基于心理聲學(xué)整車NVH噪聲試驗(yàn)分析

李海青，張華鑫

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050035）

1 應(yīng)用背景

NVH是Noise（噪聲）、Vibration（振動(dòng)）和Harshness（聲振粗糙度）的英文縮寫。對(duì)于汽車而言，汽車的噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度之間的關(guān)聯(lián)是很密切的。從聲學(xué)理論就可以看出噪聲與振動(dòng)的聯(lián)系，振動(dòng)在具備一定條件下就會(huì)產(chǎn)生聲音。由于振動(dòng)頻率的無規(guī)律變化而產(chǎn)生雜亂無章的聲音即是噪聲。對(duì)于汽車NVH的研究而言，乘員在車內(nèi)的一切觸覺和聽覺感受都屬于NVH研究的范疇，此外還包括由于振動(dòng)引起的汽車零部件強(qiáng)度和壽命等問題。從NVH的觀點(diǎn)來看，汽車是一個(gè)由激勵(lì)源（產(chǎn)生噪音與振動(dòng)的源頭）、振動(dòng)傳遞器（由懸掛系統(tǒng)和邊接件組成）和噪聲發(fā)射器（車身）組成的系統(tǒng)。[1]

從汽車噪聲產(chǎn)生的兩種傳播途徑來看，有空氣傳播噪聲和結(jié)構(gòu)傳播噪聲。汽車在高速行駛的過程中，車速越快產(chǎn)生的噪聲越大，高速行駛時(shí)空氣動(dòng)力激發(fā)并產(chǎn)生噪聲臨界車速，達(dá)到一定速度后便會(huì)激發(fā)高頻噪聲和振動(dòng)。對(duì)于懸架、減震器的振動(dòng)噪聲特性和輪胎噪聲而言，會(huì)激發(fā)低頻振動(dòng)與噪聲。除此之外，還有傳動(dòng)系在不同車速下齒輪的嚙合、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、慣性力和排氣引起的對(duì)車身的振動(dòng)噪聲。

2 理論分析

心理聲學(xué)對(duì)于汽車NVH主觀評(píng)價(jià)有著重要作用。所謂心理聲學(xué)，是研究聽覺的心理反應(yīng)的一門學(xué)科，該學(xué)科的主觀性比較強(qiáng)，以人的感受作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。聲音是否為噪聲，是以聲音是否具有騷擾性作為依據(jù)，換句話說，即是對(duì)聲音品質(zhì)的主觀感受。為了形成客觀的標(biāo)準(zhǔn)來量化主觀評(píng)價(jià)，許多專家學(xué)者經(jīng)過大量理論實(shí)驗(yàn)，形成了心理聲學(xué)的基本概念和參數(shù)，為聲學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)汽車NVH噪聲主觀評(píng)價(jià)有著重要參考意義。

心理聲學(xué)參數(shù)包括響度、尖銳度、波動(dòng)度和粗糙度。

2.1 響度

作為心理聲學(xué)參數(shù)之一的響度，顧名思義為聲音的強(qiáng)弱，即平常所說的音量大小。聲音有多響，具體表現(xiàn)為聲音能量的強(qiáng)弱。響度隨著聲音的強(qiáng)度變化而變化，但也受頻率的影響，響度與強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比。隨著研究的不斷深入，形成了一系列關(guān)于響度的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)并建立了響度表。響度的單位為宋（son），用N表示，響度為1son所表征的意義是頻率為1kHz且分貝為40dB的純音。在計(jì)算響度時(shí)，需考慮左右耳的雙耳效應(yīng)，以得到切合實(shí)際的響度。

2.2 尖銳度

尖銳度主要是描述聲音品質(zhì)評(píng)價(jià)中的音色，噪聲的尖銳度高主要是由于聲音頻譜中高頻部分占的比率大所導(dǎo)致的。對(duì)于一般聲音頻譜來說，高頻率頻譜所占比率越大，聲音越尖銳。所以，在降低尖銳度設(shè)計(jì)中可以采用增加低頻成分來降低尖銳度，雖然一定成分上增加了響度，但是對(duì)于主觀的人耳來說，聲品質(zhì)得到了提升。尖銳度的單位是acum。尖銳度中1acum表征的意義是中心頻率為1kH、頻帶寬為160Hz并且聲級(jí)為60dB的窄頻帶聲音的尖銳度。

計(jì)算公式為：

式中：S′為特征尖銳度，N′為特征響度，Z為尺度，N為響度，g(Z)是計(jì)權(quán)函數(shù)，表達(dá)式如下:

尖銳度數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中的Bar k為Bar k尺度。

2.3 波動(dòng)度和粗糙度

波動(dòng)度和粗糙度是由于聲音的時(shí)域變化引起的。其中波動(dòng)度來源于聲頻中的低頻變化，而粗糙度則來源于聲頻中的高頻變化。

波動(dòng)度的單位是vacil。波動(dòng)度為1vacil表征的實(shí)際意義是頻率為1kHz且聲壓級(jí)60dB的純音經(jīng)4Hz頻率調(diào)制100%調(diào)幅聲作用下的波動(dòng)度。計(jì)算公式：

粗糙度作為心理聲學(xué)參數(shù)，主要應(yīng)用于評(píng)價(jià)調(diào)制頻率在20Hz到200Hz之間的聲音。其單位是asper，粗糙度為1asper所表征的物理意義是頻率為1kHz且聲壓級(jí)為60dB的純音信號(hào)經(jīng)調(diào)制頻率70Hz的100%調(diào)幅聲作用下的粗糙度。

粗糙度的計(jì)算公式：

式中 為調(diào)制頻率， 為聲音信號(hào)激勵(lì)級(jí)的變化量，其計(jì)算式如下：

式中 和 分別指特征頻帶中聲音信號(hào)的特征響度的最小值和最大值。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

3.1 汽車定置噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

每類試驗(yàn)每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，直到連續(xù)出現(xiàn)三個(gè)讀數(shù)的變化范圍在2dB（A）之內(nèi)為止。若試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有任何異常，則應(yīng)中止操作，排除異常后重新進(jìn)行測(cè)量。

3.2 汽車勻速車內(nèi)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

使用規(guī)定擋位，保證車速穩(wěn)定在規(guī)定的車速后開始采集，采集時(shí)間不少于10s。對(duì)每一個(gè)車速要求至少采集到3組一致性較好的測(cè)量結(jié)果。若試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有任何異常，則應(yīng)中止操作，排除異常后重新進(jìn)行測(cè)量。對(duì)比三組數(shù)據(jù)，選擇一組較好的數(shù)據(jù)用于分析。對(duì)于每個(gè)記錄工況，計(jì)算噪聲值的總值、語言清晰度、響度及1/3倍頻程譜圖。

3.3 汽車行駛車內(nèi)噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

節(jié)氣門全開從發(fā)動(dòng)機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速加速至額定轉(zhuǎn)速，采集1000rpm至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的信號(hào)。

節(jié)氣門半開從發(fā)動(dòng)機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速加速至額定轉(zhuǎn)速，加速過程中調(diào)節(jié)油門踏板位置，保持車輛以1m/s2±0.2 m/s2的加速度行駛，采集1000rpm至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的信號(hào)。

加速運(yùn)行車輛至發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速以上，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后迅速松開油門踏板，讓車輛減速至最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，采集額定轉(zhuǎn)速至1000rpm范圍內(nèi)的信號(hào)。

要求至少采集到3組一致性較好的測(cè)量結(jié)果。若試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有任何異常，則應(yīng)中止操作，排除異常后重新進(jìn)行測(cè)量。

3.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)比3組數(shù)據(jù)，選擇一組較好的數(shù)據(jù)用于分析。對(duì)于每個(gè)記錄工況，計(jì)算噪聲值的總值，點(diǎn)火階次對(duì)應(yīng)值隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。

圖1 傳聲器位置布置示意圖

4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是建立在一般軟件處理分析之上進(jìn)行的。對(duì)于汽車NVH噪聲分析而言，需要借助LMS.Test.lab進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。LMS.Test.lab是一套振動(dòng)噪聲試驗(yàn)解決方案[2]，同時(shí)也是一種應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)，集合高速多通道數(shù)據(jù)的采集和試驗(yàn)、分析和電子報(bào)告于一體，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)處理、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械分析、聲學(xué)和環(huán)境試驗(yàn)[3]。

表1 啟動(dòng)及熄火車內(nèi)噪聲振動(dòng)值

由表1可知，駕駛員位置在啟動(dòng)及熄火工況的最大噪聲值分別為51.9dB(A)、48.6dB(A)。啟動(dòng)時(shí)，方向盤、換擋桿及座椅導(dǎo)軌的振動(dòng)分別為0.035g（X向）、0.054g（X向）和0.02g（X向）。

圖2 啟動(dòng)/熄火工況車內(nèi)駕駛員右耳位置噪聲

圖3 啟動(dòng)/熄火工況車內(nèi)方向盤位置振動(dòng)加速度

圖4 啟動(dòng)/熄火工況車內(nèi)換擋桿位置振動(dòng)加速度

圖5 啟動(dòng)/熄火工況車內(nèi)座椅導(dǎo)軌位置振動(dòng)加速度

圖6 二擋全油門加速車內(nèi)噪聲Overall曲線

圖7 二擋全油門加速車內(nèi)駕駛員右耳噪聲Colormap圖

圖8 二擋全油門加速車內(nèi)副駕右耳噪聲Colormap圖

圖9 二擋全油門加速車內(nèi)左后排乘員右耳噪聲Colormap圖

圖10 二擋全油門加速車內(nèi)右后排乘員右耳噪聲Col ormap圖

二擋全油門加速，由圖6可知，車內(nèi)噪聲線性度較好；駕駛員右耳位置從1000~4500rpm，聲壓級(jí)從47.8~70.1 dB(A)；二擋全油門加速，從圖7——圖10（Colormap圖）看，副駕右耳的3階、3.5階、4階在4000rpm以上較大，引起副駕右耳位置在4000rpm以上比其他位置聲壓級(jí)高（結(jié)合圖6看）；其余位置Colormap圖較好。

5 整車NVH噪聲性能評(píng)價(jià)

第一，駕駛員位置在空調(diào)關(guān)工況怠速時(shí)，方向盤及換擋桿振動(dòng)略大；其余工況車內(nèi)各關(guān)重點(diǎn)振動(dòng)總體水平均較好。

第二，對(duì)于二擋、三擋全油門加速，從Overall曲線看，車內(nèi)噪聲線性度較好；引起副駕右耳位置在4000rpm以上比其他位置聲壓級(jí)高；其余位置Colormap圖較好。其中方向盤X向振動(dòng)較其余方向振動(dòng)大，座椅導(dǎo)軌Y、Z向振動(dòng)較X向振動(dòng)大，右后排乘員右耳位置語言清晰度在1600rpm、2200rpm有突變，其余位置線性度較好。