(shuō)明存在嘯叫問(wèn)題，與現(xiàn)場(chǎng)感受一致；該多元量化評(píng)價(jià)法可以識(shí)別嘯叫，該方法流程穩(wěn)定、結(jié)果可復(fù)現(xiàn)，評(píng)價(jià)結(jié)論明確且具有說(shuō)服力。聲品質(zhì)多元量化評(píng)價(jià)方法遵循從特殊到一般的數(shù)學(xué)歸納原理，在心理聲學(xué)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，引入同類聲品質(zhì)問(wèn)題的時(shí)頻圖，提煉共有的特征，基于聲學(xué)原理提出計(jì)量方法，采用多組聲品質(zhì)問(wèn)題優(yōu)化前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合置信驗(yàn)證各指標(biāo)的閾值區(qū)間，從而能夠用于評(píng)價(jià)其他測(cè)試結(jié)果。對(duì)照組的數(shù)據(jù)越多，閾值區(qū)間的劃分與評(píng)價(jià)結(jié)論就越明確。

圖7 嘯叫聲品質(zhì)評(píng)價(jià)基準(zhǔn)及其控制工況驗(yàn)證

4 結(jié)論

針對(duì)聲品質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果受主觀性影響較大的問(wèn)題，提出的多元量化的評(píng)價(jià)方法，能夠提高評(píng)價(jià)過(guò)程的穩(wěn)定性并獲取明確的評(píng)價(jià)結(jié)果。引入心理聲學(xué)與時(shí)頻指標(biāo)評(píng)價(jià)嘯叫，經(jīng)秩和分析，響度、尖銳度、高頻帶寬與能量集中四項(xiàng)指標(biāo)有效。應(yīng)用控制工況檢驗(yàn)，該評(píng)價(jià)方法流程穩(wěn)定、結(jié)論明確、可重復(fù)。隨意性較大的商業(yè)談判口徑得以轉(zhuǎn)化為物理意義明確的工程目標(biāo)，減少溝通成本、提高研發(fā)效率，具備學(xué)術(shù)意義與巨大的商業(yè)價(jià)值，可進(jìn)一步擴(kuò)展評(píng)價(jià)其它聲品質(zhì)問(wèn)題。