冰箱壓縮機聲品質研究

王松 靳海水 鄧志強 吳小凌 陳會平 吳肖斌

1.廣州萬寶集團壓縮機有限公司 廣東廣州 510470；2.上海樸渡信息科技有限公司 上海 201203

1 引言

隨著人民生活水平的提高，消費者對家電聲品質要求越來越高。電冰箱或冰柜都放置在室內，當夜深人靜的時候，房間內環境噪聲很低，冰箱的噪聲則被凸顯。壓縮機作為冰箱的主要噪聲源之一，對冰箱的聲品質起著重要作用。因此研究壓縮機聲品質就顯得非常重要。

目前大多數壓縮機制造商監控聲品質的方法是依賴有經驗的噪聲工程師的聽覺系統，并進行主觀評價，此方法的缺點是難以將聽感和改進方向掛鉤，且效率較低。因此本文嘗試分析主觀聽感和噪聲產生的物理過程的內在聯系，將聽感和客觀聲品質聯系起來，以期通過客觀聲品質指標來反映主觀聽感，改善聲品質測評效率。

2 家電產品聲品質研究現狀

文獻[1]對冰箱的聲品質進行了研究。當前的聲品質測評以主觀測評為主。主觀測評雖然可以直接反應用戶對聲信號的實際心理感受，但在冰箱的日常分析研究中有較大局限性。故對聲品質的客觀測評一直是研究的重點方向。目前得到認可的聲品質主要客觀指標有響度、尖銳度、粗糙度、抖動度、調制性等。其中，響度計算模型得到廣泛認可，并已制訂ISO標準的聲品質參量。響度是指人耳感受到的聲音強度，即聲音的響亮程度。響度是對聲品質影響最大的參數。在多數情況下，對響度的測評分析可解釋80%以上的聲品質差異，測試表明相比傳統的A聲壓級，冰箱噪聲的響度更適合測評。

隨著對冰箱聲品質研究的深入，我們發現響度以外的其他聲品質指標和主觀聽感有更好的相關性，比如本文中的波動度，因此有必要對其他聲品質指標也做深入研究。

關于家電產品的聲品質研究目前還沒有相關的標準[2]，許多制造商還處于摸索階段。汽車聲品質研究時間較早[3]，在很多方面已經有相對成熟的經驗可供借鑒。然而，產品的聲品質是非常個性化的指標，很難將一類產品的方法照搬到另一類產品，對每類產品的聲品質都應有專門研究。對聲品質的研究應用的最終目的還是通過改進設計、材料或工藝來提升聲品質，因此必須將聲品質和結構以及聲音產生的物理過程建立起關系，在這點上就要求聲學工程師對特定產品的噪聲產生的激勵有深入認識，不能簡單照搬其他行業的經驗。

為了方便后續分析，現將常用的聲品質指標介紹如下[3]：

響度（Loudness）：人對聲音強弱的主觀感覺用響度來描述，響度的大小代表了聲音的響亮程度。

粗糙度（Roughness）：描述聲音信號快速調制帶給人的聽覺感受，粗糙度的調制頻率范圍從20 Hz～300 Hz，單位為asper。

尖銳度（Sharpness）：描述衡量聲音中高頻成分的心理學指標，可以理解為高頻成分與總噪聲的比值，其單位是為acum。

語音清晰度（Articulation index）：主要應用于噪聲環境下說話的清晰程度。

3 冰箱壓縮機噪聲特點和主觀評價維度選擇

我們選擇某款量產的壓縮機作為研究對象。在半消聲室內測試壓縮機單機噪聲和冰箱噪聲，測試場景見圖1，壓縮機噪聲的典型頻譜如圖2。可以看到單體噪聲，從頻段上看100 Hz、160 Hz、630 Hz、1600 Hz處的噪聲峰值較高。通常情況下聽感和這些峰值有關系。圖3顯示了200 Hz內的噪聲線譜，從中可以看出在100 Hz附近有兩個相近的峰值，這通常會引起拍頻聲，影響聽感。

圖1 噪聲測試場景

圖2 標準工況下1 m處的單體噪聲1/3倍頻

圖3 壓縮機低頻噪聲頻譜

根據客戶的反饋以及我們的經驗，對本系列壓縮機最關心的異常音有兩個，我們稱之為“嗡嗡聲”和“尖銳聲”。為此進行了主觀聲品質測試，測試條件是將壓縮機裝在冰箱上，由10個參與主觀評價的工程師對測到的聲音進行打分，評價壓縮機的聲音。為了數據的完整性，同時也對聲音總評價進行打分。多臺樣機統計數據表明，客戶聽到的“嗡嗡聲”和“尖銳聲”并不能和圖2的尖峰值簡單對應，因此期望通過引進聲品質客觀指標來對應這種關系。

對壓縮機而言，由于冰箱啟動和正常運行時聲音有很大的差異，因此兩種情況下的聲品質都要考慮，同時還要考慮冰箱工況：冷凍和冷藏，綜合起來設計的主觀評分表如表1所示。

看完信，阿強覺得好笑，以為是誰的惡作劇，但也沒有掉以輕心，出門進門都小心翼翼。三天過去了，家里一樣東西也沒有少，阿強逐漸放松了警惕。第四天，阿強在家休息，忽然聽到一個女子的驚叫聲從門外傳來：“來人呀，快抓流氓呀！”

對同一機型的12臺樣機進行了打分，參見表2。

4 主觀和客觀指標之間關系的建立

建立主觀和客觀評價指標關系的目的是通過客觀指標預測主觀感覺，快速測評聲品質，為改善聲品質提出方向。

表1 主觀評價記錄表

表2 主觀評價和客觀評價

將主觀評價指標尖銳聲、嗡嗡聲和總體評價分別用J、W和Z表示，將聲品質指標響度（Loudness），尖銳度（Sharpness），波動度（Fluctuation Strength），粗糙度（Roughness），語音清晰度（Articulation index）分別用l、f、s、r、a表示，則主觀和客觀指標之間關系就是求取兩個函數關系：

本案中，主要關心尖銳聲、嗡嗡聲，而經過篩選粗糙度和語音清晰度與上述兩個主觀感覺關系不大，限于文章篇幅，這里只討論響度、銳度、波動度和尖銳聲、嗡嗡聲的關系。上述函數關系變為如下兩個：

4.1 嗡嗡聲和客觀評價參數的相關性分析

將公式（5）用三元多項式表示：

其中n為多項式的階數。

采用最小二乘法，分別對1階和2階的情況進行擬合：

當n=1時，相關系數為0.822，表達式為：

當n=2時，相關系數為0.946，表達式為：

用最小二乘法進行多項式擬合嗡嗡聲和客觀評價的相關性時，發現采用二階多項式來擬合相關系數為0.946，已達到精度的要求。

為進一步研究嗡嗡聲與響度、尖銳度、波動度的關系，將式（8）中，取n=2，分別考慮一個、兩個和三個客觀因素時，擬合結果如表3。

表3 嗡嗡聲非線性擬合的相關系數

由表3可以看出，用響度、尖銳度和波動度組合來擬合嗡嗡聲是效果最好的，相關系數達到0.946。從單因素的對比可見，波動度對嗡嗡聲的影響最大，相關系數達到0.794，明顯高于響度和尖銳的單因素影響。

4.2 尖銳聲和客觀評價參數的相關性分析

同4.1節，采用最小二乘法，分別對1階和2階的情況進行擬合：

當n=1時，相關系數為0.561，表達式為：

當n=2時，相關系數為0.610，表達式為：

考慮一個、兩個和三個客觀因素的影響，采用2階多項式進行擬合，得到表4。

表4 尖銳聲非性擬合的相關系數

由表4可以看出，用響度、尖銳度和波動度組合來擬合尖銳聲是效果最好的，但是相關系數仍然比較低，只有0.610。

經過分析，導致相關性差的原因可能來自于以下幾個：

（1）主觀評價時參與測試的工程師對尖銳聲的評價相差較大，有參與測試的工程師對該聲音不敏感，該項評分方法需要改進。

（2）數據樣本不夠，需要逐步積累數據。

（3）需要應用更多的聲品質客觀指標來擬合，比如增加純音度指標。

5 結論

通過分析主觀聽感和噪聲產生的物理過程的內在聯系，將聽感和客觀聲品質聯系起來，得到了以下結論：

（1）根據冰箱壓縮機的特點制定了主觀噪聲評價方法；

（2）通過多項式擬合的方法建立了主觀聽感和客觀聲品質參數的關系；

（3）針對主觀和客觀指標相關性不好的情況，提出了改進方向。