汽車制動(dòng)工況下車內(nèi)時(shí)變噪聲響度特征

劉 程，賀巖松，2，于海興，劉建立

（1.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030； 2.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030）

汽車NVH研究已經(jīng)從噪聲控制發(fā)展到噪聲聲學(xué)品質(zhì)設(shè)計(jì)的新階段，而響度是噪聲聲品質(zhì)重要的評價(jià)指標(biāo)之一[1]。由于汽車大部分噪聲是時(shí)變噪聲，應(yīng)用時(shí)變響度模型分析車內(nèi)噪聲具有一定的優(yōu)越性[2-3]。雖然響度模型研究很多[4-11]，但不同模型的計(jì)算結(jié)果存在一定差異，選擇一種能準(zhǔn)確反映車內(nèi)噪聲時(shí)變響度特征的模型具有實(shí)用意義。

響度的預(yù)測模型能夠部分取代非常耗時(shí)的主觀試驗(yàn)，在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用[4]。一般來說，響度的計(jì)算模型可以分為穩(wěn)態(tài)模型和時(shí)變模型[7]。穩(wěn)態(tài)模型沒有考慮聲音的時(shí)間屬性，并且基于信號的長期頻譜，其響度只考慮人聽覺系統(tǒng)的頻率掩蔽效應(yīng)。大多數(shù)聲音信號是非穩(wěn)態(tài)的，并且聲音的時(shí)變特性影響響度的計(jì)算過程。例如許多研究發(fā)現(xiàn)相同聲強(qiáng)聲音的響度隨著持續(xù)時(shí)間的增加而增加，即為響度的時(shí)間積分效應(yīng)[9]。通常響度模型中使用泄露積分來分析信號的強(qiáng)度及其相關(guān)量，其中泄露積分時(shí)間常量與時(shí)間積分中時(shí)間常量相對應(yīng)[7]，而有研究表明時(shí)間積分可能包括多個(gè)時(shí)間常量[5]。能很好地解釋響度的頻率和時(shí)間兩個(gè)方面特性最為典型的模型是Chalupper和Fastl[8]與Glasberg和 Moore[9]。這兩個(gè)模型都是由Zwicker響度模型發(fā)展而來的，具有相似的結(jié)構(gòu)，但是它們在動(dòng)態(tài)特性的處理上有著本質(zhì)的區(qū)別。例如Chalupper 和Fastl模型只使用了一個(gè)時(shí)間常量[10]，在模型中利用時(shí)間后掩蔽效應(yīng)來描述響度動(dòng)態(tài)行為，而Glasberg和 Moore模型[9]為了矯正幅值調(diào)制聲音的響度應(yīng)用了一個(gè)更為詳細(xì)的時(shí)間積分步驟（使用了多個(gè)時(shí)間常量）。Zwicker時(shí)變響度模型（Chalupper和Fastl模型）已經(jīng)成為了德國國家標(biāo)準(zhǔn)[10]。為對比不同模型在分析車內(nèi)噪聲時(shí)的差別以及Moore響度模型的更廣泛應(yīng)用，有必要建立Moore時(shí)變響度模型的數(shù)值計(jì)算方法。

本文對Moore時(shí)變響度模型[9]和穩(wěn)態(tài)響度模型[6，11]的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行研究，并建立基于Moore時(shí)變響度模型的數(shù)值計(jì)算方法。最后利用建立的汽車制動(dòng)工況下車內(nèi)噪聲測試系統(tǒng)測量降噪前后的車內(nèi)噪聲。對比分析降噪前后車內(nèi)噪聲的響度特征，為時(shí)變響度模型分析車內(nèi)制動(dòng)工況噪聲的適用性提供指導(dǎo)意見。

1 Moore時(shí)變響度模型的建立

時(shí)變響度的計(jì)算過程如圖1所示[9]。輸入聲信號首先經(jīng)過固定的濾波器（模擬人耳的外耳和中耳的聯(lián)合濾波效應(yīng)）；然后使用6個(gè)平行的快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）對濾波后的信號進(jìn)行分析，每個(gè)快速傅里葉變換得到不同的頻率范圍，每個(gè)傅里葉變換窗沿著時(shí)間軸以1 ms的幀移移動(dòng)，可計(jì)算得到短期“滾動(dòng)”譜；接著由到達(dá)內(nèi)耳聲壓譜級計(jì)算有效聲壓級，在1 ms中激勵(lì)模式和特征響度的計(jì)算與穩(wěn)態(tài)響度模型相同；最后由特征響度沿頻率軸求和得到瞬時(shí)響度；根據(jù)時(shí)間掩蔽效應(yīng)由瞬時(shí)響度計(jì)算短期響度和長期響度。具體步驟如下。

1.1 外耳和中耳傳遞

外耳和中耳產(chǎn)生的濾波作用取決于聲音相對于頭部的方位，可以通過一個(gè)固定的濾波器模擬聲音在外耳和中耳中的傳遞。在Moore的穩(wěn)態(tài)模型中已經(jīng)給出了前向聲場的外耳傳遞函數(shù)和中耳傳遞函數(shù)。在這里用有4 097個(gè)系數(shù)的有限單脈沖響應(yīng)濾波器（FIR）來模擬外耳和中耳的聯(lián)合濾波效應(yīng)。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]中所給外耳和中耳傳遞函數(shù)插值可得外耳和中耳的聯(lián)合濾波傳遞函數(shù)如圖2所示。由Matlab中的FIR2函數(shù)設(shè)計(jì)濾波器，濾波器在1 000 Hz的增益是0 dB，根據(jù)不同的測量方式和聲場可以選擇不同類型的濾波器，濾波器的輸出即為聲場傳遞到內(nèi)耳的聲音。

計(jì)算中注意的問題：

（1）由于濾波后的信號有相位延遲，要對原始信號進(jìn)行延遲補(bǔ)償。

（2）信號處理前要確定測量的方式是全向麥克風(fēng)測量還是人工頭測量，測量場的類型是自由場還是混響場。

1.2 “滾動(dòng)”譜計(jì)算

為了獲得與人的聽覺系統(tǒng)相對應(yīng)的低頻分辨率，需要輸入相對長的信號片段（大約64 ms）。然而對于中心頻率較高的部分，使用較長的片段將會(huì)影響時(shí)間分辨率。為了解決這個(gè)問題模型中使用6個(gè)平行的FFT進(jìn)行計(jì)算，信號的持續(xù)時(shí)間隨著中心頻率的升高而降低。這6個(gè)FFT是基于持續(xù)時(shí)間分別為2 ms、4 ms、8 ms、16 ms、32 ms和64 ms的漢明窗幀，這些窗都是在時(shí)間中心點(diǎn)對齊，并都進(jìn)行0擴(kuò)展，使所有的FFT都是基于2 048個(gè)采樣點(diǎn)。每個(gè)FFT用以計(jì)算特殊頻率范圍的頻譜幅值。對于持續(xù)時(shí)間為64 ms、32 ms、16 ms、8 ms、4 ms和2 ms的頻率范圍分別為20～80 Hz、80～500 Hz、500～1 250 Hz、1 250～2 450 Hz、2 450～4 050 Hz和4 050～15 000 Hz。每個(gè)漢明窗的頻譜計(jì)算過程如圖3所示。所有的漢明窗都是以1 ms的間隔沿著時(shí)間軸進(jìn)行幀移，可計(jì)算得到短期“滾動(dòng)”譜。

1.3 激勵(lì)模式的計(jì)算

通過滾動(dòng)譜計(jì)算得到的是聲壓級短期“滾動(dòng)”譜級，而進(jìn)行特征響度計(jì)算時(shí)輸入需要有效聲壓級，因此在進(jìn)行后續(xù)計(jì)算之前必須要根據(jù)信號的類型把聲壓譜級轉(zhuǎn)換成有效聲壓級，詳細(xì)的處理過程可以參考文獻(xiàn)[11]和[13]。

內(nèi)耳可以認(rèn)為是一組中心頻率從50～15 000 Hz的帶通濾波器。濾波器的帶寬隨著中心頻率的增加而增加。如在中心頻率為100 Hz的等矩形帶寬（ERB）為35 Hz，中心頻率為10 000 Hz的等矩形帶寬為1 100 Hz，這些濾波器ERB級都是相互獨(dú)立的，隨著ERB級的增加濾波器的低頻成分的傾斜程度變緩。由有效聲壓級計(jì)算激勵(lì)模式的過程與穩(wěn)態(tài)響度的計(jì)算相似[6，11]，不同點(diǎn)是為了提高計(jì)算速度特征頻帶的間隔由0.1 ERB提高到0.25 ERB，對應(yīng)的濾波器由372個(gè)減少到149個(gè)。

1.4 瞬時(shí)響度計(jì)算

瞬時(shí)響度是一個(gè)時(shí)間離散的量，這個(gè)量對于描述真實(shí)感覺并沒有用。例如在一個(gè)非常短的時(shí)間間隔（如1 ms）內(nèi)我們可以測量到的感受是聽覺神經(jīng)的總體活動(dòng)，而響度的感知取決于超過1 ms的一段時(shí)間的神經(jīng)活動(dòng)的總和（這個(gè)求和過程就是模型的后續(xù)部分）。

由激勵(lì)模式計(jì)算瞬時(shí)響度與穩(wěn)態(tài)響度的計(jì)算方法相似。首先是把激勵(lì)級轉(zhuǎn)化成特征響度級，然后對計(jì)算后的特征響度沿著頻率軸求和即可得到瞬時(shí)響度。從激勵(lì)模式到特征響度模式的轉(zhuǎn)化過程中包含了一個(gè)非線性壓縮過程，類似于聲信號在內(nèi)耳進(jìn)行壓縮，計(jì)算公式為式中：C=0.046 871為常數(shù)；ETHRQ為強(qiáng)度達(dá)到絕對聞閥的純音產(chǎn)生的單耳峰值激勵(lì)，取值如圖4（a）所示；G為耳蝸濾波器增益系數(shù)；A為與頻率有關(guān)的常量；α為激勵(lì)轉(zhuǎn)換為響度的指數(shù)關(guān)系，與頻率有關(guān)。 G-α，G-A之間的關(guān)系如圖4（b）和4（c）所示。

如果計(jì)算的是雙耳信號，則對兩個(gè)耳朵的特征響度求和即可得到雙耳瞬時(shí)響度。

1.5 短期響度計(jì)算

所謂短期響度就是瞬時(shí)響度感知，通常由時(shí)間積分或者瞬時(shí)響度平均來計(jì)算，這種計(jì)算方式與自動(dòng)增益控制環(huán)路（AGC）產(chǎn)生控制信號相似（這些控制信號有沖擊時(shí)間和延續(xù)時(shí)間）。定義S'n為第n個(gè)時(shí)間幀（幀移為1 ms）的滾動(dòng)短期響度估計(jì)。Sn是在第n個(gè)時(shí)間幀的瞬時(shí)響度，S'n-1對應(yīng)的是第n-1個(gè)時(shí)間幀的滾動(dòng)短期響度。

式中：αa和αr分別為常數(shù)，取值分別為0.045和0.02。

αa值的選擇與響度隨持續(xù)時(shí)間變化現(xiàn)象有關(guān)，αr值的選擇與幅值調(diào)制信號的總響度預(yù)測值有關(guān)。事實(shí)上αa比αr大的意義就是當(dāng)聲音開始的時(shí)候短期響度增加得快一些，但是當(dāng)聲音停止的時(shí)候短期響度要衰減得慢一些。一般假設(shè)一個(gè)簡單聲音的響度是由短期響度的最大值所決定的。

1.6 長期響度的計(jì)算

式中：S'n為n時(shí)刻的短期響度；αa1，αr1分別是常數(shù)，取值分別為0.001和0.000 5。

實(shí)際上αa1的值比αr1大的意義就是當(dāng)聲音開始時(shí)這種總體響度感受能夠增加的相對快一些，但當(dāng)聲音停止的時(shí)候總體響度感受要衰減相對慢一些。對于幅值調(diào)制的信號，由于響度連續(xù)變化很難判斷總體響度，一般利用長期響度均值來評價(jià)幅值調(diào)制信號的響度。

2 響度模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

選用在自由場中由傳聲器記錄（頻率為4 kHz，聲壓級為60 dB，持續(xù)時(shí)間為200 ms）的純音信號。Glasberg和Moore模型[9]給出了該信號的瞬時(shí)響度、短期響度、長期響度的計(jì)算值。本文所建立模型的計(jì)算結(jié)果如圖5所示，IL為瞬時(shí)響度，STL為短期響度，LTL為長期響度?？梢钥闯鲇捎诼曇舻耐蝗婚_始和突然停止，IL在開始和結(jié)尾都出現(xiàn)了峰值，STL和LTL的建立和衰減都需要一定的時(shí)間，STL的建立比LTL快，LTL的衰減比短期響度要慢，這與Moore模型所獲得的計(jì)算結(jié)果相似。

Glasberg和Moore模型也給出了頻率為1 kHz和4 kHz，聲壓級為60 dB，持續(xù)時(shí)間從16～100 ms短期響度的最大值。本文建立模型計(jì)算結(jié)果如圖6所示，從圖上可以看出該計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)[9]所得結(jié)果很相似。由該結(jié)果可以驗(yàn)證模型建立的正確性，可以預(yù)測利用該模型對車內(nèi)噪聲進(jìn)行分析可以得到較好的結(jié)果。

3 汽車制動(dòng)工況下車內(nèi)噪聲的時(shí)變響度分析

3.1 噪聲測試系統(tǒng)的搭建

為了全面分析汽車制動(dòng)工況下車內(nèi)噪聲特征，本文建立了汽車制動(dòng)工況下車內(nèi)噪聲測試系統(tǒng)，如圖7所示。

試驗(yàn)在干燥平坦的瀝青路面上進(jìn)行，根據(jù)GB/T18697—2002和GB/T25982—2010，測點(diǎn)布置如圖8所示，后橋左側(cè)靠近過道乘員座椅處（模擬乘員右耳位置）。汽車以60 km/h開始制動(dòng)，測得降噪前后乘員耳旁的聲信號。試驗(yàn)采用德國IMC公司的C系列CNONOS-PL-2- DIO-DCB8型便攜式數(shù)據(jù)采集器以及B&K公司的4189+2671前置放大器型傳聲器。

3.2 噪聲響度特征對比分析

車輛制動(dòng)噪聲的特點(diǎn)是信號的頻率隨時(shí)間連續(xù)變化[12]，利用以上系統(tǒng)測量得到某款混合動(dòng)力城市客車制動(dòng)工況時(shí)后排座椅處乘員耳旁的噪聲信號，其中采樣頻率為50 kHz。如圖9（a-3）和（b-3）所示在1 500 Hz內(nèi)存在明顯的階次信號，隨時(shí)間呈近似線性掃頻特征，為清晰顯示階次掃頻噪聲，在計(jì)算之前對聲壓信號進(jìn)行低通濾波處理。利用本文建立的Moore時(shí)變響度模型和B&K心理聲學(xué)模塊中的Zwicker時(shí)變響度模型對該噪聲進(jìn)行對比分析。根據(jù)汽車車內(nèi)噪聲的特點(diǎn)，時(shí)變響度采用短期響度[2]，聲壓的時(shí)域圖和線性聲壓譜級圖、A計(jì)權(quán)聲壓譜級圖、Zwicker時(shí)變響度和Moore時(shí)變響度等4種時(shí)變噪聲分析結(jié)果如圖9所示。在Zwicker響度模型中響度的百分位采用N5[7]。綜合對比分析4種噪聲評價(jià)方法的結(jié)果可得以下結(jié)論。

（1）從圖9（a-2）和（a-3）中可以得出：①聲壓級譜能夠清晰地反映各頻率成分隨時(shí)間的變化過程，從圖上可以看出在500 Hz附近有一條明顯的掃頻能量，并且在低頻部分也有很高能量分布。②A計(jì)權(quán)聲壓級模擬人耳的濾波特性對聲信號進(jìn)行帶通濾波，從圖上可以看出計(jì)權(quán)后的聲信號保留了掃頻信號，濾除了低頻信號。③由以上可得線性聲壓級不能反映人耳對噪聲的感受，A計(jì)權(quán)只是模擬了人耳40方等響曲線的濾波特性但并沒有全面反映人耳的濾波特性。

（2）從 圖9（a-4）和（a-5）可 以 得 出：①Zwicker特征響度和Moore特征響度都能反映掃頻信號隨時(shí)間的變化，與線性聲壓級和A計(jì)權(quán)聲壓級相比特征響度的能量分布更為集中。②Zwicker特征響度在低頻中有很高的響度峰值分布，這與線性聲壓級分布相似。Moore響度在階次頻率的能量較為集中，這與A計(jì)權(quán)聲壓級分布相似，并且其頻率分辨率比Zwicker響度高。③Zwicker特征響度在低頻處特征響度峰值較大，這與人耳的真實(shí)濾波特性存在差異，但Moore響度的能量分布較為集中，能更為全面地反映人耳的濾波特性。

（3）在圖 9（a-7）和（a-8）中 Lmax和 Nmax分別表示Zwicker中短期響度級最大值和短期響度最大值，STLlevelmax和STLmax分別表示Moore響度中短期響度級最大值和短期響度最大值。對比分析圖9（a-6）到（a-8）可得：①瞬時(shí)響度上升變化率和下降變化率明顯高于短期響度。這是由于短期響度模型考慮了時(shí)域掩蔽效應(yīng)，人耳對響度感知的建立需要考慮時(shí)域掩蔽效應(yīng)[7]。②兩種響度模型中的瞬時(shí)響度、短期響度、短期響度級變化趨勢基本一致，響度級的波動(dòng)要比響度要小，人耳對響度與響度級的感受并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系。③兩種響度模型中響度級和響度的峰值出現(xiàn)的位置相同。Zwicker短期響度最大幅值及波動(dòng)要比Moore響度最大幅值和波動(dòng)要大，主要是由于Zwicker和Moore響度在低頻成分的處理上有較大差別。

（4）對比圖9（a）和（b）中降噪前后制動(dòng)噪聲可得：①降噪前后聲壓級的時(shí)頻分布和A計(jì)權(quán)的時(shí)頻分布變化不是很明顯，但是特征響度的時(shí)頻分布有較為明顯的變化，降噪后掃頻信號的特征響度在制動(dòng)結(jié)束時(shí)峰值明顯降低，這與人的感受相一致。②瞬時(shí)響度的變化趨勢有明顯差別，峰值出現(xiàn)的位置不同，導(dǎo)致降噪處理前后短期響度和響度級峰值出現(xiàn)的位置及大小不同。

4 結(jié)論

（1）本文對紹Moore時(shí)變響度模型的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了研究，在Matlab中建立數(shù)值算法模型并驗(yàn)證了其正確性。建立汽車車內(nèi)噪聲測試系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)獲得某款混合動(dòng)力城市客車制動(dòng)工況時(shí)后排座椅處乘員耳旁的噪聲信號以及Moore響度值。

（2）對車內(nèi)降噪前后的噪聲，利用Zwicker時(shí)變響度模型和Moore時(shí)變響度模型進(jìn)行對比分析得出：①特征響度時(shí)頻分析比聲壓時(shí)頻分析更準(zhǔn)確地反映影響人的感受的噪聲來源，但特征響度和瞬時(shí)響度模型沒有考慮時(shí)域掩蔽效應(yīng)，不能用于噪聲的響度評價(jià)。②Zwicker特征響度的時(shí)頻圖和線性聲壓級的時(shí)頻圖能量分布相似，Moore特征響度和A計(jì)權(quán)能量分布相似，4種時(shí)頻分析方法中Moore時(shí)變響特征響度能量分布最為集中。③短期響度可以用于反映人的響度感受，Zwicker短期響度值一般要比Moore響度值要大，但是響度峰值的大小不能全面反映車內(nèi)噪聲的響度特征。

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