基于相关性分析的发动机台架声品质评价模型研究

靖海宏 杨国芳 张旎 李东升 张建东

摘  要：本文以某四缸轻型柴油发动机为研究对象，结合声学测试标准ISO3744及心理声学参数测试标准（ISO532等），基于噪声声品质台架试验，以心理声学参量响度、尖锐度、粗糙度、抖动度和音调度作为初级客观评价指标，利用Head Acoustics人工头测试设备，提出了一种轻型柴油发动机声品质评价的综合模型。通过发动机标定手段对燃油喷射相关参数调整从而对发动机声品质主要声学参量进行进一步优化后，根据该综合模型结论作优化前后声品质主观评价和客观测量对比，验证了该声品质评价综合模型的合理性和有效性，同时该模型对其他相关动力总成产品声品质评价也可作相关借鉴。

关键词：声品质;辐射噪声;综合模型;主观评价;客观测量;偏好性

中图分类号：U467.2+1      文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2022）02-0018-11

Comprehensive Model Studies of Sound Quality Evaluation of an Engine Based on Bench Testing

JING Hai-hong， YANG Guo-fang， Zhang Ni， LI Dong-sheng， ZHANG Jian-dong

（ DongFeng Motor Corp. Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： A four cylinder diesel engine was chosen as the research object on this paper， combined with acoustic testing standard ISO3744 and psychoacoustic testing standard ISO532 with different psychoacoustic parameters such as loudness， sharpness， roughness， fluctuation and tonality etc. as the primary objective evaluation index， proposes a comprehensive model of light diesel engines sound quality evaluation based on the Head Acoustics artificial ears test equipment in the semi-anechoic chamber， the primary acoustical parameters of sound quality was taken further optimized by calibration technical approaches of the engine for comparison after and before， according to the comprehensive model with subjective evaluation and objective measurement contrast， it validate and shows the rationality and validity of the integrated model of engines sound quality evaluation， and it also provides profits and references of sound quality evaluation to other kinds of powertrain products.

Key Words： Sound Quality; Radiated Noise; Comprehensive Model; Subjective Evaluation; Objective Measurement; Preference

1   前言

发动机辐射噪声已成为环境污染噪声的重要组成部分，开展发动机噪声品质的预测与评估研究具有重要的理论与实际意义，随着汽车技术的发展和测试手段的更新，以单一声压级为指标的参数控制已不能完全评价发动机声学性能的好壞，除了声压级大小，客户对车辆的声学特性描述还有响度、尖锐度、粗糙度、抖动度和音调度等心理声学参量的描述和感受，也是发动机声学开发过程中的重要环节。声品质反映了人对噪声的主观感受，研究及改善发动机噪声声品质对提高汽车乘坐舒适性也具有及其重要的意义。

目前国内外学者及汽车生产厂家在汽车声品质研究领域集中在整车成型后进行主观评价感受其舒适性，亦或在发动机及动力总成开发阶段形成各自心理声学参量单一化的评价模型（参考文献[1]至[7]），对于发动机在声学开发阶段其声品质评价综合模型体系的建立研究较少。本文结合发动机声品质台架客观测试与主观评价相结合，基于声学测试标准ISO3744及声品质参数测试标准（ISO532等）对某发动机声品质评价模型进行研究，提出该综合模型的一般思路，并结合主观评价和测试技术手段对其噪声进行优化，通过发动机噪声优化前后的客观测试和主观评价的联系验证了该声品质评价综合模型的合理性和有效性，对同类产品的声品质开发及优化提供借鉴与参考。

2    试验准备及声学物理量采集

2.1   试验准备

（1）测试条件

测试环境/条件：半自由场（半消声室）/安装台架等辅助设备

（2）测试硬件和软件

测试硬件/软件：Head Acoustic HMS Ⅲ/Head Acoustic Artemis

（3）测点布置

（4）测试声品质物理量：响度，尖锐度，粗糙度，抖动度，音调度等。

（5）测试工况：满载瞬态升速及稳态工况（800-2900r/min）;

（6）台架搭建如下图所示：

2.2   声品质参数的选取

声品质参数通过测试声音设备“人工头 （模拟人的耳朵真实听觉）”采集，发动机声音通过“人工头”设备被记录，然后信号被分析，声品质参数数值通过计算机被计算出来。该过程即为“评价主观噪声”的“客观参数”化。而主观噪声指标：

通过矩阵分析和数值分析，即可得常数a、b、c、d和e，由此可得出主观噪声指标。关于响度，尖锐度，粗糙度，抖动度，音调度等声品质物理参数描述国内外已有较多文献介绍（参考文献[8]至[10]），本文不再赘述。

3    发动机噪声客观模型建立

3.1   声品质数据采集

以声品质参数在各稳态工况下的数据为基础，测试不同工况下发动机的声品质参数，因三个测点对应的声品质数据十分庞大，本文以进气侧测点左右耳的声品质稳态测试数据分析为例，其余测点数据分析方法一致。

从测试数据可以看出，人工头左右耳在各工况声品质参数趋势基本一致，且发动机在1600r/min处人工头左右耳声压级、A计权声压级、响度、尖锐度及音调度有明显峰值，如下表2为进气侧测点左耳满载工况声品质测试数据：

3.2   声品质相关性分析

相关性分析是对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析，衡量变量因素的相关密切程度。根据上述测试数据选取其满载工况下1600r/min的声品质参数为例进行详细分析，可得出各声品质参数其相关性如表3：

从上表中可看出：

a）线性声压级与A计权声压级、响度、尖锐度以及烦扰度具有很高的相关性，相关系数达到0.9以上，与粗糙度也有较高相关性，相关系数达到0.7，与音调度相关性为0.626;

b）响度比与抖动度的相关系数达0.8，响度比和抖动度均是反应噪声不平稳程度的量;

基于以上结果，由于众多参数存在较高的相关性，因此进一步进行主成份分析，将相关性高参数打包成一个参数，从而达到降低分析维度的目的，以降低后续分析的复杂程度。

3.3   声品质评价综合模型计算

根据3.2相关性分析结果，为了达到降低分析维度从而简化分析复杂性目的，需要对该发动机进气侧左耳满载工况声品质测试数据进行主成分分析，而主成份分析之前需要对该声品质测试数据进行矩阵标准化或归一化，该过程可将测试数据导入MATLAB软件模块计算获取，故利用表2进气侧左耳满载工况声品质测试数据计算得到如下表4所示标准化矩阵。

然后对该标准化矩阵进行主成份分析，得到特征值和载荷矩阵分别为表5和表6：

因此，经过主成份分析，9个声品质参数可简化为两个主成份，并得到对应的两个主成份的特征值、特征向量以及载荷矩阵。第一个主成份对应的特征值为7.264，明显大于第二个特征值的0.648，且第一个主成份与第二个主成份加起来已经可以描述近88%的系统，一般来说，主成份之和能够描述85%的系统信息即可，且主成份特征值大于1，因此对象选取了两个主成份。

通过载荷矩阵可知，对应第一个主成份，声压级、A计权声压级、响度、尖锐度、烦扰度载荷得分均达到0.9以上，粗糙度和音调度载荷得分也在0.6以上，说明可以将这几个声品质参数打包成一个主成份。对应第二个主成份，抖动度和响度比相比于其它参数也明显要高，分别达到了0.273和0.449，可以将这两个参数打包成一个主成份。

第一个主成份包含的参数与第二个主成份包含的参数对发动机声品质参数影响趋势是相反的，说明第一个主成份包含的声压级、响度等参数越大，声品质越差，而抖动度和响度比越高声品质参数越好，也即发动机转速低时抖动度和响度比高，而此时发动机噪声较小，因此发动机的声品质较好，而转速提升后，抖动度和响度比降低，此时发动机噪声大，因而声品质较差。对比声品质参数的相关性分析，各参数间的相关性趋势与主成份分析一致。

根据两个主成份的特征值和载荷矩阵对同一趋势的声品质参数打包整合后，由线性回归理论计算各声品质参数与主观评价结果所确立的模型回归方程得到回归模型系数如下表7模型回归系数：

从而得出该工况下主成份分析综合模型：

AI=0.3288ZdB+0.3403ZdBA+0.3419ZLoudness+0.3328ZSharpness+0.3195ZRoughness+0.2249 ZTonality-0.2600ZFluc.+0.3435ZAnnoy.-0.2446 ZL_R

通過主成份分析的综合模型可知，线性声压级、A计权声压级、响度、尖锐度以及烦扰度对声品质的贡献量较大，音调度对声音品质的贡献率相对较小;而抖动度和响度比则影响更小并与声品质综合数据负相关。

4    发动机噪声优化及主观评价

4.1   发动机燃烧噪声优化

改变发动机标定参数后按照相同工况及声品质参数设定重新测试一遍，对比满载1600r/min稳态工况下及瞬态升速工况下声品质噪声优化前后差异如图4。

对比发动机噪声优化前后声压级图，在该工况下，声压级优化前明显高于优化后，相差约4dB。经频谱分析，可得到该频谱的主要峰值均约是26Hz（对应1600r/min）的整数倍，而频谱图中第一个峰值频谱约为52Hz，正是该发动机的2阶频率，最高峰对应发动机的32阶频率。三分之一倍频程对比中可确定发动机噪声优化前基本在整个分析频带内都高于优化后。特征响度图中可看出，发动机噪声优化前后的特征响度在频域中分布相似，且优化前的响度明显高于优化后。

从粗糙度和尖锐度图中可以看出，噪声优化后发动机在8.5bark处粗糙度显著好高于优化前，在7.5bark处抖动度也有明显改善。说明在这两个听觉临界带上，优化前后差异明显。对应到频域约在800-1000Hz。

4.2   噪声偏好性主观评价

仍以进气4满载工况的测试数据为例进行各稳态工况主观评价，选取若干名声学试验工程师进行偏好性主观评价，要求评价主体就所听到的声样本按照如下表所示间隔给出相应的偏好性得分（可以为小数），“0”表示一点儿也不偏好，“10”表示极度偏好，“1-9”为中间过渡过程（如下表9噪声偏好性主观评价打分表）。评价主体需要就每一个声音样本做出独立的判断，最后各工况的偏好性打分（去掉最高分和最低分）取算术平均值。

根据声品质评价综合模型对各稳态工况下的AI值进行计算发现，噪声优化后各转速都比优化前低（如下表10和表11），尤其在1600r/min稳态工况下AI值相差为19.25，且各声品质参数均有不同程度改善。由此主观评价结果也进一步论证了该模型的有效性与合理性。

5    结论

（1）通过声品质参数客观测试得出本次试验条件下AI指数与各声品质参数的关系，本次试验线性声压级、A计权声压级、响度、尖锐度以及烦扰度对声品质的贡献量较大，音调度对声音品质的贡献率相对较小;而抖动度和响度比则影响更小且与声品质综合数据负相关。

（2）通过声品质参数客观测试，对声品质参数进行相关性分析和标准化主成分分析，得到特征值和载荷矩阵，根据模型回归系数计算从而得到发动机声品质客观评价综合模型。

（3）通过发动机噪声优化前后的客观测试和主观评价的联系验证该发动机声品质评价综合模型的合理性和有效性，进一步说明通过声品质客观物理量参数来评价噪声可以真实地反映人耳对噪声的主观感受，值得其他相关动力总成产品声品质开发学习和借鉴。

总体来说，本次试验提供了一种发动机在开发过程中基于台架噪声试验的客观评价方法的模型，可操作性较强，可为发动机声品质主客观参数关系设计研究提供有力依据，但对于噪声的主研究，由于主观评价因人而异且需要大量的數据统计作相关性分析，时间和费用成本都较高，要形成具有自己特色的完整的评价体系，尚待进一步完善。

参考文献：

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[7]陈双籍，陈端石.基于心理声学参数的车内声品质偏好性评价[J].噪声与振动控制，2005，25（3）：45-47.Chen Shuangji，Chen Duanshi. Sound quality preference.

[8]HEAD Acoustic Loudness and Sharpness calculation with Artem[A]. HEAD Application note 2006.

[9]Zwicker E， Fast1 H.psychoacoustics-Facts and models [M].2nd edition Spring-Verlag Berlin，1999.

[10]Fast1 H. Psychoacoustics and Sound Quality [M]. Springer Berlin Heidelberg，2005.

靖海宏

毕业于武汉理工大学，硕士研究生，现就职于东风汽车集团有限公司技术中心，任NVH试验室主管工程师，主要研究动力总成振动噪声试验开发。

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张宏飞

东风商用车技术中心动力总成部

热力发动机专业  研究员级高级工程师

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