畢業(yè)設(shè)計（論文）桑塔納3000轎車噪聲測試與評價

1、 摘 要汽車誕生已過百年，其各方面的性能隨著科學(xué)的發(fā)展而得到了極大的提高，但是隨著人們生活水平的提高，人們對汽車的綜合性能指標又不斷提出更高的要求。聲音品質(zhì)已經(jīng)像舒適性、操縱穩(wěn)定性那樣成為評價汽車的重要指標之一，本論文對santana3000轎車噪聲進行了測試與評價。首先本論文闡述了國內(nèi)外車輛噪聲評價技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了噪聲測試方法與評價方法?；诼晱姕y試技術(shù)和計算機接口技術(shù)，本論文構(gòu)筑了聲音采集硬件系統(tǒng)，使用實驗室的相應(yīng)測試軟件，實現(xiàn)了對汽車的噪聲信號的數(shù)據(jù)采集。基于zwicker心理學(xué)模型，本論文用matlab語言編寫響度的計算程序，同時編寫了a-計權(quán)指標的計算程序，分別用兩種評價指標對

2、santana3000的噪聲信號進行了基于人體主觀感覺的客觀評價。最后指出響度指標能更好地符合人對噪聲信號的主觀感覺。 關(guān)鍵詞： 轎車；a-計權(quán)；響度；聲音品質(zhì)；測試與評價abstractit is more than one hundred years after the car was invented. all aspects of performance of the car have been greatly improved with the development of science. however, with the improving of peoples living

3、standard, more requirements of the comprehensive performance of cars are constantly getting higher. similar like ride comfort, handling stability, sound quality has been become an important index for car evaluations. therefore, a measurement and evaluation of the santana 3000 noises, including the i

4、nterior, exterior, and pass-by noises, were performed in this thesis. first of all, this thesis investigated the development situation of vehicle noise evaluation technology. based on the sound-pressure testing technology and computer i/o technology, in this work, we established a sound acquisition

5、hardware system. using in-situ test software in our lab, we collected the date of vehicle noises. based on the zwicker psychology model, we compiled loudness calculation program by matlab software, as well as an a-weighting calculation program, to evaluate the noise quality of the santana 3000. we t

6、herefore obtained an objectively evaluation based on the subjective human feeling. the conclusions can be drawn that loudness is suitable to evaluate the sound quality.key word: car; a-weighting; loudness; sound quality; measurement and evaluation目錄第一章緒論11.1本課題的提出及意義11.2國內(nèi)外研究狀況21.3本論文的研究內(nèi)容3第二章 santa

7、na3000轎車噪聲信號的采集52.1噪聲信號綜述52.2車輛噪聲測量方案52.2.1車內(nèi)噪聲測試方法62.2.2汽車加速車外噪聲測試方法62.3 噪聲信號的測量72.3.1聲強測量的原理82.3.2聲強測量的標定92.4實驗系統(tǒng)的搭建102.4.1系統(tǒng)所用設(shè)備102.4.2系統(tǒng)的組建122.4.3 santana3000轎車信號采集13第三章 基于主觀感覺的聲音評價153.1聽覺的主觀感覺153.1.1聽覺的生理基礎(chǔ)153.1.2聽覺感知的基本特征163.2評價參量及其計算方法183.2.1 a計權(quán)183.2.2 響度22第四章 結(jié)論30致謝31參考文獻32附錄a matlab計算程序33附

8、錄b 英語參考文獻及中文翻譯38第一章 緒論1.1本課題的提出及意義汽車誕生已過百年，其各方面的性能隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展而得到了極大的提高和改善。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，對于汽車行駛的舒適性，尤其是對汽車的振動與噪聲特性提出了越來越高的要求。各類噪聲污染中，交通污染是最嚴重和影響最廣泛的一種，有統(tǒng)計表明：70%的交通噪聲是由車輛發(fā)出的。目前，噪聲品質(zhì)已經(jīng)成為衡量汽車產(chǎn)品的一項重要質(zhì)量標準，它直接影響產(chǎn)品在國內(nèi)外市場的競爭能力。各車輛生產(chǎn)廠家都把車輛噪聲的情況作為衡量車輛質(zhì)量好壞的指標，都在盡可能地把車輛產(chǎn)生的噪聲降低到最小程度。國內(nèi)外都曾經(jīng)出現(xiàn)過因汽車的噪聲問題而影響市場銷售

9、的案例，也經(jīng)常發(fā)生消費者就汽車的振動和噪聲問題的投訴。為此，世界各國都制定了嚴格的汽車噪聲控制標準和法規(guī)，各大汽車生產(chǎn)廠家也都投入了大量的人力和物力進行汽車振動和噪聲發(fā)生機理和控制方法的研究，并取得了豐碩的成果。隨著汽車向快速和大功率方面的發(fā)展，汽車噪聲成為一些大城市的主要噪聲源。汽車噪聲主要包括：發(fā)動機的機械噪聲、燃燒噪聲、進排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲；底盤的機械噪聲、制動噪聲和輪胎噪聲；車廂振動噪聲、貨物撞擊聲、喇叭聲和轉(zhuǎn)向、倒車時的蜂鳴聲等噪聲。由于車輛噪聲具有運動性，影響范圍大，干擾時間長，因而危害性比較大。有關(guān)調(diào)查表明，城市噪聲的70%來源于交通噪聲，而交通噪聲主要來源于汽車噪聲，因此國內(nèi)外

10、對汽車噪聲的測試和分析都非常重視。本課題既是在這個背景下提出的。本論文的研究內(nèi)容涉及到聲學(xué)測量技術(shù)，信號分析技術(shù)、心理聲學(xué)及生理聲學(xué)等方面的知識。通過聲學(xué)測量并結(jié)合信號處理技術(shù)可以獲知聲源的部位、聲源的類別、聲級或聲功率級的大小等；結(jié)合信號的分析技術(shù)，進而得出噪聲的時頻特性和傳播規(guī)律等；利用心理聲學(xué)及生理聲學(xué)方面的知識，可以做出人們對各種聲音的客觀評價。在以后的研究中就可以利用這些分析結(jié)果，判斷出被測對象主要噪聲源的具體發(fā)聲零件或主要輻射部位，分析產(chǎn)生噪聲的原因，進而提出合理的降噪措施和聲音改良方案，去除令人不適的振動和噪聲，改善聲音質(zhì)量，最終在汽車內(nèi)外創(chuàng)造一個良好的聲學(xué)環(huán)境。1.2國內(nèi)外研究

11、狀況轎車噪聲主要來至于發(fā)動機噪聲，發(fā)動機的噪聲激勵主要來至空氣動力效應(yīng)，燃燒過程中氣體壓力和旋轉(zhuǎn)，往復(fù)零部件的機械激勵等等。從二十世紀五、六十年代開始，國外一些研究單位和高校就進行發(fā)動機噪聲方面的研究工作。英國的t.priodo于1960-1961年在倫敦的機械工程研究會議上發(fā)表了關(guān)于柴油機汽缸壓力譜形式和噪聲關(guān)系文章。1973年英國的e.c.grover、n.lalor發(fā)表文章闡述低噪音柴油機設(shè)計思想。1975年n.lalor和m.potyt在sae上發(fā)表了作為噪聲源的內(nèi)燃機機構(gòu)振動模態(tài)。1982年，m.f.russell在文章中對柴油機噪聲控制技術(shù)進行了論述。與此同時，一些學(xué)校和企業(yè)也進行

12、了大量的研究工作，英國的南安普頓（university of southampton）振動噪聲研究所于上世紀七十年代在對一些主要內(nèi)燃機制造公司生產(chǎn)的內(nèi)燃機噪聲測試的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)測柴油機a-計權(quán)聲壓級的經(jīng)驗公式，隨著柴油機降噪工作的開展，英國的里卡多（ricardo）公司又對該公式進行了修改。為了研究車輛噪聲對人的聽覺主觀感覺上的影響，1985年，來自豐田汽車公司的工程師發(fā)表在美國汽車工程協(xié)會（sae）會議上的一篇題為“a study of noise in a vehicle passenger compartment during acceleration”的論文被公認為是第一篇關(guān)于聲質(zhì)

13、量方面的論文，它為后來的車輛噪聲的評價起到了領(lǐng)起作用。與此同時，人們提出了聽審團測試方法，1999年來自福特，通用和人工頭公司的工程師們在題為”guidelines for jury evaluations of automotive sounds”的論文中較為系統(tǒng)地闡述了聽審團測試方法的原理。各大汽車生產(chǎn)廠家也都深刻認識到車輛nvh（noise vibration and harshness）是企業(yè)汽車產(chǎn)品競爭的一大關(guān)鍵因素，美國通用公司和日本豐田公司等都有各自的nvh研究中心，已經(jīng)成功地使各種汽車噪聲降低了10db20db不等。我國在上世紀80年代就已經(jīng)對車輛的噪聲問題有了深刻的認識，早在

14、1983年國家科委就已經(jīng)把內(nèi)燃機噪聲研究列為國家38項重點研究課題之一。從1985年開始進行噪聲控制研究，但目前和發(fā)達國家在噪聲研究和控制領(lǐng)域還存在較大差距：上世紀七十年代末，國產(chǎn)轎車噪聲與先進工業(yè)國家同類型產(chǎn)品比較普遍高出3db-5db，到1989年對國家標準gb259-86“中小功率柴油機噪聲限值”進行修訂時，僅僅收縮了限值1db2db。而根據(jù)日本環(huán)境保護廳的資料，從1970年倒1990年間其小客車噪聲下降了6db(a)，大型車的車外加速度噪聲級降低了約10db（a）。有學(xué)者認為現(xiàn)在我國發(fā)動機噪聲水平與發(fā)達國家產(chǎn)品之間的差距在進一步拉大，已經(jīng)普遍高出39db。其原因主要是：我國執(zhí)行的車輛和

15、發(fā)動機噪聲限值標準要就比國外低，汽車噪聲控制的行政管理制度不如國外嚴格；國產(chǎn)轎車在降噪方面的研究工作開展的不夠活躍，尤其是創(chuàng)造性的關(guān)鍵技術(shù)研究不夠；研究隊伍和研究條件薄弱。目前國內(nèi)無論是企業(yè)還是科研單位都已經(jīng)認識到了和國外先進水平的差距，許多高校如吉林工業(yè)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、清華大學(xué)等和一些科研單位,企業(yè)如上海內(nèi)燃機研究所、一汽、七零所等都投巨資建設(shè)了內(nèi)燃機消聲實驗室，許多新的實驗手段和技術(shù)都被應(yīng)用于噪聲的分析研究。1.3本論文的研究內(nèi)容本論文的主要研究內(nèi)容包括santana 3000噪聲信號的測量和噪聲信號的分析與評價如圖1-1所示評價指標轎車噪聲信號傳聲器放大器模數(shù)轉(zhuǎn)換降噪處理時

16、頻分析圖1-1 轎車聲音信號的采集及分析評價1.santana3000轎車聲學(xué)信號的采集要對轎車的噪聲信號進行分析和研究，首先要獲得其聲音信號。在聲音信號的采集部分，目前最為流行的是基于互譜的聲強測量技術(shù)，因為它具有對背景聲音的抗干擾性、優(yōu)化的精確度和實現(xiàn)現(xiàn)場測量的優(yōu)點，所以本論文的實驗就選擇了聲強測量法。本文使用實驗室現(xiàn)有的聲音信號采集硬件系統(tǒng)和測試軟件，實現(xiàn)對轎車聲信號的數(shù)據(jù)采集。2.信號的聲質(zhì)量評價聲質(zhì)量的概念自二十世紀八十年代出現(xiàn)于汽車工業(yè)以來，已廣泛應(yīng)用于汽車噪聲控制的各個領(lǐng)域。無論從發(fā)動機噪聲、吸排氣噪聲到輪胎噪聲等部件級還是從整車級的運行噪聲和車內(nèi)音響系統(tǒng)的聲音品質(zhì)分析等都已廣泛

17、考慮聲質(zhì)量的因素。聲質(zhì)量，就像產(chǎn)品的造型、顏色和品牌一樣，作為汽車產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標，日益顯示其重要性。從工程角度講，按照lyon1994的解釋，聲質(zhì)量是“人對產(chǎn)品聲音的主觀感覺的反應(yīng)，它反映了聽者對那個產(chǎn)品聲音的接受程度：接受程度越高，則聲質(zhì)量越好。”按照blauert&jekosch1996的定義，產(chǎn)品聲質(zhì)量是指“和某一產(chǎn)品相聯(lián)系的聲音的合適性（adequacy）的描述，它來自于對產(chǎn)品聲音總的聽覺特征的評價，這種評價是用戶在他們實際具體的感知、活動和情緒的情況下進行的，這種評價是用戶參照他們希望的產(chǎn)品聲音特征（集）來實現(xiàn)的。”這里的“合適性”也是以人的主觀感受為評價依據(jù)的，本論文采用的是這

18、個定義。對聲品質(zhì)的解釋涉及到方方面面，僅僅借助于物理的測量是不能得到對聲品質(zhì)完整而確切的定義的。人的聽覺對聲音強弱的感覺不僅與聲壓級有關(guān)，而且與聲音信號的幅值密度、譜成份和時間結(jié)構(gòu)等都有關(guān)系。因此，結(jié)合人的聽覺感受來對噪聲進行評價，才是一個全面而又確切的方法。聲質(zhì)量評價方式的研究應(yīng)當綜合考慮聲音的強度、頻譜成分、頻率特性和時間結(jié)構(gòu)等的影響，而本文采用的聲質(zhì)量主要評價指標為響度（loudness),這個指標的計算結(jié)合了人的心理聲學(xué)和生理聲學(xué)的知識，可以準確的表達人對噪聲的主觀感覺。第二章 santana3000轎車噪聲信號的采集2.1噪聲信號綜述噪聲是使聽者不喜歡或無好感的聲音的總稱。因此，噪聲

19、不僅有聲學(xué)方面的性質(zhì)，而且還具有生理學(xué)、心理學(xué)方面的含意，即包括聲音產(chǎn)生的不舒適程度和對人體影響程度在內(nèi)。噪聲從聲學(xué)方面講是一種由很多不同頻率的聲強組合的無規(guī)律的聲波，是一種不協(xié)調(diào)的聲音。機動車噪聲產(chǎn)生的原因有：發(fā)動機工作噪聲、行車噪聲、車體振動噪聲、制動噪聲、喇叭噪聲等，如圖2-1所示。圖2-1 汽車噪聲的組成部分2.2車輛噪聲測量方案國家標準中對汽車的不同工況的噪聲限值和測試方法做出了相應(yīng)的規(guī)定，所以進行汽車噪聲測試時，對應(yīng)于不同的工況，測試方法是不同的。2.2.1車內(nèi)噪聲測試方法（1） 車內(nèi)噪聲測試條件車輛跑道應(yīng)有足夠試驗需要的長度，應(yīng)是平直、干燥的瀝青路面或混凝土路面。測量時風(fēng)速（指相

20、對于地面）應(yīng)不大于3m/s。測量時車輛門窗應(yīng)關(guān)閉。車內(nèi)帶有的其他輔助設(shè)備是噪聲源，測量時是否開動，應(yīng)按正常使用情況而定。車內(nèi)除駕駛員和測量人員外，不應(yīng)有其他人員。車內(nèi)本底噪聲（指假定測量對象噪聲不存在時，周圍環(huán)境的噪聲）比所測車內(nèi)噪聲至少低10db，并保證車輛在測量過程中不被其他生源所干擾。（2） 車內(nèi)噪聲測點位置車內(nèi)噪聲測量通常在人耳附近布置測點，話筒朝車輛前進方向。駕駛室車內(nèi)噪聲測點位置如圖2-2。載客車室內(nèi)噪聲測點可選在車廂中部及最后排做的中間位置，話筒高度如圖2-2所示。圖2-2 噪聲測點位置2.2.2汽車加速車外噪聲測試方法（1） 測試所需的條件首先應(yīng)選擇合適的測量儀器。在沒有任何調(diào)

21、整的情況下，如果后一次校準讀數(shù)相對前一次校準讀數(shù)的差值不超過0.5db，則認為前一次校準后的測量結(jié)果有效。同時必須選用準確度優(yōu)于2%的發(fā)動機轉(zhuǎn)速表或車輛測量儀器來監(jiān)測轉(zhuǎn)速或車速，不得使用汽車上的同類儀表。其次應(yīng)選擇合適的測試天氣和場地。測量應(yīng)在良好的天氣條件下進行。測量時傳聲器高度的風(fēng)速不應(yīng)超過5m/s，必須注意測量結(jié)果不受陣風(fēng)的影響。場地的中心放置一個無指向小聲源時，半球面上各方向的聲級偏差不超過1db。如果下列條件滿足，則可認為該場地達到了這種聲場條件： 以測量場地中心為基點，半徑50m的范圍不應(yīng)有大的聲反射物，如圍欄、巖石，橋梁或建筑物等； 測試場地跑道應(yīng)有20m以上的平直、干燥的瀝青路

22、面或混凝土路面，路面坡度不超過5%，試驗路面和其余場地路面干燥，沒有積雪、蒿草、松土或爐渣之類的吸聲材料； 聲級計附近除測量者外，不應(yīng)有其他人員，如確系不可缺少的人員，則應(yīng)站在測量者的背后 被測車輛不載重，測量時發(fā)動機應(yīng)處于正常使用溫度，車輛帶有的其他輔助設(shè)備都是噪聲源，測量時是否開動，應(yīng)按正常使用情況而定； 傳聲器附近沒有任何影響聲場的障礙物，并且聲源與傳聲器間沒有任何人站留，進行測量的觀察者也應(yīng)站在不致影響儀器測量的位置。（2） 測量區(qū)和傳聲器的布置加速行駛測量區(qū)域按圖2-3確定。o點為測量區(qū)的中心，加速段長度為2*(10m0.05m)，傳聲器應(yīng)布置在離地面1.2m0.02m，距行駛中心線

23、7.5m0.05m處，并用三腳架固定。其參考軸線必須水平垂直指向行駛中心線。2.3 噪聲信號的測量關(guān)于噪聲的測量方法目前有兩種，一種是聲壓測量，另一種是聲強測量。聲壓測量是指聲波傳播時，在垂直于其傳播方向上的單位面積上引起的大氣壓的變化，用符號p表示，單位為pa或n/m2。由于聲壓測量依賴于測點離聲源的距離以及周圍的環(huán)境，所以如果測點位置選擇不當，測試環(huán)境的本底噪聲很高、環(huán)境風(fēng)速很大、傳聲器和噪聲源附近有較大反射物時都會在一定程度上影響測量結(jié)果。不同的傳聲器取向也會給測量結(jié)果帶來一定的誤差。由于本課題的實驗受到了試驗環(huán)境和條件的限制，采用聲壓測量很可能帶來很大的誤差。所以本課題采用了聲強測量的

24、方法。圖2-3 測量場地和傳聲器布置2.3.1聲強測量的原理1. 聲壓介質(zhì)中聲波所及的區(qū)域稱為聲場，聲波在聲場中是以疏密波的形式傳播，所以在傳播過程中在同一時刻不同體積元的壓強是不同的。設(shè)介質(zhì)處于平衡狀態(tài)時，各處的靜壓為p0,當聲波傳來時，某點的壓強變?yōu)閜f，其變化量為：p=p-p (2-1)變化量p就是聲壓。聲壓是時間和空間的函數(shù)。某一點的聲壓p（t）稱為該點的瞬時聲壓。實際上人耳鑒別不出瞬時聲壓的變化，只能感受到一個穩(wěn)定的有效聲壓。有效聲壓是一個變化周期內(nèi)瞬時聲壓的均方根值，其表達式為 (2-2)其中t為周期。通常把有效聲壓成為聲壓，聲壓的大小反應(yīng)了聲波的強弱。2. 聲強聲場中某點處，與質(zhì)

25、點速度方向垂直的單位面積s在單位時間內(nèi)通過的聲能量稱為聲強，用符號i表示，單位為w/m。聲強是描述聲能流動的具有大小和方向的聲學(xué)量，某點的聲強的大小等于該點聲壓與質(zhì)點速度的乘積，即： (2-3)3. 聲強測量的方法聲強測量有兩種基本方法：一種是將傳聲器和測量質(zhì)點速度的傳感器相結(jié)合，簡稱p-u法；另一種是雙傳聲器法，簡稱p-p法。結(jié)合本實驗的實驗條件，本文中采用的即是p-p法。p-p法是基于兩傳聲器測得聲壓的互譜關(guān)系得到的。測量時采用兩個靠得很近的且性能一致的傳聲器m和m測得的聲壓。有p(t),u(t)的互相關(guān)函數(shù)的定義： (2-4)聲強的定義可以寫成： (2-5)有的傅立葉變換對可得到 (2-

26、6)因為其實部為聲源輻射的聲強，頻率從0到，所以聲強譜表示為： (2-7)將差分近似式作頻域變換，得 (2-8)將其帶入上式并取其虛部得 (2-9)2.3.2聲強測量的標定由于兩只傳聲器存在著相位差，所以在測量前需要對其進行標定。本課題的實驗采用了sound calibrator nc-74麥克風(fēng)標定器。2.4實驗系統(tǒng)的搭建為了實現(xiàn)轎車信號的采集與分析處理，本文基于聲強測量技術(shù)和計算機接口技術(shù)，采用實驗室現(xiàn)有的聲音信號采集硬件系統(tǒng)和相應(yīng)的測試程序，實現(xiàn)了對santana 3000轎車噪聲信號的采集。并使用matlab軟件編寫了對信號數(shù)據(jù)進行分析和評價的程序，圖2-4為測試布置方案圖。圖2-4

27、測試布置方案2.4.1系統(tǒng)所用設(shè)備1. 傳聲器為了同時取得被測點處的聲壓信號和質(zhì)點運動速度，聲強傳感器必須配置兩個傳聲器。這種雙傳聲器的組件稱為聲強探頭。傳聲器是一種裝有換能器的電聲器件，在聲波的作用下，換能器可輸出相應(yīng)的電信號，即將聲波的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。本課題的實驗選用的是蘇州聲和震動技術(shù)有限公司的1/4”，壓電式麥克風(fēng)m117。符合iec651一級標準。它的主要技術(shù)指標如下：頻率響應(yīng)：30hz-4khz（0.5db）,4khz-20khz(1.5db)頻率范圍：20hz-20khz測量范圍：30-130db靈敏度：50ma/pa5%圖2-5 實驗用傳聲器2. 放大器實驗所用的放大器由本實

28、驗室自主研發(fā)，它的本底噪聲為20db，如圖2-6。3. a/d板a/d板將傳聲器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。實驗中采用的是comizon a/d板。它的主要技術(shù)指標如下：分辨率：16bit最大采樣頻率：100khz圖2-6 實驗所用放大器4. 信號的處理部分本實驗中由傳聲器采集到的聲音信號經(jīng)過放大器，a/d板轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進入計算機，利用vc+語言編制的程序?qū)?shù)據(jù)文件保存成“.txt”文件，然后再將其導(dǎo)入到matlab中進行降噪處理，聲音評價等。2.4.2系統(tǒng)的組建為了實現(xiàn)噪聲信號的采集和分析處理，系統(tǒng)的搭建示意圖如圖2-7，系統(tǒng)搭建后就可以進行聲音信號的采集了。santana3000噪聲

29、信號雙傳聲器放大器a/d采集卡信號的分析和處理圖2-7 系統(tǒng)搭建示意圖2.4.3 santana3000轎車信號采集本實驗在實驗室進行，采用實驗室santana3000轎車，分別對該車的內(nèi)部，外部和外加速噪音的聲音信號進行采集。兩麥克風(fēng)中心距為2cm，距離傳聲器3m之內(nèi)沒有障礙物，麥克風(fēng)距離地面和轎車外距均為0.5m，其參考軸平行地面。實驗規(guī)則均參考中華人民共和國標準聲學(xué)機動車輛定置噪聲測量方法gb16170-1996汽車定置噪聲限值進行檢測；采樣頻率為22050hz。測量的實驗情況和其時域信號如圖2-82-10所示。圖2-8外車輛時外部噪聲信號，圖2-9為時車輛內(nèi)部噪聲信號，圖2-10為該車外加速噪聲信號。由圖