基于數(shù)字仿真人工頭測(cè)試的柴油機(jī)聲品質(zhì)分析

馬永兵， 張學(xué)龍， 劉世鋒， 彭慶永

（安徽華菱汽車有限公司，安徽馬鞍山243000）

0 引 言

一直以來針對(duì)商用大功率柴油機(jī)的聲品質(zhì)特性[1-4]的研究比較少，因?yàn)槿藗兏P(guān)注乘用車的聲品質(zhì)。但是隨著生活質(zhì)量的不斷提升，大功率柴油機(jī)的聲品質(zhì)越來越引起人們的注重，特別是駕駛員。針對(duì)大功率柴油機(jī)的聲品質(zhì)研究，目前相關(guān)文獻(xiàn)有限。彭慶永等[5]對(duì)大功率柴油機(jī)的油底殼對(duì)整機(jī)的噪聲影響進(jìn)行了研究，結(jié)論顯示油底殼對(duì)整機(jī)總體噪聲影響較大。張學(xué)龍等[6]對(duì)大功率柴油機(jī)的整機(jī)噪聲進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試與分析，得到了整機(jī)各部分的噪聲貢獻(xiàn)量。本文利用HEAD Acoustic公司的仿真人工頭測(cè)試系統(tǒng)（雙耳信號(hào)采集）及ArtemiS分析軟件對(duì)某大功率柴油機(jī)的聲品質(zhì)進(jìn)行了分析，有助于后續(xù)減振降噪的開發(fā)。

1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程

1.1 測(cè)試對(duì)象

本文試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象為某主機(jī)廠生產(chǎn)的10.5 L大馬力柴油機(jī)，最大功率為450 hp，其試驗(yàn)測(cè)試過程中的安裝狀態(tài)如圖1所示。

圖1 10.5 L大馬力柴油機(jī)

1.2 測(cè)試環(huán)境及設(shè)備

主要測(cè)試設(shè)備如表1所示，本試驗(yàn)選用的聲音采集設(shè)備是HEAD Acoustic公司的仿真人工頭測(cè)試系統(tǒng)（雙耳信號(hào)采集）及ArtemiS分析軟件。人工頭噪聲采集設(shè)備如圖2所示。

表1 主要測(cè)試系統(tǒng)組成

圖2 人工頭噪聲采集設(shè)備

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況

柴油機(jī)運(yùn)行工況達(dá)到國標(biāo)規(guī)定的穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)后開始進(jìn)行噪聲測(cè)試。噪聲樣本采集記錄了所用柴油機(jī)在36個(gè)不同工況點(diǎn)下，柴油機(jī)油泵側(cè)、排氣側(cè)和皮帶輪側(cè)1.8 m處的雙耳穩(wěn)態(tài)噪聲信號(hào)。剔除收到干擾的不穩(wěn)定聲音樣本后，得到了108個(gè)長度為30 s的有效噪聲樣本。測(cè)試工況如表2所示。測(cè)試環(huán)境如表3所示。

表2 測(cè)試工況

表3 測(cè)試時(shí)的環(huán)境狀況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 技術(shù)路線

噪聲測(cè)試處理技術(shù)路線如圖3所示，主要分為4步：1）采集108組柴油機(jī)在不同工況下的噪聲數(shù)據(jù)樣本；2）通過聚類分析選取出9個(gè)代表性樣本，使用語義細(xì)分法進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，利用聲品質(zhì)分析軟件計(jì)算噪聲樣本的客觀參數(shù)，包括響度、尖銳度、粗糙度；3）通過主客觀評(píng)價(jià)回歸分析，得到聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)的預(yù)測(cè)模型；4）分析對(duì)比108組噪聲數(shù)據(jù)的回歸預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖3 主觀噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立流程圖

采用Head Acoustic 設(shè)備能提供“聲品質(zhì)”測(cè)試參數(shù)包括Loudness(響度)、Roughness(粗糙度)、Sharpness(尖銳度)。這些已是國際上柴油機(jī)和汽車行業(yè)一直使用來形容主觀噪聲的客觀測(cè)試參數(shù)。

聲品質(zhì)噪聲指標(biāo)Annoyance Index (AI)定義:

指標(biāo)AI 跟心理聲學(xué)參數(shù)關(guān)系假定是:

AI = a×Loudness + b×Roughness + c×Sharpness 。

確定a、b、c 三個(gè)常數(shù)就能找到主觀噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 聲品質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)

通過柴油機(jī)噪聲樣本的聚類分析，選擇柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取了108組噪聲數(shù)據(jù)中9組作為代表性樣本，進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)打分，通過與客觀參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析后，得到主觀評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型。剩下的99組樣本，通過聲品質(zhì)預(yù)測(cè)模型得到最終的預(yù)測(cè)結(jié)果。主觀噪聲評(píng)價(jià)使用數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 主觀噪聲評(píng)價(jià)使用數(shù)據(jù)

采用語義細(xì)分法來進(jìn)行噪聲的主觀評(píng)價(jià)步驟：1）選擇40名測(cè)試人員，進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)；2）9個(gè)代表性聲音樣本，隨機(jī)排列形成18個(gè)主觀評(píng)價(jià)的聲音樣本；3）各測(cè)試人員比較每對(duì)聲音數(shù)據(jù)；4）最后完成對(duì)9個(gè)代表性樣本的主觀評(píng)價(jià)打分。

在主觀評(píng)價(jià)測(cè)試過程中，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及形容詞釋義如表5所示。依照典型的11等級(jí)進(jìn)行區(qū)分。在噪聲評(píng)價(jià)過程中，對(duì)于每名測(cè)試人員，9個(gè)代表性樣本均被隨機(jī)排序后測(cè)試兩次。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)于每個(gè)樣本兩次測(cè)量結(jié)果誤差超過±2的測(cè)試人員的數(shù)據(jù)認(rèn)為測(cè)試結(jié)果不一致，不一致的測(cè)試人員的結(jié)果將不用于指標(biāo)計(jì)算過程中。最終，得到25份噪聲聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)的有效問卷，如表6所示。

表5 語義細(xì)分法形容詞釋義

表6 主觀評(píng)價(jià)得分結(jié)果

2.3 響度、尖銳度和粗糙度計(jì)算

2.3.1 響度計(jì)算

根據(jù)主觀評(píng)價(jià)得分計(jì)算響度值如表7所示。從表7中的響度計(jì)算結(jié)果可以看出，柴油機(jī)噪聲在排氣側(cè)、皮帶輪側(cè)和油泵側(cè)的響度分布在60～160 sone 范圍內(nèi)，并隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的提高而增加。排氣側(cè)、皮帶輪側(cè)和油泵側(cè)在800 r/min低負(fù)荷時(shí)，響度最小值分別為75.8、64.2、80.5 sone；在1900 r/min滿負(fù)荷時(shí)，響度值最大為154、137、153 sone。

2.3.2 粗糙度計(jì)算

表7 噪聲樣本的響度計(jì)算結(jié)果 sone

表8 噪聲樣本的粗糙度計(jì)算結(jié)果 asper

表9 噪聲樣本的尖銳度計(jì)算結(jié)果 acum

3 聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型

將主觀評(píng)價(jià)得分和客觀參數(shù)結(jié)果帶入公式：

AI=a×Loudness（響度）+b×Roughness（粗糙度）+c×Sharpness（尖銳度）+d。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法和最小二乘法，求得a=0.0165 ,b=－16.48637 , c=0.21818, d=3.61294。

代入數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算，結(jié)果如表10 所示。

表10 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果與預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果間的誤差分析

對(duì)該柴油機(jī)進(jìn)行主觀噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表11所示，轉(zhuǎn)化為云圖結(jié)果如圖4 ～圖6所示。表11和圖4～圖6中的計(jì)算結(jié)果顯示，在柴油機(jī)排氣側(cè)，隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，其噪聲聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)得分值降低，在高轉(zhuǎn)速下尤為明顯。在1400 r/min、50%負(fù)荷處，聲品質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)有一個(gè)極大值。在皮帶輪側(cè)，高負(fù)荷的聲品質(zhì)評(píng)價(jià)明顯低于低負(fù)荷工況，聲品質(zhì)在1600 r/min低負(fù)荷取得極大值。在油泵側(cè)，聲品質(zhì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著負(fù)荷的增加變化不大。

圖4 排氣側(cè)聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)

表11 柴油機(jī)噪聲聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果表

圖5 皮帶輪側(cè)聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)

4 結(jié)論

本文通過對(duì)柴油機(jī)噪聲聲品質(zhì)測(cè)試分析，得出以下結(jié)論：

1）本文采集了108組不同工況下的噪聲數(shù)據(jù)樣本，利用聲品質(zhì)分析軟件計(jì)算了噪聲樣本的客觀參數(shù)（響度、尖銳度、粗糙度）。結(jié)果顯示，響度隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加而增加；尖銳度隨著轉(zhuǎn)速的增加顯著提高，但與負(fù)荷關(guān)系不大；粗糙度與測(cè)試位置有關(guān)。

2）通過40人的評(píng)議團(tuán)，利用語義細(xì)分法對(duì)選取的9個(gè)代表性樣本進(jìn)行了聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，在800 r/min、1400 r/min和1900 r/min3個(gè)工況下測(cè)試得到的9個(gè)代表性樣 本中，聲品質(zhì)評(píng)價(jià)隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加明顯 降低。

3）運(yùn)用多元線性回歸法得到了聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)模型，計(jì)算出主觀評(píng)價(jià)模型的平均誤差為17.53%。分析柴油機(jī)不同工況下的主觀評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果，可以看出，隨著柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增加，排氣側(cè)噪聲聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)得分值降低；在1400 r/min、50%負(fù)荷工況，聲品質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)有一個(gè)極大值。在皮帶輪側(cè)，高負(fù)荷工況下的聲品質(zhì)評(píng)價(jià)得分明顯低于低負(fù)荷工況下的評(píng)價(jià)得分，聲品質(zhì)在1600 r/min低負(fù)荷工況取得極大值。在油泵側(cè)，聲品質(zhì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著負(fù)荷的增加變化不大。

圖6 油泵側(cè)聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)