基于相關性分析的發動機臺架聲品質評價模型研究

靖海宏 楊國芳 張旎 李東升 張建東

摘 ?要：本文以某四缸輕型柴油發動機為研究對象，結合聲學測試標準ISO3744及心理聲學參數測試標準（ISO532等），基于噪聲聲品質臺架試驗，以心理聲學參量響度、尖銳度、粗糙度、抖動度和音調度作為初級客觀評價指標，利用Head Acoustics人工頭測試設備，提出了一種輕型柴油發動機聲品質評價的綜合模型。通過發動機標定手段對燃油噴射相關參數調整從而對發動機聲品質主要聲學參量進行進一步優化后，根據該綜合模型結論作優化前后聲品質主觀評價和客觀測量對比，驗證了該聲品質評價綜合模型的合理性和有效性，同時該模型對其他相關動力總成產品聲品質評價也可作相關借鑒。

關鍵詞：聲品質;輻射噪聲;綜合模型;主觀評價;客觀測量;偏好性

中圖分類號：U467.2+1 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2022）02-0018-11

Comprehensive Model Studies of Sound Quality Evaluation of an Engine Based on Bench Testing

JING Hai-hong， YANG Guo-fang， Zhang Ni， LI Dong-sheng， ZHANG Jian-dong

（ DongFeng Motor Corp. Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： A four cylinder diesel engine was chosen as the research object on this paper， combined with acoustic testing standard ISO3744 and psychoacoustic testing standard ISO532 with different psychoacoustic parameters such as loudness， sharpness， roughness， fluctuation and tonality etc. as the primary objective evaluation index， proposes a comprehensive model of light diesel engines sound quality evaluation based on the Head Acoustics artificial ears test equipment in the semi-anechoic chamber， the primary acoustical parameters of sound quality was taken further optimized by calibration technical approaches of the engine for comparison after and before， according to the comprehensive model with subjective evaluation and objective measurement contrast， it validate and shows the rationality and validity of the integrated model of engines sound quality evaluation， and it also provides profits and references of sound quality evaluation to other kinds of powertrain products.

Key Words： Sound Quality; Radiated Noise; Comprehensive Model; Subjective Evaluation; Objective Measurement; Preference

1 ? 前言

發動機輻射噪聲已成為環境污染噪聲的重要組成部分，開展發動機噪聲品質的預測與評估研究具有重要的理論與實際意義，隨著汽車技術的發展和測試手段的更新，以單一聲壓級為指標的參數控制已不能完全評價發動機聲學性能的好壞，除了聲壓級大小，客戶對車輛的聲學特性描述還有響度、尖銳度、粗糙度、抖動度和音調度等心理聲學參量的描述和感受，也是發動機聲學開發過程中的重要環節。聲品質反映了人對噪聲的主觀感受，研究及改善發動機噪聲聲品質對提高汽車乘坐舒適性也具有及其重要的意義。

目前國內外學者及汽車生產廠家在汽車聲品質研究領域集中在整車成型后進行主觀評價感受其舒適性，亦或在發動機及動力總成開發階段形成各自心理聲學參量單一化的評價模型（參考文獻[1]至[7]），對于發動機在聲學開發階段其聲品質評價綜合模型體系的建立研究較少。本文結合發動機聲品質臺架客觀測試與主觀評價相結合，基于聲學測試標準ISO3744及聲品質參數測試標準（ISO532等）對某發動機聲品質評價模型進行研究，提出該綜合模型的一般思路，并結合主觀評價和測試技術手段對其噪聲進行優化，通過發動機噪聲優化前后的客觀測試和主觀評價的聯系驗證了該聲品質評價綜合模型的合理性和有效性，對同類產品的聲品質開發及優化提供借鑒與參考。

2 ? ?試驗準備及聲學物理量采集

2.1 ? 試驗準備

（1）測試條件

測試環境/條件：半自由場（半消聲室）/安裝臺架等輔助設備

（2）測試硬件和軟件

測試硬件/軟件：Head Acoustic HMS Ⅲ/Head Acoustic Artemis

（3）測點布置

（4）測試聲品質物理量：響度，尖銳度，粗糙度，抖動度，音調度等。

（5）測試工況：滿載瞬態升速及穩態工況（800-2900r/min）;

（6）臺架搭建如下圖所示：

2.2 ? 聲品質參數的選取

聲品質參數通過測試聲音設備“人工頭 （模擬人的耳朵真實聽覺）”采集，發動機聲音通過“人工頭”設備被記錄，然后信號被分析，聲品質參數數值通過計算機被計算出來。該過程即為“評價主觀噪聲”的“客觀參數”化。而主觀噪聲指標：

通過矩陣分析和數值分析，即可得常數a、b、c、d和e，由此可得出主觀噪聲指標。關于響度，尖銳度，粗糙度，抖動度，音調度等聲品質物理參數描述國內外已有較多文獻介紹（參考文獻[8]至[10]），本文不再贅述。

3 ? ?發動機噪聲客觀模型建立

3.1 ? 聲品質數據采集

以聲品質參數在各穩態工況下的數據為基礎，測試不同工況下發動機的聲品質參數，因三個測點對應的聲品質數據十分龐大，本文以進氣側測點左右耳的聲品質穩態測試數據分析為例，其余測點數據分析方法一致。

從測試數據可以看出，人工頭左右耳在各工況聲品質參數趨勢基本一致，且發動機在1600r/min處人工頭左右耳聲壓級、A計權聲壓級、響度、尖銳度及音調度有明顯峰值，如下表2為進氣側測點左耳滿載工況聲品質測試數據：

3.2 ? 聲品質相關性分析

相關性分析是對兩個或多個具備相關性的變量元素進行分析，衡量變量因素的相關密切程度。根據上述測試數據選取其滿載工況下1600r/min的聲品質參數為例進行詳細分析，可得出各聲品質參數其相關性如表3：

從上表中可看出：

a）線性聲壓級與A計權聲壓級、響度、尖銳度以及煩擾度具有很高的相關性，相關系數達到0.9以上，與粗糙度也有較高相關性，相關系數達到0.7，與音調度相關性為0.626;

b）響度比與抖動度的相關系數達0.8，響度比和抖動度均是反應噪聲不平穩程度的量;

基于以上結果，由于眾多參數存在較高的相關性，因此進一步進行主成份分析，將相關性高參數打包成一個參數，從而達到降低分析維度的目的，以降低后續分析的復雜程度。

3.3 ? 聲品質評價綜合模型計算

根據3.2相關性分析結果，為了達到降低分析維度從而簡化分析復雜性目的，需要對該發動機進氣側左耳滿載工況聲品質測試數據進行主成分分析，而主成份分析之前需要對該聲品質測試數據進行矩陣標準化或歸一化，該過程可將測試數據導入MATLAB軟件模塊計算獲取，故利用表2進氣側左耳滿載工況聲品質測試數據計算得到如下表4所示標準化矩陣。

然后對該標準化矩陣進行主成份分析，得到特征值和載荷矩陣分別為表5和表6：

因此，經過主成份分析，9個聲品質參數可簡化為兩個主成份，并得到對應的兩個主成份的特征值、特征向量以及載荷矩陣。第一個主成份對應的特征值為7.264，明顯大于第二個特征值的0.648，且第一個主成份與第二個主成份加起來已經可以描述近88%的系統，一般來說，主成份之和能夠描述85%的系統信息即可，且主成份特征值大于1，因此對象選取了兩個主成份。

通過載荷矩陣可知，對應第一個主成份，聲壓級、A計權聲壓級、響度、尖銳度、煩擾度載荷得分均達到0.9以上，粗糙度和音調度載荷得分也在0.6以上，說明可以將這幾個聲品質參數打包成一個主成份。對應第二個主成份，抖動度和響度比相比于其它參數也明顯要高，分別達到了0.273和0.449，可以將這兩個參數打包成一個主成份。

第一個主成份包含的參數與第二個主成份包含的參數對發動機聲品質參數影響趨勢是相反的，說明第一個主成份包含的聲壓級、響度等參數越大，聲品質越差，而抖動度和響度比越高聲品質參數越好，也即發動機轉速低時抖動度和響度比高，而此時發動機噪聲較小，因此發動機的聲品質較好，而轉速提升后，抖動度和響度比降低，此時發動機噪聲大，因而聲品質較差。對比聲品質參數的相關性分析，各參數間的相關性趨勢與主成份分析一致。

根據兩個主成份的特征值和載荷矩陣對同一趨勢的聲品質參數打包整合后，由線性回歸理論計算各聲品質參數與主觀評價結果所確立的模型回歸方程得到回歸模型系數如下表7模型回歸系數：

從而得出該工況下主成份分析綜合模型：

AI=0.3288ZdB+0.3403ZdBA+0.3419ZLoudness+0.3328ZSharpness+0.3195ZRoughness+0.2249 ZTonality-0.2600ZFluc.+0.3435ZAnnoy.-0.2446 ZL_R

通過主成份分析的綜合模型可知，線性聲壓級、A計權聲壓級、響度、尖銳度以及煩擾度對聲品質的貢獻量較大，音調度對聲音品質的貢獻率相對較小;而抖動度和響度比則影響更小并與聲品質綜合數據負相關。

4 ? ?發動機噪聲優化及主觀評價

4.1 ? 發動機燃燒噪聲優化

改變發動機標定參數后按照相同工況及聲品質參數設定重新測試一遍，對比滿載1600r/min穩態工況下及瞬態升速工況下聲品質噪聲優化前后差異如圖4。

對比發動機噪聲優化前后聲壓級圖，在該工況下，聲壓級優化前明顯高于優化后，相差約4dB。經頻譜分析，可得到該頻譜的主要峰值均約是26Hz（對應1600r/min）的整數倍，而頻譜圖中第一個峰值頻譜約為52Hz，正是該發動機的2階頻率，最高峰對應發動機的32階頻率。三分之一倍頻程對比中可確定發動機噪聲優化前基本在整個分析頻帶內都高于優化后。特征響度圖中可看出，發動機噪聲優化前后的特征響度在頻域中分布相似，且優化前的響度明顯高于優化后。

從粗糙度和尖銳度圖中可以看出，噪聲優化后發動機在8.5bark處粗糙度顯著好高于優化前，在7.5bark處抖動度也有明顯改善。說明在這兩個聽覺臨界帶上，優化前后差異明顯。對應到頻域約在800-1000Hz。

4.2 ? 噪聲偏好性主觀評價

仍以進氣4滿載工況的測試數據為例進行各穩態工況主觀評價，選取若干名聲學試驗工程師進行偏好性主觀評價，要求評價主體就所聽到的聲樣本按照如下表所示間隔給出相應的偏好性得分（可以為小數），“0”表示一點兒也不偏好，“10”表示極度偏好，“1-9”為中間過渡過程（如下表9噪聲偏好性主觀評價打分表）。評價主體需要就每一個聲音樣本做出獨立的判斷，最后各工況的偏好性打分（去掉最高分和最低分）取算術平均值。

根據聲品質評價綜合模型對各穩態工況下的AI值進行計算發現，噪聲優化后各轉速都比優化前低（如下表10和表11），尤其在1600r/min穩態工況下AI值相差為19.25，且各聲品質參數均有不同程度改善。由此主觀評價結果也進一步論證了該模型的有效性與合理性。

5 ? ?結論

（1）通過聲品質參數客觀測試得出本次試驗條件下AI指數與各聲品質參數的關系，本次試驗線性聲壓級、A計權聲壓級、響度、尖銳度以及煩擾度對聲品質的貢獻量較大，音調度對聲音品質的貢獻率相對較小;而抖動度和響度比則影響更小且與聲品質綜合數據負相關。

（2）通過聲品質參數客觀測試，對聲品質參數進行相關性分析和標準化主成分分析，得到特征值和載荷矩陣，根據模型回歸系數計算從而得到發動機聲品質客觀評價綜合模型。

（3）通過發動機噪聲優化前后的客觀測試和主觀評價的聯系驗證該發動機聲品質評價綜合模型的合理性和有效性，進一步說明通過聲品質客觀物理量參數來評價噪聲可以真實地反映人耳對噪聲的主觀感受，值得其他相關動力總成產品聲品質開發學習和借鑒。

總體來說，本次試驗提供了一種發動機在開發過程中基于臺架噪聲試驗的客觀評價方法的模型，可操作性較強，可為發動機聲品質主客觀參數關系設計研究提供有力依據，但對于噪聲的主研究，由于主觀評價因人而異且需要大量的數據統計作相關性分析，時間和費用成本都較高，要形成具有自己特色的完整的評價體系，尚待進一步完善。

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靖海宏

畢業于武漢理工大學，碩士研究生，現就職于東風汽車集團有限公司技術中心，任NVH試驗室主管工程師，主要研究動力總成振動噪聲試驗開發。

專家推薦語

張宏飛

東風商用車技術中心動力總成部

熱力發動機專業 ?研究員級高級工程師

本文全面闡述了作者根據自身開發經驗而總結出的一種發動機聲品質評價綜合模型研究方法，建立了一套對發動機聲品質主要聲學參量進行主觀評價和客觀測量對比驗證的方法，可為初步開展發動機聲品質研究的工程師提供開發方法借鑒和工作思路參考。