摘要：以乘用車車窗升、降時的駕駛員處雙耳聲信號為對象，引入綜合評價指標(biāo)心理聲學(xué)煩躁度，綜合相關(guān)性分析和主成分分析方法，提取出影響聲品質(zhì)的關(guān)鍵客觀參量。采用參考語義法進行主觀評價試驗，完成了數(shù)據(jù)有效性分析，結(jié)果表明：主觀評價試驗結(jié)果與客觀評價結(jié)果一致，影響車窗玻璃升降聲主觀感受的主要因素為抖動度、雙耳響度和尖銳度。研究結(jié)果驗證了基于心理聲學(xué)煩躁度進行聲品質(zhì)客觀評價與分析方法的正確性。

主題詞：車窗升降系統(tǒng) 聲品質(zhì) 心理聲學(xué)煩躁度 主成分 參考語義細(xì)分法

1、前言

電動車窗是現(xiàn)代轎車車門系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)部件，汽車玻璃升降系統(tǒng)是電動車窗的必備結(jié)構(gòu)，可使汽車具備良好的密封性和防盜性，但其周圍存在大量零件，運動復(fù)雜，使用過程中常產(chǎn)生噪聲，甚至出現(xiàn)異響，對車內(nèi)人員主觀聽覺感受影響較大。隨著人們對NVH性能要求的提升，消費者對于汽車的使用性能和質(zhì)量好壞的評判方式除通過駕駛體驗以外，車內(nèi)聲品質(zhì)也已成為測評指標(biāo)之一，不僅要求車內(nèi)噪聲滿足相關(guān)法規(guī)要求，還需要具有較好的車內(nèi)聽覺舒適性。因此，對汽車玻璃升降系統(tǒng)進行研究十分必要。目前，國內(nèi)外對車窗升降系統(tǒng)的研究主要在結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及改進車窗升檔降過程中的異響和某部件的聲品質(zhì)，而對該系統(tǒng)運行時的車內(nèi)聲品質(zhì)的研究較少。探索該類聲信號對乘員的主觀感受起關(guān)鍵作用的特性，進而有針對性地對結(jié)構(gòu)加以改進來提高聲品質(zhì)有重要意義。

本文對車窗升降過程中聲品質(zhì)進行整體測評和分析，旨在找出車窗升降系統(tǒng)聲品質(zhì)的影響因素。利用試驗采集6款汽車分別在2種工況下車窗玻璃升降的聲樣本數(shù)據(jù)，計算各聲樣本的客觀參量，通過差異性分析得出造成聽覺差異的主要客觀參量，通過主成分分析得到其主成分綜合模型。引用綜合評價指標(biāo)心理聲學(xué)煩躁度對聲樣本進行客觀評價分析，得出影響車窗玻璃升降煩躁度的主要客觀參量。最后采用參考語義細(xì)分法進行了主觀試驗，驗證了客觀評價分析的結(jié)果和思路。

2、車窗玻璃升降聲采集及預(yù)處理

試驗采用雙耳麥克風(fēng)（Binaural Microphone Type 4101）、6通道數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)處理軟件，如圖1所示。設(shè)置傳感器精度為20mV/Pa，采樣頻率為65536Hz。


圖1 聲信號采集試驗儀器

參照GB/T 18697—2002《聲學(xué)汽車車內(nèi)噪聲測量方法》，試驗在安靜的開闊場地進行，分別采集6輛不同品牌的家用轎車前窗玻璃升降聲信號。在每輛車的試驗中，駕駛員戴上雙耳麥克風(fēng)，關(guān)閉所有車窗玻璃后，分別測量前、后車窗玻璃下降和上升的聲信號，每個工況的測試操作連續(xù)重復(fù)2次。

截取效果連續(xù)完整、外界噪聲少的玻璃車窗升降聲信號，每個信號時長為3.6s，得到6輛車前、后車窗在下降、上升工況下的聲樣本24個，每個聲樣本包含左、右耳通道的聲信號。通過頻譜分析得到聲樣本的能量分布如圖2所示，可以看出，車窗玻璃升降過程的聲能量較為集中地分布在3 kHz以下頻段，汽車車窗玻璃上升、下降的聲信號均為非穩(wěn)態(tài)類信號。


圖2 車窗玻璃運動過程時頻分布

3、聲品質(zhì)客觀分析與評價

3.1 客觀參量計算

對客觀參量的計算和分析可以消除個體聽覺感受間的差別，對聲信號造成的主觀感受差別進行定量體現(xiàn)。結(jié)合各聲樣本的雙耳通道測試結(jié)果，計算各聲樣本的A計權(quán)聲壓級、雙耳響度、粗糙度、尖銳度和抖動度等5個聲品質(zhì)客觀參量，如表1、表2所示。

表1 下降過程車窗玻璃聲品質(zhì)參量


表2 上升過程車窗玻璃聲品質(zhì)參量


3.2 差異化分析

各聲樣本帶給人們的聽覺感受存在差異，為研究導(dǎo)致這種差異的參量，運用多變量差異比較法進行探討。由于各客觀參量間的量度范圍和數(shù)值差異較大，為便于不同參數(shù)間的分析和比較，對其進行歸一化處理：



式中，xi為客觀參量原始值；yi為歸一化后的值。

將歸一化處理后的數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果見表3、表4。

表3 下降過程各客觀參量方差分析


表4 上升過程各客觀參量方差分析


從表3、表4可以看出，在車窗玻璃下降和上升過程中，雙耳響度、抖動度的差異性最大，粗糙度其次，A計權(quán)聲壓級、尖銳度的差異性最小。即雙耳響度、抖動度和粗糙度是影響車窗玻璃下降、上升過程給人聽覺差異的主要客觀參量。對比表3、表4可以看出，與上升過程相比，車窗玻璃下降過程中抖動度差異性更大，說明該階段低頻部分的聲音能量抖動更加明顯。

3.3 煩躁度分析

心理聲學(xué)煩躁度（Psychoacoustic Annoyance，PA）是一個綜合評價指標(biāo)，通常與客觀參量一起評價聲品質(zhì)，在不進行成本較高的主觀評價試驗時，心理聲學(xué)煩躁度模型可以對人們對于聲樣本的主觀偏好性進行簡單預(yù)測，其定義為：



式中，N為響度；S為尖銳度；R為粗糙度；F為抖動度。

PA值越高，說明該聲樣本的偏好性越低。計算出各個聲樣本的PA值度如表5所示。

由表5可以看出，每輛汽車車窗玻璃升降的聲品質(zhì)均有差別，同一輛車的前、后車窗玻璃聲品質(zhì)差別較小。從心理聲學(xué)煩躁度來看，B車的車窗玻璃升降的聲品質(zhì)相對最差，D車相對最好，另外，車窗玻璃上升、下降過程中的聲信號引起的煩躁度大致相同。

表5 各聲樣本心理聲學(xué)煩躁度


3.4 相關(guān)性分析

對以上5個客觀參量進行相關(guān)性分析，以研究各聲品質(zhì)參量之間的相關(guān)密切程度，結(jié)果如表6、表7所示。

表6 下降過程車窗玻璃運動聲客觀參量相關(guān)性


注：*表示95%置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān)；**表示99%置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān)。

表7 上升過程車窗玻璃運動聲客觀參量相關(guān)性

注：*表示95%置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān)；**表示99%置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān)。

可以看出，車窗玻璃上升、下降過程中：雙耳響度、抖動度與綜合評判指標(biāo)PA顯著相關(guān)，是主要影響參量。

3.5 主成分分析

根據(jù)參量間的相關(guān)分析結(jié)果可以看出，部分變量之間直接相關(guān)性較強，存在信息上的重疊，與PA值的相關(guān)受到相互影響，因此需要進行降維處理，使其中每個主成分都能夠反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復(fù)，以得出各參量對樣本信息的表現(xiàn)能力。

下降和上升信號的主成分分析結(jié)果如表8、表9所示，主成分個數(shù)提取原則為主成分對應(yīng)的特征值大于1的前m個主成分，因此，兩過程均提取前2個主成分。

表8 下降過程主成分提取分析


表9 上升過程主成分提取分析


初始因子載荷矩陣如表10所示。從表10可以看出，車窗玻璃下降和上升過程中，第1主成分都反映了A計權(quán)聲壓級、雙耳響度、尖銳度和抖動度這4個指標(biāo)，而粗糙度都在第2主成分中得以表達。

表10 初始因子載荷矩陣


而由各指標(biāo)反映的主成分的表達式為：



主成分綜合模型公式為：


式中，Ai為各主成分的特征向量矩陣；Ci為各指標(biāo)在對應(yīng)主成分上的載荷矩陣；λi為各主成分對應(yīng)的特征值；Fi為各主成分；i=1,2；Zx為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。

計算可得車窗玻璃升降的主成分綜合模型為：


式中，ZdB、ZN、ZS、ZR、ZF分別為A計權(quán)聲壓級、雙耳響度、尖銳度、粗糙度、抖動度等指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

從模型可以看出，A計權(quán)聲壓級和粗糙度對車窗玻璃升降過程聲信號主成分的貢獻量最低；在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上進一步得出尖銳度對聲樣本的信息反映也有重要作用。

4、聲品質(zhì)主觀評價及分析

為了驗證客觀分析的結(jié)論，以主觀評價試驗加以分析。

4.1 主觀評價試驗

選用參考語義細(xì)分法，對6輛車的前、后車窗玻璃下降和上升工況的24個聲樣本進行主觀評測。參考語義細(xì)分法的參考樣本選擇有兩種方法：通過樣本的物理特性參量值，選出各參量處于全體樣本中間位置的聲樣本作為參考樣本；粗評樣本，從全體樣本中選擇處于中間區(qū)域的聲樣本作為參考樣本。由于已經(jīng)計算出各參量值，因此采用第1種方法。分別計算出升、降時各12個聲樣本各參量的平均值，依據(jù)客觀參量結(jié)果，下降過程選擇A車，上升過程選擇F車，分別作為下降和上升過程中的參考樣本。

對110人進行了題為“您認(rèn)為下題中的哪個詞匯更能描述車窗玻璃升降過程的聲音”的線上問卷調(diào)查[9]。針對響度的描述，設(shè)置了“喧囂的”“響亮的”“吵鬧的”3個詞匯；尖銳度描述設(shè)置了“揪心的”“尖銳的”“刺耳的”；抖動度描述設(shè)置了“抖晃的”“震顫的”“波動的”；主觀煩惱度則設(shè)置了“討厭的”“煩人的”“煩惱的”等詞匯。對統(tǒng)計結(jié)果去除無效問卷后隨機選用了100份調(diào)查結(jié)果，分別確定了“吵鬧的”“刺耳的”“波動的”“煩惱的”4個詞匯描述響度、尖銳度、抖動度、以及綜合評價煩惱度。每一項形容詞在評測時都包括“異常”“很”“比較”“一樣”“比較不”“很不”“毫不”等共 7 種程度，分別賦予7～1分。

選取26名試驗人員，分2次分別對汽車車窗玻璃上升、下降過程的聲樣本進行評價。試驗者均為在校學(xué)生，其中女生8名，從事振動噪聲方向研究的學(xué)生12名。試驗前對參與者進行了聽音培訓(xùn)和試驗過程解釋，培訓(xùn)中考察參與者對評價參量的理解準(zhǔn)確度，以保證數(shù)據(jù)的有效性。

4.2 主觀評價試驗數(shù)據(jù)處理

在主觀評價試驗中，評價時周邊環(huán)境的變化、評價者的心理波動及聲樣本的相似性干擾等都會對主觀評價的結(jié)果造成影響而導(dǎo)致錯誤，所以，在完成主觀評價試驗后，以統(tǒng)計方法對評價的結(jié)果進行有效性的檢驗十分必要[7]。在參考語義細(xì)分法中，有效性高的評價結(jié)果之間應(yīng)該存在較好的相關(guān)性。本文采用幾何平均相關(guān)方法進行數(shù)據(jù)有效性的判定，相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果如表11所示。其中相關(guān)系數(shù)很低的數(shù)據(jù)應(yīng)剔除，下降、上升過程中整體剔除率分別為12.31%和13.08%。滿足在一般評價中，數(shù)據(jù)剔除10%～20%的經(jīng)驗要求。說明“吵鬧的”“刺耳的”“波動的”“煩惱的”4個描述詞匯能夠較為準(zhǔn)確地描述對應(yīng)的客觀參量，試驗結(jié)果可信度高。無效數(shù)據(jù)剔除后，重新得到每個參量的評價數(shù)據(jù)，從而得到參考語義細(xì)分法的最終得分，如表12、表13所示。

表11 車窗玻璃下降、上升評價結(jié)果相關(guān)系數(shù)

注：*表示數(shù)據(jù)無效，被剔除。

表12 車窗玻璃下降主觀評價結(jié)果分


表13 車窗玻璃上升主觀評價結(jié)果分


主要客觀參數(shù)與主觀煩惱度的對比如圖3所示，可以看出，所分析3個客觀參量與主觀感受有著緊密聯(lián)系，是聲信息特性的主要表現(xiàn)參數(shù)。主、客相關(guān)性分析結(jié)果如表14所示，主觀評價結(jié)果中，車窗玻璃下降、上升過程中，除抖動度、響度對主觀煩惱度有顯著影響外，尖銳度對主觀煩惱度的影響也很明顯，也印證了主成分析的結(jié)果，說明本文采用的客觀評價分析方法正確。


圖3 各樣本主觀評價結(jié)果

表14 主觀評價結(jié)果相關(guān)性分析


注：*表示95%置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān)；△表示99%置信區(qū)間內(nèi)顯著相關(guān)。

5、結(jié)束語

本文以汽車車窗升、降時車內(nèi)聲信號為研究對象，綜合差異性分析、相關(guān)性分析和主成分分析手段，提出了基于心理聲學(xué)煩躁度指標(biāo)的聲品質(zhì)客觀評價與分析方法，通過基于語義細(xì)分法的主觀評價試驗對客觀分析方法進行了驗證，并得出此類聲信號對人主觀感受起關(guān)鍵作用的客觀參量：抖動度、響度、尖銳度。與傳統(tǒng)的主觀評審試驗相比，基于信號本身的客觀聲品質(zhì)評價可大幅降低時間與物力成本，可為前期聲品質(zhì)設(shè)計與優(yōu)化提供參考。