某大型挖掘機進氣嘯叫聲品質問題的量化評價法

高云凱，楊肇通

(同濟大學 汽車學院，上海 201804)

0 前言

NVH研究的三個層次分別是減振降噪、聲品質控制以及聲音設計，難度依次遞增[1]。舒適性對產品附加值的提升與研究的不斷深入促使業內將研究重心從聲振的預測控制提高到舒適性的評價改善，部分企業還啟動了設計聲音等前瞻性研究。自1985年日本工程師提出聲品質概念[2]以來，評價體系仍以主觀評價為主[1-3]；盡管語義細分的方法[4]與心理聲學指標的數理統計[5-6]極大增強了主觀評價結果的可信度，但其原理始終是基于主觀打分的分析與處理，并非真正意義上的客觀評價方法，無法達到量化評價的效果；而且心理聲學指標難以全面描述各種聲品質問題的特征。量化評價方法的缺失增加溝通成本，應客觀研究的工程問題被矮化為針鋒相對的商務談判，不斷沖擊上下游企業的合作關系。

為準確描述某大型挖掘機在負載升高階段出現“尖叫”的聲品質問題，并提供切實的優化目標，提出聲品質的多元量化評價方法，降低主觀性對評價結果的影響，增加評價的學術內涵，夯實研究基礎。

1 聲品質量化的評價指標

具有相同聲壓級的兩個聲音可能會獲得完全不同的主觀聲品質評價，人耳聽覺物理過程的非線性是主要原因。基于人耳的非線性特性，心理聲學提出臨界帶寬指標，將聽覺頻域劃分為24個頻帶(Bark)，同一帶寬內，人耳的聽覺感知是相同的。

掩蔽效應與延遲效應是人耳特性與聲壓信號最大的區別。針對人耳聽覺特殊的非線性靈敏度、掩蔽與延遲效應等特性，心理聲學提出了多項評價指標，以更好地反映主觀感受。以響度、尖銳度、粗糙度三項指標的最具參考價值[1][5][6]，分別滿足式(1)、式(2)、式(3)。

(1)

(2)

(3)

(4)

提煉相同聲品質問題的時頻特征，結合優化對比改進前后的特征異同，總結出高頻連續、低頻延續、高頻帶寬、能量集中、時頻連續、頻率間隔等指標。參考聽閾等值線掩蔽特性的極小值10 dB，選擇主要聲壓水平向下10 dB為可分辨范圍。以該可分辨區域為基準，在時頻圖上分別繪制聲壓均值與下聽閾兩條等值線。嘯叫問題有兩項時頻指標：①高頻帶寬，指高頻頻域的均值線與下聽閾線的頻率寬度比；②能量集中，指均值線與下聽閾線二者的包絡面積之比。

2 聲品質的多元量化評價方法

首先初步確定聲品質問題指標。除心理聲學指標外，從問題工況與對標工況歸納合適的時頻指標；其次，確定有效指標及其閾值范圍。在繪制聲壓等值線的基礎上，利用統計方法與其它工況信號校核指標的有效性，確定有效指標的閾值；最后，統計量化指標的分布范圍，通過歸一化繪制樣本的雷達圖并結合描繪的閾值區間，以做出判斷。其中確定有效指標及其閾值范圍是聲品質多元量化方法的核心。具體過程如圖1所示。該方法的主觀評價限于爭議很低的存在性問題，隔離了文化背景、教育水平與情緒的影響，降低了主觀性。

圖1 多元量化評價方法流程圖

2.1 時頻特征對嘯叫聲的適用性分析

用鉛覆蓋法簡易處理進氣口，有效改善加速尖叫，并確定該問題對應文獻描述為嘯叫(howling)。嘯叫在結構沖擊、進氣等過程中均有出現；空濾的嘯叫出現在轉速急劇增加的過程[7][8]，用話筒指向擴音器也會引起該問題。圖2為教室麥克風朝向音響的時頻圖，圖3的為某發動機加速產生的嘯叫及其優化。

0圖2的嘯叫出現在1.4 s前后，頻帶約50 Hz，相比周圍聲壓水平嘯叫聲壓明顯較高；圖3顯示嘯叫聲從7 s持續至10 s，帶寬約40 Hz，聲壓水平很高。優化后對應時間窄帶高聲壓的特征在時頻圖中消失。初步選擇響度、尖銳度、粗糙度、高頻帶寬、能量集中為嘯叫聲的量化指標。

圖2 教室內揚聲器嘯叫問題時頻圖[9]

圖3 采用1/4波長管消除嘯叫問題[10]

2.2 嘯叫聲品質量化與評價

在空濾近場附近布置傳聲器，使發動機的轉速快速增加，采集進氣系統的噪聲信號。圖4為問題聲信號的第一次測量，采集3組問題信號后，在進氣系統加裝合適的1/4波長管，采集3組對照信號如圖5所示。

圖4 嘯叫聲品質問題聲壓信號與對應時頻圖

圖5 嘯叫聲品質問題改進后聲壓信號與對應時頻圖

分別并處理獲取各次測量的時頻圖以及響度、尖銳度曲線與粗糙度曲線，繪制時頻圖等值線計算嘯叫聲時頻指標，統計量化評價指標如表1所示。

表1 嘯叫問題組與對照組參數

依次分析對照組與問題組的各項參數。嘯叫消失，響度與尖銳度明顯降低，故嘯叫聲響度與尖銳度較高，閾值區間為201～208 Sone與2.17～2.21 Acum；消除嘯叫高頻帶寬從13%降至8%，能量集中從10%降至2%，對應的閾值區間分別為7.59%～13.33%與2.03%～8.64%。響度、尖銳度、高頻帶寬、能量集中4項指標為嘯叫的量化指標。

3 多元量化評價方法的檢驗與應用

3.1 閾值區間的置信分析

表2 嘯叫聲品質問題指標秩和檢驗

表2為表1的秩和檢驗結果。查表[14]，n=m=3對應的關鍵范圍是[6,13]，故判定響度、尖銳度、高頻帶寬、能量集中4項指標的能夠有效區分嘯叫聲問題。

3.2 多元量化評價方法的應用

控制發動機轉速均勻提升至6檔后加快掛擋速度直至第23檔以復現嘯叫問題并驗證評價方法。圖6為控制工況時域聲壓信號及其對應的時頻圖信號，噪聲的時頻特征在11 s變化明顯，與操作手收到的指示內容一致，轉速變化率在11 s開始增加并達較高水平。

圖6 工況聲壓信號與時頻圖

表3為快速加速時間統計與對應聲品質參數。由于量化分析指標的分布范圍廣泛，各項指標的分布、單位、量級均存在較大差異：三大心理聲學指標的單位各異，頻率間隔、高頻帶寬與能量集中為無量綱參數；響度值與時頻指標的量級差距高達104，故引入歸一化與雷達圖以更清晰地比較量化指標。

表3 快速加速階段聲品質參數

以最小值與最大值為基準，將表1各項指標分別投影至[0.2, 1.0]進行線性插值；反向關聯的指標則反向投影，超出范圍即取超出方向的極值。保留粗糙度統計，增加此方法的適用性。響度的極小值與極大值分別為181.35 Sone與226.49 Sone，分別對應無量綱響度0.2與1.0。經計算，無量綱響度指標如表4所示。

表4 無量綱響度指標轉換過程

采用相同方法處理其他指標，圖7左側雷達圖為換算結果，嘯叫聲可以通過響度、尖銳度、高頻帶寬與能量集中進行區分，指標在閾值區間上限以上，可認定存在對應聲品質問題。

采用相同歸一算法轉換表3的統計結果并與閾值區間比較(圖7b)，主要指標均高于閾值上限，說明存在嘯叫問題，與現場感受一致；該多元量化評價法可以識別嘯叫，該方法流程穩定、結果可復現，評價結論明確且具有說服力。聲品質多元量化評價方法遵循從特殊到一般的數學歸納原理，在心理聲學指標的基礎上，引入同類聲品質問題的時頻圖，提煉共有的特征，基于聲學原理提出計量方法，采用多組聲品質問題優化前后的試驗數據，結合置信驗證各指標的閾值區間，從而能夠用于評價其他測試結果。對照組的數據越多，閾值區間的劃分與評價結論就越明確。

圖7 嘯叫聲品質評價基準及其控制工況驗證

4 結論

針對聲品質評價結果受主觀性影響較大的問題，提出的多元量化的評價方法，能夠提高評價過程的穩定性并獲取明確的評價結果。引入心理聲學與時頻指標評價嘯叫，經秩和分析，響度、尖銳度、高頻帶寬與能量集中四項指標有效。應用控制工況檢驗，該評價方法流程穩定、結論明確、可重復。隨意性較大的商業談判口徑得以轉化為物理意義明確的工程目標，減少溝通成本、提高研發效率，具備學術意義與巨大的商業價值，可進一步擴展評價其它聲品質問題。