预选档位策略下DCT敲击声品质评价

郭 栋，熊义周，周 益，周 仪，饶文毅

（1.重庆理工大学 车辆工程学院，重庆 400054；2.重庆大学 机械与运载工程学院，重庆 400044）

齿轮敲击噪声是一种发生在非承载啮合齿轮对应的冲击现象，非承载齿轮对的从动齿轮在齿侧间隙内来回撞击主动齿轮，导致齿轮对相互碰撞并产生敲击噪声[1]。作为变速器噪声中的主要来源，敲击噪声越来越引起消费者的关注，甚至会被误认为是变速器故障噪声，从而引起驾乘人员主观烦恼。

双离合变速器(DCT)是基于传统手动变速器(MT)改进而来，不仅拥有手动变速器的灵活性和自动变速器的平顺性，还具有换档响应快，燃油经济性较好的特点。在结构上与手动变速器类似，但在换档机制上，有特殊的“预选”档位的差异，其拥有两根输入轴分别控制奇数档和偶数档，当某一档位工作时，其相邻档位会预先挂上，但不传力，需要换档时，仅需切换两根输入轴上的离合器即可。

马安康等[2]通过整车试验与台架试验分析了润滑油温、平均扭矩和激励频率对DCT敲击强度的影响，提出了一种评价DCT 齿轮敲击强度的指标，模型中没有考虑预选档位的影响。Oliver等[3]基于9组试验数据，在众多的评价参数中找到一个基于振动加速度的A 计权和峰值因子的二元回归模型，相关系数达0.93。Gerrit等[4]根据敲击的间隔周期性特点使用调制度客观评价车内敲击声，在半消声室内的单轴底盘测功机上进行实车试验，利用包络分析对变速器敲击噪声进行研究，建立了主客观评价指标定量关系。焦风雷等[5]对将评价者分为两类进行处理，分类之后将各类别平均并进行偏好性的非度量多维尺度分析(NMDS)，研究发现，在进行车内噪声品质研究时，应该明确产品的不同客户群，应满足特定客户群的需要。Kwon 等[6]对噪声进行主观评价和客观分析，运用相关系数来比较客观评价的结果，基于声信号中的时域和频域信号特性，建立敲击分析数学模型，提出一种基于主观评价的敲击指标，进一步得到敲击噪声的回归方程，并验证了有效性。

综上所述，目前对于敲击噪声的评价方法大多是基于手动变速器，针对DCT的敲击声特性研究相对较少，且考虑预选档机制的敲击噪声评价研究不足，但DCT 在工作时会有预选档的机制，同时DCT在预选档时的敲击声比不预选时的敲击会更加明显，且在同一档位的不同预选档位下，敲击规律不同。所以，本文将预选档的影响考虑到评价结果中，并与不考虑预选档的评价方法[7]进行对比，建立预选档位下DCT敲击噪声声品质评价模型，对于DCT变速器敲击噪声优化及控制具有重要意义。

1 敲击噪声主观评价

1.1 噪声采集

本次试验车搭载某型前置前驱7速湿式双离合变速器(7DCT)，选择阳光适中，风速较小的晴天，试验场地选择平直且空旷的道路，周围无大型建筑，车内处除驾驶人员和测试人员无其他载荷。试验工况如表1所示。

表1 试验工况表

采用HEAD Lab 噪声振动采集设备，采集变速器近场噪声和驾驶员双耳处噪声，为避免试验的偶然性，每个工况噪声样本采集多次，麦克风布置位置如图1至图2所示，共得到18个声音文件，并将声音文件进行截断处理，得到明显敲击声的噪声样本，每个样本时长为5秒，通过HEAD ArtemiS软件进行高保真回放，将近场噪声用于主观评价试验。

图1 车内噪声麦克风布置

图2 近场噪声麦克风布置

1.2 主观评价试验

声品质评价以人的主观感受为基础，主观评分法可以很好地将人对声音的感知进行量化，以便利用数学统计量进行数学模型的计算。

等级评分法作为一种常用的主观评价方法，操作简便，可靠性强，广泛应用于声品质主观评价试验中。本次主观评价试验的评审团由20 位听力正常人员组成，有一定的驾驶经验，包含了NVH工程师、车辆工程专业研究生以及本专业教师，其中男性11人，女性9人，年龄在22～45岁之间。由于本次主观试验的声音样本较多，且不同预选档位下的敲击噪声会存在明显的区别，因此，在等级评分法的基础上，提出分组等级评分法，首先将声音样本按照各自的预选档位进行分组，将18 个声音样本以3 个一组的形式通过评审团进行主观评价打分，样本分类如表2 所示，避免了以单一声音样本为基础导致驾乘人员无法有效地对声音样本进行区分，从而突出了不同预选档位对于驾乘人员主观感受的区别。

表2 样本分类编号

为保证评审团听音人员不会因为声音样本的先后顺序造成评分出现误差，在进行主观试验之前需要评审团人员先将18 个样本按顺序依次全部试听一遍并进行听音培训，然后按照组别听音并对每一组样本声音确定一个分数区间，最后进行听声打分确定每个样本的听音试验分数，评分标准如表3所示。

表3 分组等级评分法评分标准

1.3 有效性检验

主观评价试验中，每个人对声音的偏好性也不尽相同，主观评分之间会产生差异，因此需要对主观试验评分结果进行检验，剔除误判较大的评价结果[8]。相关系数是研究变量之间线性相关程度的量，常见的有Pearson，Spearman 和Kendall 相关系数[9]。本次主观试验基于等级评分法改进而来，等级评分法常采Pearman 相关系数对主观评价结果进行检验[7,10]，本次试验采用Pearman 相关系数来计算评审团评价人员之间相关系数。计算评价人员两两之间的相关系数得到20×20 矩阵，再将每个评价人员与其他人的相关系数相加并取算术平均值，得到每位评价人员的相关系数如表4所示。

表4 平均相关系数表

回归分析相关系数值小于0.7 表明两者相关性不显著，因此剔除2位评价人员[11]的结果，将剩下18位评价人员的主观评分做算术平均处理，最终得到声音样本的主观评价结果，如图3所示。

图3 主观评分结果

图3 中每3 个样本为一个预选档位，可以发现，主观评分处于3到5.5分之间，基本处于一个稳定的区间，说明该试验结果有效，整体分数偏低表明DCT敲击噪声听起来令人烦恼。每个预选档位之间的分数相差不大，但同一档位不同预选档下的分数相差较大，如R4～R6这一组无预选档的主观得分比预选档的要高，更进一步地说明DCT在预选档时会产生更加严重敲击现象。

2 客观参数分析

2.1 客观参数的选取与计算

心理声学参数是描述声音的物理客观参量，目前国内外常用的有响度、粗糙度、波动度、AI指数(语音清晰度)、尖锐度和音调度[4,7-8]。AI指数表示在特定环境中，能辨别清语言的程度，是一个百分比参量。以上常用的客观参数部分可能会引起人的主观烦恼度。

为确定所选心理声学参数是否适用于DCT 敲击声评价，需要对客观参数进行筛选，采用计算相关系数的方法[12]，与主观烦恼度量相关系数评价指标[13]，说明该评价指标更适合用于评价DCT 敲击声品质。本文利用这些常用的心理声学参数，计算客观参数与主观评价之间的相关系数，选取其中相关系数较高的参数进行分析。采用ArtemiS 声学处理软件计算18个样本的客观参数的结果，如表5所示。

表5 噪声样本心理声学客观参数值

2.2 相关性分析

对于变速器敲击噪声的评价，目前已有的方法采用将全部客观参数与主观评分进行相关性计算[7]，但对于DCT 而言，由于具有预选档的换档机制存在，因此应该分别对考虑预选档和不预选档的两种情况。剔除第二组和第五组主客观得分，仅对具有预选档位主客观得分的进行相关性分析，如图4所示。

图4 预选档下主客观评价相关系数

由图4可知，在仅考虑预选档下，客观参数对主观评分的影响程度分别是：尖锐度＞粗糙度＞响度＞AI指数＞音调度＞波动度，粗糙度和尖锐度与主观评分之间的相关系数均大于0.7。根据回归分析相关知识[11]，相关系数小于0.7 说明两者相关性不大，在预选档位下影响主观感受的主要是这两个客观参数，其他参数相关性较低，不作考虑[14]。

在不考虑预选的情况下，将所有档位计算得到的相关系数如图5所示，可以看出，客观参数对主观评分的影响程度分别是：粗糙度＞尖锐度＞响度＞音调度＞AI指数＞波动度，与仅考虑预选档位下的相关系数相比，AI 指数、音调度和波动度有较大变化，但其相关系数仍然小于0.7，不予以考虑。其余客观参数相关系数均大于0.7，说明其对主观评分影响较大。

图5 所有档位下主客观相关系数

3 预选档位敲击回归模型

3.1 考虑预选档位声品质模型

多元线性回归分析是指建立两个或两个以上自变量与因变量之间关系的回归分析[15]，具有方法简单、对变量解释性强等特点。通过上述对主客观评价的相关分析，以相关系数较高的粗糙度和尖锐度作为自变量，主观评分的结果作为因变量，采用常用的逐步多元线性回归方法，回归分析结果如表6所示。

从表6数据可以看出粗糙度和尖锐度与主观评分的置信概率在0.100以下，表明该两个自变量与主观感受有显著的线性相关。回归模型中自变量之间由于相关系数较高而使模型难以估计准确，需要进行共线性诊断，一般用容忍度进行检验，容忍度大于0.1可认为没有共线性关系。由表6可知自变量粗糙度和尖锐度的容忍度为0.7，说明变量之间不具有共线性关系。根据分析结果，得出预选档下敲击声品质的多元回归模型为：

表6 预选档位下多元线性回归分析结果

其中：M为DCT预选档下主观评分，R为粗糙度，S为尖锐度。

对于该回归模型，需要检验回归标准残差的正态性，图6是主观评价标准化残差频率直方图，由图可以看出，该模型的回归标准化残差图的分布基本比较均匀，满足正态性检验。

图6 主观评价标准化残差频率直方图

图7是主观评价标准化残差图，由图可以看出，主观评分无离群值，符合回归模型的基本假设。

图7 主观评价标准化残差图

响度的相关系数为0.675，非常接近0.7，若将响度与粗糙度和尖锐度一起做线性回归分析，得到建立模型响度的置信概率为0.289，大于0.05，在统计学中[11]，该值较大说明考虑将响度作为自变量建立回归模型不符合回归模型的基本假设，因此对于预选档位下多元线性回归分析不应将响度作为自变量；同时在所有档位时音调度与主观评分的相关系数为0.679，非常接近0.7，将音调度作为自变量进行线性回归分析，得到建立模型音调度的置信概率为0.799，同样不符合回归模型的假设。

3.2 所有档位的声品质模型

对于所有档位下的声品质预测，由图5可知，所有档位下，相关系数超过0.7 的为响度、粗糙度和尖锐度，采用与上节相同的方法进行建模，回归分析计算如表7所示。

表7 所有档位下多元线性回归分析结果

得到所有档位下敲击声品质多元回归模型为：

其中：N为DCT所有档下主观评分，L为响度，R为粗糙度，S为尖锐度。

可以看出，两种情况下的回归模型不一样，响度和尖锐度置信概率较大。因此对于DCT 进行声品质评价的时候，应该将预选档位单独考虑。

4 结语

本文进行整车试验，采集DCT在不同工况下的敲击噪声，提出利用分组等级评分法对噪声样本进行主观试验并计算客观参数，计算相关系数剔除了2位评价人员的主观评分，考虑预选档和不考虑预选档位两种情况，并与心理声学客观参数分别建立多元回归模型。单独考虑预选档进行声品质评价时，粗糙度和尖锐度与主观评分的相关系数分别为0.702 和0.772，且单独考虑预选档的回归模型中粗糙度和尖锐度置信概率分别为0.098 和0.030，说明此回归模型显著。

因此对于双离合变速器，在进行敲击噪声声品质评价时，应将预选档作为考虑因素单独进行评价，同时，本文所建立的回归模型对于DCT的敲击噪声控制以及优化有一定的参考价值。