基于音噪比的空調室內機音調評價

馮錦平

（廣東美的制冷設備有限公司廣東佛山 528311）

基于音噪比的空調室內機音調評價

馮錦平

（廣東美的制冷設備有限公司廣東佛山 528311）

為了合理的評價室內機噪聲中的音調聲的可接受度，采取主觀評價的方法，確定室內機噪聲中混入的單頻音的不可接受聲壓幅值，計算對應的音噪比，并擬合了音噪比的閾值公式，當音調的音噪比大于閾值時，室內機音調不可接受，反之可接受，采用音噪比閾值判斷方法比OA差判斷方法準確，比現場主觀評價更加客觀、便捷。

空調; 噪聲; 音調; 音噪比

1、前言

空調室內機存在異音時，會很明顯的影響聲音聽感。室內機異音一般均表現為音調成分，包括單頻異音，比如風輪的嘯叫、冷媒脈動的傳遞音、室外機的管路振動傳遞音、電機的電源頻率倍頻激勵聲、電機的轉頻倍頻激勵聲；偶爾也包括一些窄帶噪聲：冷媒沖刷管路的激勵聲，調制的風輪嘯叫噪聲等。這些音調均需要被檢出，并判斷是否可以接受。

當前音調聲評價通常采取兩種方式，第一種是現場主觀評價；第二種是客觀計算OA差。主觀評價耗費評價人員大量的時間和精力，且不易量化。OA差指噪聲的A計權總聲壓級和A計權FFT頻譜中最大峰值的差值，如果差值小于等于10dBA，則判斷存在音調聲，如果差值大于10dBA則判斷無異音。OA差的判斷方法具有很大的局限性，沒有考慮音調所在頻率段的噪聲對其掩蔽效應，對于稍高頻段比如2000Hz以上的音調聲一般無法檢出。

針對以上問題，ANSI S1.13-2005[1]空氣中聲壓級測量標準中的附錄A提供了參考思路。在此標準中，音調成分被置于所在臨界頻帶或者臨近臨界頻帶中進行評價，與全頻段噪聲值無關。當噪聲中音調成分的評價指標超過標準限值時，則判斷該音調是顯著可聽見的。但是一般而言，當音調的評價結論為顯著時，音調聽感已經過于突出，遠遠超出了產品的品質限定要求。所以，該標準的顯著指標不能直接應用于評價室內機音調。以噪聲掩蔽效應[2]為基礎理論，計算了全頻段范圍內的純音和噪聲對特定頻率聲音的掩蔽閾值，最終根據頻譜峰值和掩蔽閾的差值定義了煩惱度指數，但是未能說明用戶不可接受的煩惱度指數是多少。

本文通過在空調室內機的噪聲信號中添加純音信號，并且不斷調整純音信號幅值，采用多人主觀判斷的方式，確定純音信號不可接受的幅值，計算不可接受時的音噪比，以此作為音調判斷閾值，并擬合了閾值公式。

2、音噪比介紹

音噪比用于描述噪聲中音調聽感的突出程度。以音調頻率為中心的臨界頻帶內的噪聲會對音調產生掩蔽效應，而臨界頻帶以外的噪聲對該音調的掩蔽效應較小，一般可以忽略。音調聲壓級與對應臨界頻帶的掩蔽噪聲的聲壓級差值越大，則音調聽感會越明顯。ANSI S1.13-2005中音噪比計算稱為tone-to-noise ratio方法，適用的音調頻率范圍為89.1Hz到11220Hz。

以f0為中心頻率的臨界頻帶帶寬計算公式如下：

當f0≤500Hz時，臨界頻帶的下限、上限頻率分別為f1和f2，計算公式如下：當f0＞500Hz時，

Tone-to-noise ratio根據FFT線性聲壓級頻譜計算音調聲壓級與對應臨界頻帶(中心頻率為音調頻率)掩蔽噪聲聲壓級的差值，得到音噪比指標：

對應臨界頻帶內的掩蔽噪聲總聲壓級可見公式(8)。

其中：

單一音調頻率對應的掩蔽噪聲總聲壓級的簡化公式可見公式（9）。

從上公式可知：

采用標準中的顯著閾值評價室內機音調是否可接受是不合理的。假設以1000Hz為中心頻率的臨界頻帶范圍的總噪聲值為32dB，音調按標準定義為顯著是，音調聲壓級與掩蔽噪聲聲壓級之差為8dB。根據噪聲能量疊加原理，計算得出音調噪聲聲壓級為31.37dB，掩蔽噪聲聲壓級為23.37dB，可知整個臨界頻帶噪聲以音調噪聲為主，音調成分已經十分明顯。如果以此作為檢測空調內機異音的標準，當檢出存在顯著音調成分時，異音已相當突出，早已突破了品質要求的紅線。所以，研究空調內機音調的可接受聽感閾值必不可少。

3、音調閾值擬合

以室內機掛機噪聲為研究對象，研究結果僅應用于掛壁室內機音調聲的評價。

音調聽感可接受閾值采用主觀評價方式確定，具體步驟如下：

第一步、錄音。在半消聲室內采用HEAD人工頭記錄掛機噪聲，可實現模擬人頭的高保真錄音。

第二步、采用ArtemiS軟件對聲音進行合成處理。選擇一個頻率點，在無異音的室內機噪聲中疊加純音成分并生成聲音文件。

第三步、主觀聽音評價。在安靜的聽音室內采用高保真的回放系統重現合成后的聲音，采取多人主觀評價的方式，判斷是否存在音調成分，以及判斷音調聲是否可以接受。

第四步、如果主觀評價音調聲可接受，則增加純音的聲壓級幅值2dB，重復第二步，第三步，直至主觀評價確認音調聽感不可接受為止，計算音調的音噪比，以此為音調評價閾值。

以確定1000Hz音調聲可接受閾值為例，演示計算過程。圖2所示為掛機內機的添加1000Hz音調后的噪聲頻譜，頻率分辨率1.5Hz。不斷的增大1000Hz音調幅值，當音調峰值增加到17dB時，主觀評價不可接受，計算得到音噪比-2.0dB。

在室內機的噪聲中，通常由電機激勵，管路振動激勵，冷媒激勵，風道氣流激勵的音調噪聲通常不會超過4000Hz，所以重點研究頻率在4000Hz以下的音調聲的評價閾值。在表1中所列頻率處增加音調成分，逐個主觀評價判斷在某一頻率處音調的不可接受閾值，計算音調剛好不可接受時的音噪比，得到表1的結果。計算音噪比之前，必須首先判斷音調幅值是否大于絕對聽閾值，如果小于絕對聽閾值，則音調不可被聽見[2]。

以頻率為自變量，音噪比為因變量進行數據擬合，得到對數擬合結果，如圖2。

擬合公式為：

89.1Hz≤f≤4000Hz

擬合結果的校正決定系數R2為：0.914。

4、評價效果驗證

通過以下兩個例子，可以說明采用音噪比閾值評價音調的方法優于OA差評價方法。

圖1 （a）含2000Hz音調的室內機頻譜圖

圖1 （b）含2000Hz音調的局部頻譜圖

表1 室內機音噪比不可接受閾值表

圖2 閾值擬合圖

圖3 室內機異音頻譜圖

圖4 含調制聲的室內機異音頻譜圖

圖3中為某室內機異音頻譜，音調峰值為16dBA，總噪聲值為36.8dBA，OA差值為20.8dBA，OA差大于10dBA，按照OA差判斷標準為合格。但是按照音噪比評價方法，以2000Hz為中心頻率的臨界頻帶總噪聲為24.2dB，音調窄帶噪聲20.1dB，計算得到掩蔽噪聲為22.4dB，音噪比為-2.3dB；根據音噪比閾值擬合公式計算2000Hz的閾值為-4.5dB，實際音噪比大于閾值，判斷存在異音。

圖4為某室內機風輪嘯叫調制聲異音頻譜。采用OA差判斷異音，總值為43.9dBA，FFT最大峰值為27.0dBA，OA差為兩者差值16.9dBA，遠大于10dBA，判斷結果為無異音。采用多音調的音噪比算法，主音調頻率為1314Hz，總噪聲聲壓級為35.7dB，音調總聲壓級為34.1dB，掩蔽噪聲聲壓級為31.05dB，音噪比為2.95dB；根據音噪比閾值擬合公式計算1314Hz的閾值為-3.2dB，實際音噪比大于閾值，存在異音。

5、小結

本文在室內機噪聲中疊加純音合成異常室內機噪聲，通過主觀評價試驗，確定不同頻率純音的不可接受的聲壓閾值，將對應的音噪比設為音調聲的判斷閾值，并擬合了判斷公式，已應用于掛機室內機的音調檢測。下一步還需要研究更多的方法檢測其它種類的異音，比如窄帶異音，頻帶異音，其它異響等。

[1] ANSI S1.13-2005 Measurement of Sound Pressure Levels In Air[S]

[2]蔣偉康,孫偉.基于掩蔽特性的噪聲品質評估研究[J],聲學學報,2005,30(2):184-188.

Evaluation of Tone in Airconditioner Indoor Unit Based on Tone-to-noise Ratio

FENG Jinping
(Guangdong Media General Refrigeration Equipment Co.Ltd , Foshan 528311)

In order to reasonably evaluate the tone in indoor unit noise, a pure tone is implanted in indoor unit noise,and the sound pressure amplitude of tone is gradually increased, when subjective judgment result is unacceptable, then tone-to-noise ratio is calculated, and the value of tone-to-noise ratio is defined as the threshold, finally a formula of threshold is fitted, when the value of tone-to-noise ratio is greater than the value of threshold, the tone is unacceptable, otherwise is acceptable. It’s more accurate to use tone-to-noise ratio method than use OA difference method, and is more objective and convenient than site subjective evaluation.

Airconditioner; Noise; Tone; Tone-to-noise ratio