乘用車關門聲品質風格劃分評價研究

王政欽 畢錦煙 黃濤 涂梨娥

（1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434；2.武漢理工大學，現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070）

主題詞：關門聲 聲品質 主觀評價 風格劃分 預測模型

1 前言

乘用車關門聲品質研究的核心在于將主觀化的情感通過科學的手段轉變成工程語言用于產(chǎn)品開發(fā)。隨著關門聲品質正向開發(fā)研究的深入，聲品質評價（偏好分預測）模型作為性能預測和指導設計的手段也越來越受到重視[1-4]。

目前，關門聲品質偏好分預測模型的研究主要集中在針對主觀感受提出客觀評價指標，建立預測模型。范瑋等[5]采用系列范疇法組織主觀評價試驗，獲得了汽車關門聲品質的主觀評價術語，為聲品質偏好分模型的建立提供了主觀評價試驗基礎。Malen等[6]將汽車關門聲信號的客觀屬性與主觀評價人員的偏好進行相關性分析，發(fā)現(xiàn)聲信號的高頻成分占比與主觀偏好具有強相關性。隨著汽車關門聲品質研究的不斷深入，對其的客觀量化研究取得了大量成果。烏靜等[7]發(fā)現(xiàn)關門聲信號中峰值越少、功率譜密度集中時間越短，其主觀評價結果越好。楊川等[8]將時頻分析方法用于關門聲品質客觀特征研究，基于偽分布和臨界頻率帶小波分解提出了聲品質客觀評價指標。Hoechstetter[9]研究發(fā)現(xiàn)“尖銳度持續(xù)時間”與沖擊聲音品質強相關。現(xiàn)有的聲品質主、客觀評價模型研究主要針對品質感總體評分開展，但在主觀評價中，出現(xiàn)了評審人員對兩種頻譜特征迥異的關門聲給出近似評分的情況，所以無法從單一維度上有效描述關門聲信號的時頻特性，即無法識別出整車關門聲風格上的差異性。

本文通過收集用戶對關門聲品質關鍵詞的定義和商品性對其的定義，運用語義細分法和成對比較法對關門聲品質進行主觀評價，使用主成分分析法提煉出強相關的主觀評價指標，與心理聲學參量（尖銳度積分、響度能量比、響度能量變化率、響度變化時間）關聯(lián)，提出基于風格劃分的關門聲品質預測模型。

2 乘用車關門聲樣本采集

乘用車關門沖擊聲樣本采集試驗在背景噪聲為25.6 dB 的整車轉鼓半消聲室進行，試驗選用10 輛關門聲品質感從差到好均勻分布的乘用車，采用雙耳人工頭采集關門聲音信號，試驗對象和設備如表1和表2所示。

表1 試驗對象

表2 試驗設備

將雙耳人工頭正對車身布置于整車坐標系的固定位置處；光電關門速度儀布置在外開手柄附近，保證其信號發(fā)生器能夠順利通過關門速度感應器；試驗車輛進行關門試驗的側面與轉鼓半消聲室墻面的距離大于4 m，車輛整車狀態(tài)良好，各門車窗關閉，關門過程環(huán)境無異響。試驗現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 試驗測試現(xiàn)場

為避免關門過程中其他聲音的干擾，車門以1.2 m/s的速度關閉，完成關門動作后保持靜止直至當次采集結束。重復以上步驟，直至獲得3組一致性較高的數(shù)據(jù)。

3 乘用車關門聲品質主觀評價

3.1 主觀評價術語的確定

目前，針對汽車關門聲品質的主觀評價研究成果中，提出了大量的關門聲品質主觀評價術語，如“昂貴的”“有力的”“鳴鈴聲”“二次沖擊聲”和“咔嗒聲”“音響渾厚度”等[10-12]?；诂F(xiàn)有研究成果，結合市場用戶需求調研結果，最終提取主觀評價術語為品質感、轟鳴感、金屬感、延時感、振顫感，用于基于語義細分法的乘用車關門主觀評價試驗。通過本次實車評價，初步判斷上述主觀評價術語的適用性，為正式主觀盲評提供試驗依據(jù)。

主觀評價采用10分制打分法，結果如表3所示。

表3 實車主觀評價結果 分

由表3可知，打分最高的2個車型為V6和V10。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩者的頻譜能量分布差異較大，V6低頻（500 Hz以下）能量更為突出，且延時較長，而V10整體延時較短，且高頻能量較V6突出明顯，如圖2所示。主觀感受V6表現(xiàn)偏厚重、沉穩(wěn)、豪華，而V10偏干脆、明亮、辨識度高。風格迥異的2個關門聲在主觀評審中打分接近，且4個細分主觀評價指標打分各有差異。因此，為了提高預測精度，需要在模型搭建中添加風格類主觀評價指標。

圖2 V6與V10關門聲小波頻譜

為了補充風格類關門聲主觀評價指標，經(jīng)過市場調研，總結出豪華感、時尚感，與前序實車主觀評價得出的品質感、轟鳴感、金屬感、延時感和振顫感共同作為主觀評價術語。

3.2 主觀評價試驗

主觀評價試驗采用聲音樣本回放的方式進行，正式評價前對回放設備進行校準以保證評審人員能聽到最真實的聲音信號，并對回放樣本進行預處理，避免由于信號采集時間不同帶來的主觀差異，影響評價結果先選取時域上聲壓信號峰值（Peak）前0.6 s 和后1.0 s 時間段，組成1.6 s 聲信號，再對此聲信號前、后進行余弦加窗、消除噪聲處理，得到主觀評價樣本。

聲信號的回放設備采用RME Fireface UC 聲卡、森海塞爾HD650高保真回放耳機以及Head Acoustic 低頻音箱（用于補償100 Hz 以下頻段音頻），有效保證了評價環(huán)境與實際評價環(huán)境的一致性。主觀評價在整車半消聲室完成，試驗回放現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 乘用車關門聲主觀評價試驗現(xiàn)場

本次評價試驗基于語義細分法和成對比較法開展：語義細分法主觀評價試驗中，評審人員反復收聽聲音信號，分別對提取的各主觀評價術語進行10分制評分；成對比較法試驗中，評審人員反復收聽2 組聲音信號，并選取偏好的聲樣本。為保證評價結果的可信度，試驗基于職業(yè)、性別、年齡、有無駕駛經(jīng)驗和有無聲學評價經(jīng)驗等因素均勻分布的原則，最終選取了42 位評審人員進行試驗。

3.3 主觀評價結果檢驗與分析

對于語義細分法的主觀評價結果，需要對無效結果進行剔除。采用四分位距和杜凱氏測試篩選無效數(shù)據(jù)，3 位評審員的結果被剔除。有效數(shù)據(jù)結果經(jīng)過歸一化處理后如表4所示。

表4 部分乘用車關門聲品質語義細分法評價結果 分

將評價結果相互關聯(lián)計算相關性，表4中各項細分主觀感覺與品質感相關系數(shù)（R2）均高于0.80。因此通過語義細分法評價結果提取出轟鳴感、金屬感、延時感、振顫感、豪華感和時尚感為與品質感強相關聯(lián)的主觀評價指標。

對于成對比較法評價結果，需要檢驗數(shù)據(jù)重復率和一致性來剔除無效結果。重復率表示篩選兩個評價樣本調換評價順序后結果的重復程度，一致性表示篩選兩對評價樣本隨機組合后結果邏輯上的一致程度。為了保證評價結果的可靠性，有效數(shù)據(jù)量應超過30份，因此本次試驗選取了重復率大于70%、一致性大于68%的共計31 份有效評價結果。同時采用Bradley-Terry 模型，將成對比較法的有效評價結果數(shù)據(jù)通過計算轉化為偏好分（Merit），其中0 分表示最不偏好，10 分表示最為偏好。根據(jù)模型計算公式，最終得到關門聲品質偏好分計算結果如表5所示。

表5 成對比較法的關門聲偏好分計算結果 分

將成對比較法和語義細分法的結果進行趨勢對比分析，結果表明，這兩種評價方法的評價趨向走勢相近，有效保證了主觀評價結果的可靠性。

3.4 風格類主觀指標確定

針對語義細分法多維度的主觀評價結果，用主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）法挑選風格類主觀指標。對進行數(shù)據(jù)的主成分分析提取，并將提取的組元與各項主觀指標進行相關性分析，結果如表6和表7所示。

表6 主成分分析結果

表7 主成分與各項主觀感受的相關系數(shù)R2結果

基于PCA 結果，提取特征根值大于1 的2 個主元，即第一主元和第二主元。當2 個主元累計方差大于80%，可認為第一主元和第二主元基本能夠表征該數(shù)據(jù)所有特征。在PCA 結果中，關門聲主觀感知屬性豪華感的權重系數(shù)在第一主元中最高，且第二主元中的最高權重指標是時尚感。因此，可認為第一主元為“豪華”系列，第二主元為“時尚”系列，即可將關門聲劃分為“豪華型”和“時尚型”兩類風格。

4 乘用車關門聲品質客觀量化研究

4.1 風格分類主觀結果關聯(lián)性分析

基于評價結果數(shù)據(jù)的相關性分析可知，豪華感與轟鳴感、金屬感和振顫感關聯(lián)性高（R2＞0.8），時尚感與金屬感和延時感關聯(lián)性較高，如表8所示。

表8 評價結果相關系數(shù)

基于相關性分析結果，得到關門聲音品質感風格劃分的整體評價模型，如圖4所示。

圖4 風格劃分關門聲品質模型

由表4可知，在參與評價的車輛中，V6為豪華感車型的代表，V10為時尚感車型的代表。首先將“豪華”和“時尚”主觀評價結果與關門聲總分“偏好得分”關聯(lián)，采用多元線性回歸分析，得到回歸方程為：

式中，vi為偏好得分；L為豪華感得分；F為時尚感得分。

回歸方程的R2達到0.80 時，即認為方程能夠滿足聲品質偏好性預測精度要求。

由表8可得到描述風格類指標的細分指標，基于多元回歸分析可得回歸方程為：

式中，B為轟鳴感得分；M為金屬感得分；R為振顫感得分；D為延時感得分。

分析上述關系式可知：轟鳴感分值越高、金屬感和振顫感分值越低，則豪華感越強；延時感分值越低、金屬感分值越高，則時尚感越強。

4.2 基于風格劃分的關門聲品質預測模型

針對金屬感、轟鳴感、振顫感和延時感4 個細分的關門聲主觀感知屬性，對應提出了聲品質客觀指標，并進行了相關性分析，結果如表9所示。

表9 聲品質客觀評價指標

基于上述聲品質客觀指標，與主觀結果進行逐步多元線性回歸，回歸模型的可決系數(shù)R2=0.96，保證了模型預測精度，得到預測模型如圖5所示。

圖5 風格劃分關門聲品質預測模型

主觀偏好得分與預測結果如圖6所示，預測結果基本一致。

圖6 樣本內關門聲品質預測走勢

4.3 模型精度驗證

為了驗證模型精度改善效果，本文基于樣本內10輛乘用車以及樣本外3輛乘用車的關門聲數(shù)據(jù)，對比了不同模型的預測精度。

將風格類主觀指標排除后，通過相同的關聯(lián)方法組合出2個精度較高的預測模型，如圖7所示。

對比圖7 和圖5 中3 個模型的R2可知，相比于模型A和模型B，風格劃分模型在樣本內的預測精度分別提高了18.5%和6.7%。

對于樣本外精度驗證車輛信息如表10所示。

對上述乘用車的關門聲進行主觀評價，其語義細分法結果如表11所示。

圖7 傳統(tǒng)劃分類預測模型

表10 模型驗證對象乘用車

表11 模型驗證對象乘用車主觀評價結果 分

將樣本外3 輛乘用車客觀數(shù)據(jù)代入模型A、模型B以及風格劃分模型進行預測，結果如表12所示。表11中模型A、模型B和風格劃分模型評價結果的R2分別為0.57、0.59 和0.80，相比于模型A 和模型B，風格劃分模型在樣本外的預測精度分別提高了40.3%和35.6%，驗證了風格劃分模型的精度改善效果。

表12 各模型預測結果 分

5 結束語

本文通過關門聲品質主、客觀試驗與分析，展開關門聲品質主觀偏好性風格劃分的客觀量化研究，將關門聲品質感劃分為豪華和時尚兩類風格通過關門聲樣本的時頻特性分析，針對主觀感受豪華感和時尚感，運用多個客觀評價指標進行描述，實現(xiàn)了兩類主觀感受的客觀量化。驗證結果表明，基于關門聲品質風格劃分的預測模型預測精度較傳統(tǒng)預測模型顯著提高。