變速器敲擊噪聲心理聲學評價研究

郭 棟，代文翔，劉 驕，熊秀文

（車輛工程學院 汽車零部件先進制造技術教育部重點試驗室，重慶 400054）

汽車由多個復雜系統組成，各個系統都會帶來NVH問題，且具有其獨特的NVH特征[1]。變速器作為動力傳動系統的主要部件之一，其NVH問題會在很大程度上影響汽車的NVH性能。其中變速器敲擊噪聲具有聲壓級跳躍和寬帶特征，當前還缺乏全面有效的指標或模型對其進行評價。人耳的聽覺機制十分復雜，使得敲擊噪聲評價具有一定難度。然而基于人耳聽覺感知特性的敲擊評價方法及模型是敲擊噪聲控制的基礎和前提。因此，如何建立考慮人聽覺特性的敲擊噪聲評價模型，就成為了敲擊噪聲控制、優化必須解決的一大關鍵問題。

Bodden等[2]在針對齒輪箱敲擊噪聲的評價時，考慮到齒輪箱敲擊噪聲和發動機的撞擊聲比較接近，提出了“個性化評價”方法，但是其主要運用于車內噪聲評價。西南交大的高思奇[3]對變速器進行了動力學仿真和整車試驗。對變速器敲擊的評價提出了能量波動指標。廖芳[4]利用噪聲相對量辨識方法對變速器敲擊噪聲進行分析，辨識出整車上齒輪敲擊噪聲的發生時刻、頻率范圍和水平。吳光強等[5]基于變速器整車試驗，提出了整車敲擊評價模型。蔡龍生[6]對變速器進行了振動噪聲試驗，得到了一些齒輪敲擊現象的特征，從而能定性的判斷出是否發生了齒輪敲擊現象。

綜上所述，學者們在變速器敲擊噪聲評價上取得了一定成果。然而這些評價方法大多都是針對車內的敲擊噪聲進行評價，目前針對敲擊臺架噪聲評價的研究相對較少。基于此,運用考慮了人耳聽覺感知特性的心理聲學理論，本文在借鑒國內外研究的基礎上，首先進行了變速器敲擊噪聲臺架試驗，采集到了臺架試驗噪聲樣本。運用等級評分法對噪聲樣本進行主觀評價試驗。其次，計算了AI指數、抖動度、隨時間響度、粗糙度、尖銳度、SIL-4、音調度等心理聲學客觀指標和平均聲壓級、A計權聲壓級。利用相關分析闡述了不同心理聲學參數與主觀評價結果的關聯性。最后通過多元回歸分析，建立了變速器臺架試驗敲擊噪聲評價模型。

1 敲擊噪聲主、客觀評價

1.1 噪聲樣本

本次試驗在半消聲室內進行，試驗臺架為AVL公司開發的高動態特性臺架，由一個驅動電機、兩個加載電機構成，其中，驅動電機布置于半消聲室內部，由隔音罩包圍。整個臺架動態性能良好，可以實現輸入轉速波動，并且波動量大小連續可調。臺架構造如圖1所示。

圖1 臺架結構示意圖

試驗對象為在整車試驗中出現了敲擊現象的某型變速器，該變速器搭載四缸發動機，因此在臺架上模擬其2階輸出波動激勵。采用LMS數據采集系統對變速器近場噪聲進行實時采集，3個G.R.A.S麥克風分別布置于距變速器包絡面10 cm處的變速器上方、前方、后方。

試驗工況為各檔位下，輸入轉速分別在600 r/min、800 r/min、1000 r/min、1200 r/min基礎上連續動態波動。其中掛三擋、輸入轉速600 r/min、轉速波動60秒內從0 r/min波動到±80 r/min工況采集到的變速器近場噪聲colormap圖如圖2所示。

圖2 變速器近場噪聲colormap圖

主觀聽音發現在23秒左右可以明顯感受到敲擊噪聲。將得到的敲擊噪聲明顯、其他雜音相對較小的聲音文件進行截斷處理，得到了敲擊程度不同的22組噪聲樣本，每個樣本長度為5秒，用于后續主觀評價試驗和心理聲學參數計算。

1.2 主觀評價試驗

主觀評價是以人為主體，通過問卷調查或評審團評議的形式，并運用試驗心理學來研究噪聲問題的一種評價方式。國際上常用的方法有成對比較法、語義細分法、排序法、等級評分法等[7]。本次主觀評價試驗流程圖如圖3所示。

圖3 主觀評價流程圖

成對比較法簡單易行，且評價是相對的，評價過程中成對的播放聲音樣本供聽音主體做出主觀評價，特別適用于聲音之間有微小差異的情況，但其數據量是隨著樣本數據量的平方增長的。語義細分法是一種多元尺度評價方法，主要是根據評價主體運用意義相反的形容詞對聲音樣本進行登記描述，可以對多個評價指標或多個尺度進行綜合評價。排序法常用于快速、簡單的主觀評價中，但只能得出各個樣本之間的相對好壞，無法對樣本的好壞進行量化[8]。等級評分法是將聲音的某個特性劃分為不同的若干個等級，然后將各個等級以不同的分數形式表現出來，以分數的形式將抽象的印象概念具體化，最后將得到的分數值匯總，計算其算術平均值，將其視為該樣本的聲品質的品質等級。這個方法相對而言比較容易操作，對于評價者而言也相對輕松，但這也要求在聽音試驗進行之前對評價者進行培訓，了解評分的細則，進行一定程度的聽音訓練[9]。另外，等級評分法需要對評價結果進行有效性處理。

通過對幾種主觀評價方法的比較，綜合本次試驗的實際情況，選擇等級評分法對此次試驗獲得的噪聲樣本進行主觀評價，等級劃分采用常用的車輛噪聲評價的10等級評價尺度。研究表明50人組成的評審團和20人組成的評審團評價結果得分均值與標準差幾乎相同[10-11]。因此20名評價者的評價結果就可以滿足統計學要求。本次主觀評價試驗選擇26名評價主體，其中女生7名，男生19名，評價人員包含了NVH工程師、在讀研究生，他們都身體健康、聽力正常。在主觀評價試驗之前，對每個評價者進行噪聲樣本說明與訓練，主要為了讓評價者熟悉噪聲樣本與評分標準。主觀評價打分表如表1所示。

一般來說，如果樣本數小于等于30，則利用斯皮爾曼等級相關統計表對數據進行分析[12]。因此利用斯皮爾曼等級相關系數對主觀評價結果進行檢驗，計算每個評價者的評價結果與其他評價者相關系數的算術平均值，計算結果如表2所示。

由于1、3、15、20、22號評價者與其他評價者的平均相關系數低于0.7，故去除這些結果[13]，對于剩下的主觀評價結果，計算去除一個最高分和一個最低分剩下結果的算術平均值，作為最后的主觀評價結果。斯皮爾曼等級相關系數的表達式為

表1 敲擊噪聲主觀評價打分表

其中：Ri是第i個X值得秩，Si是第i個Y值得秩，、分別是Ri、Si的平均值。

1.3 客觀評價試驗

主觀評價可以直接反映評價主體對聲音樣本的感受，但是評價主體又容易受到外部環境干擾，而且個體之間也存在差異。因此，利用客觀心理參數建立變速器敲擊噪聲評價模型可以很好的避免上述問題，還可以對其進行數值化的評估。常見的心理聲學參數有響度、粗糙度、尖銳度、語音清晰度(AI指數)和音調度等。本文選擇選擇Head ArtemiS9計算語音清晰度、波動度、粗糙度、尖銳度、音調度、平均聲壓級、SIL-4、平均A計權聲壓等客觀心理聲學參數。

通過前面的主觀評價和客觀評價，得出了22個聲音樣本的主觀得分和客觀參數計算結果，最后結果如表3。

2 敲擊噪聲評價模型

組織評價者進行主觀聽音試驗可以對各種噪聲進行直接評判，直觀反映了人們對于某種噪聲的感受，然而主觀評價試驗費時費力，而且由于每個人個體之間的文化、經歷等各方面的差異，使得主觀評價結果存在很大的差異[14]。因此，為了更好地研究變速器敲擊噪聲，有必要分析主觀評價結果和客觀評價之間的相互關系，希望能找到和主觀評價相關性高的一個指標或者多個指標的組合模型。

表2 主觀評價結果平均相關系數

表3 客觀心理聲學參數評價結果

相關分析是根據實際觀測數據，對兩個或兩個以上的變量之間的關系密切程度進行分析的一種統計方法。而回歸分析是確定具有相關關系變量的表達式并進行統計推斷的一種統計方法。他們都是研究和處理變量之間關系的數理統計方法。回歸分析是建立在相關分析基礎之上，對其進行補充，研究變量之間的數學關系式，并進行預測；相關分析是回歸分析的前提，對于相關性低的變量進行回歸分析是沒有意義的[15]。因此，為了建立變速器敲擊噪聲評價模型，本文運用相關分析和回歸分析對主觀評價結果和心理聲學參數的相互關系進行研究。

2.1 相關分析

（1）聲壓級與A計權聲級

齒輪敲擊現象發生后，嚙合非承載齒輪之間來回撞擊，輻射的噪聲使變速器近場聲壓值升高，敲擊噪聲具有聲壓級跳躍現象，有必要研究計權與非計權聲壓級與主觀評價結果的關系。聲壓級與計權聲壓級同主觀評價結果的關聯情況如圖3和圖4所示，經過計算，其相關系數分別為-0.927、-0.850。

（2）AI指數與SIL-4

AI即是語言清晰度[9]，是一個百分比參數，主要是對于語言可辨別程度的描述。語言干擾級定義為中心頻率600 Hz～4 800 Hz的6個頻段聲壓級的算術平均值[13]。語音清晰度指數與語言干擾級同主觀評價結果的關聯情況如圖5和圖6所示，其相關系數分別為0.872、-0.902。

圖3 聲壓級與主觀評價結果相關性圖

圖4 A計權聲級與主觀評價結果相關性

圖5 AI指數與主觀評價結果相關性圖

圖6 SIL-4與主觀評價結果相關性

（3）響度與粗糙度

響度與粗糙度同主觀評價結果的關聯情況如圖7－圖8所示，它們與主觀評價結果的相關系數分別為-0.946、-0.906。

圖7 響度與主觀評價結果相關性圖

（4）波動度、尖銳度與音調度

圖8 粗糙度與主觀評價結果相關性圖

波動度、尖銳度、音調度同主觀評價結果的關聯情況如圖9－圖11所示，它們與主觀評價結果相關系數分別為-0.117、0.767、-0.955。

圖9 波動度與主觀評價結果相關性圖

圖10 尖銳度與主觀評價結果相關性

圖11 音調度與主觀評價結果相關性圖

2.2 回歸分析

相關分析結果顯示聲壓級、語言干擾級、響度、粗糙度、尖銳度與主觀評價結果相關系數都超過了0.9，因此對這些參數與主觀評價結果進行多元回歸分析。

將1－19號聲音樣本作為模型的輸入，20－22號樣本用于對模型進行檢驗，以上述心理聲學參數為輸入變量，主觀評價結果為輸出變量，利用步進方式進行多元線性回歸計算，在計算過程中，如果F檢驗的P值大于0.05將會被自動消除。計算結果輸入如表4所示。

通過表4可以看出，音調度、尖銳度、聲壓級、語言干擾級的顯著水平都大于0.05，表明其概率較小，最終都未能進入模型，所以，根據表格可以得出主觀和客觀多元線性回歸模型為

其中：SR為變速器敲擊噪聲評價模型，N為響度；R為粗糙度。

公式（2）即為通過變速器敲擊臺架試驗采集到的噪聲計算出來的評價模型，根據表4可以看出，模型的相關系數達到了0.967，調整后的線性回歸系數也達到了0.936，模型中參數置信概率也都低于0.05，符合多元回歸檢驗標準。模型的回歸標準化殘差圖如圖12所示。

圖12 主觀評價的標準化殘差圖

表4 多元回歸結果

可以看出并無離群值，符合回歸模型的基本假設，最后利用計算值與實際評價值對模型的進行檢驗，檢驗結果如表5所示。

表5 基于多元線性回歸聲品質預測

預測誤差都在10%以內。所以，多元線性回歸模型（公式2）可以作為變速器敲擊臺架試驗噪聲評價參考模型。

3 結語

通過對某型具有敲擊噪聲的變速器進行敲擊臺架試驗，得到不同程度的敲擊噪聲樣本，對其進行主觀評價與客觀心理聲學參數計算，并通過平均相關系數對主觀評價結果進行檢驗，去掉了幾組相關系數差的數據，然后對主、客觀評價結果進行相關性分析，得到了如下結論：

相關分析可以看出，對于變速器敲擊臺架噪聲，聲壓級、語言干擾級、響度、粗糙度、尖銳度與主觀評價結果相關性都超過了0.9，其中尖銳度與主觀評價結果的關聯度達到了0.955。

運用多元線性回歸分析，建立了變速器臺架試驗敲擊噪聲評價模型，并對模型進行了顯著性檢驗和標準化殘差分析，為變速器敲擊噪聲評價提供了參考。