汽車噪聲聲音品質(zhì)主觀評價及控制第一章緒論1.1論文研究的背景隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展以及對高質(zhì)量生活的不斷追求，人們對車輛乘坐的舒適性要求越來越高。車內(nèi)噪聲不僅降低了乘坐的舒適性，還增加了駕駛員的疲勞感，容易使人煩躁，甚至危及行車安全。除此之外，也影響到人們對汽車質(zhì)量的評價，進一步影響到汽車的銷售。因此，如何控制和改善車內(nèi)噪聲就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的噪聲控制，只強調(diào)噪聲量級的大小，認為噪聲級越低越好。為了得到舒適的車內(nèi)環(huán)境，以前主要采取降低車內(nèi)噪聲的聲壓級的辦法。隨著研究的不斷深入，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的聲壓級不足以描述汽車噪聲的全部特征，單純地降低聲壓級并不能改善汽車乘坐的舒適性。近年來人們提出了聲品質(zhì)(SoundQuality)：聲品質(zhì)是在特定的技術(shù)目標或任務(wù)內(nèi)涵中聲音的適宜性。汽車聲品質(zhì)就是在滿足人和環(huán)境的要求下，尋求符合汽車特性的產(chǎn)品聲音。聲品質(zhì)的研究實際上提出了現(xiàn)代噪聲控制的理念，即噪聲控制不僅僅是消極被動地降低噪聲的聲壓級，而是能夠根據(jù)顧客的主觀評價，通過合理有效的措施，使特定產(chǎn)品的噪聲聽上去不僅僅安靜，而且盡可能的悅耳，甚至調(diào)節(jié)噪聲至理想狀態(tài)，并使不同的產(chǎn)品有各自獨特的聲音特性。除了頻率及強度兩大因素外，聲品質(zhì)的研究更強調(diào)心理聲學及非聲學因素等的直接影響。1.2汽車NVH研究汽車噪聲就要談到NVH技術(shù)，汽車NVH是指汽車的Noise(噪聲)、Vibration(振動)和Harshness(舒適性)，主要是研究汽車噪聲振動對整車性能及舒適性的影響。Noise(噪聲)是指引起人煩躁而危害人體健康的聲音。汽車噪聲不但增加駕駛員和乘員的疲勞從而影響汽車的行駛安全，而且對環(huán)境造成噪聲污染。噪聲常用聲壓級評價，其頻率范圍在20Hz-20kHz。汽車噪聲主要包括結(jié)構(gòu)噪聲(車身壁板振動產(chǎn)生的噪聲)、輻射噪聲(如發(fā)動機、排氣系統(tǒng)、制動器等輻射的噪聲)、空氣動力噪聲(風噪、空氣摩擦車身形成的噪聲)等。Vibration(振動)描述的是系統(tǒng)狀態(tài)的參量(如位移)在其基準值上下交替變化的過程。汽車低頻振動危害駕駛員和乘員的身體健康，同時不良的振動會給汽車零部件帶來損壞，影響零部件的壽命。振動是噪聲產(chǎn)生的原因，因此，振動和噪聲的研究是密不可分的。Harshness(舒適性)指的是振動和噪聲的品質(zhì)，它并不是一個與振動、噪聲相并列的物理概念，而是描述人體對振動和噪聲的主觀感覺，不能用客觀測量方法來直接度量。由于聲振粗糙度描述的是振動和噪聲使人不舒服的感覺，因此有人稱Harshness為不平順性。又因為聲粗糙度經(jīng)常用來描述沖擊激勵產(chǎn)生的使人極不舒服的瞬態(tài)響應，也有人稱Harshness為沖擊特性?？偟恼f來，舒適性描述的是振動和噪聲共同作用而使人感到疲勞的程度在研究汽車噪聲與振動時，通常采用NVH指標.1.3論文的主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)聲品質(zhì)的研究與應用己成為噪聲控制研究的熱點與發(fā)展方向，我們試圖在消費者主觀感受、客觀評價與產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)間建立聯(lián)系，以便通過主觀感受及客觀評價指標，設(shè)計出聲學特性讓人們滿意、甚至令人愉悅的產(chǎn)品。就現(xiàn)在噪聲控制的研究狀況而言，由于許多產(chǎn)品設(shè)計較為成熟，人們對噪聲影響的感受己經(jīng)由單一的對聲級大小的關(guān)注轉(zhuǎn)向?qū)β犛X舒適度的關(guān)注，產(chǎn)品輻射噪聲降低到一定程度再進行降噪在技術(shù)實現(xiàn)上比較困難；開展這一新的研究，是新世紀人們追求高質(zhì)量生活的需要。因此，基于當前迅速發(fā)展的汽車工業(yè)，確立汽車聲品質(zhì)的目標，選取合適的汽車聲品質(zhì)評價的參數(shù)，結(jié)合人的生理特征和主觀感覺，建立系統(tǒng)的聲品質(zhì)評價方法是必須的。系統(tǒng)的評價方法建立是進行汽車聲品質(zhì)改進與設(shè)計的基礎(chǔ)是實現(xiàn)汽車聲品質(zhì)工程的基礎(chǔ)，也是進行汽車NVH改善與設(shè)計的重要一環(huán).因此論文的主要內(nèi)容是討論汽車噪聲聲品質(zhì)的評價方法。論文結(jié)構(gòu)：第一章介紹聲品質(zhì)概念的提出，然后簡單的介紹聲品質(zhì)在汽車實驗技術(shù)上的應用技術(shù)，汽車NVH實驗技術(shù)。第二章介紹了汽車噪聲的產(chǎn)生、傳播、控制的基礎(chǔ)知識。為進一步討論汽車噪聲的主觀評價奠基。第三章總體上介紹聲音感知模型和噪聲主觀評價研究的內(nèi)容。第四章詳細介紹噪聲評價的實驗步驟與評價方法，以及常用參量的計算。第五章主觀評價試驗及總結(jié)。第二章噪聲產(chǎn)生、傳播機理及控制技術(shù)2.1汽車車內(nèi)噪聲的形成汽車車內(nèi)噪聲指的是行駛汽車車廂內(nèi)存在的各種噪聲。車內(nèi)噪聲極易使乘車人員感到疲勞對汽車的舒適性有著重要影響。從聲源來看車內(nèi)噪聲和車外噪聲的來源基本相同，即:發(fā)動機噪聲，進排氣噪聲，底盤噪聲等。這些噪聲聲源的噪聲能經(jīng)由空氣和固體兩個途徑傳進車內(nèi)，如圖2.1所示。進排氣系統(tǒng)進排氣系統(tǒng)統(tǒng)發(fā)動機傳動系空氣波動車內(nèi)噪聲車身振動風扇氣流流動輪胎路面固體空氣圖2.1車內(nèi)噪聲的主要來源與傳播途徑前人研究的結(jié)果表明，車廂外的噪聲向車廂內(nèi)的傳播是按空氣傳播的規(guī)律進行的，具體途徑有兩個:第一個途徑是—通過車廂壁板(包括地板、頂板和四周的壁板)，門窗上所有的孔、縫，直接傳入車廂內(nèi)。稱之為空氣聲。第二個途徑是—車廂外的聲源或振動(源)動，作用于車身壁板，激發(fā)壁板振,并向車廂內(nèi)輻射噪聲。稱之為固體聲.傳播過程如下圖所示:聲源聲源孔縫傳聲振動源機體振動壁板振動室內(nèi)混響室內(nèi)噪聲圖2.2車廂內(nèi)部噪聲傳播示意圖振源產(chǎn)生的振動，通過汽車的機體傳遞到車廂與機體的聯(lián)結(jié)處，激發(fā)車廂產(chǎn)生強烈振動，并向車廂內(nèi)輻射強烈的噪聲。機體傳給車廂壁的振動與車廂外聲波激發(fā)起的車廂壁的振動是迭加在一起的，很難區(qū)分，但因它們的傳播途徑不同，頻率特性不盡相同，因而采取的降噪措施不同。車廂內(nèi)的噪聲實際上是直達聲與多次反射聲迭加的結(jié)果，因此在未加降噪措施的情況下，車廂內(nèi)的噪聲有可能比卸去車廂后相同位置的噪聲要大(指未采用任何吸聲材料的空車廂)。2.2汽車車內(nèi)噪聲主要聲源機理分析2.2.1發(fā)動機噪聲的產(chǎn)生機理發(fā)動機噪聲的發(fā)生機理，可用圖2.3來說明。它的發(fā)生過程可分為內(nèi)部激振力，振動傳遞系統(tǒng)和外部輻射源三個部分。內(nèi)部激振力有燃燒激振力和機械激力兩種:前者是氣缸的燃燒壓力，由此產(chǎn)生燃燒噪聲;后者主要是慣性力，活塞撞擊氣缸，齒輪因扭振而相互撞擊，進排氣門落座等。由此產(chǎn)生機械噪聲。在發(fā)動機中，由于激振力多為沖擊力，故包含的頻率成分豐富，其頻率范圍主要分布在0.5k-10kHz。同時，被激振的發(fā)動機構(gòu)造也很復雜，多數(shù)零件用螺栓機械地聯(lián)接起來，分別具有無數(shù)個固有頻率，它們或獨立或復合起來，以各自的固有振型相互影響，引起復雜的振動，再沿不同的途徑傳遞，最后由發(fā)動機表面輻射出噪聲來。發(fā)動機表面的聲輻射是由于結(jié)構(gòu)表面的振動產(chǎn)生的，發(fā)動機表面輻射的聲功率與發(fā)動機表面的振動功率成正比。與機體或缸蓋直接聯(lián)結(jié)的油底殼、齒輪室蓋、氣門罩蓋等，由于它們一般為薄殼零件，與機體、缸蓋相比，剛度小、振動大，往往是噪聲的主要輻射源。燃燒噪聲源機械噪聲源力產(chǎn)生放熱氣缸壓力燃燒噪聲源機械噪聲源力產(chǎn)生放熱氣缸壓力壓力脈沖慣性力扭矩變動活塞撞擊正時齒輪撞擊氣門機構(gòu)撞擊振動傳播汽缸蓋活塞正時齒輪箱連桿曲軸主軸承缸套噪聲輻射氣門罩蓋進排氣歧管曲軸皮帶輪機體油底殼齒輪箱蓋發(fā)動機主要激力壓力(慣性力，扭振激力)的基頻及諧波為:(2-1)其中:n—發(fā)動機轉(zhuǎn)速(r/min)τ—沖程數(shù)，四沖程:τ=2，二沖程：τ=1m=整數(shù)，m=1，2，3……當發(fā)動機運行時，若壓力或慣性激力諧波與直接或間接受激勵的零件固有頻率吻合時，就會產(chǎn)生共振而輻射出很大的噪聲來。2.2.2進、排氣噪聲汽車發(fā)動機的進、排氣噪聲是汽車的空氣動力性噪聲源之一。1.進氣噪聲進氣噪聲是由進氣門的周期性開閉，而產(chǎn)生的壓力起伏變化所形成的。其主要頻率范圍為50~5OOHz。進氣噪聲的主要成分為:Hz(2-2)式中：n—發(fā)動機轉(zhuǎn)速(r/min)i—氣缸數(shù)τ—沖程數(shù)，四沖程:τ=2一般來講，進氣噪聲中，f、2f、3f的諧波成分較為明顯，更高次諧波，能量逐漸減弱。除了進氣脈動以外，還有渦流成分，它是由高速氣流經(jīng)過進氣門時，產(chǎn)生大量渦流而形成，是寬帶、連續(xù)的高頻噪聲，渦流噪聲的峰值頻率為:Hz（2-3）式中：S1—斯托羅哈數(shù)，一般取0.05V—進氣門處，進氣截面的氣流流速(m/s)d—進氣門桿直徑（m）當周期性進氣噪聲的主要頻率與進氣管空氣柱的固有頻率一致時，空氣柱的共鳴聲也很突出。管中的氣柱共振頻率由下式計算：（2-4）式中:c—聲速(m/s)l—總管長（m）n=1,2,3……2.排氣噪聲排氣噪聲是汽車主要噪聲源之一。其主要頻率范圍是50一5000Hz。它主要由排氣脈動噪聲、管道氣柱共振噪聲和廢氣噴注噪聲等組成，它的排氣脈動計算式同式(2.3)，管道氣柱共振噪聲頻率同式(2.5)，當排氣噪聲中的某頻率成分恰好等于氣柱共振頻率時，會激發(fā)管道氣柱共振噪聲。另外，在發(fā)動機的排氣系統(tǒng)中，排氣系統(tǒng)薄壁管道及殼體表面的振動也將輻射出噪聲，排氣系統(tǒng)產(chǎn)生振動的原因有兩個:a.由發(fā)動機排氣歧管傳來的振動;b.由排氣壓力波在排氣管、消聲器內(nèi)部所激發(fā)的振動。排氣系統(tǒng)的振動噪聲有時會成為汽車的主要噪聲源。2.2.3風扇噪聲風扇噪聲是空氣動力性噪聲。主要由旋轉(zhuǎn)噪聲(葉片噪聲)和渦流噪聲組成。主要頻率范圍為200-2000Hz。旋轉(zhuǎn)噪聲是由風扇旋轉(zhuǎn)葉片周期性的拍擊空氣，引起空氣壓力脈動而激發(fā)出的噪聲，它的基頻計算式為:=（2-5）式中:n1—風扇轉(zhuǎn)速(r/min)z—風扇葉片數(shù)i1—曲軸的傳動比n—發(fā)動機轉(zhuǎn)速(r/min)除了基頻外，它的高頻成分2f、3f……有時也很重要。渦流噪聲是由于風扇旋轉(zhuǎn)時，葉片周圍產(chǎn)生的空氣渦流而形成的。渦流噪聲的頻率由下式計算:（2-6）式中:St—斯脫羅哈數(shù)St=0.14-0.20V—氣體與葉片的相對速度D—葉片的正面寬度在垂于速度平面的投影K—諧波次數(shù)K=1，2，3.……渦流噪聲的頻率取決于葉片與氣體的相對速度，而葉片的圓周速度則隨著與圓心距離線性變化，所以噪聲頻率也是連續(xù)的。2.2.4傳動系的振動與噪聲汽車傳動系包括發(fā)動機與汽車驅(qū)動輪之間的一系列旋轉(zhuǎn)部件，傳動系是多質(zhì)量的彈性系統(tǒng)。當傳動系的固有頻率之一與干擾力矩頻率吻合時，便會發(fā)生扭振，而產(chǎn)生強烈的噪聲。傳動系的彎曲振動，通過支承傳給車身，引起車身部件的振動與噪聲。傳動系(尤其變速器)，齒輪系噪聲也較為明顯。齒輪噪聲主要是由輪齒嚙合強制振動造成的，它由齒輪嚙合噪聲和齒輪固有振動噪聲組成。1.齒輪嚙合噪聲這種噪聲是指齒輪傳動時，齒與齒之間因撞擊所產(chǎn)生的噪聲，它的頻率計算式如下:Hz(2-7)式中:n—齒輪轉(zhuǎn)速(r/min)z—齒數(shù)K—諧波次數(shù)K=1，2，3…….2.齒輪的固有振動噪聲齒輪嚙合時，由于外激力的作用，齒輪本身也會產(chǎn)生一些固有振動，在負荷較大或者低速運轉(zhuǎn)時，此噪聲一般較為突出。如果齒輪的嚙合頻率與固有振動頻率接近時，往往會發(fā)生共振而產(chǎn)生大的噪聲。此外，齒輪箱壁的振動噪聲一般也很大，尤其應避免齒輪的嚙合頻率與箱壁的固有自振頻率相吻合，應有足夠的壁厚;為了提高箱壁的固有自振頻率，可適當加筋。2.2.5輪胎噪聲輪胎噪聲主要包括輪胎花紋噪聲和彈性振動噪聲。1.輪胎花紋噪聲當輪胎在地面滾動時，輪胎胎面花紋凹部所包含的氣體，在離開所接觸的地面時，因受擠壓作用，使空氣向后方排出，引起周圍空氣壓力變化而產(chǎn)生，等距花紋噪聲頻率為:Hz(2-8)式中:Va—車速(Km/h)S—輪胎花紋節(jié)距數(shù)R—輪胎的滾動半徑(m)它的諧頻為2f、f…….2.彈性振動噪聲車輪行駛過程中，由于輪胎彈性變化和路面凸凹不平等原因，激發(fā)輪胎本身振動而產(chǎn)生的噪聲。它的頻率一般小于200Hz。2.3噪聲控制要求及評價指標2.3.1近些年來，世界各國普遍提高了對汽車噪聲的控制標準，尤其是發(fā)達國家對汽車噪聲非常重視。歐共體、日本、美國等從七十年代起，每六年左右就修訂一次相關(guān)法規(guī)和標準，使汽車噪聲限值有了大幅度降低。雖然我國汽車噪聲控制工作從1979年就開始，當時發(fā)布了兩項國家標準，《GB1495-79機動車輛允許噪聲》和《GB1496-79機動車輛噪聲測量方法》，但與發(fā)達國家相比還存在較大差距，直到2002年我國才又頒布了新的汽車及發(fā)動機噪聲法規(guī)《GBl495-2002汽車加速行駛車外噪聲眼值及測量方法》，并作為強制標準加以實施。表1-1國內(nèi)外車輛行駛噪聲限值標準的比較(單位：dBA)汽車分類國內(nèi)79年標準國內(nèi)02年標準歐盟標準85年前產(chǎn)85年后產(chǎn)05年前產(chǎn)05年后產(chǎn)90年R51/0196年R51/02轎車8482 77747774載重汽車8t≤載重量≤15t9289858383783.5t≤載重量＜8t908682808080載重量≤3.5t898479777977公共汽車4t≤載重量＜11t898685838380載重量＜4t888378767876輕型越野車898479772.3.2噪聲評價指標主要是指車內(nèi)、外的噪聲值和振動適應性，評價方法可分為主觀評價和客觀評價。主觀評價是顧客對車內(nèi)外噪聲振動的直觀感覺，是聲品質(zhì)的真實反映。通常根據(jù)不同的條件，可采用簡單排序法、等級評分法、成對比較法和語義區(qū)分法進行主觀評價?？陀^評價是使用通過分析和測量的方法得到噪聲和振動的參數(shù)來評價其大小和好壞。第四章將會詳細介紹。2.4汽車噪聲控制方法國內(nèi)外科研人員已經(jīng)對這方面進行很多研究。到目前為止，有關(guān)車內(nèi)噪聲控制的研究，綜合起來可大致分為被動控制、主動控制和NVH性能試驗。2.4.1傳統(tǒng)的噪聲控制方法早期的車內(nèi)噪聲控制途徑主要有減弱聲源強度、隔絕傳播途徑和吸聲處理三個方面。1.聲源降噪識別并降低聲源噪聲是噪聲控制中最根本、最有效、最直接的途徑。降低汽車上任何聲源的噪聲能量都有利于控制車內(nèi)外噪聲。尤其是降低汽車發(fā)動機和傳動系等主要噪聲源的噪聲更具重要意義。為了降低聲源噪聲，首先必須識別出噪聲源，弄清聲源產(chǎn)生噪聲的機理和規(guī)律，然后改進設(shè)計，降低產(chǎn)生噪聲的激振力，降低發(fā)聲部件對激振力的響應，從而達到根治噪聲的目的。隔斷傳播途徑降噪當對噪聲源難以進行控制時，我們就需要在噪聲的傳播途徑中采取措施，例如吸聲、隔聲、消聲、減振及隔振等措施。又稱無源噪聲控制。2.吸聲降噪在噪聲源周圍的有限空間內(nèi)布置一些具有吸聲作用的材料，就會減少噪聲能量的反射，使混響聲部分大大降低，從而達到降噪的目的。這種方法叫做吸聲法。工程上具有吸聲作用并有工程應用價值的材料大多為多孔性吸聲材料，而穿孔板等具有吸聲作用的材料，通常被歸為吸聲結(jié)構(gòu)。多孔吸聲材料種類很多，按成型形狀可分為制品類和砂漿類；按照材料可以分為玻璃棉、巖棉、礦棉等：按多孔性形成機理及結(jié)構(gòu)狀況又可分為三種：纖維狀、顆粒狀和泡沫塑料等。在吸聲材料內(nèi)部有大量微小的連通的孔隙，聲波沿著這些材料孔隙可以深入材料內(nèi)部，與材料發(fā)生摩擦作用將聲能轉(zhuǎn)化成熱能。吸聲結(jié)構(gòu)的作用原理。多是利用赫姆霍茲共振原理。這類吸聲類似于暖水瓶的聲共振：當聲波射入赫姆霍茲共振吸聲器時，容器內(nèi)口的空氣受到激勵，將產(chǎn)生振動，容器內(nèi)的介質(zhì)將產(chǎn)生壓縮或膨脹變形，以此來消耗聲能。當赫姆霍茲共振吸聲器達到共振時，振動速度達到最大，對噪聲的吸收也達到最大。工程中常用的吸聲結(jié)構(gòu)有空氣層吸聲結(jié)構(gòu)、薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)和薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)、穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)、微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)、吸聲尖劈等，其中最簡單的吸聲結(jié)構(gòu)就是吸聲材料后留空氣層的吸聲結(jié)構(gòu)。吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)在汽車上主要應用于發(fā)動機和車內(nèi)降噪。在發(fā)動機殼體上，我們通常使用吸聲材料來吸收和降低聲輻射。一般是以玻璃纖維、泡沫、毛氈類為基體的材料，用非織物進行表面處理，背后設(shè)計成空氣層結(jié)構(gòu)。而在汽車室內(nèi)，全部內(nèi)飾都裝有吸聲材料，這樣的設(shè)計有效的降低了車內(nèi)噪聲，例如在汽車頂棚采用吸聲處理?？稍诔藛T耳朵的位置處降低2dB以上的噪聲。3.隔聲降噪隔聲降噪的原理是：當聲波在傳播途徑中，遇到勻質(zhì)屏障物(如木版、金屬板、墻體等)時，部分聲能被屏障物反射回去，一部分被屏障物吸收，只有一部分聲能可以透過屏障物輻射到另一空間去，透射聲能僅是入射聲能的一部分。反射與吸收降低了噪聲的傳播。隔聲構(gòu)件隔聲量的大小與其材料、結(jié)構(gòu)和聲波的頻率有關(guān)。常見的隔聲結(jié)構(gòu)有單層壁和雙層壁兩種。最簡單的隔聲結(jié)構(gòu)是單層均勻密實壁，如鋼板、鉛板、磚墻、鋼筋混凝土墻等。試驗發(fā)現(xiàn)，單層壁的隔聲量與壁的單位面積質(zhì)量有密切關(guān)系。單位面積質(zhì)量越大，其隔聲量越高，同樣厚度的鋼板比鋁板隔聲效果好，同樣材料的厚度大的隔聲效果好，這個規(guī)律稱為隔聲的質(zhì)量定律。雙層壁就是在雙列平行的單層壁之間留有一定尺寸的空氣層。一般情況下，由于空氣層的存在提高了隔聲效果，雙層壁比單層勻質(zhì)壁隔聲量大5-10dBA；如果隔聲量相同，雙層壁的總重比單層壁減少213左右。在汽車上，隔聲降噪主要應用于發(fā)動機。發(fā)動機罩就是一種典型的隔聲罩，它將噪聲輻射強烈的發(fā)動機遮蔽起來，減少噪聲的透射。汽車駕駛室和客車車廂也都屬于隔聲室類的隔聲裝置：在高速公路兩旁采用聲屏障來抑制交通噪聲對兩旁居民的干擾，也是采用了這種原理。阻尼降噪汽車的殼體及機器的護壁、外罩、通風管道等都是金屬薄板制成的，當汽車行駛或機器運轉(zhuǎn)時，這些金屬薄板受激勵而振動時，往往輻射噪聲，是很嚴重的噪聲源。對于這類金屬薄板振動輻射的噪聲，我們常采用阻尼降噪技術(shù)。在機械物理學中，阻尼是指系統(tǒng)耗散能量的能力。從減振的角度看，就是將機械振動的能量轉(zhuǎn)變成熱能或其他可以消耗的能量，從而達到減振的目的。阻尼降噪技術(shù)就是充分運用阻尼耗能的一般規(guī)律，從材料、工藝、設(shè)計等各項技術(shù)發(fā)揮阻尼在減振方面的潛力，以提高機械結(jié)構(gòu)的抗振性、降低機械產(chǎn)品的振動、減少因機械振動所產(chǎn)生的聲輻射，降低機械噪聲。噪聲控制中多采用的阻尼材料為泡沫多孔材料和減振降噪的復合型材料。2.4.2噪聲主動控制是近20年來發(fā)展起來的一種全新的噪聲控制方法。與傳統(tǒng)降噪措施相比，其突出優(yōu)勢在于低頻噪聲控制效果好，此外，它還具有對原系統(tǒng)的附加質(zhì)量小和占用空間小等特點。主動噪聲控制通常是利用聲波干涉的原理進行以聲消聲的控制。當兩個聲波在疊加點處振動的方向一致、頻率相同及相位差恒定時，它們會發(fā)生干涉現(xiàn)象，引起聲波能量在空間的重新分配，此時利用人為的聲源(次級聲源)，使其產(chǎn)生的聲場與原噪聲源(初級聲源)產(chǎn)生的聲場發(fā)生相干性疊加，產(chǎn)生“靜區(qū)”，從而達到降低噪聲的目的。還有一些學者嘗試采用主動減振來降低板件聲輻射達到消聲目的。曾經(jīng)有人提出采用激振器對發(fā)動機支承處振動進行主動控制來降低車內(nèi)噪聲，但這種方法需要消耗較多的能量，且作動器布置困難，因而沒有得到足夠的重視。2.4.3汽車NVH試驗技術(shù)汽車NVH(Noise、Vibration、Harshness)指的是噪聲、振動與舒適性，其觀點是，汽車是一個由激勵源(發(fā)動機、變速器等)、振動傳遞器(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)。NVH試驗技術(shù)是以整車作為研究對象，從噪聲、振動與舒適性的角度分析車內(nèi)外噪聲的產(chǎn)生機理，通過駕駛員或成員的感受來尋找噪聲振動的激勵源，再對激勵源產(chǎn)生噪聲及振動的機理和傳播途徑進行分析研究，找到降噪減振的方法，來達到降低車內(nèi)外噪聲、提高汽車乘坐舒適性的目的。NVH試驗技術(shù)對新車型的開發(fā)和現(xiàn)有車型的性能改善都起著重要的作用。其主要的研究方法是，根據(jù)設(shè)定的汽車NVH目標值，建立數(shù)學模型，進行整車仿真分析。但由于汽車系統(tǒng)極為復雜。因此我們常將整車分解成多個子系統(tǒng)進行研究，如底盤子系統(tǒng)、車身子系統(tǒng)等；也可以研究某個激勵源產(chǎn)生的或某種工況下的NVH特性。通過曲線、圖表的形式，或者借助于虛擬現(xiàn)實環(huán)境，我們可以向有關(guān)技術(shù)人員、專家及最終用戶提供身臨其境般的聽覺、觸覺及視覺感受，來提供分析結(jié)果，從而針對某種車型進行主觀、客觀評價和改進設(shè)計方案。汽車NVH試驗研究對于新車型開發(fā)和現(xiàn)有車型的性能改善都起著重要的作用。對汽車NVH特性的研究既貫穿于新車型的研發(fā)過程，也可以體現(xiàn)在現(xiàn)有車型的改進設(shè)計中。1、在新車型開發(fā)過程中的應用在新車型的研發(fā)中，汽車NVH特性研究可以看作是建立在計算機仿真分析基礎(chǔ)之上的以汽車NVH特性為設(shè)計目標的一種設(shè)計方法。在整車研發(fā)過程中，NVH性能研究可以分為以下4個階段:(1)調(diào)研并確定整車目標通過對政府法規(guī)的要求、消費者的要求和競爭車型的NVH性能水平的調(diào)研，制定新開發(fā)車型的NVH標準。這個階段一般通過對政府法規(guī)要求的查閱，新型消費者市場問卷調(diào)研，同時對競爭車型進行NVH性能目標值測試等手段，獲得所要設(shè)計的新車型的NVH性能的目標數(shù)據(jù)，從而根據(jù)這些數(shù)據(jù)來制定新型的NVH目標值。(2)整車仿真分析并匹配子系統(tǒng)目標根據(jù)整車NVH性能目標值來確定各個子系統(tǒng)的性能目標值。子系統(tǒng)一般括發(fā)動機、懸架系統(tǒng)、動力總成懸置系統(tǒng)、車身、座椅和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。例如車輛與路面之間產(chǎn)生的振動通過懸架系統(tǒng)傳遞到車身壁板，使壁板產(chǎn)生振動而形成車內(nèi)部噪聲。在這個過程中，車身結(jié)構(gòu)和車室內(nèi)空腔可以通過數(shù)學模來描述，即可以通過建立整車的CAE模型來進行仿真研究。通過CAE仿真，以將結(jié)構(gòu)實際的道路特性與子系統(tǒng)參數(shù)(如懸架剛度等)聯(lián)系起來，這樣就以根據(jù)整車的NVH性能目標值來確定各個子系統(tǒng)的NVH目標值。但要注意，個子系統(tǒng)目標值的確定要符合試驗設(shè)計和可靠性設(shè)計的要求。(3)通過元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)子系統(tǒng)和整車的性能目標在此須完成以下工作:第一，確定每個元件的詳細特征，這些特征可能以前的建模分析中沒有表現(xiàn)出來，如連接孔、工藝、焊點位置等。第二，進各個子系統(tǒng)元件的可靠性設(shè)計和多目標優(yōu)化設(shè)計，改善汽車的NVH特性，以保結(jié)構(gòu)元件的設(shè)計方案為最佳。第三，必須滿足設(shè)計模型條件(如極限尺寸等，進行極限工況的校核(如懸架撞擊)。(4)樣車的試驗與調(diào)整生產(chǎn)出樣車后，就可以進行實車試驗，試驗一般在試驗室中或者道路上行，通過加速度傳感器、傳聲器等對整車的NVH目標值進行檢驗，從而根據(jù)試產(chǎn)品的性能與設(shè)計目標之間的差異，進行必要的調(diào)整與修改。2、在現(xiàn)有車型NVH性能改善過程中的應用(1)對于用戶提出的車輛存在的不明的、異常的噪聲振動進行測試，給定的主客觀評價結(jié)果。這些工作要求對測量方法和測量儀器的掌握和正確運用。(2)根據(jù)步驟(1)的測試結(jié)果，對存在的噪聲振動問題有了初步的了解后，進行噪聲振動源識別、噪聲振動源傳遞路徑分析等試驗方案的制定，進行試驗分析，分析的試驗結(jié)果可以與CAE仿真計算的結(jié)果進行對比，使得故障診斷和噪聲振動源的識別更加準確。(3)根據(jù)測試分析的結(jié)果進行有效的工程治理，實施降噪減振，達到客戶的要求。實現(xiàn)降噪減振的基本方法:A、消除振動噪聲產(chǎn)生的根源。這涉及到修改產(chǎn)生振動噪聲的零部件結(jié)構(gòu)，例如改善其振動特性，避免共振;B、切斷振動噪聲傳遞的路徑。涉及到對結(jié)構(gòu)振動傳遞特性的分析和改進，使之對振動噪聲具有明顯的衰減作用而不是放大。第三章汽車聲品質(zhì)與心理聲學隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，越來越多的人加入有車一族，汽車已經(jīng)不再單純的是一種交通工具，也是人們追求高質(zhì)量生活的一個象征。人們不僅要求汽車“安靜”，還關(guān)心它的頻率組成成分，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系等因素，即考慮聲音的質(zhì)量。而傳統(tǒng)的汽車噪聲控制中，只強調(diào)噪聲量級的大小，認為噪聲級越低越好，這樣的產(chǎn)品已無法滿足人們的消費要求。因此，在汽車開發(fā)過程中，聲品質(zhì)越來越重要，甚至影響到汽車的品牌。3.1聲品質(zhì)概念的提出國際上對于聲品質(zhì)的認識首先開始于20世紀80年代中期歐美的汽車工業(yè)，最初是想搞清楚為什么有的車即使A計權(quán)聲級比較高但聽起來卻舒服一些。后續(xù)的研究更多地考慮聲音信號的時間歷程、頻譜構(gòu)成等。就在那個時候創(chuàng)造了“聲品質(zhì)”的概念，即認識聲音的多維性。聲音的接收器是人耳，人的聽覺系統(tǒng)具有很大的變化性。同時借用心理聲學方面的研究成果，引入了響度、尖銳度、粗糙度、音色等概念。隨著研究的發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)，聲品質(zhì)的研究包含許多感官和主觀的因素，不是傳統(tǒng)的心理聲學成果就能解決的。其原因在于：①心理聲學參數(shù)的數(shù)學描述目前僅建立在對理想聲學環(huán)境中測試信號的研究基礎(chǔ)之上，對復雜的聲學環(huán)境，包括空間分布的聲源，其應用有一定的局限性；②沒有考慮人耳對聲音的應性功能、雙耳聽聞特性等；③沒有統(tǒng)一的標準，其測量結(jié)果沒有可比性。到了20世紀90年代中期，逐步建立了聲品質(zhì)確定的含義，即“adequacyofthesoundofaproduct”，人們對產(chǎn)品聲學特性的滿意程度。聲品質(zhì)來源于人們對產(chǎn)品聲音特性的主觀判斷，也就是說，聲品質(zhì)不僅與產(chǎn)品的聲音特性這一客觀物理量有關(guān)，還與人們對產(chǎn)品的認知度、人自身的生理心理狀態(tài)有關(guān)。同時，人的聽覺喜好會不斷發(fā)生變化，因此聲品質(zhì)也是一個不斷發(fā)展完善的概念。3.2聲品質(zhì)的心理聲學特征從心理學角度來說，聲品質(zhì)具有以下三個特征：1.激勵響應相適性心理學中通常將有關(guān)適宜性的問題用激勵響應相適性來說明，即信息與反應對應的一致性。視覺和聽覺信息的激勵響應相適性程度可以用作出反應或決定的時間來判別。2.聲音的舒適性Metzger調(diào)查研究了日常生活中舒適概念對個人住處和工作場所表達的含義。研究發(fā)現(xiàn)，舒適是人對特定的物體或環(huán)境的質(zhì)量描述。舒適與人-環(huán)境交互作用的評價有關(guān)，被試人員全部表現(xiàn)出了對舒適的敏感程度。數(shù)據(jù)顯示舒適主要與安逸、放松、方便和安寧有關(guān)。此外，舒適與有關(guān)協(xié)助或支持的形容有關(guān)。同時與功能、有用和生活的質(zhì)量之間有密切的關(guān)系。另一方面，與安全、親密和安心或奢侈、高雅和風格等概念的牽連較少。Metzger得出結(jié)論，舒適的含義并不主要由物質(zhì)資源決定，而更主要地由主觀需要和利益決定。假如心理聲學是尋求聽覺感知與引起這種感知的物理特性之間的關(guān)系，那么當代心理學方法就是嘗試將聽覺感知看作是與激勵的接受、主動搜尋與詮釋有關(guān)的主動過程。Genuit認為主觀(心理學)和客觀(聲學和心理聲學)因素共同決定聲音事件的感知。Blauert&Jekosch等也提出在對聽覺激勵的感知、詮釋、評價及反應中，除應考慮聲學和心理聲學參量外，還應考慮認知和情感過程的影響。3.聲或聲源的可識別性當人聽到一個聲事件時，最明顯的行為就是有辨識聲源的傾向，而不能“識別”聲源(指確定發(fā)聲物體、位置、聲源特征等)時就會變得不自在。因此，在產(chǎn)品的開發(fā)階段，最好要請聽眾來辨識聲音。一方面，他們的回答可以讓開發(fā)者了解聲音中是否有不利的語義內(nèi)涵；另一方面，聲音是否是其他某個廠家產(chǎn)品的，而不符合自己產(chǎn)品的“聲文化”。3.3聲品質(zhì)的心理聲學基礎(chǔ)3.3.1人類基本的聽覺系統(tǒng)聲品質(zhì)研究是一個集聲品質(zhì)的感知、評價和設(shè)計于一體的綜合的研究領(lǐng)域，其中聲品質(zhì)的感知是聲品質(zhì)評價和設(shè)計的基礎(chǔ)。聲品質(zhì)的感知是純粹的生理和心理過程，是人類聽覺系統(tǒng)的機能。人類的聽覺系統(tǒng)由聽覺器官、各級聽覺中樞及其聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)組成。聽覺器官通稱為耳，其結(jié)構(gòu)中有特殊分化的細胞，能感受聲波的機械振動并把聲能轉(zhuǎn)換為神經(jīng)沖動。為了準確、有效地開展聲品質(zhì)評價，必須對人類的聽覺系統(tǒng)有充分的認識。為此，人們開展了生理聲學、心理聲學和神經(jīng)生物學等方面的研究，試圖揭示人類聽覺的規(guī)律，并取得了初步的進展。人類基本的聽覺系統(tǒng)由耳、各級聽覺中樞及其聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)組成。人耳又分為外耳、中耳和內(nèi)耳，其解剖簡圖見圖3-1。外耳包括耳廓和耳道。耳廓是人耳唯一暴露在體外的部分，耳廓不僅具有聚集聲音進入外耳道的功能，而且在聲源定位方面起著重要作用。耳道可被看作為位于外耳和中耳之間的諧振腔，其共振頻率大約3-5KHz之間，這決定了人耳對中等頻率的聲音比較敏感。圖3-1人耳的解剖簡圖中耳由耳膜和三塊中耳小骨錘骨、砧骨和鐙骨組成，其解剖簡圖見圖3-2。中耳主要起著阻抗匹配和保護內(nèi)耳的作用。聲音經(jīng)由耳膜和中耳小骨的阻抗匹配后從充滿空氣的耳道傳輸?shù)匠錆M液體的內(nèi)耳(耳蝸)。由于液體的聲阻抗遠大于空氣，要是沒有中耳的機械阻抗匹配，那么大部分聲功率將沿原路返回而傳遞不到內(nèi)耳。低頻高強度的聲音易對耳蝸造成損害，中耳通過鐙骨反射一定程度上削減了低頻聲音向內(nèi)耳的傳輸。中耳的這種反射機制由低頻高強度的聲音觸發(fā)，一方面起著保護內(nèi)耳的作用，另一方面降低了高強度低頻聲音的“掩蔽向上擴展”程度。中耳的傳輸特性常用中耳傳遞函數(shù)(鐙骨附近液體的聲壓與耳膜處空氣的聲壓之比)來描述，中耳傳遞函數(shù)相當于高通濾波器，它在很大程度上決定了人耳的低頻聽閉。1錘骨2.砧骨3.橙骨4.耳膜5.圓窗6.耳咽管圖3-2中耳的剖面簡圖內(nèi)耳埋于骨中，由半規(guī)管、前庭、耳蝸所組成。其中半規(guī)管和前庭是聽覺平衡器官，半規(guī)管有三個，呈相互垂直關(guān)系，每個半規(guī)管與前庭相連處各形成一個膨大的壺腹。前庭位于中部，為一膨大的腔，連接半規(guī)管和前庭階。耳蝸是聽覺感受器，外形如蝸牛殼，約呈2.75轉(zhuǎn)(見圖3-3)。耳蝸管被前庭膜和基膜分別與前庭階和鼓階隔開，形成一個三腔的管道，耳蝸管內(nèi)部充滿內(nèi)淋巴液，前庭階和鼓階管腔內(nèi)部充滿外淋巴液，內(nèi)、外淋巴液互不相通，內(nèi)、外淋巴液有營養(yǎng)內(nèi)耳和傳遞聲波的作用。前庭階和鼓階在蝸頂處經(jīng)蝸孔連通，鼓階底部與中耳之間有一圓窗，被薄膜封閉，前庭階與中耳之間的橢圓窗由鐙骨面板封閉。圖3-3耳蝸剖面圖耳蝸的主要功能是:實現(xiàn)機械振動和生物電激勵的轉(zhuǎn)換以及進行聽覺編碼。具體是由基膜和基膜上的柯蒂氏器官來實現(xiàn)的。耳蝸的展開示意圖如圖3-4所示。人類耳蝸的基膜展開長約35nnIl，基膜的剛度是不均勻的，越靠近橢圓窗剛度越大?；るS入射的聲波而振動，基膜的運動是以行波的形式出現(xiàn)的，而且不同頻率的聲音能夠激起基膜不同部位的振動，基膜靠近橢圓窗的位置對感應高頻最為敏銳，愈向耳蝸頂端則對低頻愈敏感)。而且聲音的強度越大，能夠激起的振動幅度也越大?；墓δ苌峡聪喈斢谝粋€頻譜分析儀，它能夠把傳入人耳的聲信號在頻域上按頻帶進行分解。圖3-4耳蝸展開示意圖耳蝸管內(nèi)基膜上的柯蒂氏器官上分布有內(nèi)毛細細胞、外毛細細胞及聽覺神經(jīng)等聽覺感受細胞，其中毛細胞是將聲刺激在底膜所引起的行波由機械能轉(zhuǎn)換為神經(jīng)能的換能器。人耳的內(nèi)毛細胞約有3500個，沿基膜縱向排列成一單列，每一內(nèi)毛細細胞相連約10個聽覺神經(jīng)纖維，這些神經(jīng)纖維有不同的閩值。當基膜向上運動時，內(nèi)毛細胞觸發(fā)與之相連的神經(jīng)元，將聲信號轉(zhuǎn)換成神經(jīng)元的脈沖信號。任一內(nèi)毛細胞的觸發(fā)是受基膜運動調(diào)制的偽隨機信號。當傳入聲波是低頻時，內(nèi)毛細胞的觸發(fā)可以鎖定聲信號的相位，因此，聲信號的相位信息可被聽覺神經(jīng)記錄和傳送。當傳入聲波的頻率大于約3kHz時，內(nèi)毛細胞不能鎖定聲信號的相位，只有聲信號幅度包絡(luò)的信息被聽覺神經(jīng)記錄和傳送。聽覺神經(jīng)元的平均觸發(fā)率和兩個神經(jīng)脈沖之間的相對觸發(fā)定時描述了內(nèi)毛細胞和聽覺神經(jīng)之間的信息轉(zhuǎn)化情況，平均觸發(fā)率反映了聲信號的強度，兩個神經(jīng)脈沖之間的相對觸發(fā)定時攜帶著聲信號更精細的信息，如音節(jié)信息等。對于每一個內(nèi)毛細胞，有3-4個外毛細胞與之相對應，所示，因此人耳有約12000個沿基膜長度方向分布的外毛細胞。外毛細胞主要是起動態(tài)范圍控制器的作用，當聲信號的聲壓級大于65分貝時，壓縮聲激勵信號使之與內(nèi)毛細胞動態(tài)范圍(約65分貝)相匹配，從而達到進行強度動態(tài)范圍控制的目的，使人耳可接受寬達約120分貝動態(tài)范圍的聲音。內(nèi)毛細胞激勵傳入神經(jīng)，傳出神經(jīng)則支配外毛細胞。聽覺傳出神經(jīng)的活動通過外毛細胞影響基膜的機械響應特性，外毛細胞的這種主動反饋也對耳蝸的敏感性和頻率選擇特性、基膜振動響應的非線性以及耳聲發(fā)射等起著關(guān)鍵性的作用。人耳對聲音信號的處理過程大致經(jīng)歷了這樣一個過程:聲音信號經(jīng)外耳、耳道傳達后引起耳膜的振動，該振動經(jīng)與之連結(jié)的中耳聽小骨傳導至耳蝸，在鐙骨與橢圓窗的連結(jié)處擾動耳蝸中的淋巴液，由此擾動促使基膜產(chǎn)生振蕩，激發(fā)與毛細細胞相連的神經(jīng)末梢產(chǎn)生脈沖，并且透過聽覺神經(jīng)傳達到大腦產(chǎn)生聽覺。3.3.2聽覺認知的基本特性聲品質(zhì)研究是建立在人的聽覺認知的基礎(chǔ)之上的。研究人的聽覺系統(tǒng)處理聲音信號的過程和特征，并對其做出定量的描述，這也是心理聲學的研究內(nèi)容。心理聲學探討了人耳的聽覺特征如掩蔽效應、特征頻帶、雙耳效應和非線性等特點，圖3-5柯蒂氏器示意圖并提出了響度、尖銳度、粗糙度等客觀評價量描述人的聽覺特性。1.聽閾、痛閾人耳的聽覺是極其靈敏的，但對不同頻率聲音信號的反應是有差別的。人耳通常能聽到的頻率范圍為20Hz-2OkHz，這個范圍以外的聲激勵，無論強度多大，都無法分辨。對于特定頻率的純音信號將其強度從零漸次增大，直到聽者剛剛聽到，然后漸次降低，直至剛剛聽不到。這樣反復多次后取剛剛聽到和剛剛聽不到的兩個聲強的平均值作為該頻率純音的聽閡。1O00Hz純音的聽閉的聲強為，即聲強級為0分貝，這個值己作為“國際標準閉強度”。對不同頻率的純音作同樣的實驗即得到圖3-6所示的絕對聽閉曲線。從這條聽閉曲線可以得到:1.在8OOHz-150OHz的頻率范圍內(nèi)，聽閉沒有顯著變化;2.低于8OOHz的聽覺靈敏度隨頻率的降低而降低;3.最靈敏的頻率大致在3O00Hz-4000Hz;4.頻率到6000Hz以上，靈敏度又下降。將特定頻率的純音信號的強度從零漸次增大，直至剛開始感覺到疼痛，這時的聲強值稱痛閾。從圖3-6上的痛閾曲線可知，痛閾隨頻率的變化不大。聽閾和痛閾之間的范圍稱聽覺區(qū)域，圖中標出了語言和音樂的聲強-頻率范圍。圖3-6人耳的聽覺范圍2.掩蔽效應由于人耳的聽覺特性和耳蝸對聲音吸收的特點，聲音信號在人耳中會被進行非線性加工。如果有兩種以上的聲音同時存在，它們就會互相干擾，使我們分辨不清。一個聲音的聽閾受另一個聲音的影響而提高的現(xiàn)象稱為“掩蔽現(xiàn)象”。例如在吵鬧的工廠中，人們彼此聽不見對方的談話，這是語言聲被噪聲掩蔽的緣故。該聲音聽閾提高的分貝數(shù)稱為掩蔽量。為定量的研究掩蔽效應，需要測定掩蔽閾。掩蔽閾是指掩蔽聲環(huán)境下被掩蔽聲即測試音(通常是正弦純音)的聽閉，除極個別的情況外，掩蔽閾總是大于絕對聽閩;如果掩蔽聲和被掩蔽聲的頻率分得很開的話，掩蔽閾等于絕對聽閉。掩蔽分為頻域掩蔽和時域掩蔽。所謂頻域掩蔽是指強信號附近頻率的弱信號(或噪聲)被強信號掩蔽而聽不到的現(xiàn)象。頻率掩蔽又稱為同時掩蔽，其中強音稱為掩蔽音，被掩蔽而聽不到的聲音信號或噪聲稱為被掩蔽音。根據(jù)掩蔽聲和被掩蔽聲的不同，可以將掩蔽效應大致分為寬帶噪聲對純音的掩蔽和窄帶噪聲對純音的掩蔽。白噪聲被定義為頻譜連續(xù)且均勻的噪聲，是典型的寬帶噪聲，白噪聲對純音的掩蔽如圖3-7所示。圖中最下面的曲線代表絕對聽閉，其他曲線表示白噪聲不同譜密度級時的掩蔽閾。如測試音在2kHz時，如果其聲壓級小于等于60dB將會被譜密度級大于等于4OdB的白噪聲所掩蔽。從圖中可以看出，隨著白噪聲譜級LWN即掩蔽級的增大，白噪聲的掩蔽閾線性地向測試音高聲壓級方向平移。在頻在5OOHZ的范圍內(nèi)，掩蔽閾是水平的;高于5OOHz的，掩蔽閾線以10dB/1O倍程的斜率增大。在靠近可聽頻率域的兩端，掩蔽閉等于絕對聽閉。由圖可知，白噪聲譜密度級LWN為負值時，即聽覺域之外的噪聲也可產(chǎn)生掩蔽效應;白噪聲的譜密度級與頻率無關(guān)，但是白噪聲的掩蔽閾卻與頻率相關(guān)。圖3-7不同譜密度級時白噪聲的掩蔽閾圖3-8所示帶寬為160Hz中心頻率為1Hkz的窄帶噪聲在不同聲壓級LCB時的掩蔽閾。與圖3-7一樣，圖中最下方的曲線代表絕對聽閾。絕對聽閾和掩蔽閾線將平面分成三個區(qū)域:絕對聽閉曲線以下為不可聽域、絕對聽閉和掩蔽閾線間的區(qū)域為掩蔽域(部分可聽域)以及掩蔽閾線以上部分為完全可聽域。如測試音(被掩蔽聲)頻率為2kHz聲壓級小于等于40dB時，將被噪聲級LCB≥8OdB的掩蔽聲掩蔽掉。從圖中可看出，在低噪聲級LCB≤40dB時，窄帶的掩蔽閾關(guān)于中心頻是對稱的;當噪聲級增大到LCB高于40dB時，隨著噪聲級LCB的增大，在窄帶聲中心頻率左側(cè)的掩蔽閾向上平移，在窄帶噪聲中心頻率右側(cè)掩蔽閾的斜率則得越來越平坦。圖3-8窄帶噪聲的掩蔽閾從圖3-7和圖3-8可以看出頻域掩蔽主要有以下規(guī)律:1.被掩蔽聲的頻率越接近掩蔽聲，掩蔽量越大，頻率相近的純音掩蔽效果顯著，最大掩蔽出現(xiàn)在掩蔽頻率附近;2.掩蔽聲的聲壓級越高，掩蔽量越大，且掩蔽的頻率范圍越寬;3.低頻聲容易掩蔽高頻聲，而高頻聲較難掩蔽低頻聲。所謂時域掩蔽是指掩蔽效應發(fā)生在掩蔽聲與被掩蔽聲不同時出現(xiàn)的時候，又稱異時掩蔽。異時掩蔽又可分為導前掩蔽和滯后掩蔽。時域掩蔽的測試聲(被掩蔽聲)必須是短時聲脈沖。若掩蔽聲音出現(xiàn)之前的一段時間內(nèi)發(fā)生掩蔽效應，則被稱為導前掩蔽，若掩蔽聲音出現(xiàn)之后的一段時間內(nèi)發(fā)生掩蔽效應被稱為滯后掩蔽。產(chǎn)生時域掩蔽的主要原因是人耳接收聲音信息和大腦處理這些信息需要花費一定的時間，異時掩蔽也隨著時間的推移很快會衰減，是一種較弱的掩蔽效應。聲音的時域掩蔽如下圖3-9所示，從圖中可以看出，一般情況下，導前掩蔽只有3ms到2Oms時間，而滯后掩蔽卻可以持續(xù)10Oms以上，因此導前掩蔽經(jīng)常忽略不計。圖3-9聲音的導前掩蔽、同時掩蔽和滯后掩蔽掩蔽效應的時域特性可用如圖3-10和圖3-11所示，它反映了人耳的延遲效應。圖3-10中虛線表示時間常數(shù)為1m0s的指數(shù)衰減，實線為后掩蔽曲線。從圖可知，人類聽覺系統(tǒng)的延遲效應既是非線性的，又不是指數(shù)過程，并且不管初始聲級如何，2OOms后掩蔽效應就消失了。圖3-11表明掩蔽聲持續(xù)時間較長的(200ms，實線)比持續(xù)時間較短的(5ms，虛線)掩蔽閾隨延遲時間下降的緩慢，這一現(xiàn)象再次表明人類聽覺系統(tǒng)的延遲效應是非線性的。再者，從這兩圖中可以明顯地看出，掩蔽聲在時間上越接近被掩蔽聲，掩蔽量越大，即掩蔽效應越強。圖3-10不同聲級掩蔽聲的后掩蔽效應圖3-11不同掩蔽聲持續(xù)時間的后掩蔽效應3.臨界帶寬和中心頻率一個純音可以被以此頻率為中心頻率，并且具有一定帶寬的連續(xù)噪聲所掩蔽。如果此頻帶內(nèi)噪聲功率等于該純音的功率，而該純音處于剛剛好被聽到的臨界狀態(tài)，稱這一帶寬為臨界帶寬，單位為Bkar，臨界帶寬與中心頻率的關(guān)系如圖3-12所示。由于當被掩蔽聲的頻率低于500Hz的時候，其掩蔽曲線為一水平的直線，所以在這一頻段內(nèi)，臨界帶寬均為100Hz:當被掩蔽聲的頻率高于500Hz的時候，臨界帶寬約為中心頻率的20%。由此，人們將聲音分為24個臨界頻帶，見表3=1，其中z為臨界頻帶尺度，f1和fu分別為該頻段的下限和上限，fc為中心頻率ΔfG是以fc為中心頻率的臨界頻帶的帶寬。引入臨界帶寬還有一個好處:以不同中心頻率一個Bkar帶寬的聲音研究人的聽覺系統(tǒng)的掩蔽模式，盡管其掩蔽模式隨頻率變化而變化，但各臨界帶寬范圍內(nèi)其掩蔽模式均可近似為對稱模式。不同頻率的掩蔽噪聲的臨界帶寬是不同的?；旧项l率越高，臨界帶寬越大。在可聽域范圍內(nèi)，臨界帶寬與頻率存在如下關(guān)系:（3-1）圖3-12特征頻帶與中心頻率的關(guān)系4.雙耳效應人耳聽覺系統(tǒng)對聲音的方位感有其特殊的辨別能力。人耳對聲音的定位決于三個因素:聲音到達兩耳的時間差是雙耳定位的主要依據(jù);高頻時頭部產(chǎn)生的聲影作用所引起的雙耳聲強差是雙耳定位的另一依據(jù):耳廓復雜的螺旋形狀造成聲音經(jīng)耳廓到耳道的頻率響應隨仰角變化，這類由耳廓的復雜的幾何形狀而引起的頻率響應的變化是雙耳定位第三個依據(jù)。由于人耳的左右對稱分布，對聲音的水平方向的分辨率較高，當聲音偏離正前方3°左右，就能辨別。對垂直方位的辨別率較低，可能在10°-15°以上才能辨別。右耳對不同方向聲音的敏感度如圖3-13所示。20OHz時敏感度與入射聲方向幾乎無關(guān);頻率越高，方向性越明顯，大約在70°附近為最敏感的方向。圖3-14是入射角分別為30°、60°、90°時，右耳與左耳在不同頻率時的聲壓級差。低于300Hz時，聲壓級差不大;不同入射角時，聲壓級差最大的頻率不同。圖3-13右耳對不同方向聲音的敏感度圖3-14右耳對左耳的聲壓級差由聲波的入射方向，可以計算到達兩耳的時間差左，并且可以估計相位差。從圖3-15可以看出，當聲波以θ角入射時，到達兩耳的聲程差約dsinθ，因此時間差為：（3-2）式中d為兩耳間的距離，c0為聲速。在中高頻段人頭和耳廓的作用比式(3-2)得到的時間差及由此估計的相位差要復雜?？偟膩碚f，不同的頻率范圍、相位差、時間差和強度差可能對方位感起著不同的作用。因此對包含豐富頻率成分的聲音要比純音的方位感強，即分辨率高。又因為人的耳廓是朝向前方的，對背后來的聲音，尤其是高頻聲，又明顯的遮蔽作用，所以方向感弱。圖3-15到達兩耳的聲程差除了到達兩耳的聲信號有物理上的差別外，人類聽覺系統(tǒng)對左右耳接收到的信號還要作復雜的處理，以確定聲音的方位。3.4人對聲音的認知過程及聽覺感知評價模型3.4人對聲音的認知處理包括三個階段的內(nèi)容：知覺認知、對聲音進行理性處理、聲音的情感表現(xiàn)。而人對聲音的評價就伴隨著對聲音認知的全部過程。在知覺認識階段，人們須對聲音做出描述、建立聲品質(zhì)的主觀評價指標并做出對聲音的喜好、價值和情感的判斷等，也就是對聲品質(zhì)做出主觀評價。在理性處理階段，人們須建立客觀評價量對聲音的特性做出評價，也就是對聲品質(zhì)做出客觀評價。而在情感表現(xiàn)階段，則要根據(jù)前面的知覺階段和理性處理階段的評價結(jié)果，建立處理聲音的流程，并與主觀評價和客觀評價相結(jié)合，進行聲音的處理，滿足人們對于聲音的需求。當然，人們對于聲音的認識有些時候也并非完全按照這三個階段的順序進行的，這三者之間有時存在著相互的交叉和跳躍。例如對于音樂，往往先是直接跳躍到情感的表現(xiàn)階段，很少有人先是經(jīng)過理性的分析之后才過渡到情感表現(xiàn)階段。3.4HeadAcoustics公司的創(chuàng)始人KlausGenuit認為：根據(jù)聽覺事件對個人各方面需求的滿足程度，影響聲品質(zhì)的三類不同的變量分別是物理(聲場)、心理聲學(聽覺感知)和心理(聽覺評價)。環(huán)境環(huán)境聽者聽覺感知認知過程情感過程反應評價汽車汽車聲音聲品質(zhì)圖3-16汽車聲音的聽覺感知模型僅僅借助于物理和心理聲學的測量不能得到對聲品質(zhì)完整而確切的定義，這是因為聽者主要是根據(jù)他們的經(jīng)驗、期望和主觀來對聲音做出評價。在此基礎(chǔ)上，再綜合考慮人的非聽覺感覺輸入及環(huán)境因素的影響，建立如圖3-1所示的汽車聲音的聽覺感知評價模型。3.5汽車聲品質(zhì)的研究內(nèi)容縱觀國際上汽車聲品質(zhì)研究的發(fā)展歷程和國內(nèi)外學者進行的研究工作，按照汽車聲品質(zhì)研究的工程應用程度，可將汽車聲品質(zhì)的研究內(nèi)容大致分為三類，即基礎(chǔ)性研究、改進性研究設(shè)計性研究，見圖3-2。早期汽車聲品質(zhì)的研究主要集中于基礎(chǔ)性研究和改進性研究。汽車聲品質(zhì)的研究汽車聲品質(zhì)的研究基礎(chǔ)性研究改進型研究基礎(chǔ)性研究設(shè)計性研究改進型研究基礎(chǔ)性研究汽車的聲學特性汽車的結(jié)構(gòu)特性聽者的聽覺特性汽車的聲學特征聲音的評價方法汽車的聲學特征聲源診斷技術(shù)聲特性識別技術(shù)技術(shù)車的聲學特征聲品質(zhì)改進技術(shù)汽車的聲學特征汽車的幾何模型聲學特征汽車的聲學模型虛擬駕駛技術(shù)汽車聲音樣品庫聲音分解與合成圖3-17汽車聲品質(zhì)的研究內(nèi)容①汽車聲品質(zhì)的基礎(chǔ)性研究包括汽車的結(jié)構(gòu)及聲音特性、聽者的聽覺特性和聲音的評價方法等方面的研究。聲品質(zhì)的評價方法是我們研究汽車聲品質(zhì)工程的一個工具。它將聲品質(zhì)研究的主體和客體聯(lián)系起來，把聽者對聲音的感知過程和情感反應進行量化描述。建立正確的聲品質(zhì)評價方法是汽車聲品質(zhì)研究的基礎(chǔ)和難點。②汽車聲品質(zhì)的改進性研究包括聲源診斷技術(shù)、聲特性識別技術(shù)和聲品質(zhì)改進技術(shù)等的研究。聲品質(zhì)改進技術(shù)是在聲源診斷和聲特性識別的基礎(chǔ)上，對癥下藥，采取合理的工程手段來改變汽車的零部件結(jié)構(gòu)甚至工作機理，從源頭和傳遞路徑上改變聲音特性，最終改善汽車內(nèi)外的聲音品質(zhì)。③汽車聲品質(zhì)的設(shè)計性研究是在基礎(chǔ)性研究和改進性研究的基礎(chǔ)上，綜合運用現(xiàn)代的計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、測試技術(shù)和聲學技術(shù)等，設(shè)計出符合用戶聲品質(zhì)要求的汽車。汽車聲品質(zhì)的設(shè)計性研究包括汽車的幾何模型建立方法、汽車的聲學模型建立方法、虛擬駕駛技術(shù)、汽車聲音樣本庫的建立和聲音的合成與分解技術(shù)等的研究。汽車幾何模型和聲學模型的建立是進行聲品質(zhì)設(shè)計的基礎(chǔ)，模型建立的正確與否直接影響汽車的聲品質(zhì)預測和汽車的生產(chǎn)。虛擬駕駛技術(shù)是在計算機的幫助下，模擬車輛的各種駕駛工況，在汽車模型上施加相應的激勵和邊界條件，預測汽車在實際行駛中的響應，為預測汽車的聲場和聲品質(zhì)做準備。建立汽車的聲音樣本庫有助于建立汽車聲品質(zhì)目標，為新型汽車的開發(fā)提供參考，為實現(xiàn)汽車聲音的合成與分解提供研究資源。聲音的合成與分解技術(shù)在分解汽車各部分發(fā)聲特性的基礎(chǔ)上，診斷影響汽車聲品質(zhì)的噪聲源，再結(jié)合汽車模型，合成汽車整體或零部件所產(chǎn)生的噪聲，是在汽車的虛擬原型階段實現(xiàn)聲品質(zhì)評價的關(guān)鍵和難點。第四章汽車聲品質(zhì)評價方法4.1心理聲學評價量及其數(shù)學模型作為心理聲學研究幾十年的成果，已經(jīng)有一些基本特性被認為適合于描述聽覺事件，這些量主要有：響度、尖銳度、粗糙度、抖晃度以及音調(diào)度等。其中，響度、尖銳度、粗糙度和抖晃度是比較常用的4個心理聲學評價量。4.1.1響度與響度級響度(Loudness)定量地反映了人耳對聲音強弱的主觀感受程度，是介于主觀、客觀之間的一種評價量，是聲品質(zhì)評價中具有決定性的特征量。一般而言響度值越大，對人造成的煩惱程度就越嚴重，聲品質(zhì)就越差，但響度不是噪聲品質(zhì)的決定標準。因為人耳的振動系統(tǒng)、傳遞系統(tǒng)、換能系統(tǒng)等都與頻率有關(guān)因而主觀的強弱與客觀的強度有關(guān)，但也受頻率的影響。為了反映不同頻率聲音的強弱關(guān)系，引出了響度級的概念。響度級的單位為方(phon)，在數(shù)值上等于與標準音(1kHz純音)一樣響時所對應的標準音的聲壓級。使用等響實驗方法，可以得到一簇不同頻率、不同聲壓級的等響曲線。圖4-1為國際標準化組織(ISOR226)推薦的自由聲場測聽的等響曲線。圖中最下方的曲線即為絕對聽閾。由圖中可看出，人耳對2kHz～5kHz的聲音比較敏感對低頻低聲壓級聲音不敏感；人耳對中低聲壓級聲音的頻率敏感，對高聲壓級聲音的頻率不敏感。圖4-1自由聲場測聽等響曲線響度級雖然定量地確定了響度感覺與頻率和聲壓級的關(guān)系，但它與人對聲音的強弱感覺不成線性關(guān)系。為此，1947年國際標準化組織采用了一個與主觀感覺的輕響程度成正比的參量——響度(Loudness)，單位為宋(sone)，符號為N，并規(guī)定響度級40方為1宋。經(jīng)實驗得出，響度與響度級的關(guān)系為：N=（4.1）式中：N—響度，L—響度級?？紤]了時域特性的響度計算目前還沒有統(tǒng)一的國際標準。對于穩(wěn)態(tài)噪聲的響度計算，國際標準ISO532規(guī)定了A、B兩種計算方法。A方法采用斯蒂文斯(Stevens)提出的計算模型，使用倍頻帶或1/3倍頻帶譜，適用于平坦頻譜的擴散聲場的響度計算，詳細內(nèi)容參見標準ISO532-A-1975和ANSIS3.4-1980；B方法采用茨維克(Zwicker)的計算模型，使用1/3倍頻帶作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，引入臨界頻帶概念對人耳的掩蔽效應作相應修正，適用于自由聲場或者擴散聲場的計算，詳細內(nèi)容參見標準ISO532B。4.1.2尖銳度(Sharpness)是描述高頻段聲音成分在總體聲音中所占比例的物理量，對聲音的舒適度影響很大，反映了噪聲信號的刺耳程度。尖銳度值越高，給人的感覺就越刺耳。尖銳度的單位是acum，用符號S表示，規(guī)定中心頻率為1kHz、帶寬為160Hz的60分貝窄帶噪聲的尖銳度為1acum。目前，尖銳度計算還沒有統(tǒng)一的國際標準，一般由臨界頻帶的特征響度的計權(quán)一階矩來計算。常用的尖銳度計算模型有：1)Zwicker提出的尖銳度模型為：acum（4-2）式中，S為尖銳度；N為總響度；N'(z)為臨界頻帶的特征響度；g(z)為Zwicker依據(jù)不同臨界頻帶的加權(quán)函數(shù)，其值為：當z<16時，g(z)=1；當z≥16時，g(z)=0.066exp(0.171z)。2)Aures提出的尖銳度模型為：acum(4-3)式中，g'(z)為Aures依據(jù)不同臨界頻帶的加權(quán)函數(shù)；其余符號含義與Zwicker模型相同。3)Bismarck提出的尖銳度模型為：acum(4-4)式中，g(z)為Bismarck依據(jù)不同臨界頻帶的加權(quán)函數(shù)，其值為：當z<14時，g(z)=1；當z≥14時，g(z)=。其余符號含義也與Zwicker模型相同。在HeadAcoustics公司的ArtemiS軟件中，尖銳度的計算模型是：acum(4-5)但其中采用的響度加權(quán)函數(shù)關(guān)系式未向外公布。影響尖銳度的因素有窄帶噪聲的中心頻率、帶寬、聲級和頻譜包絡(luò)。有研究表明，具有相同響度和計算尖銳度的兩個噪聲信號，噪聲的帶寬越窄，實際的尖銳程度就越大，聽起來也就越刺耳。4.1.3聽覺系統(tǒng)對于調(diào)制過的聲音的感知有兩種不同的描述：當調(diào)制頻率在20Hz以下時感知為抖晃度(Fluctuation)，調(diào)制頻率在20~200Hz之間則感知為粗糙度粗糙度用符號R來表示，單位為asper，規(guī)定調(diào)制比為1，聲壓級為60dB的1kHz幅值調(diào)制純音在調(diào)制頻率為70Hz時的粗糙度為1asper。聲音信號的時域結(jié)構(gòu)、調(diào)制因子和聲壓級的不同決定了粗糙度的大小，它反映了調(diào)制幅度的大小和調(diào)制頻率的分布情況。在調(diào)制頻率為70Hz，調(diào)制比率為1.2時的粗糙度值最大。對于粗糙度的計算，目前還沒有統(tǒng)一的國際標準。Fast1利用噪聲的調(diào)制頻率mod級的差ΔE來計算粗糙度R，可以表示為：asper（4-6）該方法與幅值調(diào)制單頻音和幅值調(diào)制寬帶噪聲的主觀粗糙度數(shù)據(jù)相符較好，其缺點是各個特征頻帶內(nèi)的ΔLE易精確求得。在本實驗中，粗糙度的計算采用了式4-6的數(shù)學模型。抖晃度用符號F來表示，單位為vacil，規(guī)定聲壓級為60dB調(diào)制比為1的1kHz幅值調(diào)制純音在調(diào)制頻率為4Hz時的起伏度為1vacil。抖晃度是對人耳主觀感受到的聲音信號的響亮起伏程度的描述，故也稱為起伏度。影響抖晃度的因素有：信號的時域結(jié)構(gòu)、帶寬、調(diào)制頻率、調(diào)制程度以及聲壓級大小等。mod和特征頻帶包絡(luò)的最大與最小聲級差ΔL來計算，起伏度F可表示為：vacil（4-7）在HeadAcoustics公司的ArtemiS軟件中，采用了Fastl方法。其中，抖晃度的計算模型改為：vacil（4-8）式中、分別是響度計各通道的最大與最小特征響度；T表示兩個相連續(xù)的響度的短時差異。4.1.4音調(diào)度(Tonality)用于描述噪聲中含有明顯單頻成分的現(xiàn)象，我們通常稱這種噪聲具有音調(diào)特征。相對音調(diào)度與臨界頻帶率的分布帶寬有關(guān)，隨著臨界頻帶率的分布帶寬的增大而降低。最大音調(diào)度出現(xiàn)在700Hz，音調(diào)度的單位國際上通常采用tu表示，符號為T，并規(guī)定1000Hz純音在響度N=4sone或聲壓級L=60dB時的音調(diào)度為1tu。1985年，Aures提出的音調(diào)度計算模型可用下式表示：tu（4-9）式中W1(Δzi）表示第i個單頻成分與臨界頻帶差異的關(guān)系；W2(fi)表示第i個單頻成分與頻率的關(guān)系；W3（ΔLi）表示第i個單頻成分的聲級盈余效應。在HeadAcoustics公司的ArtemiS軟件中，音調(diào)度的計算模型為：tu(4-10)式中C為根據(jù)1000Hz純音在響度N=4sone或聲壓級L=60dB時的音調(diào)度為1tu確定的歸一化常數(shù)。指數(shù)0.29是根據(jù)經(jīng)驗確定的優(yōu)化值，表示音調(diào)度與帶寬以及頻率的依賴關(guān)系。WN示無單頻成分的響度NN與有單頻成分響度N的關(guān)系，定義為：(4-11)4.1.5語言清晰度指數(shù)是一個正常的語言信號能為聽者聽懂的百分數(shù)。語言清晰度評價常常采用特定的實驗來進行。選擇具有正常聽力的男女組成特定的試聽隊，對經(jīng)過仔細選擇的包括意義不連貫的音節(jié)(漢語方塊字)和單句組成的試聽材料進行測試。經(jīng)過實驗測得聽者對音節(jié)所做出的正確響應與發(fā)送的音節(jié)總數(shù)晰度指數(shù)AI(theArticulationIndex)。語言清晰度指數(shù)與聲音的頻率f有關(guān)，高頻聲比低頻聲的語言清晰度指數(shù)要高。其次，還與背景噪聲以及對話者之間的距離有關(guān)。一般95%的清晰度對語言通話是允許的。在一對一的交談中，距離通常為1.5m，背景噪聲的A計權(quán)聲級在60dB以下即可保證正常的語言對話。當背景噪聲完全蓋過說話聲音時，說話聲音就聽不見了，這時的背景噪聲定義為上限噪聲，用符號UL(f)表示。同樣，當背景噪聲低到一定的時候，說15話聲音就可以完全聽清楚，這個背景噪聲叫做下限噪聲，用LL(f)表示。由此我們可以定義語言清晰度AI并將其歸一化：AI=∑W(f)D(f)/30(4-12)式中D(f)定義如下：①當噪聲超過上限噪聲時，即N(f)>UL(f)，語言清晰度為零，此時D(f)=0；②當噪聲在下限噪聲和上限噪聲之間，即LL(f)<N(f)<UL(f)，說話被噪聲掩蓋了一部分，這時D(f)=UL(f)-N(f)；③當噪聲小于下限噪聲時，即N(f)<LL(f)，這時D(f)=30。表4-1每個頻率(按1/3倍頻程中心頻率)的上限噪聲值和計權(quán)系數(shù)頻率/Hz上限噪聲/dB計權(quán)系數(shù)頻率/Hz上限噪聲/dB計權(quán)系數(shù)2006411250728.525069216007011.5315713.2520006711400734.252500659.5500754.53150639630755.254000607.75800756.55000566.251000747.256300512.5在表4-1中列出了各個頻率下的上限噪聲值和計權(quán)系數(shù)W(f)。其中，200Hz以下和6300Hz以上的說話頻帶不考慮。從表3-1中極易計算得到每個頻段的語言清晰度，然后將它們加起來就可得到總的語言清晰度。語言干擾級SIL(theSpeechInterferenceLevel)也是由Beranek提出的，作為對語言清晰度指數(shù)AI的簡化代用量，它是中心頻率600~4800Hz的6個倍頻帶聲壓級的算術(shù)平均值。后來的研究發(fā)現(xiàn)低于600Hz的低頻噪聲的影響不能忽略，于是對原有的語言干擾級SIL作了修改，提出以500、1000、2000Hz為中心頻率的三個倍頻帶的平均聲壓級來表示，稱為更佳語言干擾級PSIL。更佳語言干擾級PSIL與語言干擾級SIL之間的關(guān)系為：PSIL=SIL+3(dB)(4-13)4.1.6在進行聲品質(zhì)評價時，我們關(guān)注的是人對聲音的總體感覺，需要將一些常用的評價參量進行綜合考慮。1984年Aures提出一個感覺舒適度相對值的計算公式，近似地把它看作粗糙度R、尖銳度S、音調(diào)度T以及響度N四者相對于各自參考值的相對值，即：（4-14）響度的參考值N0=1sone；粗糙度的參考值R0=1.3asper；尖銳度的參考值S0=9.6acum；音調(diào)度的參考值T0=1tu；感覺舒適度的參考值P0為500Hz純音的感覺舒適度。把頻率為1kHz聲壓級為60dB的純音的感覺舒適度P當作1時，計算感覺舒適度的絕對值的公式為：（4-15）1992年，Zwicker和Widmann又提出一套步驟來評估心理聲學煩惱度，叫做無偏煩惱度UBA，單位是au(annoyanceunit的縮寫)。無偏煩惱度的定義如下：排除了聲源的影響，在實驗室條件下，具有可描述聲學環(huán)境，評價主體對令其煩惱的聲音做出的反映。無偏煩惱度計算模型(UBA)表示如下:UBA=(4-16)式中，N10為時間段上超過10%的響度值；d為一天時間影響的因子(d≈l5dB或2sone)，當考慮夜間影響時，近似表示為；S和F分別表示尖銳度和起伏度。4.2汽車聲品質(zhì)客觀評價汽車聲品質(zhì)評價包括客觀評價和主觀評價兩方面的內(nèi)容?？陀^評價方法就是把客觀參量作為評價依據(jù)，最終實現(xiàn)儀器進行自動評價。研究聲音信號的客觀評價，也可以稱為“尋求聲音的心理學參數(shù)與物理學參數(shù)之間的關(guān)系”。聲品質(zhì)的客觀評價方面的內(nèi)容十分廣泛，涉及到很多方面和領(lǐng)域的內(nèi)容。目前，聲品質(zhì)的客觀評價方法主要有時頻分析技術(shù)、客觀參數(shù)回歸分析技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及結(jié)合物元分析理論和模糊數(shù)學理論等進行評價的方法。聲品質(zhì)的客觀評價參量的數(shù)量一直在增加，且很多參量不具一般性，但它們基于特定的噪聲問題，可能與速度、階次或特定的頻段的聲級有關(guān)。部分學者致力于提出新的聲品質(zhì)客觀量，或基于現(xiàn)有的聲品質(zhì)參數(shù)提出一個客觀的綜合評價參數(shù)，從而對汽車某方面的聲品質(zhì)給出自己的評價客觀值。鑒于本文著重研究汽車聲品質(zhì)主觀評價方法，所以對于客觀評價不做深入的探討。4.3汽車聲品質(zhì)主觀評價聲品質(zhì)的主觀評價本質(zhì)上是運用實驗心理學的方法來研究聲音品質(zhì)問題，由于噪聲變化特性的差異以及人們對噪聲主觀反應的復雜性，使得對噪聲品質(zhì)的評價較為復雜。聲品質(zhì)的主觀評價涉及到眾多領(lǐng)域的內(nèi)容，比如實驗前的準備工作(包括評價人員的選取與培訓、聲音樣本的預處理等)、實驗方法的選擇以及實驗數(shù)據(jù)的檢驗、處理與分析等。4.3.11.聽音環(huán)境假如是在普通房間而不是消聲室內(nèi)用揚聲器進行聽音實驗，那么房間的聲學特性、揚聲器的擺放位置、評價主體所處的位置以及周圍噪聲(如通風采暖設(shè)備運轉(zhuǎn)聲)等，都可能使評價主體聽到的聲音有別于真實聲音，從而主觀評價實驗就不能得到滿意的結(jié)果。多數(shù)情況下評價人員是通過耳機監(jiān)聽回放，故評價結(jié)果不受房間聲學特性或者評價者的位置的影響。但要求背景噪聲比較低，以防聽音時受環(huán)境噪聲的影響，評價記錄被背景噪聲掩蔽。除此之外，為了使評價人員集中注意力進行聽音實驗，以得到其對評價聲音真實的心理感受，聽音室的裝飾要舒服自然，室內(nèi)燈光要柔和，裝飾材料不能有特殊氣味，還要有舒適的座椅和耳機等。2.評價主體聲品質(zhì)評價結(jié)果的優(yōu)劣和評價主體(評價人員)對評價內(nèi)容和評價方法的理解程度及主體綜合表現(xiàn)的穩(wěn)定性密切相關(guān)。因此，主體的選擇和培訓是主觀評價實驗結(jié)果可靠性和有效性的保證。1)評價主體選擇首先，評價主體的經(jīng)驗水平既要能適應當前的評價任務(wù)，又要能代表目標客戶群。一個有經(jīng)驗的評價者在評價某些聲音屬性時會比沒有經(jīng)驗的評價者表現(xiàn)更好。但事實上，只用有經(jīng)驗的評價者是不夠的。因為專家們通常會注意到那些對于普通消費者來說并不重要的因素。其次，評價主體要熟悉所要評價的聲音特性，因此不同的評價任務(wù)應選擇不同類型的評價主體來完成。通常公司員工被作為評價主體的大部分。但當需要評價某些特殊屬性時，應當用真正的消費者來進行聽音測試。比如，評價音響音色時，選用音樂愛好者就比較理想。最后，評價主體的年齡、性別、職業(yè)、文化背景以及經(jīng)濟狀況等因素也要考慮。如老年人對車內(nèi)噪聲的心理需求與年輕人就會有明顯差別。2)評價主體的數(shù)量評價主體的數(shù)量取決于是否進行廣泛的主體培訓以及評價任務(wù)的難易程度。簡單的評價任務(wù)不需要對主體進行培訓，短時間內(nèi)可以有大量的主體參與評價實驗。一般說來，評價主體的數(shù)量越多越好，但是要消耗大量的時間。通常，公司員工作為評價主體時，主體數(shù)量在25~50之間比較合適。表現(xiàn)不佳的評價主體的評價數(shù)據(jù)將被剔除，剔除人數(shù)占參與評價人數(shù)的10%。若將消費者作為評價主體，則需要選擇75~100名人員參與評價實驗。因為，消費者的評價結(jié)果比員工的評價結(jié)果的可變性更大，表現(xiàn)不佳人員所占的比例更高。復雜的評價實驗在實驗前要對評價人員進行適當?shù)呐嘤?，讓評價人員熟悉聲音樣本和評價任務(wù)。通常將參與評價的人數(shù)限制在10名以下，甚至少于5名。理論上，主體個數(shù)可由測試結(jié)果的分布狀況及測量所需精度確定。實際上，主體測試結(jié)果的分布是很難確定的，受測量時間、評價方法、聲特性以及主體的情緒等因素影響。Kuwano曾在1993年對不同評價主體構(gòu)成對主觀評價結(jié)果的影響進行過研究。1999年Hempel和Chouard也進行過類似的研究，對選取54名主體的評價結(jié)果和選取20名主體的評價結(jié)果進行了分析，兩者得到的均值和標準偏差幾乎一致。他們認為，對于大多數(shù)心理聲學評價測試，20名主體就已經(jīng)足夠了。3)評價主體的培訓對于簡單的評價任務(wù)，通常只要求評價主體針對所聽到的聲音做出選擇，多數(shù)人都比較熟悉且習慣這種方式，所以基本不需要培訓。如果待評價的聲音是現(xiàn)實生活中經(jīng)常聽到的聲音，則不需要對主體進行聲音辨識的培訓，只要在評價開始階段通過一個練習讓評價主體熟悉聲音特性和評價過程即可，這對聲音播放的連續(xù)性尤為重要。比如在一定比例范圍內(nèi)對聲音進行等級打分，當評價者聽到一個很好聽的聲音時，如果不知道接下來還會出現(xiàn)更好聽的聲音，那么他們很可能會用最高等級來評判剛才的聲音。復雜的評價任務(wù)就是那些評價主體不熟悉的任務(wù)，需要通過培訓使評價主體的表現(xiàn)達到要求的水平。根據(jù)任務(wù)的難度來確定培訓的時間，通常要求幾周，并且每天3小時或者更多。培訓結(jié)束時，評價主體的水平基本不再提高。3.樣本的預處理首先，要保證聲音樣本中沒有額外的噪聲，可以通過CoolEdit等軟件對聲音進行編輯，去除有外部噪聲干擾的那部分聲音。其次，要進行等響處理。許多研究表明，響度差異對評價結(jié)果的影響很大，其相關(guān)性達到90%左右。因此，對聲音樣本進行響度均等，拋開聲音能量大小對評價者的影響，以得到其他聲品質(zhì)參量的正確評價結(jié)果。成對比較法中，對聲音樣本進行等響處理是十分必要的。最后，樣本長度的截取。一般地，對于穩(wěn)態(tài)聲信號，聲音的長度應該在3~5s。對于瞬態(tài)聲信號，比如汽車關(guān)門聲，應該記錄完整的單個事件。可以通過重復播放，來研究聲信號間的細微差別。4.評價參量國外學者對聲品質(zhì)評價參量做了大量細致的研究工作,初步建立了系統(tǒng)的噪聲評價詞匯體系。而國內(nèi)的聲品質(zhì)研究起步較晚，基本都是參照國外的一些研究成果開展相應的聲品質(zhì)評價工作，但是經(jīng)過不斷的實驗研究發(fā)現(xiàn)，如果直接將國外研究中使用的一些聲品質(zhì)參量按照原來的英文翻譯成漢語，會出現(xiàn)表達的含義與原文存在較大差異的情況。即使是在文化背景相對接近的德國、法國和意大利，也存在細微的差異。因此我們在進行聲品質(zhì)的評價時，建立漢語語言環(huán)境下的噪聲聲品質(zhì)評價詞匯體系是十分必要也是十分迫切的。國內(nèi)同濟大學的毛東興等人在對車內(nèi)噪聲的聲品質(zhì)研究中，針對建立某些參量的評價詞匯體系進行了具體的研究。在借鑒了國外這方面的研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)用于評價實驗的噪聲樣本的聲品質(zhì)特征以及評價任務(wù)的特殊性，采用了以下幾種方法來確定最終用于評價的詞匯。1)問卷調(diào)查法對聲品質(zhì)評價術(shù)語的調(diào)查有以下幾個方面的意義：一方面，對于聲事件的某些主觀特性，初步選取可較好的用于描述聲音該類型特性的幾個形容詞；另一方面，針對汽車噪聲，尋找適合于描述車內(nèi)噪聲的評價參量。問卷調(diào)查中通常采用形象比喻法，調(diào)查中首先給出事先根據(jù)各方面研究及漢語語義搜集起來的引導性形容詞，同時要求被調(diào)查者提供他們認為合適的詞匯。2)參量聽音法由于我國人群對國外所采用的聲品質(zhì)參量的概念感知上存在較大的差異，因此單純的采用形象比喻法詞匯調(diào)查獲得的詞表和預設(shè)的聲品質(zhì)特征可能產(chǎn)生偏離，因此在詞匯調(diào)查中，通過加入?yún)⒘柯犚舴ㄕ{(diào)查。參量聽音法是采用模擬聲品質(zhì)某一特征的明顯變化，讓被調(diào)查者根據(jù)這些變化來決定漢語中反映這些變化的形容詞。3)綜合聽音感知法配合全面描述詞的問卷調(diào)查，讓被調(diào)查者做出形容詞選擇。該方法中所采用的聲樣本為實際運行條件下采集的噪聲信號，每個樣本的噪聲源、運行條件以及樣本長度各不相同，以保證樣本中盡可能多地包含所有車內(nèi)噪聲的聲品質(zhì)特征。最后再進行詞匯體系的統(tǒng)計分析，將形容詞被選擇的次數(shù)作為統(tǒng)計分析依據(jù)，對選擇次數(shù)較少的形容詞加以剔除。研究表明并不是所有的聲品質(zhì)參量都是主要的。因此沒有必要對聲品質(zhì)所有的參量都進行大樣本的詞匯調(diào)查，以減少工作量；同時，針對某車型所采集的聲樣本，也并不一定涉及所有的