汽車關(guān)門聲品質(zhì)多維度評價方法研究

張紅川，周向陽，李博學(xué)，羅萌萌

1.長城汽車股份有限公司，河北保定 071000;2.河北省汽車技術(shù)創(chuàng)新中心，河北保定 071000

0 引言

汽車聲品質(zhì)是NVH研究的重要組成部分，已廣泛引起聲學(xué)工程師的注意，國內(nèi)外知名車企已將其列為汽車設(shè)計的一項重要內(nèi)容。關(guān)門聲品質(zhì)作為顧客對汽車了解的第一印象，能夠向顧客傳遞一系列復(fù)雜的如安全、舒適、豪華和可靠等信息，從而直接影響其對汽車檔次的初步定位。因此，關(guān)門聲品質(zhì)具有重大的研究意義，國內(nèi)外眾多車企已投入大量人力物力研發(fā)關(guān)門聲品質(zhì)。李凱等分析關(guān)門聲產(chǎn)生的機制，對所采集振動噪聲數(shù)據(jù)分析得出關(guān)門聲品質(zhì)的噪聲是由門鎖芯相互撞擊、密封條的拍擊和空腔共振產(chǎn)生的。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，鎖扣設(shè)計和密封條設(shè)計是影響關(guān)門聲品質(zhì)的關(guān)鍵部件。Hoechstetter等研究發(fā)現(xiàn)尖銳度持續(xù)時間與沖擊聲音品質(zhì)強相關(guān)。

目前汽車關(guān)門聲品質(zhì)評價方法有兩種：主觀評價和客觀評價。主觀評價通過以往研究成果以及市場用戶需求調(diào)研，來獲取描述目標(biāo)聲音主觀感知特性的相關(guān)指標(biāo);常用的客觀評價指標(biāo)有聲壓級、響度、尖銳度和小波頻譜分析等，其中響度和尖銳度是用以反映人對聲音感知的心理聲學(xué)參數(shù)。文中從多維度對關(guān)門聲品質(zhì)評價方法進行研究，并對主觀評價與客觀評價指標(biāo)進行相關(guān)性分析。

1 汽車關(guān)門聲品質(zhì)主觀評價

1.1 維度識別

目前，汽車關(guān)門聲品質(zhì)主觀評價研究成果顯示，主觀評價術(shù)語有昂貴的、有力的、鳴鈴聲、二次沖擊聲、咔嗒聲、音響渾厚度、轟鳴感、金屬感和關(guān)門舒適感等。基于現(xiàn)有研究成果，并結(jié)合市場用戶需求調(diào)研結(jié)果，最終確定汽車關(guān)門聲品質(zhì)主觀評價維度為響亮度、厚重感、金屬感、精致感、緊湊感和關(guān)門舒適感。其中，響亮度指主觀上感受到的關(guān)門瞬間聲音的大小，厚重感指低頻能量強弱及持續(xù)時間，金屬感指高頻金屬音，精致感指中高頻音色與低頻音色的調(diào)和關(guān)系，緊湊感指關(guān)門完成首次撞擊后無其他多余尾音，關(guān)門舒適感指關(guān)閉車門時用力大小及舒適程度。

1.2 主觀評價

由NVH專家團隊20人組成評價小組(其中男16人女4人，年齡集中在25～40歲，從事NVH工作3～15年)，選取不同品牌不同價位SUV樣車10輛，采用10分制評分規(guī)則，從響亮度、厚重感、金屬感、精致感、緊湊感和關(guān)門舒適感6個維度進行評價。采用SPSS 22.0軟件，對評價人員之間的Spearman系數(shù)進行計算，并對各評價者與其他所有評價者的相關(guān)系數(shù)取算術(shù)平均值，詳見表1。

表1 各評價者與其他所有評價者之間的平均相關(guān)系數(shù)

從統(tǒng)計學(xué)意義上，一般認(rèn)為各評價者與其他所有評價者的相關(guān)系數(shù)的平均值低于0.7就意味著線性相關(guān)程度較弱，為了提高線性相關(guān)程度，剔除表1中平均相關(guān)系數(shù)低于0.8的人員。對于響亮度的評價，剔除評價人員F、N；對于厚重感的評價，剔除評價人員F、H；對于金屬感評價，剔除評價人員K、N和R；對于精致感的評價，剔除評價人員B、L、P和S；對于緊湊感的評價，剔除評價人員G；對于關(guān)門舒適感的評價剔除評價人員K。

經(jīng)上述相關(guān)性檢驗后，響亮度保留了18個人的評價結(jié)果，厚重感保留了18個人的評價結(jié)果，金屬感保留17個人的評價結(jié)果，精致感保留了16個人的評價結(jié)果，緊湊感保留了19個人的評價結(jié)果，關(guān)門舒適感保留了19個人的評價結(jié)果。將保留的評價結(jié)果進行算術(shù)平均，得到10輛樣車6個維度的評價結(jié)果，如圖1所示。

圖1 10輛車6個維度的評價結(jié)果

2 汽車關(guān)門聲品質(zhì)客觀評價

2.1 客觀評價指標(biāo)

2.1.1 聲壓級和響度

聲壓級和響度是反映人耳對聲音強弱感受的客觀參數(shù)，其中響度考慮人耳對聲音頻譜的掩蔽效應(yīng)，屬于心理聲學(xué)參數(shù)。

聲壓級計算公式為：

(1)

式中:為聲壓級；

為實際聲壓；

為基準(zhǔn)聲壓。

響度計算公式為：

(2)

(3)

式中：為安靜狀況下聽閾對應(yīng)的激勵;

為參考聲強對應(yīng)的激勵;

為被計算聲音對應(yīng)的激勵。

2.1.2 尖銳度

尖銳度是描述高頻段聲音成分在總體聲音中所占比例的物理量，對聲音的舒適度影響較大，反映了聲音信號的刺耳程度，屬于心理聲學(xué)參數(shù)。

尖銳度計算公式為：

(4)

式中：為加權(quán)系數(shù)，=011；

′()為Aures加權(quán)函數(shù)，′()=e0171；

為心理聲學(xué)的臨界頻帶尺度(Bark)。

2.1.3 小波頻譜

小波頻譜分析如圖2所示。從時間軸上看，可以看到聲音衰減的特征，如碰撞次數(shù)、碰撞強度、震顫等，一般要求低頻成分持續(xù)時間0.5 s左右，高頻成分衰減快、能量盡可能小且一次撞擊完后無多余噪聲;從頻率軸上看，可以看到各個頻率下聲音的強弱，以及它們與各個模態(tài)特征之間的聯(lián)系。一般來說車門結(jié)構(gòu)主要貢獻30～50 Hz低頻成分；車身板輻射聲主要貢獻成分50～200 Hz；車門和B/C柱的碰撞是密封條與鈑金之間的碰撞，以及車門與防撞塊之間的碰撞，主要貢獻中低頻成分；門鎖碰撞主要貢獻高頻成分。

圖2 小波頻譜分析

2.1.4 特征響度曲線

響度是隨著臨界頻帶變化的，這種變化的特征曲線就是特征響度。特征響度曲線能體現(xiàn)聲音能量在頻率上的分布，并將其量化，有助于判定關(guān)門聲類型。不同車型關(guān)門聲品質(zhì)數(shù)據(jù)可以通過特征響度曲線直接進行對比，特征響度曲線一致性較好的車型，其主觀評價也相似。特征響度曲線如圖3所示。

圖3 特征響度曲線

2.1.5 尖銳度曲線

關(guān)門聲尖銳度曲線如圖4所示。關(guān)門瞬間時，尖銳度上升至峰值；關(guān)門聲在減小過程中，由于高頻成分衰減快，低頻成分衰減慢，尖銳度逐步降低，隨著關(guān)門聲進一步降低，尖銳度又逐步上升。尖銳度峰值越大，關(guān)門聲高頻占比越高，鎖聲也越明顯；以尖銳度峰值開始，如果尖銳度隨時間衰減的曲線上谷值越多，一般關(guān)門聲聽起來越松散；尖銳度峰值與谷值時間間隔0.3 s左右，尖銳度峰值在2～2.5 acum、谷值在0.5 acum左右，尖銳度曲線在谷值之后能較平穩(wěn)地傳遞0.1～0.2 s，一般關(guān)門聲低頻能量所占比例會較高，且低頻能量持續(xù)時間為0.4～0.5 s。

圖4 關(guān)門聲尖銳度曲線

2.2 客觀評價指標(biāo)計算

10輛樣車客觀評價指標(biāo)見表2。其中，指20～50 Hz頻段能量，指20～100 Hz頻段能量，指20～200 Hz頻段能量，指100～500 Hz頻段能量，指500～5 000 Hz頻段能量，指5 000～10 000 Hz頻段能量，指與的比值。

表2 10輛樣車客觀評價指標(biāo)

3 主觀評價與客觀評價相關(guān)性分析

3.1 響亮度相關(guān)性分析

圖5和圖6分別給出了響亮度評分與聲壓級、響度的相關(guān)性分析。由圖可以看出,響亮度評分與響度相關(guān)性在0.9以上，而響亮度評分與聲壓級相關(guān)性不足0.8，說明響度比聲壓級更適合作為評價關(guān)門聲品質(zhì)響亮程度的客觀評價指標(biāo)。

圖5 響亮度評分與聲壓級的相關(guān)性分析

圖6 響亮度評分與響度的相關(guān)性分析

3.2 厚重感相關(guān)性分析

圖7給出了厚重感評分與20～50 Hz頻段能量、20～100 Hz頻段能量和20～200 Hz頻段能量的相關(guān)性分析。由圖可以看出，厚重感評分與20～100 Hz頻段能量相關(guān)性較好，且呈正相關(guān)性。

圖7 厚重感評分與低頻能量的相關(guān)性分析

3.3 精致感相關(guān)性分析

圖8給出了精致感評分與頻段能量、頻段能量和比值的相關(guān)性分析。由圖可以看出，精致感評分與比值的相關(guān)性較好，且值越小精致感越好。

圖8 精致感評分與D頻段能量、E頻段能量和比值G的相關(guān)性分析

3.4 金屬感相關(guān)性分析

圖9給出了機械感評分與頻段能量、尖銳度和頻段能量的相關(guān)性分析。由圖可以看出，機械感評分與頻段能量的相關(guān)性較好，且呈正相關(guān)性。

圖9 機械感評分與E頻段能量、尖銳度和F頻段能量的相關(guān)性分析

3.5 關(guān)門舒適感相關(guān)性分析

圖10和圖11分別給出了關(guān)門舒適感評分與關(guān)門速度、靜態(tài)關(guān)門力的相關(guān)性分析。由圖可以看出,關(guān)門舒適感評分與關(guān)門速度線性相關(guān)系數(shù)達到0.98以上，而與靜態(tài)關(guān)門力無明顯相關(guān)性。說明關(guān)門速度可以作為評價關(guān)門舒適感的客觀評價指標(biāo)，且關(guān)門力越小越好。

圖10 關(guān)門舒適感評分與關(guān)門速度的相關(guān)性分析

圖11 關(guān)門舒適感評分與靜態(tài)關(guān)門力的相關(guān)性分析

4 結(jié)束語

本文主要從多維度對關(guān)門聲品質(zhì)進行評價，并對主觀評價和客觀評價指標(biāo)進行相關(guān)性分析。關(guān)門聲品質(zhì)主觀評價維度主要有：響亮程度、厚重感、金屬感、精致感、緊湊感和關(guān)門舒適感。結(jié)合關(guān)門聲主觀評價和客觀評價指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果確定關(guān)門聲品質(zhì)客觀評價指標(biāo)：響亮程度評價指標(biāo)為響度，厚重感評價指標(biāo)為20～100 Hz頻段能量，金屬感評價指標(biāo)為5 000～1 000 Hz頻段能量，精致感評價指標(biāo)為比值，關(guān)門舒適感評價指標(biāo)為最小關(guān)門速度。同時結(jié)合小波頻譜分析、特征響度曲線分析和尖銳度曲線分析，從多方面對關(guān)門聲品質(zhì)進行評價。從而為關(guān)門聲品質(zhì)研發(fā)提供更為全面的主觀評價方法，并為開關(guān)門聲品質(zhì)前期設(shè)計提供新思路。