車用驅動電機聲學舒適性的評價方法

雷應鋒 ，李傳兵 ，楊明亮 ，邢永虎 ，柳文健 ，吳昱東 ，丁渭平 1，

（1.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶401120；2.長安汽車工程研究院，重慶401120；3.西南交通大學 汽車工程研究所，成都610031）

電動汽車以驅動電機替代（或部分替代）燃油發動機作為動力源，其車內噪聲的主要來源也勢必追溯到驅動電機。較之一般工業用電機，車用驅動電機具有大電流、高磁密、調速范圍寬、工況復雜和采用變頻調速等技術特點，從而使其存在較大噪聲的可能性增加［1-3］。

在車用驅動電機的噪聲組成中，電磁噪聲往往占據主導，一般具有特定的諧次，并主要由單頻或較少頻率成分構成，其主觀感受是一種刺耳的“嘯叫”聲，即使是在聲壓級較低的情況下也會造成車內乘員較為強烈的不適感。因此，對驅動電機的噪聲治理已成為電動汽車研發中必須面對的關鍵問題之一，其目標定位于改善車內聲學環境，使乘員獲得較為滿意的舒適感。而對驅動電機聲學舒適性的科學、正確的評價則是解決問題的基礎和前提。本質上，這種評價當屬聲音品質評價的范疇，評價的主體是人，即意味著需要綜合考慮人體心理反應機制和噪聲感知特性。顯然，沒有任何測試儀器能替代人體自身對聲學舒適性（或不舒適性）的感受與反映。在現階段的研究與實踐中，也往往以“評審團”評分為基礎進行聲音品質的主觀評價［4］，并借助心理聲學的若干客觀指標參數（如響度、尖銳度、粗糙度和抖動度等）實現聲音品質的客觀描述［5］。

事實上，此類評價方法業已成功應用于一些特定領域的聲音品質評價［4－7］，其關鍵在于評價方法的正確建立。一般而言，不同領域所面向的評價對象各有不同，其評價方法也具有各自的特點，因此必須具體問題具體分析，各自進行專門研究。這里即以純電動汽車的驅動電機噪聲為評價對象，立足人體舒適性/不舒適性的主觀感受，研究并確立與其相應的聲學舒適性評價方法。

1 噪聲信號采集與測試樣本生成

選取某型純電動公交客車為對象車型，其長度12 m，座位數33個，采用交流感應驅動電機YCVF250L－4中置后驅。

使用比利時LMS公司SCADAS MOBILE多通道數據采集前端，配用丹麥GRAS公司ICP型聲壓傳感器（頻響范圍 3.15～20 kHz），在車輛 0～30 km/h急加速，并保持30 km/h勻速行駛，最后減速至停車的工況下，同步采集驅動電機前、后兩側各自相距約150 mm處的噪聲信號，時長25 s，如圖1所示。可見前、后兩側信號規律基本一致（前側偏強），總體上由2 000 Hz的倍頻分布主導。其中，在急加速階段出現了明確的電磁噪聲形態；進入勻速階段后電磁噪聲成分大大衰減；此后進入減速階段，在噪聲總體水平降低的趨勢下，低頻成分衰減相對緩慢。

上述噪聲信號的采集位置緊鄰電機本身，而實際作用于人體的只能是傳遞至車內的噪聲信號。噪聲在傳遞中被車體衰減，車內噪聲控制在很大程度上就在于合理設計車體結構及其材質以獲得理想的噪聲衰減能力。假設這種衰減對于各個頻率成分是一致的 （實際情況并非如此簡單），根據人耳對聲壓級的辨識能力分析，這里使用信號處理軟件按照3 dB的級差逐級衰減前、后側噪聲信號的聲壓級，包括原始信號在內，生成一組具有21個信號元素的噪聲樣本序列用于人體主觀感受的聲學舒適性/不舒適性測試，如圖2所示。其中，原始信號的樣本序號為0，樣本聲壓級隨序號的增長而降低。

2 聲學舒適性/不舒適性的主觀感受測試

使用音頻編輯軟件將同一序號下的前、后兩側噪聲信號合成為立體聲，以此來模擬人耳的聽覺感受。為保證“真實地”回放噪聲信號，使用了LMS提供的高保真聲卡和監聽耳機。并為排除外界因素干擾，主觀感受測試在安靜的聽音室內進行。

2.1 主觀感受的表達與量化

主觀感受因人而異，即帶有濃厚的個性化色彩——這正是個性化設計的出發點，體現了NVH（Noise，Vibration&Harshness）技術的獨特魅力。 這里，對主觀感受的正確表達成為首先需要解決的問題。語言是人類表達內心感受的重要工具，文字是記錄語言的符號。對于聲學舒適性與不舒適性也不例外，最直接、最有效的表達方式依然是使用語言文字來表達。為盡量減少語言文字使用中的隨意性、分散性以避免理解上的歧義，在充分調研、論證的基礎上，整理出一系列“描述符”用以增強對主觀感受描述的規范性，如表1所示。

表1 聲學舒適性與不舒適性的主觀感受描述符

另一方面，為能夠實施定量分析，這里采用“百分制”評分方式將聲學舒適性/不舒適性的主觀感受加以量化。并為在不同應試人員的評分之間形成一定可比性，舒適性的 “0分”標準以及不舒適性的“100分”標準均定位于樣本序號為0的原始信號。

2.2 測試過程

應試人員20名，由西南交通大學汽車工程研究所的研究生中選取，年齡在20～30周歲之間，均為男性。測試時，每位應試人員單獨進入聽音室，并規定相互之間不得進行交流。測試過程如下：

（1）向應試人員說明對象車型技術特征及噪聲信號采集過程（結合測試現場錄像）；

（2）（舒適性評價）播放樣本 0，聽音、描述、評分為0；

（3）（舒適性評價）先播放樣本0，再播放樣本N（N=1，2，3，…，20），成對比較聽音，并對樣本 N 進行描述、評分，依次完成全部樣本的處理；

（4）（舒適性評價）必要時，選擇播放樣本N聽音，對其描述與評分結果再做調整；

（5）（不舒適性評價）播放樣本 0，聽音、描述、評分為100；

（6）（不舒適性評價）先播放樣本0，再播放樣本N（N=1，2，3，…，20），成對比較聽音，并對樣本 N 進行描述、評分，依次完成全部樣本的處理；

（7）（不舒適性評價）必要時，選擇播放樣本N聽音，對其描述與評分結果再做調整；

上述過程中的每一步驟均允許反復執行，直至應試人員確認為止。

2.3 測試結果及分析

測試結束后，對每位應試人員的描述、評分結果加以匯總，如表2所示。表中，“評分”為10名應試人員各自評分的算術平均值。“描述”所列出的則是出現頻次排名前3位的描述符，如出現排名不足則以“□”標示不足位——意味著主觀感受相對集中，如至前4位的頻次仍然相同，則以 “…”標示前3位——意味著主觀感受較為分散 （事實上未出現這種情況）。

分別以“不舒適性”、“舒適性”為縱、橫軸建立坐標系，以上述聲學舒適性/不舒適性的評分為坐標值，標出各個噪聲樣本的位置，如圖3所示。總體上，隨著不舒適性的增加，舒適性將會降低。而隨著不舒適性的降低，人體或可感知到舒適性的存在。但必須注意到，較低的不舒適性不一定意味著較高的舒適性，反之亦然。可見，人體主觀感受的聲學舒適性與不舒適性之間既非完全獨立，也非簡單的線性關系，這與Lijian Zhang等人針對人體坐姿舒適性與不舒適性關系的研究結果有著一定的相似但又不完全一致［8］。

表2 聲學舒適性/不舒適性的主觀感受測試結果匯總

3 評價方法的確立

相應于“舒適”的感受，由表2和圖3出發，可提取出舒適性評分較高且不舒適性評分相對較低的噪聲樣本，它們的聲壓級不一定很低，但要求對其主觀感受的描述必須是積極的和非負面的，并要求盡量相對集中。據此要求并為直觀起見，這里以“舒適性評分≥80”且“不舒適性評分＜20”為準則，在圖3中劃定出一個“舒適區”，進而將其“還原”成信號曲線形態列于圖4中。再依據圖2中噪聲樣本分布區域的聲壓級大小以及對其舒適性與不舒適性的主觀感受描述，進一步在圖4中標示出“吵鬧區”。由此，圖4最終即成為一種車用驅動電機聲學舒適性的評價方法。

4 結論

（1）人體主觀感受的聲學舒適性與不舒適性之間既非完全獨立，也非簡單的線性關系。較低的不舒適性不一定意味著較高的舒適性，反之亦然。

（2）基于聲學舒適性與不舒適性之間的相互關系，劃定出與舒適性感受相對應的噪聲樣本集合。以之為依據，進一步確立了車用驅動電機聲學舒適性的評價方法。

（3）更深入的研究有待繼續，涉及驅動電機噪聲信號的聲全息采集與樣本生成、車體對電機噪聲衰減規律的真實模擬、主觀感受描述符的進一步充實與推敲、應試人員的多樣化選擇以及對評分結果的概率分布規律進行研究等。

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