冰箱聲品質(zhì)客觀測試分析及采樣點位置選取方法

呂劍喬 張建潤

（東南大學 機械工程學院，江蘇 南京211189）

冰箱作為家電領域重要的產(chǎn)品，其使用過程中產(chǎn)生的噪聲一直是設計人員研究的重點之一，噪聲特性的好壞直接影響消費者對于冰箱的選擇。目前冰箱行業(yè)的噪聲評價標準是A 計權(quán)聲壓級或者A 計權(quán)聲功率級，針對冰箱噪聲的研究也主要為降低其整機聲功率，而在生產(chǎn)實際中發(fā)現(xiàn)，聲功率相近的兩種冰箱在消費者調(diào)查問卷中呈現(xiàn)出不一樣的評價，因此A 計權(quán)聲功率級這一傳統(tǒng)的評價指標已經(jīng)不能作為評價冰箱聲學特性的唯一指標[1-3]。聲品質(zhì)作為近年來應用聲學的研究熱點，能夠解決A 計權(quán)聲功率在冰箱聲學評價中的局限性問題。聲品質(zhì)的完整定義由Blauert[4-5]提出：“聲品質(zhì)是指在特定的技術目標或任務內(nèi)涵中聲音的適宜性。聲品質(zhì)定義中的‘聲’并不是指聲波這樣一個物理事件，而是指人耳的聽覺感知，‘品質(zhì)’是指由人耳對聲音事件的聽覺感知過程，并最終做出的主觀判斷”。聲品質(zhì)的概念更強調(diào)人們對聲音判斷的主觀性。

風冷式電冰箱聲品質(zhì)研究的意義就是從消費者的實際感覺出發(fā)，了解消費者對于冰箱產(chǎn)品的聽覺感受，從而在設計階段改善產(chǎn)品的聲學特性，提高消費者滿意度。

1 評價原理與測試系統(tǒng)

1.1 聲品質(zhì)客觀評價原理

響度(loudness)表示聲音的能量強度，響度的感覺主要是將被測聲音和標準聲音比較大小，在聲音變化的過程中找到變化關系。心理聲學中經(jīng)常使用1kHz 的純音來作為標準進行計量?？傢懚萅是特征響度N（z）對臨界頻帶的積分，即:

其中N(z)為在一個臨界頻帶（Bark）內(nèi)的特征響度，單位為soneGF/Bark。

根據(jù)與響度定義相似的臨界頻帶定義法，將其他聲品質(zhì)特性加以定量描述。抖晃度是調(diào)制頻率20Hz 以下的聲音感受變化率，粗糙度是高頻帶下調(diào)制帶來的聲音感受變化率，聲音頻譜的包絡結(jié)構(gòu)形成的銳感為尖銳度。至此，冰箱的主要聲品質(zhì)參數(shù)與人聽覺聯(lián)系到一起。

1.2 測試系統(tǒng)

測試儀器：Head Acoustic 數(shù)字人工頭、HEAD 聲品質(zhì)測量系統(tǒng)。

測試對象：某型號風冷式冰箱。

測試地點：滿足ISO-3745 和GB-6682 的半消聲室。

人工頭的位置位于冰箱的前部面和后部面中間位置向外1000mm 處、人工頭雙耳傳感器的高度為800mm，如圖1 所示。

圖1 Head Acoustic 數(shù)字人工頭布置方案

2 聲品質(zhì)客觀測試結(jié)果分析

Head recorder 采集了噪聲信號以后，使用ArtemiS 對采集到的信號進行計算分析，可以得到冰箱聲品質(zhì)客觀評價所使用的各項心理聲學參量的測量值。測試結(jié)果如圖2 所示，心理聲學參量數(shù)值如表1 所示。

根據(jù)圖表可知，在響度方面，2～4Bark 和8～9Bark 產(chǎn)生了最多的響度特征，相應頻率范圍為100Hz～400Hz 和840～1000Hz；再結(jié)合前面噪聲測試結(jié)果可知，此范圍內(nèi)噪聲主要有壓縮機及配管結(jié)構(gòu)聲、冷凝器中冷卻介質(zhì)在管中的流致噪聲、冷凝器用風扇和冷藏室冷凍室用風扇的氣動噪聲。而且左耳響度水平較大，因此風冷冰箱的噪聲響度主要受壓縮機的影響。

在尖銳度方面，在冰箱測試聲音信號存在明顯的刺耳成分，即存在尖銳度峰值，而且左耳尖銳度水平較大，在整個時域尺度上，左耳尖銳度曲線始終高于右耳尖銳度。根據(jù)前面測試結(jié)果可知，風冷冰箱左側(cè)噪聲主要來源于壓縮機振動輻射噪聲，且在高頻范圍內(nèi)僅存在壓縮機非線性激發(fā)出的噪聲。因此，風冷冰箱的噪聲尖銳度水平主要取決于左側(cè)的壓縮機，與理論相符合。

在粗糙度方面，對該風冷冰箱粗糙度值貢獻較大的噪聲頻帶集 中 5～9Bark 峰 值 頻 率 位 于 7.5～9Bark， 對 應 頻 率 為700Hz～1080Hz。主要噪聲源是壓縮機振動、冷凝器內(nèi)部流致噪聲和風扇氣動噪聲。

臨界頻帶為2～5Bark 的噪聲極大影響了冰箱整機噪聲抖晃度，峰值頻率位于2～3Bark，相應范圍為150Hz～250Hz。根據(jù)前面測試結(jié)果可知，該范圍內(nèi)噪聲主要有壓縮機及其電容噪聲、冷凝器工作噪聲以及風冷系統(tǒng)的氣動噪聲。同時發(fā)現(xiàn)，在峰值臨界頻帶處左耳抖晃度高于右耳的抖晃度，因此風冷冰箱噪聲的抖晃度受左側(cè)壓縮機噪聲影響更多。

圖2 冰箱噪聲信號的評價參數(shù)

表1 左右兩耳心理聲學參量數(shù)值大小

表2 男性（18～60 歲）立姿眼高

冰箱聲品質(zhì)測試分析有助于聲學設計人員進一步定位噪聲改善位置，以便于聲品質(zhì)的改善。

3 采樣點位置選取方法分析

在目前的聲品質(zhì)試驗中，采樣點往往都以聲強測試為樣本進行選擇，這種選取方式不符合聲品質(zhì)的評價特點——按照使用者的使用情景進行評價，因此確定采樣點的位置是聲品質(zhì)評價設計的重要內(nèi)容。在汽車領域，采集車內(nèi)噪聲樣本時，通常是在駕駛員靠近窗戶一側(cè)位置放置傳聲器來測量耳朵響應，也可使用模擬人工頭聲學測量系統(tǒng)，其分辨率非常高，記錄的聲音基本接近駕駛員在座位處聽到的聲音。

冰箱在使用過程中，使用者的位置隨使用情況的變化而變化，在不同位置的聲學感受也隨之變化。因此，冰箱聲品質(zhì)樣本的采樣點選擇需要根據(jù)具體情況而定。而采樣點位置的選擇，依據(jù)人機工程學的原理，根據(jù)《GB 10000-1988 中國成年人人體尺寸》中所給出的數(shù)據(jù)，通過不同使用情況下的人體尺寸來確定采樣點與冰箱的距離。

冰箱按使用過程可分為以下幾種情況：

（1）站姿面對冰箱正面，冰箱門由關閉到打開。這種情況對應于冰箱開門過程；

（2）站姿面對冰箱正面，冰箱門常開。對應于冰箱門開的使用過程；

（3）站姿面對冰箱正面，冰箱門由打開到關閉。對應于冰箱關門過程；

（4）站姿面對/側(cè)對冰箱正面，冰箱門常閉。對應于遠離冰箱站姿；

（5）坐姿且方位不限，冰箱門常閉。對應于遠離冰箱坐姿。

GB 10000-1988 中國成年人人體尺寸中給出了不同人體部位高度尺寸，由于眼部和耳部的高度基本相同，故采用眼高尺寸作為采樣點高度尺寸，具體如表2 所示[6]。

由于性別差異，男性和女性在立姿眼高和坐姿眼高方面存在不同，立姿眼高最大差值約為100mm，坐姿眼高最大差值約為50mm。由于個體差異，不同人的立姿眼高和坐姿眼高均不同，最大值與最小值差值約為250mm。

根據(jù)以上差異，針對如何選取采樣點高度有以下方法：

（1）選擇系列高度作為采樣高度進行采樣。在主觀評價過程中，根據(jù)被調(diào)查者的身高，選取不同身高區(qū)間的采樣數(shù)據(jù)進行評價。

（2）通過預先的主觀評價試驗，排除最大差值對于主觀評價結(jié)果的影響，從而選擇高度的中位數(shù)作為采樣點高度。

同理，采樣點距離冰箱面的距離可通過臂長來確定，由臂長確定的采樣點位置是符合冰箱的聲學使用情景的，在上述位置進行測量，能準確反映出使用者的主觀感受。

4 結(jié)論

本文以某型號冰箱壓縮機室為研究對象，將聲品質(zhì)理論和冰箱聲學問題相結(jié)合，對冰箱進行了聲品質(zhì)測試，得到了該型號冰箱聲品質(zhì)的特性。試驗主要得到以下結(jié)論：

4.1 風冷冰箱的噪聲響度主要受壓縮機的影響；

4.2 噪聲尖銳度水平主要取決于左側(cè)的壓縮機；

4.3 粗糙度主要取決于壓縮機結(jié)構(gòu)聲、冷凝器噪聲及風扇旋轉(zhuǎn)噪聲倍頻；

4.4 抖晃度主要受壓縮機影響。

在測量了冰箱的聲品質(zhì)客觀參量的同時，提出了一種基于人機工程學的新的采樣點選取方法，以期更符合冰箱的實際聲學使用環(huán)境，從而更加貼近聽者的主觀感受。

綜上所述，冰箱將來的聲品質(zhì)提升措施應主要集中在壓縮機的聲品質(zhì)優(yōu)化。試驗設計方法和測試分析方法可有效指導將來的聲品質(zhì)優(yōu)化工作，有著獨特的應用價值。