摘要:變速器齒輪敲擊噪聲具有聲壓級(jí)跳躍和寬頻帶特征,傳遞到車(chē)內(nèi)會(huì)引起駕乘人員煩惱,進(jìn)而對(duì)汽車(chē)的NVH性能造成影響。而傳統(tǒng)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)不能全面有效地反映敲擊噪聲特征,導(dǎo)致敲擊噪聲得不到全面有效的評(píng)價(jià)。因此,為了全面地對(duì)變速器敲擊噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià),基于心理聲學(xué)理論,對(duì)變速器敲擊室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)噪聲分別進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)與客觀心理聲學(xué)參數(shù)計(jì)算,然后對(duì)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果與各個(gè)心理聲學(xué)參數(shù)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)語(yǔ)言干擾級(jí)、響度、粗糙度、尖銳度與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)系數(shù)都超過(guò)了0.9。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用多元線性回歸方法建立了變速器敲擊噪聲評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)模型,并對(duì)模型進(jìn)行了檢驗(yàn)與驗(yàn)證,結(jié)果顯示回歸系數(shù)高達(dá)0.936,且預(yù)測(cè)誤差也在10%以內(nèi),可為變速器敲擊噪聲評(píng)價(jià)提供參考。
前言
汽車(chē)由多個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)組成,各個(gè)系統(tǒng)都會(huì)帶來(lái)NVH問(wèn)題,且具有其獨(dú)特的NVH特征[1]。變速器作為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件之一,其N(xiāo)VH問(wèn)題會(huì)在很大程度上影響汽車(chē)的NVH性能。其中變速器敲擊噪聲具有聲壓級(jí)跳躍和寬帶特征,當(dāng)前還缺乏全面有效的指標(biāo)或模型對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。人耳的聽(tīng)覺(jué)機(jī)制十分復(fù)雜,使得敲擊噪聲評(píng)價(jià)具有一定難度。然而基于人耳聽(tīng)覺(jué)感知特性的敲擊評(píng)價(jià)方法及模型是敲擊噪聲控制的基礎(chǔ)和前提。因此,如何建立考慮人聽(tīng)覺(jué)特性的敲擊噪聲評(píng)價(jià)模型,就成為了敲擊噪聲控制、優(yōu)化必須解決的一大關(guān)鍵問(wèn)題。
Bodden等[2]在針對(duì)齒輪箱敲擊噪聲的評(píng)價(jià)時(shí),考慮到齒輪箱敲擊噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)的撞擊聲比較接近,提出了“個(gè)性化評(píng)價(jià)”方法,但是其主要運(yùn)用于車(chē)內(nèi)噪聲評(píng)價(jià)。西南交大的高思奇[3]對(duì)變速器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真和整車(chē)試驗(yàn)。對(duì)變速器敲擊的評(píng)價(jià)提出了能量波動(dòng)指標(biāo)。廖芳[4]利用噪聲相對(duì)量辨識(shí)方法對(duì)變速器敲擊噪聲進(jìn)行分析,辨識(shí)出整車(chē)上齒輪敲擊噪聲的發(fā)生時(shí)刻、頻率范圍和水平。吳光強(qiáng)等[5]基于變速器整車(chē)試驗(yàn),提出了整車(chē)敲擊評(píng)價(jià)模型。蔡龍生[6]對(duì)變速器進(jìn)行了振動(dòng)噪聲試驗(yàn),得到了一些齒輪敲擊現(xiàn)象的特征,從而能定性的判斷出是否發(fā)生了齒輪敲擊現(xiàn)象。
綜上所述,學(xué)者們?cè)谧兯倨髑脫粼肼曉u(píng)價(jià)上取得了一定成果。然而這些評(píng)價(jià)方法大多都是針對(duì)車(chē)內(nèi)的敲擊噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià),目前針對(duì)敲擊臺(tái)架噪聲評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少。基于此,運(yùn)用考慮了人耳聽(tīng)覺(jué)感知特性的心理聲學(xué)理論,本文在借鑒國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上,首先進(jìn)行了變速器敲擊噪聲臺(tái)架試驗(yàn),采集到了臺(tái)架試驗(yàn)噪聲樣本。運(yùn)用等級(jí)評(píng)分法對(duì)噪聲樣本進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)。其次,計(jì)算了AI指數(shù)、抖動(dòng)度、隨時(shí)間響度、粗糙度、尖銳度、SIL-4、音調(diào)度等心理聲學(xué)客觀指標(biāo)和平均聲壓級(jí)、A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。利用相關(guān)分析闡述了不同心理聲學(xué)參數(shù)與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)聯(lián)性。最后通過(guò)多元回歸分析,建立了變速器臺(tái)架試驗(yàn)敲擊噪聲評(píng)價(jià)模型。
1 敲擊噪聲主、客觀評(píng)價(jià)
1.1 噪聲樣本
本次試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)臺(tái)架為AVL公司開(kāi)發(fā)的高動(dòng)態(tài)特性臺(tái)架,由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、兩個(gè)加載電機(jī)構(gòu)成,其中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置于半消聲室內(nèi)部,由隔音罩包圍。整個(gè)臺(tái)架動(dòng)態(tài)性能良好,可以實(shí)現(xiàn)輸入轉(zhuǎn)速波動(dòng),并且波動(dòng)量大小連續(xù)可調(diào)。臺(tái)架構(gòu)造如圖1所示。
圖1 臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意圖
試驗(yàn)對(duì)象為在整車(chē)試驗(yàn)中出現(xiàn)了敲擊現(xiàn)象的某型變速器,該變速器搭載四缸發(fā)動(dòng)機(jī),因此在臺(tái)架上模擬其2階輸出波動(dòng)激勵(lì)。采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)變速器近場(chǎng)噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,3個(gè)G.R.A.S麥克風(fēng)分別布置于距變速器包絡(luò)面10 cm處的變速器上方、前方、后方。
試驗(yàn)工況為各檔位下,輸入轉(zhuǎn)速分別在600 r/min、800 r/min、1000 r/min、1200 r/min基礎(chǔ)上連續(xù)動(dòng)態(tài)波動(dòng)。其中掛三擋、輸入轉(zhuǎn)速600 r/min、轉(zhuǎn)速波動(dòng)60秒內(nèi)從0 r/min波動(dòng)到±80 r/min工況采集到的變速器近場(chǎng)噪聲colormap圖如圖2所示。
圖2 變速器近場(chǎng)噪聲colormap圖
主觀聽(tīng)音發(fā)現(xiàn)在23秒左右可以明顯感受到敲擊噪聲。將得到的敲擊噪聲明顯、其他雜音相對(duì)較小的聲音文件進(jìn)行截?cái)嗵幚恚玫搅饲脫舫潭炔煌?2組噪聲樣本,每個(gè)樣本長(zhǎng)度為5秒,用于后續(xù)主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)和心理聲學(xué)參數(shù)計(jì)算。
1.2 主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)
主觀評(píng)價(jià)是以人為主體,通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查或評(píng)審團(tuán)評(píng)議的形式,并運(yùn)用試驗(yàn)心理學(xué)來(lái)研究噪聲問(wèn)題的一種評(píng)價(jià)方式。國(guó)際上常用的方法有成對(duì)比較法、語(yǔ)義細(xì)分法、排序法、等級(jí)評(píng)分法等[7]。本次主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)流程圖如圖3所示。
圖3 主觀評(píng)價(jià)流程圖
成對(duì)比較法簡(jiǎn)單易行,且評(píng)價(jià)是相對(duì)的,評(píng)價(jià)過(guò)程中成對(duì)的播放聲音樣本供聽(tīng)音主體做出主觀評(píng)價(jià),特別適用于聲音之間有微小差異的情況,但其數(shù)據(jù)量是隨著樣本數(shù)據(jù)量的平方增長(zhǎng)的。語(yǔ)義細(xì)分法是一種多元尺度評(píng)價(jià)方法,主要是根據(jù)評(píng)價(jià)主體運(yùn)用意義相反的形容詞對(duì)聲音樣本進(jìn)行登記描述,可以對(duì)多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)或多個(gè)尺度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。排序法常用于快速、簡(jiǎn)單的主觀評(píng)價(jià)中,但只能得出各個(gè)樣本之間的相對(duì)好壞,無(wú)法對(duì)樣本的好壞進(jìn)行量化[8]。等級(jí)評(píng)分法是將聲音的某個(gè)特性劃分為不同的若干個(gè)等級(jí),然后將各個(gè)等級(jí)以不同的分?jǐn)?shù)形式表現(xiàn)出來(lái),以分?jǐn)?shù)的形式將抽象的印象概念具體化,最后將得到的分?jǐn)?shù)值匯總,計(jì)算其算術(shù)平均值,將其視為該樣本的聲品質(zhì)的品質(zhì)等級(jí)。這個(gè)方法相對(duì)而言比較容易操作,對(duì)于評(píng)價(jià)者而言也相對(duì)輕松,但這也要求在聽(tīng)音試驗(yàn)進(jìn)行之前對(duì)評(píng)價(jià)者進(jìn)行培訓(xùn),了解評(píng)分的細(xì)則,進(jìn)行一定程度的聽(tīng)音訓(xùn)練[9]。另外,等級(jí)評(píng)分法需要對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行有效性處理。
通過(guò)對(duì)幾種主觀評(píng)價(jià)方法的比較,綜合本次試驗(yàn)的實(shí)際情況,選擇等級(jí)評(píng)分法對(duì)此次試驗(yàn)獲得的噪聲樣本進(jìn)行主觀評(píng)價(jià),等級(jí)劃分采用常用的車(chē)輛噪聲評(píng)價(jià)的10等級(jí)評(píng)價(jià)尺度。研究表明50人組成的評(píng)審團(tuán)和20人組成的評(píng)審團(tuán)評(píng)價(jià)結(jié)果得分均值與標(biāo)準(zhǔn)差幾乎相同[10-11]。因此20名評(píng)價(jià)者的評(píng)價(jià)結(jié)果就可以滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)要求。本次主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)選擇26名評(píng)價(jià)主體,其中女生7名,男生19名,評(píng)價(jià)人員包含了NVH工程師、在讀研究生,他們都身體健康、聽(tīng)力正常。在主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)之前,對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)者進(jìn)行噪聲樣本說(shuō)明與訓(xùn)練,主要為了讓評(píng)價(jià)者熟悉噪聲樣本與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。主觀評(píng)價(jià)打分表如表1所示。
一般來(lái)說(shuō),如果樣本數(shù)小于等于30,則利用斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[12]。因此利用斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)對(duì)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)者的評(píng)價(jià)結(jié)果與其他評(píng)價(jià)者相關(guān)系數(shù)的算術(shù)平均值,計(jì)算結(jié)果如表2所示。
由于1、3、15、20、22號(hào)評(píng)價(jià)者與其他評(píng)價(jià)者的平均相關(guān)系數(shù)低于0.7,故去除這些結(jié)果[13],對(duì)于剩下的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果,計(jì)算去除一個(gè)最高分和一個(gè)最低分剩下結(jié)果的算術(shù)平均值,作為最后的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果。斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)的表達(dá)式為
表1 敲擊噪聲主觀評(píng)價(jià)打分表
其中:Ri是第i個(gè)X值得秩,Si是第i個(gè)Y值得秩,、分別是Ri、Si的平均值。
1.3 客觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)
主觀評(píng)價(jià)可以直接反映評(píng)價(jià)主體對(duì)聲音樣本的感受,但是評(píng)價(jià)主體又容易受到外部環(huán)境干擾,而且個(gè)體之間也存在差異。因此,利用客觀心理參數(shù)建立變速器敲擊噪聲評(píng)價(jià)模型可以很好的避免上述問(wèn)題,還可以對(duì)其進(jìn)行數(shù)值化的評(píng)估。常見(jiàn)的心理聲學(xué)參數(shù)有響度、粗糙度、尖銳度、語(yǔ)音清晰度(AI指數(shù))和音調(diào)度等。本文選擇選擇Head ArtemiS9計(jì)算語(yǔ)音清晰度、波動(dòng)度、粗糙度、尖銳度、音調(diào)度、平均聲壓級(jí)、SIL-4、平均A計(jì)權(quán)聲壓等客觀心理聲學(xué)參數(shù)。
通過(guò)前面的主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià),得出了22個(gè)聲音樣本的主觀得分和客觀參數(shù)計(jì)算結(jié)果,最后結(jié)果如表3。
2 敲擊噪聲評(píng)價(jià)模型
組織評(píng)價(jià)者進(jìn)行主觀聽(tīng)音試驗(yàn)可以對(duì)各種噪聲進(jìn)行直接評(píng)判,直觀反映了人們對(duì)于某種噪聲的感受,然而主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且由于每個(gè)人個(gè)體之間的文化、經(jīng)歷等各方面的差異,使得主觀評(píng)價(jià)結(jié)果存在很大的差異[14]。因此,為了更好地研究變速器敲擊噪聲,有必要分析主觀評(píng)價(jià)結(jié)果和客觀評(píng)價(jià)之間的相互關(guān)系,希望能找到和主觀評(píng)價(jià)相關(guān)性高的一個(gè)指標(biāo)或者多個(gè)指標(biāo)的組合模型。
表2 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果平均相關(guān)系數(shù)
表3 客觀心理聲學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果
相關(guān)分析是根據(jù)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的變量之間的關(guān)系密切程度進(jìn)行分析的一種統(tǒng)計(jì)方法。而回歸分析是確定具有相關(guān)關(guān)系變量的表達(dá)式并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷的一種統(tǒng)計(jì)方法。他們都是研究和處理變量之間關(guān)系的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法?;貧w分析是建立在相關(guān)分析基礎(chǔ)之上,對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充,研究變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,并進(jìn)行預(yù)測(cè);相關(guān)分析是回歸分析的前提,對(duì)于相關(guān)性低的變量進(jìn)行回歸分析是沒(méi)有意義的[15]。因此,為了建立變速器敲擊噪聲評(píng)價(jià)模型,本文運(yùn)用相關(guān)分析和回歸分析對(duì)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果和心理聲學(xué)參數(shù)的相互關(guān)系進(jìn)行研究。
2.1 相關(guān)分析
(1)聲壓級(jí)與A計(jì)權(quán)聲級(jí)
齒輪敲擊現(xiàn)象發(fā)生后,嚙合非承載齒輪之間來(lái)回撞擊,輻射的噪聲使變速器近場(chǎng)聲壓值升高,敲擊噪聲具有聲壓級(jí)跳躍現(xiàn)象,有必要研究計(jì)權(quán)與非計(jì)權(quán)聲壓級(jí)與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)系。聲壓級(jí)與計(jì)權(quán)聲壓級(jí)同主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)聯(lián)情況如圖3和圖4所示,經(jīng)過(guò)計(jì)算,其相關(guān)系數(shù)分別為-0.927、-0.850。
(2)AI指數(shù)與SIL-4
AI即是語(yǔ)言清晰度[9],是一個(gè)百分比參數(shù),主要是對(duì)于語(yǔ)言可辨別程度的描述。語(yǔ)言干擾級(jí)定義為中心頻率600 Hz~4 800 Hz的6個(gè)頻段聲壓級(jí)的算術(shù)平均值[13]。語(yǔ)音清晰度指數(shù)與語(yǔ)言干擾級(jí)同主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)聯(lián)情況如圖5和圖6所示,其相關(guān)系數(shù)分別為0.872、-0.902。
圖3 聲壓級(jí)與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性圖
圖4 A計(jì)權(quán)聲級(jí)與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性
圖5 AI指數(shù)與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性圖
圖6 SIL-4與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性
(3)響度與粗糙度
響度與粗糙度同主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)聯(lián)情況如圖7-圖8所示,它們與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分別為-0.946、-0.906。
圖7 響度與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性圖
(4)波動(dòng)度、尖銳度與音調(diào)度
圖8 粗糙度與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性圖
波動(dòng)度、尖銳度、音調(diào)度同主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)聯(lián)情況如圖9-圖11所示,它們與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)系數(shù)分別為-0.117、0.767、-0.955。
圖9 波動(dòng)度與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性圖
圖10 尖銳度與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性
圖11 音調(diào)度與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性圖
2.2 回歸分析
相關(guān)分析結(jié)果顯示聲壓級(jí)、語(yǔ)言干擾級(jí)、響度、粗糙度、尖銳度與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)系數(shù)都超過(guò)了0.9,因此對(duì)這些參數(shù)與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析。
將1-19號(hào)聲音樣本作為模型的輸入,20-22號(hào)樣本用于對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn),以上述心理聲學(xué)參數(shù)為輸入變量,主觀評(píng)價(jià)結(jié)果為輸出變量,利用步進(jìn)方式進(jìn)行多元線性回歸計(jì)算,在計(jì)算過(guò)程中,如果F檢驗(yàn)的P值大于0.05將會(huì)被自動(dòng)消除。計(jì)算結(jié)果輸入如表4所示。
通過(guò)表4可以看出,音調(diào)度、尖銳度、聲壓級(jí)、語(yǔ)言干擾級(jí)的顯著水平都大于0.05,表明其概率較小,最終都未能進(jìn)入模型,所以,根據(jù)表格可以得出主觀和客觀多元線性回歸模型為
其中:SR為變速器敲擊噪聲評(píng)價(jià)模型,N為響度;R為粗糙度。
公式(2)即為通過(guò)變速器敲擊臺(tái)架試驗(yàn)采集到的噪聲計(jì)算出來(lái)的評(píng)價(jià)模型,根據(jù)表4可以看出,模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.967,調(diào)整后的線性回歸系數(shù)也達(dá)到了0.936,模型中參數(shù)置信概率也都低于0.05,符合多元回歸檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。模型的回歸標(biāo)準(zhǔn)化殘差圖如圖12所示。
圖12 主觀評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)化殘差圖
表4 多元回歸結(jié)果
可以看出并無(wú)離群值,符合回歸模型的基本假設(shè),最后利用計(jì)算值與實(shí)際評(píng)價(jià)值對(duì)模型的進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
表5 基于多元線性回歸聲品質(zhì)預(yù)測(cè)
預(yù)測(cè)誤差都在10%以內(nèi)。所以,多元線性回歸模型(公式2)可以作為變速器敲擊臺(tái)架試驗(yàn)噪聲評(píng)價(jià)參考模型。
3 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)某型具有敲擊噪聲的變速器進(jìn)行敲擊臺(tái)架試驗(yàn),得到不同程度的敲擊噪聲樣本,對(duì)其進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)與客觀心理聲學(xué)參數(shù)計(jì)算,并通過(guò)平均相關(guān)系數(shù)對(duì)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),去掉了幾組相關(guān)系數(shù)差的數(shù)據(jù),然后對(duì)主、客觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析,得到了如下結(jié)論:
相關(guān)分析可以看出,對(duì)于變速器敲擊臺(tái)架噪聲,聲壓級(jí)、語(yǔ)言干擾級(jí)、響度、粗糙度、尖銳度與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性都超過(guò)了0.9,其中尖銳度與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)聯(lián)度達(dá)到了0.955。
運(yùn)用多元線性回歸分析,建立了變速器臺(tái)架試驗(yàn)敲擊噪聲評(píng)價(jià)模型,并對(duì)模型進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)化殘差分析,為變速器敲擊噪聲評(píng)價(jià)提供了參考。
作者:郭棟,代文翔,劉驕,熊秀文
車(chē)輛工程學(xué)院 汽車(chē)零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室