汽车噪声声音品质主观评价及控制

汽车噪声声音品质主观评价及控制第一章绪论1.1论文研究的背景随着现代社会的发展以及对高质量生活的不断追求，人们对车辆乘坐的舒适性要求越来越高。车内噪声不仅降低了乘坐的舒适性，还增加了驾驶员的疲劳感，容易使人烦躁，甚至危及行车安全。除此之外，也影响到人们对汽车质量的评价，进一步影响到汽车的销售。因此，如何控制和改善车内噪声就显得尤为重要。传统的噪声控制，只强调噪声量级的大小，认为噪声级越低越好。为了得到舒适的车内环境，以前主要采取降低车内噪声的声压级的办法。随着研究的不断深入，我们发现传统的声压级不足以描述汽车噪声的全部特征，单纯地降低声压级并不能改善汽车乘坐的舒适性。近年来人们提出了声品质(SoundQuality)：声品质是在特定的技术目标或任务内涵中声音的适宜性。汽车声品质就是在满足人和环境的要求下，寻求符合汽车特性的产品声音。声品质的研究实际上提出了现代噪声控制的理念，即噪声控制不仅仅是消极被动地降低噪声的声压级，而是能够根据顾客的主观评价，通过合理有效的措施，使特定产品的噪声听上去不仅仅安静，而且尽可能的悦耳，甚至调节噪声至理想状态，并使不同的产品有各自独特的声音特性。除了频率及强度两大因素外，声品质的研究更强调心理声学及非声学因素等的直接影响。1.2汽车NVH研究汽车噪声就要谈到NVH技术，汽车NVH是指汽车的Noise(噪声)、Vibration(振动)和Harshness(舒适性)，主要是研究汽车噪声振动对整车性能及舒适性的影响。Noise(噪声)是指引起人烦躁而危害人体健康的声音。汽车噪声不但增加驾驶员和乘员的疲劳从而影响汽车的行驶安全，而且对环境造成噪声污染。噪声常用声压级评价，其频率范围在20Hz-20kHz。汽车噪声主要包括结构噪声(车身壁板振动产生的噪声)、辐射噪声(如发动机、排气系统、制动器等辐射的噪声)、空气动力噪声(风噪、空气摩擦车身形成的噪声)等。Vibration(振动)描述的是系统状态的参量(如位移)在其基准值上下交替变化的过程。汽车低频振动危害驾驶员和乘员的身体健康，同时不良的振动会给汽车零部件带来损坏，影响零部件的寿命。振动是噪声产生的原因，因此，振动和噪声的研究是密不可分的。Harshness(舒适性)指的是振动和噪声的品质，它并不是一个与振动、噪声相并列的物理概念，而是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能用客观测量方法来直接度量。由于声振粗糙度描述的是振动和噪声使人不舒服的感觉，因此有人称Harshness为不平顺性。又因为声粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒服的瞬态响应，也有人称Harshness为冲击特性。总的说来，舒适性描述的是振动和噪声共同作用而使人感到疲劳的程度在研究汽车噪声与振动时，通常采用NVH指标.1.3论文的主要内容与结构声品质的研究与应用己成为噪声控制研究的热点与发展方向，我们试图在消费者主观感受、客观评价与产品质量参数间建立联系，以便通过主观感受及客观评价指标，设计出声学特性让人们满意、甚至令人愉悦的产品。就现在噪声控制的研究状况而言，由于许多产品设计较为成熟，人们对噪声影响的感受己经由单一的对声级大小的关注转向对听觉舒适度的关注，产品辐射噪声降低到一定程度再进行降噪在技术实现上比较困难；开展这一新的研究，是新世纪人们追求高质量生活的需要。因此，基于当前迅速发展的汽车工业，确立汽车声品质的目标，选取合适的汽车声品质评价的参数，结合人的生理特征和主观感觉，建立系统的声品质评价方法是必须的。系统的评价方法建立是进行汽车声品质改进与设计的基础是实现汽车声品质工程的基础，也是进行汽车NVH改善与设计的重要一环.因此论文的主要内容是讨论汽车噪声声品质的评价方法。论文结构：第一章介绍声品质概念的提出，然后简单的介绍声品质在汽车实验技术上的应用技术，汽车NVH实验技术。第二章介绍了汽车噪声的产生、传播、控制的基础知识。为进一步讨论汽车噪声的主观评价奠基。第三章总体上介绍声音感知模型和噪声主观评价研究的内容。第四章详细介绍噪声评价的实验步骤与评价方法，以及常用参量的计算。第五章主观评价试验及总结。第二章噪声产生、传播机理及控制技术2.1汽车车内噪声的形成汽车车内噪声指的是行驶汽车车厢内存在的各种噪声。车内噪声极易使乘车人员感到疲劳对汽车的舒适性有着重要影响。从声源来看车内噪声和车外噪声的来源基本相同，即:发动机噪声，进排气噪声，底盘噪声等。这些噪声声源的噪声能经由空气和固体两个途径传进车内，如图2.1所示。进排气系统进排气系统统发动机传动系空气波动车内噪声车身振动风扇气流流动轮胎路面固体空气图2.1车内噪声的主要来源与传播途径前人研究的结果表明，车厢外的噪声向车厢内的传播是按空气传播的规律进行的，具体途径有两个:第一个途径是—通过车厢壁板(包括地板、顶板和四周的壁板)，门窗上所有的孔、缝，直接传入车厢内。称之为空气声。第二个途径是—车厢外的声源或振动(源)动，作用于车身壁板，激发壁板振,并向车厢内辐射噪声。称之为固体声.传播过程如下图所示:声源声源孔缝传声振动源机体振动壁板振动室内混响室内噪声图2.2车厢内部噪声传播示意图振源产生的振动，通过汽车的机体传递到车厢与机体的联结处，激发车厢产生强烈振动，并向车厢内辐射强烈的噪声。机体传给车厢壁的振动与车厢外声波激发起的车厢壁的振动是迭加在一起的，很难区分，但因它们的传播途径不同，频率特性不尽相同，因而采取的降噪措施不同。车厢内的噪声实际上是直达声与多次反射声迭加的结果，因此在未加降噪措施的情况下，车厢内的噪声有可能比卸去车厢后相同位置的噪声要大(指未采用任何吸声材料的空车厢)。2.2汽车车内噪声主要声源机理分析2.2.1发动机噪声的产生机理发动机噪声的发生机理，可用图2.3来说明。它的发生过程可分为内部激振力，振动传递系统和外部辐射源三个部分。内部激振力有燃烧激振力和机械激力两种:前者是气缸的燃烧压力，由此产生燃烧噪声;后者主要是惯性力，活塞撞击气缸，齿轮因扭振而相互撞击，进排气门落座等。由此产生机械噪声。在发动机中，由于激振力多为冲击力，故包含的频率成分丰富，其频率范围主要分布在0.5k-10kHz。同时，被激振的发动机构造也很复杂，多数零件用螺栓机械地联接起来，分别具有无数个固有频率，它们或独立或复合起来，以各自的固有振型相互影响，引起复杂的振动，再沿不同的途径传递，最后由发动机表面辐射出噪声来。发动机表面的声辐射是由于结构表面的振动产生的，发动机表面辐射的声功率与发动机表面的振动功率成正比。与机体或缸盖直接联结的油底壳、齿轮室盖、气门罩盖等，由于它们一般为薄壳零件，与机体、缸盖相比，刚度小、振动大，往往是噪声的主要辐射源。燃烧噪声源机械噪声源力产生放热气缸压力燃烧噪声源机械噪声源力产生放热气缸压力压力脉冲惯性力扭矩变动活塞撞击正时齿轮撞击气门机构撞击振动传播汽缸盖活塞正时齿轮箱连杆曲轴主轴承缸套噪声辐射气门罩盖进排气歧管曲轴皮带轮机体油底壳齿轮箱盖发动机主要激力压力(惯性力，扭振激力)的基频及谐波为:(2-1)其中:n—发动机转速(r/min)τ—冲程数，四冲程:τ=2，二冲程：τ=1m=整数，m=1，2，3……当发动机运行时，若压力或惯性激力谐波与直接或间接受激励的零件固有频率吻合时，就会产生共振而辐射出很大的噪声来。2.2.2进、排气噪声汽车发动机的进、排气噪声是汽车的空气动力性噪声源之一。1.进气噪声进气噪声是由进气门的周期性开闭，而产生的压力起伏变化所形成的。其主要频率范围为50~5OOHz。进气噪声的主要成分为:Hz(2-2)式中：n—发动机转速(r/min)i—气缸数τ—冲程数，四冲程:τ=2一般来讲，进气噪声中，f、2f、3f的谐波成分较为明显，更高次谐波，能量逐渐减弱。除了进气脉动以外，还有涡流成分，它是由高速气流经过进气门时，产生大量涡流而形成，是宽带、连续的高频噪声，涡流噪声的峰值频率为:Hz（2-3）式中：S1—斯托罗哈数，一般取0.05V—进气门处，进气截面的气流流速(m/s)d—进气门杆直径（m）当周期性进气噪声的主要频率与进气管空气柱的固有频率一致时，空气柱的共鸣声也很突出。管中的气柱共振频率由下式计算：（2-4）式中:c—声速(m/s)l—总管长（m）n=1,2,3……2.排气噪声排气噪声是汽车主要噪声源之一。其主要频率范围是50一5000Hz。它主要由排气脉动噪声、管道气柱共振噪声和废气喷注噪声等组成，它的排气脉动计算式同式(2.3)，管道气柱共振噪声频率同式(2.5)，当排气噪声中的某频率成分恰好等于气柱共振频率时，会激发管道气柱共振噪声。另外，在发动机的排气系统中，排气系统薄壁管道及壳体表面的振动也将辐射出噪声，排气系统产生振动的原因有两个:a.由发动机排气歧管传来的振动;b.由排气压力波在排气管、消声器内部所激发的振动。排气系统的振动噪声有时会成为汽车的主要噪声源。2.2.3风扇噪声风扇噪声是空气动力性噪声。主要由旋转噪声(叶片噪声)和涡流噪声组成。主要频率范围为200-2000Hz。旋转噪声是由风扇旋转叶片周期性的拍击空气，引起空气压力脉动而激发出的噪声，它的基频计算式为:=（2-5）式中:n1—风扇转速(r/min)z—风扇叶片数i1—曲轴的传动比n—发动机转速(r/min)除了基频外，它的高频成分2f、3f……有时也很重要。涡流噪声是由于风扇旋转时，叶片周围产生的空气涡流而形成的。涡流噪声的频率由下式计算:（2-6）式中:St—斯脱罗哈数St=0.14-0.20V—气体与叶片的相对速度D—叶片的正面宽度在垂于速度平面的投影K—谐波次数K=1，2，3.……涡流噪声的频率取决于叶片与气体的相对速度，而叶片的圆周速度则随着与圆心距离线性变化，所以噪声频率也是连续的。2.2.4传动系的振动与噪声汽车传动系包括发动机与汽车驱动轮之间的一系列旋转部件，传动系是多质量的弹性系统。当传动系的固有频率之一与干扰力矩频率吻合时，便会发生扭振，而产生强烈的噪声。传动系的弯曲振动，通过支承传给车身，引起车身部件的振动与噪声。传动系(尤其变速器)，齿轮系噪声也较为明显。齿轮噪声主要是由轮齿啮合强制振动造成的，它由齿轮啮合噪声和齿轮固有振动噪声组成。1.齿轮啮合噪声这种噪声是指齿轮传动时，齿与齿之间因撞击所产生的噪声，它的频率计算式如下:Hz(2-7)式中:n—齿轮转速(r/min)z—齿数K—谐波次数K=1，2，3…….2.齿轮的固有振动噪声齿轮啮合时，由于外激力的作用，齿轮本身也会产生一些固有振动，在负荷较大或者低速运转时，此噪声一般较为突出。如果齿轮的啮合频率与固有振动频率接近时，往往会发生共振而产生大的噪声。此外，齿轮箱壁的振动噪声一般也很大，尤其应避免齿轮的啮合频率与箱壁的固有自振频率相吻合，应有足够的壁厚;为了提高箱壁的固有自振频率，可适当加筋。2.2.5轮胎噪声轮胎噪声主要包括轮胎花纹噪声和弹性振动噪声。1.轮胎花纹噪声当轮胎在地面滚动时，轮胎胎面花纹凹部所包含的气体，在离开所接触的地面时，因受挤压作用，使空气向后方排出，引起周围空气压力变化而产生，等距花纹噪声频率为:Hz(2-8)式中:Va—车速(Km/h)S—轮胎花纹节距数R—轮胎的滚动半径(m)它的谐频为2f、f…….2.弹性振动噪声车轮行驶过程中，由于轮胎弹性变化和路面凸凹不平等原因，激发轮胎本身振动而产生的噪声。它的频率一般小于200Hz。2.3噪声控制要求及评价指标2.3.1近些年来，世界各国普遍提高了对汽车噪声的控制标准，尤其是发达国家对汽车噪声非常重视。欧共体、日本、美国等从七十年代起，每六年左右就修订一次相关法规和标准，使汽车噪声限值有了大幅度降低。虽然我国汽车噪声控制工作从1979年就开始，当时发布了两项国家标准，《GB1495-79机动车辆允许噪声》和《GB1496-79机动车辆噪声测量方法》，但与发达国家相比还存在较大差距，直到2002年我国才又颁布了新的汽车及发动机噪声法规《GBl495-2002汽车加速行驶车外噪声眼值及测量方法》，并作为强制标准加以实施。表1-1国内外车辆行驶噪声限值标准的比较(单位：dBA)汽车分类国内79年标准国内02年标准欧盟标准85年前产85年后产05年前产05年后产90年R51/0196年R51/02轿车8482 77747774载重汽车8t≤载重量≤15t9289858383783.5t≤载重量＜8t908682808080载重量≤3.5t898479777977公共汽车4t≤载重量＜11t898685838380载重量＜4t888378767876轻型越野车898479772.3.2噪声评价指标主要是指车内、外的噪声值和振动适应性，评价方法可分为主观评价和客观评价。主观评价是顾客对车内外噪声振动的直观感觉，是声品质的真实反映。通常根据不同的条件，可采用简单排序法、等级评分法、成对比较法和语义区分法进行主观评价。客观评价是使用通过分析和测量的方法得到噪声和振动的参数来评价其大小和好坏。第四章将会详细介绍。2.4汽车噪声控制方法国内外科研人员已经对这方面进行很多研究。到目前为止，有关车内噪声控制的研究，综合起来可大致分为被动控制、主动控制和NVH性能试验。2.4.1传统的噪声控制方法早期的车内噪声控制途径主要有减弱声源强度、隔绝传播途径和吸声处理三个方面。1.声源降噪识别并降低声源噪声是噪声控制中最根本、最有效、最直接的途径。降低汽车上任何声源的噪声能量都有利于控制车内外噪声。尤其是降低汽车发动机和传动系等主要噪声源的噪声更具重要意义。为了降低声源噪声，首先必须识别出噪声源，弄清声源产生噪声的机理和规律，然后改进设计，降低产生噪声的激振力，降低发声部件对激振力的响应，从而达到根治噪声的目的。隔断传播途径降噪当对噪声源难以进行控制时，我们就需要在噪声的传播途径中采取措施，例如吸声、隔声、消声、减振及隔振等措施。又称无源噪声控制。2.吸声降噪在噪声源周围的有限空间内布置一些具有吸声作用的材料，就会减少噪声能量的反射，使混响声部分大大降低，从而达到降噪的目的。这种方法叫做吸声法。工程上具有吸声作用并有工程应用价值的材料大多为多孔性吸声材料，而穿孔板等具有吸声作用的材料，通常被归为吸声结构。多孔吸声材料种类很多，按成型形状可分为制品类和砂浆类；按照材料可以分为玻璃棉、岩棉、矿棉等：按多孔性形成机理及结构状况又可分为三种：纤维状、颗粒状和泡沫塑料等。在吸声材料内部有大量微小的连通的孔隙，声波沿着这些材料孔隙可以深入材料内部，与材料发生摩擦作用将声能转化成热能。吸声结构的作用原理。多是利用赫姆霍兹共振原理。这类吸声类似于暖水瓶的声共振：当声波射入赫姆霍兹共振吸声器时，容器内口的空气受到激励，将产生振动，容器内的介质将产生压缩或膨胀变形，以此来消耗声能。当赫姆霍兹共振吸声器达到共振时，振动速度达到最大，对噪声的吸收也达到最大。工程中常用的吸声结构有空气层吸声结构、薄膜共振吸声结构和薄板共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔吸声结构、吸声尖劈等，其中最简单的吸声结构就是吸声材料后留空气层的吸声结构。吸声材料和吸声结构在汽车上主要应用于发动机和车内降噪。在发动机壳体上，我们通常使用吸声材料来吸收和降低声辐射。一般是以玻璃纤维、泡沫、毛毡类为基体的材料，用非织物进行表面处理，背后设计成空气层结构。而在汽车室内，全部内饰都装有吸声材料，这样的设计有效的降低了车内噪声，例如在汽车顶棚采用吸声处理。可在乘员耳朵的位置处降低2dB以上的噪声。3.隔声降噪隔声降噪的原理是：当声波在传播途径中，遇到匀质屏障物(如木版、金属板、墙体等)时，部分声能被屏障物反射回去，一部分被屏障物吸收，只有一部分声能可以透过屏障物辐射到另一空间去，透射声能仅是入射声能的一部分。反射与吸收降低了噪声的传播。隔声构件隔声量的大小与其材料、结构和声波的频率有关。常见的隔声结构有单层壁和双层壁两种。最简单的隔声结构是单层均匀密实壁，如钢板、铅板、砖墙、钢筋混凝土墙等。试验发现，单层壁的隔声量与壁的单位面积质量有密切关系。单位面积质量越大，其隔声量越高，同样厚度的钢板比铝板隔声效果好，同样材料的厚度大的隔声效果好，这个规律称为隔声的质量定律。双层壁就是在双列平行的单层壁之间留有一定尺寸的空气层。一般情况下，由于空气层的存在提高了隔声效果，双层壁比单层匀质壁隔声量大5-10dBA；如果隔声量相同，双层壁的总重比单层壁减少213左右。在汽车上，隔声降噪主要应用于发动机。发动机罩就是一种典型的隔声罩，它将噪声辐射强烈的发动机遮蔽起来，减少噪声的透射。汽车驾驶室和客车车厢也都属于隔声室类的隔声装置：在高速公路两旁采用声屏障来抑制交通噪声对两旁居民的干扰，也是采用了这种原理。阻尼降噪汽车的壳体及机器的护壁、外罩、通风管道等都是金属薄板制成的，当汽车行驶或机器运转时，这些金属薄板受激励而振动时，往往辐射噪声，是很严重的噪声源。对于这类金属薄板振动辐射的噪声，我们常采用阻尼降噪技术。在机械物理学中，阻尼是指系统耗散能量的能力。从减振的角度看，就是将机械振动的能量转变成热能或其他可以消耗的能量，从而达到减振的目的。阻尼降噪技术就是充分运用阻尼耗能的一般规律，从材料、工艺、设计等各项技术发挥阻尼在减振方面的潜力，以提高机械结构的抗振性、降低机械产品的振动、减少因机械振动所产生的声辐射，降低机械噪声。噪声控制中多采用的阻尼材料为泡沫多孔材料和减振降噪的复合型材料。2.4.2噪声主动控制是近20年来发展起来的一种全新的噪声控制方法。与传统降噪措施相比，其突出优势在于低频噪声控制效果好，此外，它还具有对原系统的附加质量小和占用空间小等特点。主动噪声控制通常是利用声波干涉的原理进行以声消声的控制。当两个声波在叠加点处振动的方向一致、频率相同及相位差恒定时，它们会发生干涉现象，引起声波能量在空间的重新分配，此时利用人为的声源(次级声源)，使其产生的声场与原噪声源(初级声源)产生的声场发生相干性叠加，产生“静区”，从而达到降低噪声的目的。还有一些学者尝试采用主动减振来降低板件声辐射达到消声目的。曾经有人提出采用激振器对发动机支承处振动进行主动控制来降低车内噪声，但这种方法需要消耗较多的能量，且作动器布置困难，因而没有得到足够的重视。2.4.3汽车NVH试验技术汽车NVH(Noise、Vibration、Harshness)指的是噪声、振动与舒适性，其观点是，汽车是一个由激励源(发动机、变速器等)、振动传递器(由悬挂系统和边接件组成)和噪声发射器(车身)组成的系统。NVH试验技术是以整车作为研究对象，从噪声、振动与舒适性的角度分析车内外噪声的产生机理，通过驾驶员或成员的感受来寻找噪声振动的激励源，再对激励源产生噪声及振动的机理和传播途径进行分析研究，找到降噪减振的方法，来达到降低车内外噪声、提高汽车乘坐舒适性的目的。NVH试验技术对新车型的开发和现有车型的性能改善都起着重要的作用。其主要的研究方法是，根据设定的汽车NVH目标值，建立数学模型，进行整车仿真分析。但由于汽车系统极为复杂。因此我们常将整车分解成多个子系统进行研究，如底盘子系统、车身子系统等；也可以研究某个激励源产生的或某种工况下的NVH特性。通过曲线、图表的形式，或者借助于虚拟现实环境，我们可以向有关技术人员、专家及最终用户提供身临其境般的听觉、触觉及视觉感受，来提供分析结果，从而针对某种车型进行主观、客观评价和改进设计方案。汽车NVH试验研究对于新车型开发和现有车型的性能改善都起着重要的作用。对汽车NVH特性的研究既贯穿于新车型的研发过程，也可以体现在现有车型的改进设计中。1、在新车型开发过程中的应用在新车型的研发中，汽车NVH特性研究可以看作是建立在计算机仿真分析基础之上的以汽车NVH特性为设计目标的一种设计方法。在整车研发过程中，NVH性能研究可以分为以下4个阶段:(1)调研并确定整车目标通过对政府法规的要求、消费者的要求和竞争车型的NVH性能水平的调研，制定新开发车型的NVH标准。这个阶段一般通过对政府法规要求的查阅，新型消费者市场问卷调研，同时对竞争车型进行NVH性能目标值测试等手段，获得所要设计的新车型的NVH性能的目标数据，从而根据这些数据来制定新型的NVH目标值。(2)整车仿真分析并匹配子系统目标根据整车NVH性能目标值来确定各个子系统的性能目标值。子系统一般括发动机、悬架系统、动力总成悬置系统、车身、座椅和转向系统等。例如车辆与路面之间产生的振动通过悬架系统传递到车身壁板，使壁板产生振动而形成车内部噪声。在这个过程中，车身结构和车室内空腔可以通过数学模来描述，即可以通过建立整车的CAE模型来进行仿真研究。通过CAE仿真，以将结构实际的道路特性与子系统参数(如悬架刚度等)联系起来，这样就以根据整车的NVH性能目标值来确定各个子系统的NVH目标值。但要注意，个子系统目标值的确定要符合试验设计和可靠性设计的要求。(3)通过元件的结构设计实现子系统和整车的性能目标在此须完成以下工作:第一，确定每个元件的详细特征，这些特征可能以前的建模分析中没有表现出来，如连接孔、工艺、焊点位置等。第二，进各个子系统元件的可靠性设计和多目标优化设计，改善汽车的NVH特性，以保结构元件的设计方案为最佳。第三，必须满足设计模型条件(如极限尺寸等，进行极限工况的校核(如悬架撞击)。(4)样车的试验与调整生产出样车后，就可以进行实车试验，试验一般在试验室中或者道路上行，通过加速度传感器、传声器等对整车的NVH目标值进行检验，从而根据试产品的性能与设计目标之间的差异，进行必要的调整与修改。2、在现有车型NVH性能改善过程中的应用(1)对于用户提出的车辆存在的不明的、异常的噪声振动进行测试，给定的主客观评价结果。这些工作要求对测量方法和测量仪器的掌握和正确运用。(2)根据步骤(1)的测试结果，对存在的噪声振动问题有了初步的了解后，进行噪声振动源识别、噪声振动源传递路径分析等试验方案的制定，进行试验分析，分析的试验结果可以与CAE仿真计算的结果进行对比，使得故障诊断和噪声振动源的识别更加准确。(3)根据测试分析的结果进行有效的工程治理，实施降噪减振，达到客户的要求。实现降噪减振的基本方法:A、消除振动噪声产生的根源。这涉及到修改产生振动噪声的零部件结构，例如改善其振动特性，避免共振;B、切断振动噪声传递的路径。涉及到对结构振动传递特性的分析和改进，使之对振动噪声具有明显的衰减作用而不是放大。第三章汽车声品质与心理声学随着汽车行业的快速发展以及人们生活水平的不断提高，越来越多的人加入有车一族，汽车已经不再单纯的是一种交通工具，也是人们追求高质量生活的一个象征。人们不仅要求汽车“安静”，还关心它的频率组成成分，与发动机转速的关系等因素，即考虑声音的质量。而传统的汽车噪声控制中，只强调噪声量级的大小，认为噪声级越低越好，这样的产品已无法满足人们的消费要求。因此，在汽车开发过程中，声品质越来越重要，甚至影响到汽车的品牌。3.1声品质概念的提出国际上对于声品质的认识首先开始于20世纪80年代中期欧美的汽车工业，最初是想搞清楚为什么有的车即使A计权声级比较高但听起来却舒服一些。后续的研究更多地考虑声音信号的时间历程、频谱构成等。就在那个时候创造了“声品质”的概念，即认识声音的多维性。声音的接收器是人耳，人的听觉系统具有很大的变化性。同时借用心理声学方面的研究成果，引入了响度、尖锐度、粗糙度、音色等概念。随着研究的发展，研究者发现，声品质的研究包含许多感官和主观的因素，不是传统的心理声学成果就能解决的。其原因在于：①心理声学参数的数学描述目前仅建立在对理想声学环境中测试信号的研究基础之上，对复杂的声学环境，包括空间分布的声源，其应用有一定的局限性；②没有考虑人耳对声音的应性功能、双耳听闻特性等；③没有统一的标准，其测量结果没有可比性。到了20世纪90年代中期，逐步建立了声品质确定的含义，即“adequacyofthesoundofaproduct”，人们对产品声学特性的满意程度。声品质来源于人们对产品声音特性的主观判断，也就是说，声品质不仅与产品的声音特性这一客观物理量有关，还与人们对产品的认知度、人自身的生理心理状态有关。同时，人的听觉喜好会不断发生变化，因此声品质也是一个不断发展完善的概念。3.2声品质的心理声学特征从心理学角度来说，声品质具有以下三个特征：1.激励响应相适性心理学中通常将有关适宜性的问题用激励响应相适性来说明，即信息与反应对应的一致性。视觉和听觉信息的激励响应相适性程度可以用作出反应或决定的时间来判别。2.声音的舒适性Metzger调查研究了日常生活中舒适概念对个人住处和工作场所表达的含义。研究发现，舒适是人对特定的物体或环境的质量描述。舒适与人-环境交互作用的评价有关，被试人员全部表现出了对舒适的敏感程度。数据显示舒适主要与安逸、放松、方便和安宁有关。此外，舒适与有关协助或支持的形容有关。同时与功能、有用和生活的质量之间有密切的关系。另一方面，与安全、亲密和安心或奢侈、高雅和风格等概念的牵连较少。Metzger得出结论，舒适的含义并不主要由物质资源决定，而更主要地由主观需要和利益决定。假如心理声学是寻求听觉感知与引起这种感知的物理特性之间的关系，那么当代心理学方法就是尝试将听觉感知看作是与激励的接受、主动搜寻与诠释有关的主动过程。Genuit认为主观(心理学)和客观(声学和心理声学)因素共同决定声音事件的感知。Blauert&Jekosch等也提出在对听觉激励的感知、诠释、评价及反应中，除应考虑声学和心理声学参量外，还应考虑认知和情感过程的影响。3.声或声源的可识别性当人听到一个声事件时，最明显的行为就是有辨识声源的倾向，而不能“识别”声源(指确定发声物体、位置、声源特征等)时就会变得不自在。因此，在产品的开发阶段，最好要请听众来辨识声音。一方面，他们的回答可以让开发者了解声音中是否有不利的语义内涵；另一方面，声音是否是其他某个厂家产品的，而不符合自己产品的“声文化”。3.3声品质的心理声学基础3.3.1人类基本的听觉系统声品质研究是一个集声品质的感知、评价和设计于一体的综合的研究领域，其中声品质的感知是声品质评价和设计的基础。声品质的感知是纯粹的生理和心理过程，是人类听觉系统的机能。人类的听觉系统由听觉器官、各级听觉中枢及其联结网络组成。听觉器官通称为耳，其结构中有特殊分化的细胞，能感受声波的机械振动并把声能转换为神经冲动。为了准确、有效地开展声品质评价，必须对人类的听觉系统有充分的认识。为此，人们开展了生理声学、心理声学和神经生物学等方面的研究，试图揭示人类听觉的规律，并取得了初步的进展。人类基本的听觉系统由耳、各级听觉中枢及其联结网络组成。人耳又分为外耳、中耳和内耳，其解剖简图见图3-1。外耳包括耳廓和耳道。耳廓是人耳唯一暴露在体外的部分，耳廓不仅具有聚集声音进入外耳道的功能，而且在声源定位方面起着重要作用。耳道可被看作为位于外耳和中耳之间的谐振腔，其共振频率大约3-5KHz之间，这决定了人耳对中等频率的声音比较敏感。图3-1人耳的解剖简图中耳由耳膜和三块中耳小骨锤骨、砧骨和镫骨组成，其解剖简图见图3-2。中耳主要起着阻抗匹配和保护内耳的作用。声音经由耳膜和中耳小骨的阻抗匹配后从充满空气的耳道传输到充满液体的内耳(耳蜗)。由于液体的声阻抗远大于空气，要是没有中耳的机械阻抗匹配，那么大部分声功率将沿原路返回而传递不到内耳。低频高强度的声音易对耳蜗造成损害，中耳通过镫骨反射一定程度上削减了低频声音向内耳的传输。中耳的这种反射机制由低频高强度的声音触发，一方面起着保护内耳的作用，另一方面降低了高强度低频声音的“掩蔽向上扩展”程度。中耳的传输特性常用中耳传递函数(镫骨附近液体的声压与耳膜处空气的声压之比)来描述，中耳传递函数相当于高通滤波器，它在很大程度上决定了人耳的低频听闭。1锤骨2.砧骨3.橙骨4.耳膜5.圆窗6.耳咽管图3-2中耳的剖面简图内耳埋于骨中，由半规管、前庭、耳蜗所组成。其中半规管和前庭是听觉平衡器官，半规管有三个，呈相互垂直关系，每个半规管与前庭相连处各形成一个膨大的壶腹。前庭位于中部，为一膨大的腔，连接半规管和前庭阶。耳蜗是听觉感受器，外形如蜗牛壳，约呈2.75转(见图3-3)。耳蜗管被前庭膜和基膜分别与前庭阶和鼓阶隔开，形成一个三腔的管道，耳蜗管内部充满内淋巴液，前庭阶和鼓阶管腔内部充满外淋巴液，内、外淋巴液互不相通，内、外淋巴液有营养内耳和传递声波的作用。前庭阶和鼓阶在蜗顶处经蜗孔连通，鼓阶底部与中耳之间有一圆窗，被薄膜封闭，前庭阶与中耳之间的椭圆窗由镫骨面板封闭。图3-3耳蜗剖面图耳蜗的主要功能是:实现机械振动和生物电激励的转换以及进行听觉编码。具体是由基膜和基膜上的柯蒂氏器官来实现的。耳蜗的展开示意图如图3-4所示。人类耳蜗的基膜展开长约35nnIl，基膜的刚度是不均匀的，越靠近椭圆窗刚度越大。基膜随入射的声波而振动，基膜的运动是以行波的形式出现的，而且不同频率的声音能够激起基膜不同部位的振动，基膜靠近椭圆窗的位置对感应高频最为敏锐，愈向耳蜗顶端则对低频愈敏感)。而且声音的强度越大，能够激起的振动幅度也越大。基膜从功能上看相当于一个频谱分析仪，它能够把传入人耳的声信号在频域上按频带进行分解。图3-4耳蜗展开示意图耳蜗管内基膜上的柯蒂氏器官上分布有内毛细细胞、外毛细细胞及听觉神经等听觉感受细胞，其中毛细胞是将声刺激在底膜所引起的行波由机械能转换为神经能的换能器。人耳的内毛细胞约有3500个，沿基膜纵向排列成一单列，每一内毛细细胞相连约10个听觉神经纤维，这些神经纤维有不同的闽值。当基膜向上运动时，内毛细胞触发与之相连的神经元，将声信号转换成神经元的脉冲信号。任一内毛细胞的触发是受基膜运动调制的伪随机信号。当传入声波是低频时，内毛细胞的触发可以锁定声信号的相位，因此，声信号的相位信息可被听觉神经记录和传送。当传入声波的频率大于约3kHz时，内毛细胞不能锁定声信号的相位，只有声信号幅度包络的信息被听觉神经记录和传送。听觉神经元的平均触发率和两个神经脉冲之间的相对触发定时描述了内毛细胞和听觉神经之间的信息转化情况，平均触发率反映了声信号的强度，两个神经脉冲之间的相对触发定时携带着声信号更精细的信息，如音节信息等。对于每一个内毛细胞，有3-4个外毛细胞与之相对应，所示，因此人耳有约12000个沿基膜长度方向分布的外毛细胞。外毛细胞主要是起动态范围控制器的作用，当声信号的声压级大于65分贝时，压缩声激励信号使之与内毛细胞动态范围(约65分贝)相匹配，从而达到进行强度动态范围控制的目的，使人耳可接受宽达约120分贝动态范围的声音。内毛细胞激励传入神经，传出神经则支配外毛细胞。听觉传出神经的活动通过外毛细胞影响基膜的机械响应特性，外毛细胞的这种主动反馈也对耳蜗的敏感性和频率选择特性、基膜振动响应的非线性以及耳声发射等起着关键性的作用。人耳对声音信号的处理过程大致经历了这样一个过程:声音信号经外耳、耳道传达后引起耳膜的振动，该振动经与之连结的中耳听小骨传导至耳蜗，在镫骨与椭圆窗的连结处扰动耳蜗中的淋巴液，由此扰动促使基膜产生振荡，激发与毛细细胞相连的神经末梢产生脉冲，并且透过听觉神经传达到大脑产生听觉。3.3.2听觉认知的基本特性声品质研究是建立在人的听觉认知的基础之上的。研究人的听觉系统处理声音信号的过程和特征，并对其做出定量的描述，这也是心理声学的研究内容。心理声学探讨了人耳的听觉特征如掩蔽效应、特征频带、双耳效应和非线性等特点，图3-5柯蒂氏器示意图并提出了响度、尖锐度、粗糙度等客观评价量描述人的听觉特性。1.听阈、痛阈人耳的听觉是极其灵敏的，但对不同频率声音信号的反应是有差别的。人耳通常能听到的频率范围为20Hz-2OkHz，这个范围以外的声激励，无论强度多大，都无法分辨。对于特定频率的纯音信号将其强度从零渐次增大，直到听者刚刚听到，然后渐次降低，直至刚刚听不到。这样反复多次后取刚刚听到和刚刚听不到的两个声强的平均值作为该频率纯音的听阂。1O00Hz纯音的听闭的声强为，即声强级为0分贝，这个值己作为“国际标准闭强度”。对不同频率的纯音作同样的实验即得到图3-6所示的绝对听闭曲线。从这条听闭曲线可以得到:1.在8OOHz-150OHz的频率范围内，听闭没有显著变化;2.低于8OOHz的听觉灵敏度随频率的降低而降低;3.最灵敏的频率大致在3O00Hz-4000Hz;4.频率到6000Hz以上，灵敏度又下降。将特定频率的纯音信号的强度从零渐次增大，直至刚开始感觉到疼痛，这时的声强值称痛阈。从图3-6上的痛阈曲线可知，痛阈随频率的变化不大。听阈和痛阈之间的范围称听觉区域，图中标出了语言和音乐的声强-频率范围。图3-6人耳的听觉范围2.掩蔽效应由于人耳的听觉特性和耳蜗对声音吸收的特点，声音信号在人耳中会被进行非线性加工。如果有两种以上的声音同时存在，它们就会互相干扰，使我们分辨不清。一个声音的听阈受另一个声音的影响而提高的现象称为“掩蔽现象”。例如在吵闹的工厂中，人们彼此听不见对方的谈话，这是语言声被噪声掩蔽的缘故。该声音听阈提高的分贝数称为掩蔽量。为定量的研究掩蔽效应，需要测定掩蔽阈。掩蔽阈是指掩蔽声环境下被掩蔽声即测试音(通常是正弦纯音)的听闭，除极个别的情况外，掩蔽阈总是大于绝对听闽;如果掩蔽声和被掩蔽声的频率分得很开的话，掩蔽阈等于绝对听闭。掩蔽分为频域掩蔽和时域掩蔽。所谓频域掩蔽是指强信号附近频率的弱信号(或噪声)被强信号掩蔽而听不到的现象。频率掩蔽又称为同时掩蔽，其中强音称为掩蔽音，被掩蔽而听不到的声音信号或噪声称为被掩蔽音。根据掩蔽声和被掩蔽声的不同，可以将掩蔽效应大致分为宽带噪声对纯音的掩蔽和窄带噪声对纯音的掩蔽。白噪声被定义为频谱连续且均匀的噪声，是典型的宽带噪声，白噪声对纯音的掩蔽如图3-7所示。图中最下面的曲线代表绝对听闭，其他曲线表示白噪声不同谱密度级时的掩蔽阈。如测试音在2kHz时，如果其声压级小于等于60dB将会被谱密度级大于等于4OdB的白噪声所掩蔽。从图中可以看出，随着白噪声谱级LWN即掩蔽级的增大，白噪声的掩蔽阈线性地向测试音高声压级方向平移。在频在5OOHZ的范围内，掩蔽阈是水平的;高于5OOHz的，掩蔽阈线以10dB/1O倍程的斜率增大。在靠近可听频率域的两端，掩蔽闭等于绝对听闭。由图可知，白噪声谱密度级LWN为负值时，即听觉域之外的噪声也可产生掩蔽效应;白噪声的谱密度级与频率无关，但是白噪声的掩蔽阈却与频率相关。图3-7不同谱密度级时白噪声的掩蔽阈图3-8所示带宽为160Hz中心频率为1Hkz的窄带噪声在不同声压级LCB时的掩蔽阈。与图3-7一样，图中最下方的曲线代表绝对听阈。绝对听阈和掩蔽阈线将平面分成三个区域:绝对听闭曲线以下为不可听域、绝对听闭和掩蔽阈线间的区域为掩蔽域(部分可听域)以及掩蔽阈线以上部分为完全可听域。如测试音(被掩蔽声)频率为2kHz声压级小于等于40dB时，将被噪声级LCB≥8OdB的掩蔽声掩蔽掉。从图中可看出，在低噪声级LCB≤40dB时，窄带的掩蔽阈关于中心频是对称的;当噪声级增大到LCB高于40dB时，随着噪声级LCB的增大，在窄带声中心频率左侧的掩蔽阈向上平移，在窄带噪声中心频率右侧掩蔽阈的斜率则得越来越平坦。图3-8窄带噪声的掩蔽阈从图3-7和图3-8可以看出频域掩蔽主要有以下规律:1.被掩蔽声的频率越接近掩蔽声，掩蔽量越大，频率相近的纯音掩蔽效果显著，最大掩蔽出现在掩蔽频率附近;2.掩蔽声的声压级越高，掩蔽量越大，且掩蔽的频率范围越宽;3.低频声容易掩蔽高频声，而高频声较难掩蔽低频声。所谓时域掩蔽是指掩蔽效应发生在掩蔽声与被掩蔽声不同时出现的时候，又称异时掩蔽。异时掩蔽又可分为导前掩蔽和滞后掩蔽。时域掩蔽的测试声(被掩蔽声)必须是短时声脉冲。若掩蔽声音出现之前的一段时间内发生掩蔽效应，则被称为导前掩蔽，若掩蔽声音出现之后的一段时间内发生掩蔽效应被称为滞后掩蔽。产生时域掩蔽的主要原因是人耳接收声音信息和大脑处理这些信息需要花费一定的时间，异时掩蔽也随着时间的推移很快会衰减，是一种较弱的掩蔽效应。声音的时域掩蔽如下图3-9所示，从图中可以看出，一般情况下，导前掩蔽只有3ms到2Oms时间，而滞后掩蔽却可以持续10Oms以上，因此导前掩蔽经常忽略不计。图3-9声音的导前掩蔽、同时掩蔽和滞后掩蔽掩蔽效应的时域特性可用如图3-10和图3-11所示，它反映了人耳的延迟效应。图3-10中虚线表示时间常数为1m0s的指数衰减，实线为后掩蔽曲线。从图可知，人类听觉系统的延迟效应既是非线性的，又不是指数过程，并且不管初始声级如何，2OOms后掩蔽效应就消失了。图3-11表明掩蔽声持续时间较长的(200ms，实线)比持续时间较短的(5ms，虚线)掩蔽阈随延迟时间下降的缓慢，这一现象再次表明人类听觉系统的延迟效应是非线性的。再者，从这两图中可以明显地看出，掩蔽声在时间上越接近被掩蔽声，掩蔽量越大，即掩蔽效应越强。图3-10不同声级掩蔽声的后掩蔽效应图3-11不同掩蔽声持续时间的后掩蔽效应3.临界带宽和中心频率一个纯音可以被以此频率为中心频率，并且具有一定带宽的连续噪声所掩蔽。如果此频带内噪声功率等于该纯音的功率，而该纯音处于刚刚好被听到的临界状态，称这一带宽为临界带宽，单位为Bkar，临界带宽与中心频率的关系如图3-12所示。由于当被掩蔽声的频率低于500Hz的时候，其掩蔽曲线为一水平的直线，所以在这一频段内，临界带宽均为100Hz:当被掩蔽声的频率高于500Hz的时候，临界带宽约为中心频率的20%。由此，人们将声音分为24个临界频带，见表3=1，其中z为临界频带尺度，f1和fu分别为该频段的下限和上限，fc为中心频率ΔfG是以fc为中心频率的临界频带的带宽。引入临界带宽还有一个好处:以不同中心频率一个Bkar带宽的声音研究人的听觉系统的掩蔽模式，尽管其掩蔽模式随频率变化而变化，但各临界带宽范围内其掩蔽模式均可近似为对称模式。不同频率的掩蔽噪声的临界带宽是不同的。基本上频率越高，临界带宽越大。在可听域范围内，临界带宽与频率存在如下关系:（3-1）图3-12特征频带与中心频率的关系4.双耳效应人耳听觉系统对声音的方位感有其特殊的辨别能力。人耳对声音的定位决于三个因素:声音到达两耳的时间差是双耳定位的主要依据;高频时头部产生的声影作用所引起的双耳声强差是双耳定位的另一依据:耳廓复杂的螺旋形状造成声音经耳廓到耳道的频率响应随仰角变化，这类由耳廓的复杂的几何形状而引起的频率响应的变化是双耳定位第三个依据。由于人耳的左右对称分布，对声音的水平方向的分辨率较高，当声音偏离正前方3°左右，就能辨别。对垂直方位的辨别率较低，可能在10°-15°以上才能辨别。右耳对不同方向声音的敏感度如图3-13所示。20OHz时敏感度与入射声方向几乎无关;频率越高，方向性越明显，大约在70°附近为最敏感的方向。图3-14是入射角分别为30°、60°、90°时，右耳与左耳在不同频率时的声压级差。低于300Hz时，声压级差不大;不同入射角时，声压级差最大的频率不同。图3-13右耳对不同方向声音的敏感度图3-14右耳对左耳的声压级差由声波的入射方向，可以计算到达两耳的时间差左，并且可以估计相位差。从图3-15可以看出，当声波以θ角入射时，到达两耳的声程差约dsinθ，因此时间差为：（3-2）式中d为两耳间的距离，c0为声速。在中高频段人头和耳廓的作用比式(3-2)得到的时间差及由此估计的相位差要复杂。总的来说，不同的频率范围、相位差、时间差和强度差可能对方位感起着不同的作用。因此对包含丰富频率成分的声音要比纯音的方位感强，即分辨率高。又因为人的耳廓是朝向前方的，对背后来的声音，尤其是高频声，又明显的遮蔽作用，所以方向感弱。图3-15到达两耳的声程差除了到达两耳的声信号有物理上的差别外，人类听觉系统对左右耳接收到的信号还要作复杂的处理，以确定声音的方位。3.4人对声音的认知过程及听觉感知评价模型3.4人对声音的认知处理包括三个阶段的内容：知觉认知、对声音进行理性处理、声音的情感表现。而人对声音的评价就伴随着对声音认知的全部过程。在知觉认识阶段，人们须对声音做出描述、建立声品质的主观评价指标并做出对声音的喜好、价值和情感的判断等，也就是对声品质做出主观评价。在理性处理阶段，人们须建立客观评价量对声音的特性做出评价，也就是对声品质做出客观评价。而在情感表现阶段，则要根据前面的知觉阶段和理性处理阶段的评价结果，建立处理声音的流程，并与主观评价和客观评价相结合，进行声音的处理，满足人们对于声音的需求。当然，人们对于声音的认识有些时候也并非完全按照这三个阶段的顺序进行的，这三者之间有时存在着相互的交叉和跳跃。例如对于音乐，往往先是直接跳跃到情感的表现阶段，很少有人先是经过理性的分析之后才过渡到情感表现阶段。3.4HeadAcoustics公司的创始人KlausGenuit认为：根据听觉事件对个人各方面需求的满足程度，影响声品质的三类不同的变量分别是物理(声场)、心理声学(听觉感知)和心理(听觉评价)。环境环境听者听觉感知认知过程情感过程反应评价汽车汽车声音声品质图3-16汽车声音的听觉感知模型仅仅借助于物理和心理声学的测量不能得到对声品质完整而确切的定义，这是因为听者主要是根据他们的经验、期望和主观来对声音做出评价。在此基础上，再综合考虑人的非听觉感觉输入及环境因素的影响，建立如图3-1所示的汽车声音的听觉感知评价模型。3.5汽车声品质的研究内容纵观国际上汽车声品质研究的发展历程和国内外学者进行的研究工作，按照汽车声品质研究的工程应用程度，可将汽车声品质的研究内容大致分为三类，即基础性研究、改进性研究设计性研究，见图3-2。早期汽车声品质的研究主要集中于基础性研究和改进性研究。汽车声品质的研究汽车声品质的研究基础性研究改进型研究基础性研究设计性研究改进型研究基础性研究汽车的声学特性汽车的结构特性听者的听觉特性汽车的声学特征声音的评价方法汽车的声学特征声源诊断技术声特性识别技术技术车的声学特征声品质改进技术汽车的声学特征汽车的几何模型声学特征汽车的声学模型虚拟驾驶技术汽车声音样品库声音分解与合成图3-17汽车声品质的研究内容①汽车声品质的基础性研究包括汽车的结构及声音特性、听者的听觉特性和声音的评价方法等方面的研究。声品质的评价方法是我们研究汽车声品质工程的一个工具。它将声品质研究的主体和客体联系起来，把听者对声音的感知过程和情感反应进行量化描述。建立正确的声品质评价方法是汽车声品质研究的基础和难点。②汽车声品质的改进性研究包括声源诊断技术、声特性识别技术和声品质改进技术等的研究。声品质改进技术是在声源诊断和声特性识别的基础上，对症下药，采取合理的工程手段来改变汽车的零部件结构甚至工作机理，从源头和传递路径上改变声音特性，最终改善汽车内外的声音品质。③汽车声品质的设计性研究是在基础性研究和改进性研究的基础上，综合运用现代的计算机技术、信号处理技术、测试技术和声学技术等，设计出符合用户声品质要求的汽车。汽车声品质的设计性研究包括汽车的几何模型建立方法、汽车的声学模型建立方法、虚拟驾驶技术、汽车声音样本库的建立和声音的合成与分解技术等的研究。汽车几何模型和声学模型的建立是进行声品质设计的基础，模型建立的正确与否直接影响汽车的声品质预测和汽车的生产。虚拟驾驶技术是在计算机的帮助下，模拟车辆的各种驾驶工况，在汽车模型上施加相应的激励和边界条件，预测汽车在实际行驶中的响应，为预测汽车的声场和声品质做准备。建立汽车的声音样本库有助于建立汽车声品质目标，为新型汽车的开发提供参考，为实现汽车声音的合成与分解提供研究资源。声音的合成与分解技术在分解汽车各部分发声特性的基础上，诊断影响汽车声品质的噪声源，再结合汽车模型，合成汽车整体或零部件所产生的噪声，是在汽车的虚拟原型阶段实现声品质评价的关键和难点。第四章汽车声品质评价方法4.1心理声学评价量及其数学模型作为心理声学研究几十年的成果，已经有一些基本特性被认为适合于描述听觉事件，这些量主要有：响度、尖锐度、粗糙度、抖晃度以及音调度等。其中，响度、尖锐度、粗糙度和抖晃度是比较常用的4个心理声学评价量。4.1.1响度与响度级响度(Loudness)定量地反映了人耳对声音强弱的主观感受程度，是介于主观、客观之间的一种评价量，是声品质评价中具有决定性的特征量。一般而言响度值越大，对人造成的烦恼程度就越严重，声品质就越差，但响度不是噪声品质的决定标准。因为人耳的振动系统、传递系统、换能系统等都与频率有关因而主观的强弱与客观的强度有关，但也受频率的影响。为了反映不同频率声音的强弱关系，引出了响度级的概念。响度级的单位为方(phon)，在数值上等于与标准音(1kHz纯音)一样响时所对应的标准音的声压级。使用等响实验方法，可以得到一簇不同频率、不同声压级的等响曲线。图4-1为国际标准化组织(ISOR226)推荐的自由声场测听的等响曲线。图中最下方的曲线即为绝对听阈。由图中可看出，人耳对2kHz～5kHz的声音比较敏感对低频低声压级声音不敏感；人耳对中低声压级声音的频率敏感，对高声压级声音的频率不敏感。图4-1自由声场测听等响曲线响度级虽然定量地确定了响度感觉与频率和声压级的关系，但它与人对声音的强弱感觉不成线性关系。为此，1947年国际标准化组织采用了一个与主观感觉的轻响程度成正比的参量——响度(Loudness)，单位为宋(sone)，符号为N，并规定响度级40方为1宋。经实验得出，响度与响度级的关系为：N=（4.1）式中：N—响度，L—响度级。考虑了时域特性的响度计算目前还没有统一的国际标准。对于稳态噪声的响度计算，国际标准ISO532规定了A、B两种计算方法。A方法采用斯蒂文斯(Stevens)提出的计算模型，使用倍频带或1/3倍频带谱，适用于平坦频谱的扩散声场的响度计算，详细内容参见标准ISO532-A-1975和ANSIS3.4-1980；B方法采用茨维克(Zwicker)的计算模型，使用1/3倍频带作为基础数据，引入临界频带概念对人耳的掩蔽效应作相应修正，适用于自由声场或者扩散声场的计算，详细内容参见标准ISO532B。4.1.2尖锐度(Sharpness)是描述高频段声音成分在总体声音中所占比例的物理量，对声音的舒适度影响很大，反映了噪声信号的刺耳程度。尖锐度值越高，给人的感觉就越刺耳。尖锐度的单位是acum，用符号S表示，规定中心频率为1kHz、带宽为160Hz的60分贝窄带噪声的尖锐度为1acum。目前，尖锐度计算还没有统一的国际标准，一般由临界频带的特征响度的计权一阶矩来计算。常用的尖锐度计算模型有：1)Zwicker提出的尖锐度模型为：acum（4-2）式中，S为尖锐度；N为总响度；N'(z)为临界频带的特征响度；g(z)为Zwicker依据不同临界频带的加权函数，其值为：当z<16时，g(z)=1；当z≥16时，g(z)=0.066exp(0.171z)。2)Aures提出的尖锐度模型为：acum(4-3)式中，g'(z)为Aures依据不同临界频带的加权函数；其余符号含义与Zwicker模型相同。3)Bismarck提出的尖锐度模型为：acum(4-4)式中，g(z)为Bismarck依据不同临界频带的加权函数，其值为：当z<14时，g(z)=1；当z≥14时，g(z)=。其余符号含义也与Zwicker模型相同。在HeadAcoustics公司的ArtemiS软件中，尖锐度的计算模型是：acum(4-5)但其中采用的响度加权函数关系式未向外公布。影响尖锐度的因素有窄带噪声的中心频率、带宽、声级和频谱包络。有研究表明，具有相同响度和计算尖锐度的两个噪声信号，噪声的带宽越窄，实际的尖锐程度就越大，听起来也就越刺耳。4.1.3听觉系统对于调制过的声音的感知有两种不同的描述：当调制频率在20Hz以下时感知为抖晃度(Fluctuation)，调制频率在20~200Hz之间则感知为粗糙度粗糙度用符号R来表示，单位为asper，规定调制比为1，声压级为60dB的1kHz幅值调制纯音在调制频率为70Hz时的粗糙度为1asper。声音信号的时域结构、调制因子和声压级的不同决定了粗糙度的大小，它反映了调制幅度的大小和调制频率的分布情况。在调制频率为70Hz，调制比率为1.2时的粗糙度值最大。对于粗糙度的计算，目前还没有统一的国际标准。Fast1利用噪声的调制频率mod级的差ΔE来计算粗糙度R，可以表示为：asper（4-6）该方法与幅值调制单频音和幅值调制宽带噪声的主观粗糙度数据相符较好，其缺点是各个特征频带内的ΔLE易精确求得。在本实验中，粗糙度的计算采用了式4-6的数学模型。抖晃度用符号F来表示，单位为vacil，规定声压级为60dB调制比为1的1kHz幅值调制纯音在调制频率为4Hz时的起伏度为1vacil。抖晃度是对人耳主观感受到的声音信号的响亮起伏程度的描述，故也称为起伏度。影响抖晃度的因素有：信号的时域结构、带宽、调制频率、调制程度以及声压级大小等。mod和特征频带包络的最大与最小声级差ΔL来计算，起伏度F可表示为：vacil（4-7）在HeadAcoustics公司的ArtemiS软件中，采用了Fastl方法。其中，抖晃度的计算模型改为：vacil（4-8）式中、分别是响度计各通道的最大与最小特征响度；T表示两个相连续的响度的短时差异。4.1.4音调度(Tonality)用于描述噪声中含有明显单频成分的现象，我们通常称这种噪声具有音调特征。相对音调度与临界频带率的分布带宽有关，随着临界频带率的分布带宽的增大而降低。最大音调度出现在700Hz，音调度的单位国际上通常采用tu表示，符号为T，并规定1000Hz纯音在响度N=4sone或声压级L=60dB时的音调度为1tu。1985年，Aures提出的音调度计算模型可用下式表示：tu（4-9）式中W1(Δzi）表示第i个单频成分与临界频带差异的关系；W2(fi)表示第i个单频成分与频率的关系；W3（ΔLi）表示第i个单频成分的声级盈余效应。在HeadAcoustics公司的ArtemiS软件中，音调度的计算模型为：tu(4-10)式中C为根据1000Hz纯音在响度N=4sone或声压级L=60dB时的音调度为1tu确定的归一化常数。指数0.29是根据经验确定的优化值，表示音调度与带宽以及频率的依赖关系。WN示无单频成分的响度NN与有单频成分响度N的关系，定义为：(4-11)4.1.5语言清晰度指数是一个正常的语言信号能为听者听懂的百分数。语言清晰度评价常常采用特定的实验来进行。选择具有正常听力的男女组成特定的试听队，对经过仔细选择的包括意义不连贯的音节(汉语方块字)和单句组成的试听材料进行测试。经过实验测得听者对音节所做出的正确响应与发送的音节总数晰度指数AI(theArticulationIndex)。语言清晰度指数与声音的频率f有关，高频声比低频声的语言清晰度指数要高。其次，还与背景噪声以及对话者之间的距离有关。一般95%的清晰度对语言通话是允许的。在一对一的交谈中，距离通常为1.5m，背景噪声的A计权声级在60dB以下即可保证正常的语言对话。当背景噪声完全盖过说话声音时，说话声音就听不见了，这时的背景噪声定义为上限噪声，用符号UL(f)表示。同样，当背景噪声低到一定的时候，说15话声音就可以完全听清楚，这个背景噪声叫做下限噪声，用LL(f)表示。由此我们可以定义语言清晰度AI并将其归一化：AI=∑W(f)D(f)/30(4-12)式中D(f)定义如下：①当噪声超过上限噪声时，即N(f)>UL(f)，语言清晰度为零，此时D(f)=0；②当噪声在下限噪声和上限噪声之间，即LL(f)<N(f)<UL(f)，说话被噪声掩盖了一部分，这时D(f)=UL(f)-N(f)；③当噪声小于下限噪声时，即N(f)<LL(f)，这时D(f)=30。表4-1每个频率(按1/3倍频程中心频率)的上限噪声值和计权系数频率/Hz上限噪声/dB计权系数频率/Hz上限噪声/dB计权系数2006411250728.525069216007011.5315713.2520006711400734.252500659.5500754.53150639630755.254000607.75800756.55000566.251000747.256300512.5在表4-1中列出了各个频率下的上限噪声值和计权系数W(f)。其中，200Hz以下和6300Hz以上的说话频带不考虑。从表3-1中极易计算得到每个频段的语言清晰度，然后将它们加起来就可得到总的语言清晰度。语言干扰级SIL(theSpeechInterferenceLevel)也是由Beranek提出的，作为对语言清晰度指数AI的简化代用量，它是中心频率600~4800Hz的6个倍频带声压级的算术平均值。后来的研究发现低于600Hz的低频噪声的影响不能忽略，于是对原有的语言干扰级SIL作了修改，提出以500、1000、2000Hz为中心频率的三个倍频带的平均声压级来表示，称为更佳语言干扰级PSIL。更佳语言干扰级PSIL与语言干扰级SIL之间的关系为：PSIL=SIL+3(dB)(4-13)4.1.6在进行声品质评价时，我们关注的是人对声音的总体感觉，需要将一些常用的评价参量进行综合考虑。1984年Aures提出一个感觉舒适度相对值的计算公式，近似地把它看作粗糙度R、尖锐度S、音调度T以及响度N四者相对于各自参考值的相对值，即：（4-14）响度的参考值N0=1sone；粗糙度的参考值R0=1.3asper；尖锐度的参考值S0=9.6acum；音调度的参考值T0=1tu；感觉舒适度的参考值P0为500Hz纯音的感觉舒适度。把频率为1kHz声压级为60dB的纯音的感觉舒适度P当作1时，计算感觉舒适度的绝对值的公式为：（4-15）1992年，Zwicker和Widmann又提出一套步骤来评估心理声学烦恼度，叫做无偏烦恼度UBA，单位是au(annoyanceunit的缩写)。无偏烦恼度的定义如下：排除了声源的影响，在实验室条件下，具有可描述声学环境，评价主体对令其烦恼的声音做出的反映。无偏烦恼度计算模型(UBA)表示如下:UBA=(4-16)式中，N10为时间段上超过10%的响度值；d为一天时间影响的因子(d≈l5dB或2sone)，当考虑夜间影响时，近似表示为；S和F分别表示尖锐度和起伏度。4.2汽车声品质客观评价汽车声品质评价包括客观评价和主观评价两方面的内容。客观评价方法就是把客观参量作为评价依据，最终实现仪器进行自动评价。研究声音信号的客观评价，也可以称为“寻求声音的心理学参数与物理学参数之间的关系”。声品质的客观评价方面的内容十分广泛，涉及到很多方面和领域的内容。目前，声品质的客观评价方法主要有时频分析技术、客观参数回归分析技术和神经网络技术，以及结合物元分析理论和模糊数学理论等进行评价的方法。声品质的客观评价参量的数量一直在增加，且很多参量不具一般性，但它们基于特定的噪声问题，可能与速度、阶次或特定的频段的声级有关。部分学者致力于提出新的声品质客观量，或基于现有的声品质参数提出一个客观的综合评价参数，从而对汽车某方面的声品质给出自己的评价客观值。鉴于本文着重研究汽车声品质主观评价方法，所以对于客观评价不做深入的探讨。4.3汽车声品质主观评价声品质的主观评价本质上是运用实验心理学的方法来研究声音品质问题，由于噪声变化特性的差异以及人们对噪声主观反应的复杂性，使得对噪声品质的评价较为复杂。声品质的主观评价涉及到众多领域的内容，比如实验前的准备工作(包括评价人员的选取与培训、声音样本的预处理等)、实验方法的选择以及实验数据的检验、处理与分析等。4.3.11.听音环境假如是在普通房间而不是消声室内用扬声器进行听音实验，那么房间的声学特性、扬声器的摆放位置、评价主体所处的位置以及周围噪声(如通风采暖设备运转声)等，都可能使评价主体听到的声音有别于真实声音，从而主观评价实验就不能得到满意的结果。多数情况下评价人员是通过耳机监听回放，故评价结果不受房间声学特性或者评价者的位置的影响。但要求背景噪声比较低，以防听音时受环境噪声的影响，评价记录被背景噪声掩蔽。除此之外，为了使评价人员集中注意力进行听音实验，以得到其对评价声音真实的心理感受，听音室的装饰要舒服自然，室内灯光要柔和，装饰材料不能有特殊气味，还要有舒适的座椅和耳机等。2.评价主体声品质评价结果的优劣和评价主体(评价人员)对评价内容和评价方法的理解程度及主体综合表现的稳定性密切相关。因此，主体的选择和培训是主观评价实验结果可靠性和有效性的保证。1)评价主体选择首先，评价主体的经验水平既要能适应当前的评价任务，又要能代表目标客户群。一个有经验的评价者在评价某些声音属性时会比没有经验的评价者表现更好。但事实上，只用有经验的评价者是不够的。因为专家们通常会注意到那些对于普通消费者来说并不重要的因素。其次，评价主体要熟悉所要评价的声音特性，因此不同的评价任务应选择不同类型的评价主体来完成。通常公司员工被作为评价主体的大部分。但当需要评价某些特殊属性时，应当用真正的消费者来进行听音测试。比如，评价音响音色时，选用音乐爱好者就比较理想。最后，评价主体的年龄、性别、职业、文化背景以及经济状况等因素也要考虑。如老年人对车内噪声的心理需求与年轻人就会有明显差别。2)评价主体的数量评价主体的数量取决于是否进行广泛的主体培训以及评价任务的难易程度。简单的评价任务不需要对主体进行培训，短时间内可以有大量的主体参与评价实验。一般说来，评价主体的数量越多越好，但是要消耗大量的时间。通常，公司员工作为评价主体时，主体数量在25~50之间比较合适。表现不佳的评价主体的评价数据将被剔除，剔除人数占参与评价人数的10%。若将消费者作为评价主体，则需要选择75~100名人员参与评价实验。因为，消费者的评价结果比员工的评价结果的可变性更大，表现不佳人员所占的比例更高。复杂的评价实验在实验前要对评价人员进行适当的培训，让评价人员熟悉声音样本和评价任务。通常将参与评价的人数限制在10名以下，甚至少于5名。理论上，主体个数可由测试结果的分布状况及测量所需精度确定。实际上，主体测试结果的分布是很难确定的，受测量时间、评价方法、声特性以及主体的情绪等因素影响。Kuwano曾在1993年对不同评价主体构成对主观评价结果的影响进行过研究。1999年Hempel和Chouard也进行过类似的研究，对选取54名主体的评价结果和选取20名主体的评价结果进行了分析，两者得到的均值和标准偏差几乎一致。他们认为，对于大多数心理声学评价测试，20名主体就已经足够了。3)评价主体的培训对于简单的评价任务，通常只要求评价主体针对所听到的声音做出选择，多数人都比较熟悉且习惯这种方式，所以基本不需要培训。如果待评价的声音是现实生活中经常听到的声音，则不需要对主体进行声音辨识的培训，只要在评价开始阶段通过一个练习让评价主体熟悉声音特性和评价过程即可，这对声音播放的连续性尤为重要。比如在一定比例范围内对声音进行等级打分，当评价者听到一个很好听的声音时，如果不知道接下来还会出现更好听的声音，那么他们很可能会用最高等级来评判刚才的声音。复杂的评价任务就是那些评价主体不熟悉的任务，需要通过培训使评价主体的表现达到要求的水平。根据任务的难度来确定培训的时间，通常要求几周，并且每天3小时或者更多。培训结束时，评价主体的水平基本不再提高。3.样本的预处理首先，要保证声音样本中没有额外的噪声，可以通过CoolEdit等软件对声音进行编辑，去除有外部噪声干扰的那部分声音。其次，要进行等响处理。许多研究表明，响度差异对评价结果的影响很大，其相关性达到90%左右。因此，对声音样本进行响度均等，抛开声音能量大小对评价者的影响，以得到其他声品质参量的正确评价结果。成对比较法中，对声音样本进行等响处理是十分必要的。最后，样本长度的截取。一般地，对于稳态声信号，声音的长度应该在3~5s。对于瞬态声信号，比如汽车关门声，应该记录完整的单个事件。可以通过重复播放，来研究声信号间的细微差别。4.评价参量国外学者对声品质评价参量做了大量细致的研究工作,初步建立了系统的噪声评价词汇体系。而国内的声品质研究起步较晚，基本都是参照国外的一些研究成果开展相应的声品质评价工作，但是经过不断的实验研究发现，如果直接将国外研究中使用的一些声品质参量按照原来的英文翻译成汉语，会出现表达的含义与原文存在较大差异的情况。即使是在文化背景相对接近的德国、法国和意大利，也存在细微的差异。因此我们在进行声品质的评价时，建立汉语语言环境下的噪声声品质评价词汇体系是十分必要也是十分迫切的。国内同济大学的毛东兴等人在对车内噪声的声品质研究中，针对建立某些参量的评价词汇体系进行了具体的研究。在借鉴了国外这方面的研究成果的基础上，根据用于评价实验的噪声样本的声品质特征以及评价任务的特殊性，采用了以下几种方法来确定最终用于评价的词汇。1)问卷调查法对声品质评价术语的调查有以下几个方面的意义：一方面，对于声事件的某些主观特性，初步选取可较好的用于描述声音该类型特性的几个形容词；另一方面，针对汽车噪声，寻找适合于描述车内噪声的评价参量。问卷调查中通常采用形象比喻法，调查中首先给出事先根据各方面研究及汉语语义搜集起来的引导性形容词，同时要求被调查者提供他们认为合适的词汇。2)参量听音法由于我国人群对国外所采用的声品质参量的概念感知上存在较大的差异，因此单纯的采用形象比喻法词汇调查获得的词表和预设的声品质特征可能产生偏离，因此在词汇调查中，通过加入参量听音法调查。参量听音法是采用模拟声品质某一特征的明显变化，让被调查者根据这些变化来决定汉语中反映这些变化的形容词。3)综合听音感知法配合全面描述词的问卷调查，让被调查者做出形容词选择。该方法中所采用的声样本为实际运行条件下采集的噪声信号，每个样本的噪声源、运行条件以及样本长度各不相同，以保证样本中尽可能多地包含所有车内噪声的声品质特征。最后再进行词汇体系的统计分析，将形容词被选择的次数作为统计分析依据，对选择次数较少的形容词加以剔除。研究表明并不是所有的声品质参量都是主要的。因此没有必要对声品质所有的参量都进行大样本的词汇调查，以减少工作量；同时，针对某车型所采集的声样本，也并不一定涉及所有的