基于聲品質(zhì)的直升機(jī)艙內(nèi)典型降噪措施分析

鄧云云，陳克安，王 雪，張 珺

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院 環(huán)境工程系，西安710072）

直升機(jī)艙內(nèi)突出的噪聲問題嚴(yán)重地影響了乘坐舒適性[1]，進(jìn)行直升機(jī)艙內(nèi)降噪十分迫切。現(xiàn)有研究多集中于直升機(jī)振動(dòng)控制方面，從聲品質(zhì)的角度分析直升機(jī)艙內(nèi)降噪措施方面仍少有研究。傳統(tǒng)的直升機(jī)艙內(nèi)噪聲研究，一般以等效連續(xù)A 聲級(jí)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，雖然它在一定程度上建立了人耳感知與客觀聲壓級(jí)之間的聯(lián)系[2]，但仍不符合人們的期望。近年來迅速發(fā)展的聲品質(zhì)技術(shù)已從樂器、廳堂音質(zhì)等領(lǐng)域拓展到車輛、飛機(jī)、交通噪聲等領(lǐng)域[3-8]，從聲品質(zhì)的角度研究直升機(jī)艙內(nèi)噪聲已勢(shì)在必行。

目前大部分針對(duì)噪聲聲品質(zhì)的研究均是通過針對(duì)不同產(chǎn)品分析其噪聲特性、進(jìn)行聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)、通過客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)解釋聲品質(zhì)主觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果、建立聲品質(zhì)模型這樣的流程來進(jìn)行的[5-6]。但是少有人研究過針對(duì)直升機(jī)的各種降噪措施與噪聲聲學(xué)特征參量及心理聲學(xué)參量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在綜合考慮直升機(jī)艙室降噪設(shè)計(jì)和聲品質(zhì)評(píng)價(jià)方面的研究基本處于空白。本文利用直升機(jī)艙內(nèi)噪聲聲品質(zhì)評(píng)價(jià)模型對(duì)不同典型降噪措施進(jìn)行多角度分析，尋找影響聲品質(zhì)的各種因素。

首先通過主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析獲得可靠的直升機(jī)艙內(nèi)噪聲煩惱度評(píng)價(jià)結(jié)果，并通過多元線性回歸構(gòu)建聲品質(zhì)預(yù)測(cè)模型，接下來利用ODEON 軟件獲得直升機(jī)艙內(nèi)添加12 種典型降噪措施情況下的雙耳可聽聲信號(hào)，最終從不同角度對(duì)典型降噪措施的效果進(jìn)行測(cè)評(píng)并對(duì)比分析，獲得最優(yōu)的典型降噪措施。

1 主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)及煩惱度建模

1.1 聲樣本

為了獲得具有代表性的直升機(jī)艙內(nèi)噪聲樣本，本文選取三種型號(hào)的直升機(jī)，分別為機(jī)型A、B和C，其艙內(nèi)噪聲均為實(shí)測(cè)。機(jī)型A 選取了8 個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，模擬乘客坐在座位上雙耳的高度，機(jī)型B選取了8 個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，機(jī)型C 選取了15 個(gè)測(cè)點(diǎn)。分別在不同工況下進(jìn)行采集，共獲得了87個(gè)聲樣本。對(duì)于穩(wěn)態(tài)噪聲，一般情況下，用于主觀評(píng)價(jià)的樣本時(shí)長(zhǎng)為5 s較為合適，因此將所有聲樣本截取為5 s的片段，并進(jìn)行時(shí)頻分析。87個(gè)聲樣本與機(jī)型工況的對(duì)應(yīng)如表1所示。

表1 樣本序號(hào)分布情況

1.2 主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

目前，使用煩惱度作為中低強(qiáng)度穩(wěn)態(tài)噪聲作用下人群心理感知的描述詞已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可[9-10]，本文選擇參考評(píng)分法獲取直升機(jī)艙內(nèi)噪聲煩惱度評(píng)價(jià)值。此外，預(yù)實(shí)驗(yàn)表明，選擇9級(jí)評(píng)價(jià)尺度（如表2所示）較為合適。

煩惱度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中選取87 個(gè)噪聲樣本進(jìn)行。招募24 位被試，均為在校大學(xué)生以及研究生，年齡在20～30歲之間，男女比例為5:7。所有被試的耳科狀況均正常，測(cè)試期間無感冒不適等癥狀。

實(shí)驗(yàn)前由主試講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒘鞒獭⒆⒁馐马?xiàng)等，并選取具有代表性的16 個(gè)聲樣本播放給被試，進(jìn)行評(píng)價(jià)人員訓(xùn)練。在正式實(shí)驗(yàn)時(shí)，將所有聲樣本隨機(jī)排序，將87對(duì)聲音重復(fù)播放兩次，一共進(jìn)行174次參考評(píng)分。每次評(píng)價(jià)時(shí)間控制在20 min 以內(nèi)，休息10 min 后繼續(xù)。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行1.5 h。實(shí)驗(yàn)通過問卷星軟件進(jìn)行，在手機(jī)端作答。

1.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)回收的24 份問卷從以下四個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，分析結(jié)果如圖1所示。

（1）聚類分析。首先對(duì)被試評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，除21 號(hào)和24 號(hào)被試各自為一類之外，其余被試均聚為一類，說明21號(hào)和24號(hào)被試在進(jìn)行煩惱度評(píng)分時(shí)可能采用了與大多數(shù)人不同的策略，因此予以剔除。

（2）評(píng)價(jià)范圍。若某個(gè)被試對(duì)所有聲樣本的兩次評(píng)分結(jié)果均在3～7 之間，則認(rèn)為該被試在評(píng)價(jià)過程中沒有采用與其他人一致的評(píng)價(jià)尺度，因此評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)無效，予以剔除。經(jīng)檢驗(yàn)，24 名被試中只有21號(hào)被試不符合要求，予以剔除。

（3）誤判分析。對(duì)經(jīng)聚類分析剔除后的被試評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤判分析。4、5、7、15號(hào)被試的誤判率大于0.35，因此剔除該被試。剔除后的平均誤判率為0.19，數(shù)據(jù)可信度較高。

（4）相關(guān)分析。對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)者兩次評(píng)價(jià)結(jié)果做相關(guān)分析，大部分被試評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)都較高，說明大部分評(píng)價(jià)者在評(píng)價(jià)過程中評(píng)價(jià)尺度相對(duì)穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)中，一般要求相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6，因此將3號(hào)被試剔除。剔除后平均相關(guān)系數(shù)0.71，數(shù)據(jù)可信度較高。

剔除無效被試后，最終共獲得17名有效被試煩惱度評(píng)價(jià)結(jié)果。繪制了煩惱度評(píng)分的均值圖，如圖1所示。從整體來看，煩惱度評(píng)分機(jī)型C＞機(jī)型A＞機(jī)型B。機(jī)型A 不同工況的煩惱度評(píng)分比較接近，各個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同工況下變化比較一致；機(jī)型B 的巡航工況煩惱度評(píng)分比較低，開車工況評(píng)分稍高，懸停工況評(píng)分差距比較懸殊；機(jī)型C只有巡航工況，評(píng)分較為平均。

圖1 煩惱度評(píng)分均值

表2 煩惱度9級(jí)評(píng)價(jià)尺度

1.4 煩惱度模型

根據(jù)飛機(jī)噪聲煩惱度影響因素分析結(jié)果[11]，選取響度（用L表示）、尖銳度（用S表示）、粗糙度（用R表示）、波動(dòng)強(qiáng)度（用FL表示）為自變量。以被試的煩惱度得分均值為因變量，采用多元線性回歸方法建立了直升機(jī)艙內(nèi)噪聲煩惱度的多元線性回歸模型。取所有聲樣本煩惱度評(píng)分均值的80%用于實(shí)驗(yàn)，20%用于檢驗(yàn)。煩惱度得分的多元線性回歸模型見式（1）。

式中：Aols——煩惱度；L——響度；S——尖銳度；R——粗糙度；FL——波動(dòng)強(qiáng)度。

方程的可決系數(shù)R2為0.865，相對(duì)誤差為6.8%，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.481，說明模型準(zhǔn)確度很高，回歸方程能較好地解釋因變量。計(jì)算四個(gè)自變量所占權(quán)重分別為：86.3%、0.72%、8.92%、4.06%，它們與煩惱度評(píng)分的相關(guān)系數(shù)分別為：0.998 8、0.245 5、0.635 1、0.625 7，可以看出響度是影響煩惱度評(píng)分最重要的因素，其次是粗糙度和波動(dòng)強(qiáng)度，而尖銳度對(duì)煩惱度評(píng)分的影響很小。

將預(yù)留的煩惱度主觀評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，與通過多元模型計(jì)算的煩惱度數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證煩惱度模型。實(shí)驗(yàn)真值和模型預(yù)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)為0.929 8，說明這個(gè)模型對(duì)于不同工況、不同機(jī)型的直升機(jī)艙內(nèi)噪聲具有較好的有效性和適用性。

2 直升機(jī)模擬艙內(nèi)聲場(chǎng)仿真及可聽化

2.1 模擬艙聲場(chǎng)仿真及可視化

為了實(shí)現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)的聲場(chǎng)仿真，本文利用聲線跟蹤法[12-14]進(jìn)行模擬艙內(nèi)不同降噪措施條件下的聲場(chǎng)計(jì)算，采用的軟件為以聲線跟蹤法為核心算法的ODEON。在進(jìn)行艙內(nèi)聲信號(hào)可聽化時(shí)，采用直升機(jī)實(shí)測(cè)噪聲為干信號(hào)（即初始源信號(hào)）。首先使用ODEON 自帶的房間編輯器完成直升機(jī)模擬艙的模型建立。聲源被設(shè)置在直升機(jī)模擬艙頂部中心位置，距離艙內(nèi)天花板0.05 m，聲源類型為單極子聲源，指向性為-90°（垂直向下）以此來模擬直升機(jī)的主要噪聲來源——螺旋槳。設(shè)置8 個(gè)接收點(diǎn)，聲源和接收點(diǎn)位置示意圖如圖2所示。

ODEON 軟件的材料聲學(xué)屬性均通過倍頻程上的吸聲系數(shù)來體現(xiàn)，倍頻程范圍為63 Hz～8 kHz。根據(jù)模擬艙的實(shí)際情況對(duì)材料作以下默認(rèn)設(shè)置：將駕駛室前方的5個(gè)面和側(cè)面的4個(gè)窗戶設(shè)置為玻璃；將地板設(shè)置為木質(zhì)地板。

圖2 聲源及接收點(diǎn)位置示意圖（點(diǎn)1～8為接收點(diǎn)，點(diǎn)P1為聲源）

選取阻尼材料、吸聲材料、吸聲結(jié)構(gòu)這三大類無源降噪措施，并選擇ODEON 材料庫中較為常見且吸聲系數(shù)在不同頻段各不相同的12 種典型降噪措施，以用于敷設(shè)在模擬艙天花板以及其余壁面，并分別計(jì)算直升機(jī)模擬艙雙耳脈沖響應(yīng)（BRIR）。材料設(shè)置如表3所示。

表3 典型降噪措施材料設(shè)置

各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置完成后，經(jīng)過計(jì)算可得到12種不同降噪措施條件下的直升機(jī)模擬艙雙耳脈沖響應(yīng)（BRIR）。然后將得到的模擬艙雙耳脈沖響應(yīng)與實(shí)測(cè)的直升機(jī)噪聲信號(hào)進(jìn)行卷積，從而實(shí)現(xiàn)可聽聲信號(hào)的合成。

2.2 模擬艙聲場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取模擬艙的地面開車狀態(tài)作為測(cè)量工況，并選取較容易獲取的8 號(hào)措施作為驗(yàn)證，即2.5 cm 厚的吸聲棉，其倍頻程吸聲系數(shù)與仿真所設(shè)置的相同。并分別在不添加吸聲棉和添加吸聲棉的情況下進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)的8個(gè)測(cè)點(diǎn)位置與收集噪聲樣本時(shí)保持相同，獲得了16個(gè)聲樣本。

對(duì)采集到的聲樣本進(jìn)行分析，然后將不添加吸聲棉情況下模擬艙內(nèi)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的聲樣本作為干信號(hào)與文中得到的8號(hào)措施情況下的模擬艙雙耳脈沖響應(yīng)進(jìn)行卷積，從而得到了雙耳可聽聲信號(hào)。其中四個(gè)測(cè)點(diǎn)的倍頻程A聲級(jí)仿真預(yù)測(cè)值和實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比如圖3所示。

由圖3可以看出，在各個(gè)測(cè)點(diǎn)上，仿真預(yù)測(cè)值和實(shí)際測(cè)量值的倍頻程A 聲級(jí)在250 Hz 以下頻段內(nèi)誤差較大，最大誤差達(dá)6.15 dB(A)（在31.5 Hz 處產(chǎn)生），原因在于ODEON軟件是以聲線跟蹤法為核心算法的，而根據(jù)模擬艙的大小估算，該方法的適用頻段為250 Hz～8 kHz[15]。而在250 kHz～8 kHz 頻段內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的誤差均在2 dB(A)以內(nèi)，準(zhǔn)確性很高。總的來說，ODEON 軟件的預(yù)測(cè)精度較高，在中高頻段適用于直升機(jī)艙內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)，在低頻段誤差也可接受，可以進(jìn)行下一步分析。

基于上述分析，采用三種直升機(jī)機(jī)型在巡航工況下實(shí)測(cè)的噪聲作為干信號(hào)，將干信號(hào)分別與12種不同典型降噪措施條件下的雙耳脈沖響應(yīng)進(jìn)行卷積，最終獲得了三種直升機(jī)機(jī)型巡航工況下，12種不同降噪措施條件的36段直升機(jī)艙內(nèi)可聽聲信號(hào)，以用于后續(xù)分析。

3 結(jié)果與分析

下面分別從線性計(jì)權(quán)聲級(jí)、A計(jì)權(quán)聲級(jí)、心理聲學(xué)參量及煩惱度評(píng)分這4個(gè)角度詳細(xì)討論直升機(jī)艙內(nèi)不同典型降噪措施對(duì)聲品質(zhì)的優(yōu)化效果。

3.1 線性計(jì)權(quán)聲級(jí)和A計(jì)權(quán)聲級(jí)

首先計(jì)算了三種機(jī)型在12 種典型降噪措施情況下的線性計(jì)權(quán)等效連續(xù)聲級(jí)和A計(jì)權(quán)等效連續(xù)聲級(jí)。圖4所示為12種典型降噪措施的倍頻程吸聲系數(shù)柱狀圖。

降噪前后對(duì)比結(jié)果如圖5所示，其中虛線為降噪前聲樣本的聲級(jí)。結(jié)合圖4和圖5可知：

①線性計(jì)權(quán)聲級(jí)：三種機(jī)型規(guī)律一致，12 號(hào)措施效果最好，3號(hào)措施效果最差，5、6、9、12號(hào)措施均在低頻段（125 Hz 以下）具有較好的吸聲能力（吸聲系數(shù)均高于0.4），而其他措施在低頻段吸聲性能均不優(yōu)秀，由此可以得出結(jié)論：低頻吸聲性能良好的材料對(duì)線性計(jì)權(quán)聲級(jí)的降噪效果明顯。

②A計(jì)權(quán)聲級(jí)：對(duì)于機(jī)型A、B來說，5號(hào)措施的降噪量最大，但與2號(hào)和11號(hào)措施差別很小；3號(hào)措施的降噪量最小，可能是由材料自身特性引起的。對(duì)于機(jī)型C 來說，12 號(hào)措施的降噪量最大而1 號(hào)措施效果最差，原因在于12 號(hào)為穿孔板，屬于吸聲結(jié)構(gòu)類，因此對(duì)線譜多的機(jī)型C效果顯著；且機(jī)型C機(jī)艙結(jié)構(gòu)可能與機(jī)型A、B不同，因此規(guī)律不同。由此可得出結(jié)論：不同頻段的吸聲能力高低對(duì)于A 計(jì)權(quán)聲級(jí)來說影響不大，總體來說在中低頻吸聲性能好的材料降噪量更高一些，影響A 計(jì)權(quán)聲級(jí)的主要因素為材料自身特性和直升機(jī)艙內(nèi)噪聲特性。

3.2 心理聲學(xué)參量及煩惱度

下面根據(jù)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，分析12種典型降噪措施對(duì)各心理聲學(xué)參數(shù)及煩惱度的影響。使用雙耳煩惱度的算數(shù)平均值作為最終的噪聲煩惱度值。

圖3 仿真預(yù)測(cè)值和實(shí)際測(cè)量值的倍頻程A聲級(jí)對(duì)比

圖4 典型降噪措施倍頻程吸聲系數(shù)

表4至表6分別展示了機(jī)型A、B、C降噪前后的心理聲學(xué)參數(shù)及煩惱度差值。

分析表4可知：①12 號(hào)措施對(duì)機(jī)型A 煩惱度的改善效果最好，3號(hào)措施對(duì)煩惱度的改善效果最差。②可以看出，煩惱度的改善效果基本由響度決定的，雖然降噪后使得尖銳度、粗糙度有所上升，會(huì)導(dǎo)致煩惱度提高，但幅度較小，總體還是降低了煩惱度。③對(duì)照各種措施的吸聲系數(shù)，發(fā)現(xiàn)并不完全是吸聲能力越好的措施其聲品質(zhì)改善效果就越好，雖然大致相符，但是材料自身特性影響更大。

從表5可看出，12 種典型措施對(duì)機(jī)型B 煩惱度的改善規(guī)律與機(jī)型A 大致相似，略有不同。12 號(hào)措施的煩惱度改善效果最好，3號(hào)措施的煩惱度改善效果最差；但9 號(hào)措施對(duì)機(jī)型B 的效果比對(duì)機(jī)型A 的更好。

圖5 降噪前后線性計(jì)權(quán)聲級(jí)和A計(jì)權(quán)聲級(jí)對(duì)比

表4 機(jī)型A降噪前后心理聲學(xué)參數(shù)及煩惱度差值

表5 機(jī)型B降噪前后心理聲學(xué)參數(shù)及煩惱度差值

表6 機(jī)型C降噪前后心理聲學(xué)參數(shù)及煩惱度差值

對(duì)于機(jī)型C 而言，表6所示的結(jié)果與機(jī)型A、B相比，差異較多。12種措施大部分都降低了機(jī)型C的波動(dòng)強(qiáng)度，原因可能在于機(jī)型C 線譜比機(jī)型A、B多，而大部分降噪措施可以吸收線譜。但煩惱度的改善效果仍是由響度決定的，其中12號(hào)措施的煩惱度改善效果最好，1號(hào)措施的煩惱度改善效果最差。

3.3 典型降噪措施的聲品質(zhì)改善效果分析

結(jié)合上面的結(jié)論，可以看出，12種典型降噪措施均對(duì)聲品質(zhì)有較好的改善效果。其中：

（1）鋪設(shè)穿孔板（穿孔率13%，空腔厚0.5 m，前部填充0.1 m巖棉）對(duì)三種機(jī)型的聲品質(zhì)改善效果均為最佳。毛氈乳膠粘合泡沫橡膠和5 mm 厚針刺氈對(duì)三種機(jī)型的聲品質(zhì)改善效果最差。

（2）鋪設(shè)帆布罩、5 cm 厚皮革覆蓋軟棉墊、5 cm厚巖棉（未處理表面）、穿孔板（穿孔率13%，空腔厚5 cm，填充5 cm 巖棉）對(duì)三種機(jī)型的聲品質(zhì)改善均有較好的效果，說明這四種措施具有良好的通用性。

（3）鋪設(shè)9 mm 厚簇絨毛氈、2.5 cm 厚吸聲棉、玻璃纖維毛毯（2.54 cm 厚玻璃棉夾層）對(duì)三種機(jī)型的聲品質(zhì)改善效果均較差。綜合（1）和（2），可以得出結(jié)論：在中低頻段吸聲性能優(yōu)秀的措施對(duì)聲品質(zhì)的改善效果更好。

（4）鋪設(shè)1.9 cm 厚礦物纖維涂層，對(duì)機(jī)型A 的聲品質(zhì)改善效果較好，對(duì)機(jī)型C 的效果較差。其主要原因在于該措施對(duì)機(jī)型A 的粗糙度提高了27.8 %，但同時(shí)較大幅度地提升了其波動(dòng)強(qiáng)度（20.6%），彌補(bǔ)了粗糙度提升造成的煩惱度變化，因此總體效果較好。對(duì)機(jī)型C 的粗糙度提高了17.5%，且機(jī)型C的粗糙度本就遠(yuǎn)大于機(jī)型A、B，因此增加機(jī)型C煩惱度的效果更為明顯。

（5）5.5 cm 厚微孔磚（23%穿孔率，空腔內(nèi)填充5 cm厚巖棉），對(duì)機(jī)型B、C的效果較好，對(duì)機(jī)型A的效果較差。其主要原因在于該措施大幅度提高了機(jī)型A 的粗糙度（27.3%），而對(duì)機(jī)型B、C 的粗糙度影響很小，且它對(duì)三種機(jī)型響度的降低程度大致相同，因此該措施對(duì)機(jī)型A 的效果較差。結(jié)合（4）可得出結(jié)論：不同措施的聲品質(zhì)改善效果還取決于不同型號(hào)直升機(jī)的艙內(nèi)噪聲特性，需結(jié)合實(shí)際分析。

（6）從吸聲措施類型來看，吸聲結(jié)構(gòu)效果最好，吸聲材料次之，阻尼材料效果最差。

4 結(jié)語

本文建立了直升機(jī)艙內(nèi)噪聲煩惱度的多元線性回歸模型，分析了12種典型降噪措施的聲品質(zhì)改善效果。研究發(fā)現(xiàn)穿孔板（穿孔率13%，空腔厚0.5 m，前部填充0.1 m 巖棉）的聲品質(zhì)改善效果最好，毛氈乳膠粘合泡沫橡膠和5 mm 厚針刺氈效果最差。從吸聲措施類型來看，吸聲結(jié)構(gòu)最好，吸聲材料次之，阻尼材料最差。