汽車喇叭聲特性試驗分析

張志飛，袁 瓊，徐中明，賀巖松

（1.重慶大學 機械傳動國家重點試驗室，重慶 400030；2.重慶大學 機械工程學院，重慶 400030）

汽車喇叭是汽車安全系統中不可缺少的電器元件之一，其聲音對道路兩旁行人和前后車輛具有一定的提示與警醒的作用，但使用不當或隨意使用就會對環境造成噪聲污染并嚴重影響人們的日常生活，因此人們對喇叭聲音的要求逐漸提高。國外對機動車喇叭聲音性能的研究已經比較成熟，能夠嚴格控制喇叭發聲大小。我國也在積極開展相關研究，針對機動車喇叭聲音性能的標準[1]也正在向世界高水平標準靠攏。為了降低喇叭聲帶來的不良影響，各大汽車廠商、院校和研究所對喇叭聲音的特性及如何提高喇叭聲音特性進行著研究[2-5]，期待開發出在不失去其最基本功能的前提下，具有自己品牌效應的DNA喇叭聲音。因此，對汽車喇叭聲音進行聲特性的試驗分析研究具有重要意義。

目前喇叭聲音主要是結合主客觀評價試驗進行聲品質[6-9]研究，但是主觀評價耗時、費力且效率較低，因此本文從客觀方面對喇叭聲音進行分析。本文參考GB 15742—2006《機動車用喇叭的性能要求及試驗方法》[10]對12輛不同類型家用轎車喇叭聲音進行采樣，分析喇叭聲音的時域、頻譜、時頻特性。采用國家標準對喇叭聲音進行檢驗，并用客觀參量A、B計權聲壓級、雙耳響度、粗糙度、尖銳度對喇叭樣本進行客觀分析，了解汽車喇叭聲音的特性，分析不同喇叭聲音信號的差異，為后續有關喇叭聲音的研究提供指導。

1 試驗方法

本次試驗參考國家標準GB 15742—2006《機動車用喇叭的性能要求及試驗方法》來進行。試驗采用B&K雙耳麥克風4101，采集距離車輛中心縱向平面7 m的正前方和右前方30°的喇叭聲音信號（要求傳感器離地距離為0.5～1.5 m），采用LMS公司生產的16通道便攜式數據采集器。試驗場地為開闊空地，滿足背景噪聲和風噪聲比被測喇叭的聲壓級至少低10 dB、天氣良好、試驗環境溫度為23 ℃±5 ℃。試驗時，除測試人員外，其他人員不得在喇叭和傳感器附近停留，且所有窗戶關閉、輔助裝置停止工作，以免對試驗準確性產生干擾。為了保證試驗數據的有效性，要求試驗人員能夠熟練、正確佩戴雙耳麥克風，能夠控制好按喇叭的力度，因此試驗前對2名雙耳麥克佩戴者和喇叭按動者進行專業培訓，試驗時由他們統一操作。由于人耳可聽見的聲音頻率范圍為20～20 000 Hz，故本次試驗采樣頻率為40 960 Hz，采樣時間為11 s，各車型重復采樣3次。試驗流程及設備如圖1所示。

2 試驗結果分析

目前，對聲學特性的分析主要有主觀評價、客觀評價、主客觀相結合，由于主觀評價需耗費大量時間、人力，效率較低且成本較高、容易出錯，因此本文從客觀等方面對喇叭聲音樣本進行分析處理。

對同一車型的喇叭3個不同聲音樣本，選取滿意的復制到LMS Test.Lab9A的Time Data Selecting界面，通過重復試聽截取發聲效果較好且波形比較飽和，時間長度為1 s的樣本，保存作為后續處理數據。

2.1 喇叭聲音樣本基本分析

圖2為喇叭原始信號與截取信號，通過對樣本時域基本參量分析，得樣本的均值接近于0，表明喇叭發聲穩定。結合樣本時域波形圖和時頻圖（圖3），進一步說明喇叭聲音是一個短時平穩信號，且主要能量集中在中高頻段。

本次試驗車型所用喇叭均為電喇叭，結合樣本頻譜圖，可以看出部分頻譜具有諧波特性，提取每個車型喇叭聲音樣本的峰值頻率，見表1。根據QC/T30—2004《機動車用電喇叭技術條件》[11]，喇叭基頻范圍在240～650 Hz，有單音喇叭、雙音喇叭、三音喇叭。對于雙音喇叭，以低音基頻為基準，基頻比為4∶5或者5∶6，對于三音喇叭基頻比為4∶5∶6，且允許誤差均為6%。結合表1可知本次試驗所用喇叭除11號樣本為單音喇叭外，其余11個樣本為雙音喇叭，其基頻比在0.793～0.861。對各樣本聲壓級頻譜圖分析（圖4），可得頻率在1 800～3 550 Hz頻帶內的聲壓級均大于頻率超過3 550 Hz的每一分量的聲壓級。綜上所述，喇叭基頻、基頻比、頻帶聲壓級均滿足QC/T30—2004喇叭技術條件。

表1 喇叭基頻周期

本次試驗同時采集正前方和右前方30°兩測點的喇叭聲音信號，目的是為了研究喇叭聲音的指向性，因此分別計算兩測點位置左右麥克風的A計權聲壓級，最終結果（表2）取各測點左右參數的算術平均值，分析可得以下結果。

（1）背景噪聲和風噪聲比被測喇叭聲壓級最少低了21.15 dB，滿足開闊場地進行聲學試驗的要求。

（2）根據規定，對于M、N類安裝在車輛前部的喇叭，在距離喇叭2 m處的A計權聲壓級取值范圍為93～112 dB。參考“測量距離增加1倍，聲壓級降低6 dB”的準則，將其轉換到正前方和右前方7 m，大概降低12 dB，結合本次試驗數據，可得12款車型喇叭聲壓都在規定范圍內。

（3）理論上距離聲源相同距離處聲壓級是相等的，因此右前方的聲壓級應小于正前方，背景噪聲充分驗證了理論的正確性。比較不同樣本正前方和右前方30°的聲壓級，得1、3、6、7、8樣本右前方30°的聲壓級大于正前方，說明汽車喇叭指向性不明確，其在給前方車輛和行人發出警醒的同時，也給兩側的居民造成了干擾。

表2 測點位置A計權聲壓級

2.2 心理聲學客觀參數分析

心理聲學參數是描述不同聲音信號主觀感受差異程度的客觀物理量，采用心理聲學參數分析喇叭聲音樣本，能夠定量反映不同樣本之間的聽覺感受差別。心理聲學參數很多，結合國內外研究現狀，并考慮喇叭聲音具有高頻、短時平穩的特點，本文選取了雙耳響度、尖銳度、粗糙度3個主要參數進行分析。需要說明的是各參數的計算都是通過PULSE Sound Quality模塊進行的，其中雙耳響度是針對左右耳的參數，其余參數通過取左右通道的算術平均值完成。表3給出了12個樣本車型正前方3個心理聲學客觀參數（雙耳響度、粗糙度、尖銳度）、A計權聲壓級、B計權聲壓級的計算結果。

比較分析各心理聲學參數在不同測點的值，結果發現，不同測點的客觀參數有差異，部分表現為右前方30°的心理聲學參數值大于正前方，進一步表明喇叭聲音的指向性不明確，分析原因有可能是喇叭在汽車上的安裝位置和喇叭朝向所致。

表3 心理聲學客觀參數

表4 歸一化處理客觀參數

對比分析喇叭聲音心理聲學參數，可以看出，在同一測點，不同車型發出的喇叭聲音差異較大，即便是同一品牌或同等價位的車，喇叭聲音也各具特點。為了研究這些樣本之間的聯系與差異，對心理聲學客觀參數做相關性分析和差異性分析，尋找樣本之間的異同。由于表3的參數具有不同的量綱，且變化范圍與量度范圍各不相同，不便于參數間的分析、比較。因此本文采用數據無量綱歸一化處理，去除單位限制，將其轉換為無量綱純數，且各指標都處于同一數量級，對不同單位、不同變化范圍的各指標進行綜合比較、分析。本文所用歸一化處理通過各參量相對于其最大值的比例來實現標準化處理，結果見表4。

分析A計權聲壓級、B計權聲壓級、雙耳響度、粗糙度、尖銳度的相關性，得出以下結論：雙耳響度與A計權聲壓級、B計權聲壓級的相關系數分別為0.905、0.864，說明A計權聲壓級較B計權聲壓級更能反映人耳對噪聲響度的頻率響應；尖銳度、粗糙度與雙耳響度之間存在較高的相關性，充分證明了兩者之間的聯系，即尖銳度、粗糙度都是以響度為基礎的計算參量。

為了研究不同喇叭聲音特點受哪些參數影響較大，運用統計學中使用較多的多變量差異比較法，對各參數做直觀清晰的分析，得到的結果如圖5所示。分析可知，響度、粗糙度、尖銳度3個心理聲學客觀參數差異較A、B計權聲壓級明顯，且粗糙度、尖銳度的影響最大，說明喇叭產生不同聲特性主要受粗糙度、尖銳度影響，其次為雙耳響度。

3 結論

（1）通過對12款不同類型家用轎車喇叭聲音信號的分析，得出喇叭聲音是處于中高頻帶的短時、平穩信號。目前車用電喇叭多是雙音喇叭，其指向性不明確，在給前方車輛和行人發出警醒的同時，也給道路兩旁居民造成干擾。

（2）分析雙耳響度、粗糙度、尖銳度、A計權聲壓級、B計權聲壓級之間的相關性，得出A計權聲壓級與各參數的相關性高于B計權聲壓級，說明A計權聲壓級更能反映人耳對噪聲響度的頻率響應。同時，喇叭聲特性受粗糙度與尖銳的影響大于雙耳響度。

References)

[1]GB/T 14259—1993.聲學關于空氣噪聲的測量及其對人影響的評價的標準的指南[S].北京：中國標準出版社，1993.GB/T 14259—1993.Acoustic About Air Noise Measurement and Evaluation of the Impact of People's Standard Guidelines[S].Beijing：China Standards Press，1993.(in Chinese)

[2]黃麗雯，郭小渝.摩托車電喇叭聲音性能分析方法研究[J].機電工程，2009，26(2)：85-87.Huang Liwen，Guo Xiaoyu.Analysis of Motorcycle Electric Horn Sound Performance[J].Journal of Mechanical & Electrical Engineering，2009，26(2)：85-87.(in Chinese)

[3]任文堂，莊文雄，金紀民.機動車輛喇叭噪聲的研究[J].環境科學，1978(4)：52-55.Ren Wentang，Zhuang Wenxiong，Jin Jiming.The Noise Research of Motor Vehicle[J].Environmental Sciences，1978(4)：52-55.(in Chinese)

[4]LEMAITRE G.Model and Estimation Method for Predicting the Sound Radiated by a Horn Loudspeaker with Application to a Car Horn[J].Applied Acoustics，2008(69)：47-59.

[5]LEMAITRE G.The Sound Quality of Car Horns：Designing New Representative Sounds [J].Acta Acustica United with Acoustica，2009(95)：356-372.

[6]徐中明，張芳，賀巖松.基于主觀試驗的汽車喇叭聲特性分析[J].汽車工程學報，2012，2(7)：249-255.Xu Zhongming，Zhang Fang，He Yansong.Analysis of Sound Quality of Car Horn Based on Subjective Tests[J].Chinese Journal of Automotive Engineering，2012，2(7)：249-255.(in Chinese)

[7]徐中明，張芳，周小林.汽車喇叭聲品質主觀評價與分析[J].汽車工程，2013，35(2)：188-192.Xu Zhongming，Zhang Fang，Zhou Xiaolin.An Analysis on the Sound Quality of Car Horns[J].Automotive Engineering，2013，35(2)：188-192.(in Chinese)

[8]LEMAITRE G，SUSINI P，WINSBERG S，et al. The Sound Quality of Car Horns：A Psychoacoustical Study of Timbre[J].Acta Acustica United with Acustica，2009(93)：447-468.

[9]王登峰，劉宗魏，梁杰，等.車內噪聲品質的主觀評價試驗與客觀量化描述[J].吉林大學學報(工程技術版)，2006，36(S2)：41-45.Wang Dengfeng，Liu Zongwei，Liang Jie，et al.Subjective Evaluation Test and Objective Quantificational Description of Vehicle Interior Noise Quality[J].Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition)，2006，36(S2)：41-45.(in Chinese)

[10]GB 15742—2006.機動車用喇叭的性能要求及試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2006.GB 15742—2006.Performance Requirements and Test Methods of Horn for Motor Vehicles[S].Beijing：China Standards Press，2006.(in Chinese)

[11]QC/T 30—2004.機動車用電喇叭技術條件[S].北京：中國標準出版社，2004.QC/T 30—2004.Technical Specification of Electric Horn for Motor Vehicle[S].Beijing：China Standards Press，2004.(in Chinese)