排气噪声的声品质设计及其在消声器改进中的应用实践

排气噪声的声品质设计及其在消声器改进中的应用实践

段何涛,马睿芝,何延刚,于媛媛,麻金贺

安徽江淮汽车集团股份有限公司        安徽合肥       230601

摘 要：随着我国汽车工业的不断发展，汽车声品质越来越受到人们的重视。本文拟以一种经典车型的汽油机为研究对象，通过实验获取不同工况下汽车怠速及加速的声学参数，并结合相应的分析方法，分析不同工况下不同模态的声学特性，揭示声学特性变化规律，为优化汽车尾气噪声奠定基础。在此基础上，对所提出的最优方案进行了客观评估，选择出最佳的声品质方案，通过对响度、尖锐度和粗糙度等客观指标的综合分析和检验。

关键词：排气噪声 ；声品质；主客观评价

近年来，随着我国汽车科技的快速发展，人们对汽车的各项功能已经不仅仅局限于操纵、安全等方面，对乘坐舒适度、音质等方面的需求也越来越高，从而使其排放噪音也逐渐成为评价整车综合素质的主要标准之一。本文拟采用主观和客观评估相结合的手段，研究不同阶次组成对发动机噪声特性的影响规律，实现对发动机排气噪声质量的最优控制，并对其进行评估和评估，最终实现对发动机排气噪声质量的最优控制。

1.汽车声品质客观参量及主观评价方法

1.1声品质客观评价参量

（1）响度是一种心理声学参量，它能反映人的听觉强度，它表达了人的耳朵对听觉的主观感觉，以“宋”（sone）为单位。在一个lkHz的一个纯音上，其级别是40分贝。一般而言，较大的音量使人的主观烦恼程度较高，声音品质就较差 。茨维克（ZWICKER）算法通过引入人耳中的特性频带对人耳的屏蔽作用，使其可以应用于任意声场和漫射声场。

（2）尖锐度反映声音的刺耳度，用acum来表示一般情况下，越是尖利的嗓音，就越是让人觉得不舒服，音质也就越糟糕。对于尖锐度S的求解，一般使用 ZWICKER模式，其数学模型是基于响度模型构建而成，具体模型详见公式（1）。

S=    （1）

其中：k代表加权系数（通常 k=0.11），N代表总响度值，N'(z)为临界频带z上的特征响度；g(z)为ZWICKER依据不同临界频带设置的响度计权函数；

（2）

（3）粗糙度在低频时，声波的变化会引起起伏度；声音的高频率改变导致了表面的粗糙。在超过20Hz以后，其表面呈现出起伏的趋势。FASTL根据每个特征频段上的噪音的调制频率与激励级差来计算粗糙度，详见公式（3）

       R=0.3fmeddz           （3）

1.2噪声品质主观评价

现有的噪音质量客观评估主要有等级打分法、简单排序法、数值估计法、两两比对法、适应性分组比较法、语义细分法等。本文提出了一种基于“意义分割”的客观评判方式，也就是使用不同意义上的不同类型的词语来评估每个样本的语音特征。人类对噪音的感知受到各种心理、生理等多种因素的共同作用，使得声音具有很强的主观倾向性，不能真正、完整地反映人们的噪音感知。但到现在为止，还没有一种能够对噪音感觉进行定量测量的仪器和装置，所以，主观评估仍是一个非常关键的问题。客观评价能较好地反映人类听觉知觉这一复杂的加工，并能在互动中不断地体验、评估和修正。

2.阶次构成对排气噪声的影响

某实验采用 LMSSCADAS多用途数据收集设备，在测试之前，每一个麦克风都要用声级校准装置进行校准。阶次构成对排气噪声的影响主要表现为几个方面：（1）在转速为1500-3000 r/min区间时，4阶振动跟总声压级特性趋势相同，2阶衰减对声学质量的影响不明显。（2）在转速为3000—4000 r/min区间时，4阶、6阶两种频率都会对声学质量产生一定的影响；相对来说，6阶影响更为显著。（3）在4000-5000 r/min区间时，其音质发生了显著的变化，2阶波峰转速与总声压级相对应，4、6、8阶对声学质量的影响较小。本项目拟在前期研究基础上，通过对原始车辆的声学特性进行测试，研究不同阶次组成与其声学性能之间的内在联系，进而提出5种不同的优化方案，在第一个方案中，总体声压比原来的设计要减小，在1400 r/min和转速1900 r/min时，4阶都有峰值，在1600 r/min时出现了6阶的尖峰，由于尖峰的出现，导致汽车在提速时加速变得不平滑；在第二个方案中4、6、8阶曲线起伏大，声音效果明显动感不足；在第三个方案中，4、6阶在1500-2500 r/min范围内产生接力，并维持了很好的曲线性度，而在中、高转速下，每一阶次的直线性都很好，并且随着速度的升高，音响变得更强；在第四个方案中，4阶阶次曲线在1200 r/min附近的声压值很小，4、6、8阶阶次在全速度范围内的线性不好，并且在加速时的声学特性不显著；在第五个方案中，4、6、8阶阶次图在1200-2400 r/min出现大量的峰、谷值，并且在开始的加速过程中出现了不连贯的声音。

3.优化后方案的声品质分析

3.1响度

尽管在方案三的全试验转速区间比原始方案要大，但是其变化幅度为1

—5 dB，根据人耳的音量感知情况可知，在总响度小于25 dB时，人体的主观感受为适宜；在声音值为50 dB的时候，人们会感到厌烦。经最佳处理后的三个试验，其音量在40-50 dB之间，听起来更舒服，音质更好，加速效果更显著；在3900r/min后，两种方法的音量都小于原来的方案一。从结构上来看，这是因为两种方案都采用了相同的后置消声器，所以在客观上，两种方法的音质都要好于方案二、四。

3.2尖锐度

第二种方案和第四种方案的尖锐性都要高于原始方法，3000 r/min时第四种方案的尖锐性要高于原始方法2 dB；第三种方案在1000-5000r/min范围的尖锐性比原来的方法小，听起来更柔和、更好听。由于尖锐程度越高，其噪音就会变得更加尖锐，让人听起来更加烦躁，音质也会变得更糟糕，所以，第二种方案和第四种方案的主观评估都比第三种方案要好，而且主客观两种方法的结论是相同的。

3.3粗糙度

由于每一种工况的粗糙度都随速度的增大而减小，2500 r/min之后，第三种方案的粗糙度接近于原来的工况，且变化。试验结果表明，当转速为4000r/min时，表面粗糙度的变化趋势基本稳定。

结束语：

综上所述，利用 LMSTest. Lab软件对实验车进行实车实验，采用客观响度、尖锐度、粗糙度3个客观指标对其进行评估，并对其进行量化研究。得到如下结论：（1）基于原始资料，比较不同的发声阶次和频率，比较其与原始音色之间的差异，经过多次的实验调试，获得高质量、有加速感觉的音质，并对合成后的音质进行主观和客观评估，探讨其对音质的作用。通过实验研究发现，在不同速度区间，不同级次匹配程度对整车声学质量的影响存在显著差异，并提出了改进原始汽车的排气噪声质量的方法。（2）通过主观、客观评估与比较，证实基于上述理论提出的改进方法是有效、可行的，并利用客观评定参数来检验主观评定的结果，二者得出的结论是吻合的。