b. 重庆大学 机械工程学院, 重庆 400044
b. College of Mechanical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China
近年来,汽车车内声环境的舒适性逐渐受到关注,汽车声品质研究已从整车、发动机等主要部件的研究,深入到对汽车各零部件的研究,如汽车排气消声系统、传动系统、车窗开闭声、关门声、汽车喇叭声以及轮胎噪声[1-4],但驾驶员声学远不止这些。雨刮器系统是汽车安全系统的必备部件之一,用来清理挡风玻璃上的雨雪尘土等,它工作时所产生的噪声也会给驾驶员带来不舒适感,因而遭到不少车友的投诉和抱怨[5]。在降低雨刮器噪声问题方面,国外已做了一些研究,如降低雨刮低频咔嗒声[6]、高频尖叫声[7]、雨刮刮片颤抖噪声[8-9]等,但单纯的降噪并不能满足消费者高品质的生活要求,人们更在意汽车雨刮器所产生的烦恼感。
人是声音的接收者和感受者,声音的舒适与否需要人来进行主观判断。主观评价可以通过人耳对声音总体听觉特性的感受来评价声音品质,相比于传统的A计权声压级,更能全面反应噪声对人们的影响。笔者采用分组成对比较法对4种不同车型的汽车雨刮器噪声进行了主观评价实验,通过对主观评价结果和客观参量的分析,得到了速度挡位和刮刷方式对雨刮器烦恼度的影响特性,为后续雨刮器噪声的声品质改善提供理论指导。
1 主观评价实验 1.1 噪声样本采集制作试验采用丹麦B & K 4101双耳麦克风,分别对4辆样车的雨刮器噪声信号进行采集,采样频率为44 100 Hz。由于雨刮器噪声属于低频噪声,为了防止外界环境噪声对试验的干扰,试验地点选在无人群的空旷场地。试验时,将两根直径很小的软管置于车顶以模拟雨水状态,汽车发动机关闭,利用车载12 V蓄电池进行供电,汽车车窗也均关闭,驾驶座安排一位测试人员佩戴双耳麦克风。每个样本的采样时间为1 min,以便后续样本的截取。主观实验所采用的声样本有:
1) 雨刮低速挡、高速挡两种刮刷工况下的8个噪声信号,由于间歇挡速度与低速挡速度相同,故间歇挡不必作单独测试。
2) 由于雨刮器上刮与下刮的刮刷噪声并不相同[10],差异较大,因此从雨刮器噪声的一个工作周期信号中分别截取出上刮、下刮噪声信号,采用Matlab编程进行处理,将其循环延长,得到16个声信号。
采集与制作的声信号经去噪和截取后得到24个长度为5 s的声样本。由于雨刮器高速挡和低速挡的刮刷噪声的响度差异很大,为避免影响最终评价结果,在主观评价时,参考文献[11]对24个声音样本进行了等响处理。
1.2 评审团构成评价主体是主观实验的样本群,主体的选取和综合表现直接关系着评价结果的优劣。由于汽车消费者是雨刮噪声的主要受影响者,相对于专家,他们更适合作评审人员,同时研究表明,对于大多数声品质评审实验,20名评价主体就已足够[12]。因此,笔者选择来自车辆专业的24名研究生,其中2/3为男性,1/3为女性。他们都有驾驶经验,无听力障碍。实验前,测试人员向主体讲解评价量、评价方法和评价过程,并对他们进行一定的听音培训。
1.3 实验方法成对比较法是将所有的声样本两两成对进行播放,评审者根据试验要求进行判断,该方法操作简便,且能辨别细微差别。笔者有24个声样本,采用分组成对比较法。它是成对比较法的一种改进方法,是为了克服大样本量给评价者带来冗长的工作量,引起疲累。参考文献[13]将声样本分成相互关联的3个样本组,在样本组间设置关联样本,每个样本组独立完成评价后的结果,通过关联样本进行组合重演,获得全部样本的评价结果。
1.4 实验结果检验主观评价因受到外界或评价者本身心理因素的影响,总会存在一些误差,从而导致评价结果的一致性和有效性较差。参考文献[14],通过对数据进行相同事件比较误判、不同回放顺序比较误判和三角循环误判,计算出各评价者在各样本组的计权一致性系数,剔除一致性系数在0.8以下的评价者的评价结果。计算剔除后各评价者对各声样本的累积评分的平均值,按比例调节评分结果,以使3个样本组中参考样本的得分值一致,从而获得整体样本的烦恼度值,如表 1所示。
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表 1 声样本烦恼度的得分表 |
图 1给出了高低速工作挡位下汽车雨刮噪声烦恼度的评价结果,以分析挡位对雨刮噪声烦恼度的影响情况。由图 1可以看出:
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图 1 高低挡烦恼度对比 |
1) 4种车型的高速挡烦恼度值均大于低速挡,且驾驶员和乘客对雨刮低速挡的噪声感受一般集中在有一点烦恼,而对高速挡噪声却集中于比较烦恼,高速挡比低速挡高两个烦恼度等级。
2) 4辆车低速挡烦恼度排序和高速挡烦恼度排序由低到高均为3—1—4—2,说明对于同辆车,不同挡位的烦恼度影响变化趋势具有一致性。
2.2 刮刷方式汽车雨刮器是周期性工作的,根据雨刮器的工作机制,将其每个刮刷周期(简称总刮)分为两个过程:从雨刮器下止点到上止点的上刮过程,简称上刮;从上止点到下止点的下刮过程,简称下刮。用统计学分析软件SPSS[15]绘制出不同刮刷方式对雨刮噪声烦恼度的影响图。由图 2可以看出,上刮、下刮烦恼度与总刮烦恼度的分布趋势基本一致,说明对于同辆车,不同刮刷方式的烦恼度影响程度也具有一致性。
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图 2 不同刮刷方式烦恼度对比图 |
为了研究上下刮烦恼度对总刮的影响程度,将上刮、下刮结果分别与总刮进行Pearson相关性分析,结果显示,上刮与总刮的相关系数为0.801,下刮与总刮的相关系数为0.905,说明上刮、下刮的烦恼度与总体烦恼度间存在较密切的联系,且下刮对总刮烦恼度的影响程度较上刮大。
3 客观评价分析 3.1 客观参量影响特性分析声品质可以用物理声学参数和心理声学参数来量化描述,这些客观参数是国内外许多研究者通过深入研究人体的心理反应机制,并结合人们对声音的感知特性而得到的,能够描述人们的主观感受差异。采用B & K公司的PULSE软件中的计算方法和模型,计算出未经等响处理的24个声样本的物理声学参量(线性声压级和A计权声压级)和心理声学参量。
3.1.1 不同刮刷挡位客观参量分析图 3为不同刮刷挡位下4种车型的汽车雨刮器噪声的响度、波动度、尖锐度和粗糙度4个心理声学参量的变化图。
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图 3 不同挡位雨刮器噪声客观参量变化图 |
图 3(a)可以看出,高速挡的双耳响度均高于低速挡,且不同挡位的双耳响度值排序与主观结果一致,由低到高均为3—1—4—2;(b)图中的波动度除车型3外高速挡的值高于低速挡,但不同挡位的波动度值排序与主观结果不一致;(c)和(d)图中的尖锐度和粗糙度低速挡的值高于高速挡。说明响度和波动度是导致高速挡烦恼度大于低速挡的影响因素。
3.1.2 不同刮刷方式客观参量分析图 4为不同刮刷方式在高速挡下的4种车型的雨刮器噪声的4个心理声学参量变化图。可以看出,1、2、3号样车上刮与下刮刷方式下的双耳响度、尖锐度和粗糙度的值非常接近,而波动度的值却存在很大差异,说明波动度是影响上下刮刷烦恼度不同的主要原因。
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图 4 不同刮刷方式雨刮器噪声客观参量变化图 |
将2个声学基本物理量和4个常用心理声学参数的值与主观评价结果进行Pearson相关分析,以确定各参量对雨刮器声品质的影响程度。为了减小各参量之间的差异,采用以各参量与其最大值的比值作为数据值的方法进行归一化处理。表 2可以看到主观烦恼度结果与响度的相关系数高于A计权声压级,进一步证明了响度比A计权声压级能更好地描述人们对声音的感受。心理声学参数中,波动度与主观评价结果的相关系数仅次于响度,应证了雨刮器噪声信号的非稳态特征。而尖锐度与烦恼度结果几乎不具相关性,由于雨刮器噪声主要集中于低频成分,人耳难以感觉到尖锐度的变化程度,因此尖锐度对主观烦恼度的影响较小。
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表 2 烦恼度得分与各客观参量间的相关系数 |
主成分分析是一种探索性的技术,它将多个相互关联的变量转化为少数几个互不相关的综合变量。通过主成分分析,可以挖掘出变量间的相关性信息,从而避开变量间的共线性问题,以免信息重叠[16]。采用SPSS软件对6个客观参量进行主成分分析,具体分析结果如表 3所示,共提取出3个主成分,也即综合变量,综合变量的个数主要由主成分中“特征值>1”的个数来确定。从表 3可以看出,变量“线性声压级”“A计权”和“响度”归属为一组,且主成分1在变量“A计权声压级”和“响度”上有较大的负荷,分别为“0.968”和“0.915”,说明声压级和响度两个参量对雨刮器烦恼度的描述具有同一性,对雨刮烦恼度的影响具有同步性,因而为避免信息重叠,只提取响度和波动度作为汽车雨刮噪声的主要影响因素。
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表 3 主成分矩阵 |
通过对所采集制作的汽车雨刮器噪声样本的烦恼度进行主客观评价分析,得出响度和波动度是影响雨刮器噪声烦恼度及其高低速挡烦恼度不同的主要因素,波动度是导致上下刮刷烦恼度差异的主要因素。然而,这些研究结果并不完善,还需要增加声样本和客观评价量,以提高评价精度和分析的全面性,同时,还应从雨刮器的结构类型(有骨和无骨)、尺寸和材料等因素对人们感知雨刮噪声烦恼度的影响方面进行分析,雨刮器的动力学对噪声烦恼度的影响也需进一步研究。
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