乘用車關門聲品質影響因素研究與優化

王恒,申秀敏,龍偉,李利明,郭常立

(重慶金康賽力斯新能源汽車設計院有限公司,重慶 401135)

0 引言

伴隨生活水平的提高和近年來80后、90后駕駛員的增多,人們對汽車的舒適性越發看重,而汽車舒適性主要體現在NVH(noise, vibration, harshness)水平上。其中,關門聲品質極大地影響了人們在選購汽車時的主觀感受,逐漸成為近幾年汽車NVH研究的熱點,也越來越成為評價一個汽車品牌的重要因素之一[1-2]。

良好的車門聲品質可以向顧客傳遞出車輛的可靠性、舒適性和豪華感等諸多信息,能在很大程度上影響消費者的購車情緒[3]。通常用戶期望的關門聲具有如下特點:1)聲響適中,有較強的關閉信心感;2)整體感較強、無松散感、無異音;3)厚重,最好能給人一種豪華的感受。因此,本文針對某乘用車關門聲品質不達標的問題,利用主觀評價和客觀測試相結合的方式,采用獨立運行法來對樣車關門聲品質進行優化設計。

1 關門聲品質的評價

1.1 客觀評價

關門聲品質的客觀評價指標通常有響度、尖銳度、振顫、聲音清晰度等,但有大量文獻表明,其中響度和尖銳度能表征關門聲品質的主要內容,故常用其來優化改進對關門聲品質的設計[4]。因此,本文選擇響度和尖銳度兩個指標對關門聲品質進行客觀評價。

響度是人對聲音大小的一種主觀判斷[5]。為了能清楚地描述響度,通常由響度級來定義。而響度級是1 000Hz純音的聲壓級,單位為方(Phon)。因此,響度定義如下:以響度級為40Phon聲音的大小,單位為宋(Sone)。其中,響度及其響度級之間的關系如下:

(1)

(2)

式中:N為響度;n′(z)為特征響度;z為臨界帶寬,Bark;LN為響度級。

尖銳度是用于衡量聲音信號中高頻成分多少的重要心理學參數,主要影響人們對聲音音調高低的判斷。尖銳度定義如下:以1 000Hz為中心頻率的帶寬(<150Hz)內,聲壓級為60dB的窄帶噪聲,單位為Acum。通常,尖銳度可表示如下:

(3)

1.2 主觀評價

目前,對于汽車關門聲品質主觀評價的方法主要有:等級評分法、成對比較法、排序法等[6]。這些方法各有優勢,適用于不同的試驗條件。因此,在進行主觀評價前必須根據聲音樣本特點,選擇恰當的評價方法才能獲取良好的評價結果。

等級評分法是根據聲音的某個屬性,由受過訓練的評價者在事先給定的打分制內進行評分,較常用的打分形式是10分制標準,如表1所示。成對比較法是將兩個聲音樣本按先后順序進行播放,評價主體每聽完一組聲音樣本后做出判斷,主要通過兩兩比較的方式來對聲音進行評價。

表1 聲品質主觀評價10分制打分標準

等級評分法是一種絕對評價方法,當樣本較多時,由于缺乏標準的參考,因而難以給出精確的分值,某些聲音樣本在主觀聽覺上可能差別很小,難以分辨。成對比較法相對來說比較容易把握,因此本文對于所采集關門聲樣本信號的聲品質主觀評價試驗采用等級評分法進行,并利用成對比較法對等級評價的結果進行補充和可信度檢驗。主觀評價流程如圖1所示。

圖1 主觀評價流程圖

主觀評價在聲品質主觀評價間進行。參與主觀評價試驗的評價人員由企業NVH工程師和車輛工程專業實習生組成,共計24名評價人員。其中男性18人,女性6人,且都是身體健康,聽力正常,具有相關聲品質評價經驗。在主觀評價試驗之前,對所有參評者進行樣本說明和聽音培訓。

通過前期對樣車關門聲進行摸底試驗,發現樣車存在如下問題:樣車車門鎖撞擊聲明顯,總體響度偏大,車門聲音松散,無厚重感,相比對標車有明顯差距。

2 關門聲品質測試

關門聲樣本的正確采集是進行關門聲品質評價的前提。在背景噪聲<20dB(A)、截止頻率<50Hz的半消聲室內布置傳感器進行關門聲品質測試。測點布置為每個車門把手后方的400mm、車身外廓300mm處。傳聲器的高度為1.60m。現場布置如圖2所示。

圖2 關門聲品質測試

選取3臺樣車,對其前、后門分別進行關門聲品質試驗測試,采集其前、后門的關門聲樣本并進行預處理。關車門的操作由試驗人員完成,使用正常的力度開啟并關閉車門。通過關門速度計讀取關門速度,保證車門的關閉速度在1.0～1.2m/s之間。在車門的關閉過程中采集各個測點的噪聲信號,采樣頻率不低于20 480Hz。連續測試3次,且3次的測試結果誤差不能大于2dB(A),否則重測。圖3、圖4分別為樣車原始狀態前、后門關門聲信號時頻圖。

圖3 原狀態前門關閉聲時頻圖

圖4 原狀態后門關閉聲時頻圖

從圖3、圖4可知:原狀態樣車前、后門的高頻成分均比較大,尖銳度偏高,說明車門鎖較差;前、后門的中頻成分較大,密封條吸聲能量較少;低頻成分適中,沒有振顫尾音。

3 優化措施及效果驗證

3.1 優化措施

在測試樣車初始狀態關門聲品質的基礎上,變更影響車門聲品質的主要部件,采用獨立運行法,在相同環境下對比不同部件變更后的效果。

1)方案1:變更車門鎖

汽車車門在開啟、關閉過程中,車門鎖部件會由于受到撞擊等產生大量噪聲,特別是旋轉卡板和棘爪的碰撞更是高頻噪聲的主要來源[7]。通過對試驗樣車門鎖系統結構分析發現,門鎖部件結構簡單,無緩沖吸能裝置對撞擊能量進行吸收和衰減。因此,要求供應商提供了另外一種緩沖狀態的鎖,增加了鎖口泡棉。圖5是車門鎖變更前后對比,表2為車門鎖變更前后客觀評價參數值。

圖5 車門鎖變更前后對比

表2 車門鎖變更前后客觀評價參數值

通過表2可知:車門鎖變更后,關門聲響度和尖銳度分別降低了3.6%和11.7%,尖銳度改善效果明顯,從而進一步驗證了車門鎖部件主要影響關門聲品質的高頻成分。

2)方案2:增加車身密封條

車門密封性是感知整車品質的重要方面,涉及關門聲品質、防水防塵、隔音等諸多內容[8]。通過對樣車進行測試分析發現,車門密封性不佳。進一步分析發現,樣車車身密封條采用的是單層橡膠密封,且車門內飾板也只做了簡單的吸聲和隔振處理。因此,有必要對車身密封條進行改進。在原有的密封條基礎上增加一圈手工制作密封條,圖6為密封條變更前后對比,其中圖6(b)右下角為手工斷面。表3為密封條變更前后客觀評價參數值。

表3 密封條變更前后客觀評價參數值

通過表3可知:車身密封條改進后,響度和尖銳度分別降低了9.8%和4.3%,響度改善效果顯著,說明車身密封條主要影響關門聲品質的響度。

3)方案3:改進內飾板

由前面分析發現,樣車車門內飾板聲學包裝材料和結構過于簡單,不能較好地吸收和隔離關門噪聲。經過對樣車車門進行分析后,在車門內飾板一圈增加局部泡棉、邊緣增加吸聲棉,如圖7所示。表4為內飾板變更前后客觀評價參數值。

圖7 內飾板變更

表4 內飾板變更前后客觀評價參數值

通過表4可知:內飾板增加吸聲棉后,響度和尖銳度分別降低了2.4%和1.2%,但效果均不是很明顯,說明通過改進內飾板來提高關門聲品質的效果有限。

4)方案4:增加阻尼膠片

阻尼膠片充分利用了高分子聚合物的大阻尼特性和鋼板的高剛度優勢,從而實現對車身板的振動和噪聲控制[9]。此外,阻尼膠片具有易粘貼、質量輕和可裁剪成任意形狀等諸多優點,在車身NVH開發過程中得到了廣泛應用。為驗證阻尼膠片對關門聲品質的影響,在原車的基礎上逐步增加阻尼膠片進行試驗,從而確認阻尼膠片對聲品質的貢獻量。圖8所示為阻尼膠片在樣車上應用的3種狀態,圖9為試驗測得的阻尼膠片對車門聲品質的貢獻量。

圖8 阻尼膠片變更狀態

圖9 阻尼膠片對車門聲品質的貢獻量

從圖9可知:相比于未貼阻尼膠片時,在車門不同位置張貼阻尼膠片后,3種狀態下響度分別為下降了1.62 Sone、下降了2.14 Sone、基本不變;尖銳度分別為下降了0.02 Acum、不變、下降了0.03 Acum。由此可知,張貼阻尼膠片對關門聲品質響度改善效果明顯,對尖銳度改善效果并不明顯。

5)各方案貢獻量總結

將各改進方案對車門聲品質的影響進行匯總,如表5所示。從表5可知,對響度貢獻量從大到小依次為密封條、阻尼片、車門鎖及吸聲棉;對尖銳度貢獻量從大到小依次為車門鎖、密封條、阻尼膠片及吸聲棉。

表5 各方案貢獻量對比

3.2 整改方案驗證

經過多輪優化方案的實施發現,單獨采用上述某一種或某兩種改進方案,樣車關門聲品質均不能超越對標車。因此,為了樣車關門聲品質能達到以及超越對標車,最終將4種改進方案集成到一起進行試驗。圖10、圖11分別為最終方案測得的前、后門關門聲信號的時頻圖,表6為對標車和優化后樣車的客觀測試結果。

圖10 優化后前門關閉聲時頻圖

圖11 優化后后門關閉聲時頻圖

表6 樣車和對標車客觀評價參數值

對比圖3、圖4和圖10、圖11的優化前后樣車前、后門關閉聲時頻圖可知,優化后前門的高頻成分和中頻成分明顯下降,尖銳度降低,密封條吸聲能量增加;優化后后門的高頻成分明顯下降,尖銳度降低。從表6可知,樣車最終優化方案的關門聲品質客觀測試結果均優于對標車。

3.3 主觀評價

為進一步驗證優化后樣車客觀測試結果的準確性,對優化前后聲音樣本進行了主觀評價。運用上述介紹的等級評分法對采集到的關門聲樣本進行主觀評價,采用如表1所示的10分制打分標準,根據總體響度、尖銳度、振顫、突出感、豪華感、低廉等特征進行主觀評價。最后,通過對24個評價結果進行成對比較法檢驗,剔除2個不合格的評分后,對余下22個評價者的打分進行求和取平均,計算得到的優化前后主觀評價值如表7所示。結果表明優化后比優化前提高了31.9%,滿足要求。

表7 優化前后主觀評價值

4 結語

針對某自主品牌乘用車關門聲品質較差的問題,結合主觀評價,對樣車開展客觀測試和優化設計,使得優化后的樣車關門聲品質優于對標車。結果表明:在聲品質主觀評價中先采用等級評分法進行打分,然后利用成對比較法對等級評分法的結果進行驗證,可剔除掉不可靠的個體,使得主觀評價結果更具可靠性。通過獨立運行法能在車門聲品質開發中快速分析出不同措施對聲品質的貢獻量大小,具有可操作性強、便于工程化應用的特點。在車門聲品質開發中,采用主客觀評價相結合的方式,可以快速準確地診斷出問題所在,對于改善車門聲品質和提高工作效率均具有顯著的優勢。