基于心理聲學(xué)的汽車子系統(tǒng)振動(dòng)異響評(píng)價(jià)探究

1、基于心理聲學(xué)的汽車子系統(tǒng)振動(dòng)異響評(píng)價(jià)探究基于心理聲學(xué)的汽車子系統(tǒng)振動(dòng)異響評(píng)價(jià)探究乘用車的噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度Nise，Vibratin，Harshness，NVH性能直接影響到乘坐舒適性，汽車行駛時(shí)的振動(dòng)異響SqueakandRattle，SR問題是一種常見的NVH問題，會(huì)引起乘員不適與疲勞1，越來(lái)越多的主機(jī)廠和供給商開場(chǎng)關(guān)心該問題并設(shè)法解決。由于行駛時(shí)的振動(dòng)異響源主要來(lái)自車輛各個(gè)子系統(tǒng)如儀表板總成、中控臺(tái)總成、座椅總成、門板總成等，業(yè)內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用靜音振動(dòng)臺(tái)模擬路譜，并對(duì)汽車子系統(tǒng)施加鼓勵(lì)，在半消聲室內(nèi)評(píng)估診斷異響源，以求改善整車NVH性能。汽車振動(dòng)異響是一種主觀感受，定義并識(shí)別異響在汽車

2、子系統(tǒng)研發(fā)和認(rèn)證過程中非常重要。相關(guān)研究已經(jīng)說明：車內(nèi)NVH舒適性與響度、鋒利度、粗糙度、抖動(dòng)度等因素相關(guān)2。而汽車子系統(tǒng)的振動(dòng)異響對(duì)車內(nèi)噪聲的響度、鋒利度、粗糙度都具有明顯的影響，所以研究并改善振動(dòng)異響具有重要的工程意義。雖然已經(jīng)有一些計(jì)算機(jī)輔助工程puterAidedEngineering，AE方面的研究方法開場(chǎng)應(yīng)用于工程開發(fā)3，但在工程工程上，目前仍然主要通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)汽車子系統(tǒng)振動(dòng)異響進(jìn)展評(píng)估。從開發(fā)角度而言，往往會(huì)采用聲學(xué)陣列捕捉聲源分布以便診斷異響源并尋求改良4；從認(rèn)證或評(píng)判角度而言，由于通過評(píng)分來(lái)主觀評(píng)價(jià)的量化方法難以在不同工程中互相比擬，不利于工程數(shù)據(jù)的傳承與積累，加之不同人對(duì)

3、聲音評(píng)價(jià)的差異較大，因此，亟需一種完善并且更貼合人耳主觀感受的測(cè)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)以評(píng)估汽車子系統(tǒng)振動(dòng)異響特性。1試驗(yàn)的主觀評(píng)價(jià)1.1試驗(yàn)設(shè)置及采集為了研究振動(dòng)異響噪聲的主觀感受與心理聲學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，由于其它汽車子系統(tǒng)也有類似特性，以某車型座椅系統(tǒng)為例展開研究，圖1為試驗(yàn)臺(tái)架的布置情況。信號(hào)發(fā)生器通過傅里葉Furier逆變換生成的偽隨機(jī)路譜經(jīng)過功率放大器后輸入激振器，在座椅固定點(diǎn)附近的剛性工裝上布置加速度傳感器，反應(yīng)并修正信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)，以到達(dá)閉環(huán)控制的目的。將頻率響應(yīng)范圍為3.1520000Hz，動(dòng)態(tài)范圍為15147dB的麥克風(fēng)布置在間隔 被測(cè)樣件150的位置，麥克風(fēng)采用1000Hz、11

4、4dB的純音標(biāo)定。分別從15個(gè)測(cè)點(diǎn)位置測(cè)量三個(gè)方向x、y、z方向的激振，測(cè)得45段聲壓信號(hào)，并從中挑選出10段具有代表性的聲音，隨機(jī)編號(hào)為a，b，到j(luò)作為研究對(duì)象。圖2為10段聲音在1s時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的時(shí)域信號(hào)。1.2主觀評(píng)估方法及結(jié)果一般對(duì)于復(fù)雜的評(píng)價(jià)試驗(yàn)，在試驗(yàn)前要對(duì)評(píng)價(jià)人員進(jìn)展適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，使評(píng)價(jià)人員熟悉聲音樣本和評(píng)價(jià)任務(wù)。通常將評(píng)價(jià)人員限制在10人以下，甚至小于5名5。共有9名工程師對(duì)這些聲音片段做了主觀評(píng)估其中4名工程師長(zhǎng)期從事整車及子系統(tǒng)異響的評(píng)估工作和異響源的識(shí)別與診斷工作。采用高信噪比105dB耳機(jī)對(duì)采集的聲壓數(shù)據(jù)施行回放，每個(gè)人均得到了各自對(duì)10段音頻的主觀擾人程度由高到本文由論文聯(lián)盟

5、.Ll.搜集整理低的排序。排序方法采用成比照擬法Pair-parisn，P，這種方法具有簡(jiǎn)單易行的優(yōu)勢(shì)，可以得到所有噪聲的擾人程度排序，每位工程師總共需要進(jìn)展nn-1/2=45次比擬。表1為各位工程師對(duì)aj音頻擾人程度的排序表中1為擾人程度最低，10為擾人程度最高，整理后的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。分析上述排序名次，做不同人員排序的相關(guān)性分析，計(jì)算得到每段音頻名次的平均標(biāo)準(zhǔn)差約為1.37最大為1.81，這說明雖然各個(gè)工程師對(duì)噪聲的理解和感受不同，但總體趨勢(shì)具有一定的一致性。2心理聲學(xué)參數(shù)的選取和計(jì)算方法2.1心理聲學(xué)參數(shù)的選取心理聲學(xué)分析參數(shù)有許多，一般描繪聲音對(duì)人體感知程度最常用的有響度Ludne

6、ss、粗糙度Rughness、鋒利度Sharpness、抖動(dòng)度Flutuatin等心理聲學(xué)參數(shù)6。其中抖動(dòng)度針對(duì)20Hz以下的調(diào)制，對(duì)于振動(dòng)異響，噪聲的響度比LudnessRati較大，抖動(dòng)度也較大，因此在振動(dòng)異響評(píng)估中與主觀感受的相關(guān)性不大。為了盡可能全面地分析異響，選取了響度、粗糙度和鋒利度三個(gè)心理聲學(xué)參數(shù)。2.2ZikerN10響度一般對(duì)振動(dòng)異響的客觀評(píng)價(jià)最常使用這個(gè)心理聲學(xué)參數(shù)。由于異響噪聲是隨著時(shí)間變化的，所以它們的響度也是隨時(shí)間而變化的。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織IS532B步驟和德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN45631程序算法，計(jì)算響度時(shí)未考慮掩蔽效應(yīng)，采用Ziker的計(jì)算模型，使用1/3倍頻帶作為

7、根底數(shù)據(jù)，引入臨界頻帶概念對(duì)人耳的掩蔽效應(yīng)作相應(yīng)修正，適用于自由聲場(chǎng)或擴(kuò)散聲場(chǎng)的計(jì)算，為了能表達(dá)掩蔽效應(yīng)，常用超過采樣時(shí)間某一百分比的響度。Hellan和Ziker測(cè)試了兩種混合敲擊聲音的響度，發(fā)現(xiàn)整個(gè)采樣時(shí)間段中超過10%的統(tǒng)計(jì)響度，能對(duì)振動(dòng)敲擊聲的主觀感知進(jìn)展預(yù)估。為了有效屏蔽低頻噪聲，音頻預(yù)處理采用了300Hz高通濾波，并加漢寧Hanning窗，以2s為單位，參照IS532B的方法計(jì)算動(dòng)態(tài)響度。由大到小排序后選取10%分位的響度值作為ZikerN10響度。2.3平均粗糙度粗糙度的調(diào)制范圍為20200Hz，由于目前粗糙度的計(jì)算尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，Vassilakis、Aures、Ziker

8、和Fastl、Sttek、Daniel以及eber、Held-rih、Pflueger等都提出過不同的計(jì)算模型7，各模型的主要差異在于將信號(hào)包絡(luò)轉(zhuǎn)換為粗糙度的方式。這里采用了從Aures開展而來(lái)的Daniel和eber粗糙度算法8計(jì)算，該算法具有易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)且精度較好。粗糙度的計(jì)算思路是頻帶的特征粗糙度加權(quán)求和，計(jì)算表達(dá)式如式1。式中：ri為頻帶i的特征粗糙度；常數(shù)是為了使標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)70Hz、100%調(diào)幅調(diào)制、60dB、1kHz純音的粗糙度為1asper；ki的詳細(xì)定義見文獻(xiàn)9。將計(jì)算得到的動(dòng)態(tài)粗糙度求出算數(shù)平均值即為平均粗糙度。2.4S10鋒利度由于目前鋒利度的計(jì)算尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)音頻

9、信號(hào)以2s為單位加漢寧窗，計(jì)算動(dòng)態(tài)鋒利度，ZikerFastl10。參考N10響度的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法，動(dòng)態(tài)鋒利度的表達(dá)式如式2，對(duì)動(dòng)態(tài)鋒利度排序后計(jì)算出S10鋒利度。式中：為臨界頻帶響度；z為臨界頻帶尺度；gz為修正因子。3心理聲學(xué)參數(shù)與主觀感受的關(guān)系3.1心理聲學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果采用上述計(jì)算方法處理，得到的心理聲學(xué)參數(shù)值見表2。3.2機(jī)理分析結(jié)合異響噪聲特性分析計(jì)算得到的心理聲學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)假如振動(dòng)異響中存在皮革或者包覆的摩擦聲如音頻i，平均粗糙度很高，這種聲音容易造成乘客的聽覺疲勞。S10鋒利度也是兩批工程師判斷分歧最大的因素。由于目前汽車吸、隔聲材料大量應(yīng)用，且這些材料大都對(duì)中高頻噪聲具有良好的吸

10、收和阻隔作用，而對(duì)于低頻噪聲的吸、隔聲效果較差，因此實(shí)車行駛環(huán)境比方比利時(shí)路中，路噪、胎噪和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲傳入座艙后會(huì)形成低頻背景噪聲，因此在頻域掩蔽效應(yīng)的作用下，S10鋒利度高的噪聲更易在實(shí)車行駛過程中被乘客發(fā)覺。專業(yè)評(píng)估噪聲的工程師會(huì)考慮振動(dòng)異響在整車情況下對(duì)乘客的干擾程度，而非專業(yè)評(píng)估噪聲的工程師主要針對(duì)回放時(shí)所聽到的噪聲本身，因此其平均名次趨勢(shì)更接近N10響度的排序情況。圖3分別為音頻h和音頻j的聲譜圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)音頻h包含了大量高于1.4kHz的噪聲信號(hào)S10鋒利度很大，而音頻j雖然N10響度大于音頻h，但專業(yè)評(píng)估噪聲的工程師認(rèn)為其擾人程度并不及音頻j。3.3經(jīng)歷公式目前已經(jīng)有許多結(jié)

11、合心理聲學(xué)參數(shù)并反映主觀擾人程度的方法，其中比擬著名的有：Aures提出的一個(gè)感覺舒適度的計(jì)算，粗糙度R、鋒利度S、音調(diào)度T以及響度N11；Hussain提出的煩惱度指數(shù)AVL12；idann提出的心理學(xué)惱人程度符合無(wú)偏煩惱度計(jì)算模型UBA的計(jì)算方法13等。然而，從這些計(jì)算的推導(dǎo)過程來(lái)看，都不是針對(duì)振動(dòng)異響而言的，而且公式也相對(duì)較為復(fù)雜，涉及的參數(shù)也較多。在這些推導(dǎo)方法的啟發(fā)下，通過心理聲學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果及其機(jī)理的分析與總結(jié)，得到了經(jīng)歷公式，如式3。使用該經(jīng)歷公式可以快速且較為準(zhǔn)確地得到某一段振動(dòng)異響噪聲的擾人程度。由式3可知，雖然我們最常采用ZikerN10響度來(lái)衡量振動(dòng)異響，但S10鋒利度更

12、可以代表車內(nèi)振動(dòng)異響的擾人程度，因此有必要在振動(dòng)異響評(píng)估時(shí)綜合考慮多個(gè)心理聲學(xué)參數(shù)。借助式3可以較好地?cái)M合人對(duì)車內(nèi)振動(dòng)異響的主觀感受。由圖4可知，通過該經(jīng)歷公式計(jì)算與擾人度平均排名非常接近。4結(jié)論與展望通過上述試驗(yàn)和分析，得到以下結(jié)論：1通過經(jīng)歷公式，可使心理聲學(xué)的客觀評(píng)分接近主觀感受，在振動(dòng)異響的評(píng)估中可以應(yīng)用這個(gè)客觀的經(jīng)歷公式對(duì)異響實(shí)現(xiàn)更為貼近主觀的評(píng)級(jí)。2專業(yè)的評(píng)估工程師對(duì)鋒利及細(xì)碎的中高頻率單點(diǎn)異響更為敏感，而非專業(yè)評(píng)估的工程師對(duì)聲音的整體響度更敏感。其原因在于整車行駛環(huán)境下通常存在著一定的低頻背景噪聲，而有專業(yè)經(jīng)歷的評(píng)估工程師會(huì)通過臺(tái)架試驗(yàn)，考慮實(shí)車狀態(tài)下的異響狀況。這一點(diǎn)從兩組工程師對(duì)音頻b的評(píng)判差異中可以明顯看出。3N10響度的單一評(píng)價(jià)指標(biāo)具有局限性，綜合考慮S10鋒利度和平均粗糙度的評(píng)價(jià)體系與人的主觀感受更為貼近。4關(guān)