音樂控制法改善車內(nèi)聲品質(zhì)的試驗研究

李芳，左言言，李玉東

(1.鎮(zhèn)江船艇學院，江蘇鎮(zhèn)江212003 2.江蘇大學振動噪聲研究所，江蘇鎮(zhèn)江212013 3.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶213717)

音樂控制法改善車內(nèi)聲品質(zhì)的試驗研究

李芳1,2，左言言2,3，李玉東1

(1.鎮(zhèn)江船艇學院，江蘇鎮(zhèn)江212003 2.江蘇大學振動噪聲研究所，江蘇鎮(zhèn)江212013 3.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶213717)

以4種類型汽車內(nèi)采集到的32個不同噪聲樣本為評價對象，通過試驗研究建立了以心理聲學客觀參數(shù)描述主觀評價結果的車內(nèi)聲品質(zhì)模型，并對聲品質(zhì)較差的噪聲樣本實施了音樂掩蔽控制試驗，試驗結果表明，車內(nèi)噪聲的低沉度下降，音調(diào)度上升。研究結果表明音樂掩蔽控制法用于改善汽車聲品質(zhì)的可行性和有效性。

聲學；聲品質(zhì)；音樂掩蔽控制；煩惱度；低沉度；音調(diào)度

創(chuàng)造一個舒適、安靜的乘車環(huán)境是汽車研究人員一直追求的課題。到目前為止，關于降噪的理論、工具、手段一整套體系都已建立[1―6]。這些方法大部分是通過改變汽車的機械結構或加消聲元件來降低噪聲的。人們還希望在不改變車身結構的前提下找到一種簡易可操作的方法來改善對噪聲的主觀感受。

汽車行駛過程中在車內(nèi)產(chǎn)生的持續(xù)的噪聲會讓人煩惱，而音樂可以掩蔽復雜環(huán)境中的噪聲，降低總體噪聲中令人煩惱的成分。因此，人們開車時喜歡聽音樂，這樣可以分散人對噪聲的關注度，從而減弱對噪聲的煩躁感。本文通過對不同車型不同工況下的噪聲信號的研究，建立了主觀感受煩惱度和客觀參數(shù)之間的模型，找到影響煩惱度的主要參量；經(jīng)過實施音樂前后噪聲樣本的分析對比，結果顯示音樂可改變噪聲的低沉度和音調(diào)度兩個參量，從而使人的主觀煩惱度降低。

1 車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)評價模型的建立

1.1 噪聲樣本的采集

為了獲取準確的噪聲樣本，試驗采用德國Head Acoustics公司HMS III數(shù)字式仿真頭記錄實際車況條件下的雙耳噪聲信號，通過該公司的SQ Lab多通道聲振測試系統(tǒng)硬件和Artemis 12.0軟件，并配以耳機回放系統(tǒng)HPS IV通過Sennheiser HD 600耳機進行高保真回放，使采集和重放的噪聲信號能夠真實反應人耳的主觀感受。實驗用的設備如圖1所示。

圖1 實驗設備在車內(nèi)的使用

試驗中，共采集了4種型號轎車在良好路面上，以不同速度（50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h、100 km/h）勻速行駛時不同位置點處的聲音信號，得到32個噪聲樣本，每個樣本的長度為10 s，后經(jīng)剪輯為5 s。這部分的噪聲為標準的48 kHz,16 bit數(shù)據(jù)采樣，精度與一致性較好。

1.2 噪聲樣本的主客觀評價

本文采用等級評分法對噪聲樣本進行主觀評價，使用煩惱度作為量化評價指標，以P表示煩惱度，為無量綱系數(shù)，其數(shù)值越大代表噪聲聲品質(zhì)越差。經(jīng)評審團評價后得到主觀評價數(shù)據(jù)如表1所示。

本文選取A計權聲壓級、尖銳度、粗糙度、低沉度和音調(diào)度作為描述汽車車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)的客觀參數(shù)。經(jīng)過對評價者的評價結果檢驗，其評價值的肯德爾和諧系數(shù)（kendall’s Harmonious Coefficient）達到了0.843，說明評審團的評價結果是可信的。采用Head Acoustics公司聲品質(zhì)分析軟件Artemi S12.0對32個噪聲樣本的上述5種主要的心理聲學客觀參數(shù)進行了計算和分析，最后得到的部分樣本的心理學參數(shù)和煩惱度見表1。表1中的低沉度的計算是應用同濟大學的毛東興教授提出的低沉度數(shù)學模型[7]，計算公式如式（1）所示

式中Fci表示從20 Hz～20 kHz范圍內(nèi)的1/3倍頻中心頻率，LP(Fci)為第i個頻帶對應的聲壓級，x(Fci)為對應的1/3倍頻帶序號，如x(20)=1，x(25)=2，…，x (20 k)=31，n為頻帶總數(shù)，S表示尖銳度，R為粗糙度。

1.3 相關分析

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，低沉度與煩惱度之間的具有很強的正相關性，低沉度越高煩惱度越大；音調(diào)度也和煩惱度有較強的負相關性；其它客觀參數(shù)和煩惱度之間均沒有表現(xiàn)出較強的相關性，可認為煩惱度與各客觀參數(shù)的關系是非線性的，它們之間相互影響。為了研究聲品質(zhì)偏好性與客觀參數(shù)之間的關系，使用統(tǒng)計學軟件SPSS對煩惱度主觀值與相應的5種心理聲學客觀參數(shù)值進行線性相關分析，表2為聲品質(zhì)煩惱度的主觀評價結果與各客觀參數(shù)之間的具體Pearson相關系數(shù)。

從表2中可以看出，低沉度、音調(diào)度與偏好性的主觀評價結果有著明顯的線性相關性，而聲壓級、尖銳度和粗糙度相關性較低。選取相關度較高的兩個參量低沉度和音調(diào)度作散點圖如圖2和圖3，圖中更加直觀反映了煩惱度與低沉度、音調(diào)度的線性相關性。圖2表明煩惱度隨著低沉度的增加而增加，而圖3表明煩惱度隨著音調(diào)度的增大而降低。

表1 樣本煩惱度及心理聲學參數(shù)

表2 煩惱度與心理聲學客觀參數(shù)間的相關系數(shù)

圖2 低沉度與煩惱度的散點圖

圖3 音調(diào)度與煩惱度的散點圖

1.4 多元線性回歸模型

使用SPSS統(tǒng)計學軟件進行多元回歸分析，得到了聲品質(zhì)煩惱度的多元線性回歸模型為式（2）所示

該模型的R2為0.812，說明該模型在統(tǒng)計學上是有意義的。式（2）表明，本試驗汽車在勻速工況下行駛時，影響車內(nèi)聲品質(zhì)煩惱度的主要參量是低沉度和音調(diào)度，車內(nèi)聲品質(zhì)煩惱度可以用這兩個參數(shù)進行描述。因此改善車內(nèi)噪聲品質(zhì)，應注意對噪聲的低沉度和音調(diào)度進行控制。

2 音樂掩蔽控制法試驗及其效果

2.1 音樂掩蔽控制法試驗方法

選擇主觀評價試驗中煩惱度較大的噪聲樣本（樣本4）作為控制對象，使用加背景音樂的方法進行了試驗。試驗中車輛行駛狀態(tài)為80 km/h勻速行駛，車內(nèi)噪聲級為62 dB（A）。選取一段薩克斯音樂樣本，時間控制在25～50 s，聲壓級控制在65 dB（A）。同樣采用德國Head Acoustics公司的采集和回放信號系統(tǒng)，記錄在播放背景音樂時的噪聲信號，樣本的長度為10 s，后經(jīng)剪輯為5 s。

2.2 對低沉度和音調(diào)度的影響

應用Artemi S12.0軟件分析實驗得到的樣本，得到加音樂前后樣本的低沉度和音調(diào)度曲線如圖4和圖5。

圖4 加音樂前后音調(diào)度的對比圖

圖5 加音樂前后低沉度的對比圖

由圖4可以看出，加音樂后噪聲的音調(diào)度有了較大的提高，沒有音樂掩蔽控制時音調(diào)度大多集中在0.05 tu左右，音調(diào)度不強；加上音樂后音調(diào)度提高了將近一倍，而且幅度有所增加，使噪聲在音樂的掩蔽下好聽的成分有了較大的增加。

圖5顯示了加音樂后低沉度有了很大的下降，低沉度是描述低頻成分的詞語，低頻噪聲給人的感覺通常是強勁的、惱人的、令人討厭的。而低程度的下降使煩惱度有所降低。根據(jù)公式（1）可知低沉度的變化與尖銳度和粗糙度有關，圖6、7顯示了加音樂前后噪聲樣本的尖銳度和粗糙度，可以看出，加音樂后尖銳度和粗糙度均有所上升，由公式（1）可得出正是由于出粗糙度和尖銳度的增大導致低沉度的降低。

3 結語

針對車內(nèi)噪聲煩惱度，采用了音樂掩蔽法改善聲品質(zhì)。主要研究結論如下：

圖6 加音樂前后尖銳度的對比

圖7 加音樂前后粗糙度的對比

（1）對從4中轎車內(nèi)采集到的32個不同噪聲進行了主觀評價和客觀分析，建立了以客觀心理學參數(shù)描述主觀評價結果的聲品質(zhì)煩惱度模型。研究表明，穩(wěn)態(tài)工況下，車內(nèi)煩惱度主要受低沉度和音調(diào)度的影響；

（2）應用音樂掩蔽控制法對某一較差的噪聲樣本實施了控制試驗。結果表明，噪聲的低沉度明顯降低，而音調(diào)度有所升高；

（3）控制試驗表明音樂掩蔽控制法可降低噪聲中令人煩擾的低沉度，而增加令人愉悅的音調(diào)度，從而提高人們在車內(nèi)的舒適度，改善和提高車輛車內(nèi)聲環(huán)境。

[1]Scholl D,et al.Wavelet-based modification of impulsive sound character and application to diesel sound quality[C].SAE Paper,2005-01-2271.

[2]Lu J,et al.Windshields with new PVB interlayer for vehicleinteriornoisereductionandsoundquality improvement[C].SAE Paper,2003-01-1587.

[3]張翔，李傳光.自適應有源噪聲控制算法的研究與實現(xiàn)[J].北京理工大學學報，2002，22(1)：53-55.

[4]劉宗巍，王登峰，梁杰.車內(nèi)噪聲質(zhì)量的主觀評價及其改善措施的研究與發(fā)展[J].汽車技術，2006(7)：1-4.

[5]李徑定，方桌毅，等.汽車車內(nèi)結構噪聲新型控制方法試驗研究[J].汽車工程，2001，23(4)：262-265.

[6]侯艷芳，靳曉雄，毛東興，等.安裝不同消聲器時車內(nèi)噪聲煩惱度的研究[J].汽車工程，2010，32(9)：803-806.

[7]毛東興，王勇，姜在秀.車內(nèi)噪聲品質(zhì)低沉度參量的數(shù)學模型[J].聲學技術，2006，25(6)：533-539.

Experimental Study on Improvement of Interior Sound Quality of Cars by Using Music Control Method

LIFang1,2,ZUO Yan-yan2,3,LI Yu-dong1

(1.Zhenjiang Watercraft College,Zhenjiang 212003,Jiangsu China; 2.Institute of Noise and Vibration,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu China; 3.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology,Chongqing 213717,China)

Taking 32 car’s interior noise samples acquired from 4 types of vehicles under different conditions as evaluation objects,a sound quality model is built to describe the subjective evaluation by using the objective psychoacoustical parameters.The music masking control experiments for poor noise sample are performed.The results show that the low-and-deep noise inside the cars is reduced,but the tonality is raised.The music masking control is proved to be feasible and effective in the vehicle sound quality improvement.

acoustics;sound quality;music masking control;annoyance;low-and-deep noise;tonality

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.02.015

1006-1355(2014)02-0066-04

2013-10-28

汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室2010年度開放基金（NVHSKL-201006）

李芳（1979-），女，河南確山人，博士研究生，主要從事車輛振動與噪聲研究。

E-mail:lifang2008.cool@163.com

左言言(1958-)，男，江蘇漣水人，教授，博士生導師，主要從事車輛振動與噪聲研究。

E-mail:yyzuo@ujs.edu.cn