（机械设计及理论专业论文）汽车声品质评价流程与软件系统开发的研究.pdf

汽车声品质评价流程与软件系统开发的研究 摘要 本文首先阐述了汽车噪声与振动舒适性( n o i s ev i b r a t i o na n dh a r s h n e s s 简称 n v h ) 的总体研究情况以及声品质评价在汽车n v h 中的重要地位。概述了国内 外声品质的研究现状。其次，简述声品质研究和发展过程中的重要内容，包括 了传统声学的概念、结合人自身听觉感知模型的心理声学的参数以及主观评价 方法和客观评价方法。对以上所有的研究成果进行整理，给出了声品质评价流 程。第三，为了解决声品质主观评价操作过程中的诸多不便，开发了名为“汽 车声品质主观评价平台”的软件，提高了主观评价的工作效率。软件不仅节省 了评价方案制定的时间，同时也方便了听音测试，减少了人为错误。最后，根 据声品质评价的流程，选取一些声品质主观和客观的方法，同时充分应用开发 的软件，对某乘用车进行了简单的声品质评价，并且针对评价结果做了相应分 析。 关键词：声品质主观评价客观评价评价流程 s t u d y o nt h ee v a l u a t i o np r o c e d u r eo fv e h i c l es o u n dq u a l i t ya n d d e v e l o p m e n t o fs o f t w a r e a b s t r a c t f i r s t ，t h i sa r t i c l ei l l u m i n a t e st h eg e n e r a lr e s e a r c hs i t u a t i o no fa u t o m o t i v e n v h ( n o i s ev i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) a n dt h ei m p o r t a n c eo fs o u n dq u a l i t y t h e r e s e a r c hs t a t u so fs o u n dq u a l i t yi nd o m e s t i c a n df o r e i g nh a sb e e no u t l i n e d se c o n d ，t h em a i nc o n t e n t so ft h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho fs o u n dq u a l i t yh a v e b e e n e x p a t i a t e d o n i tc o n t a i n st h ec o n c e p to ft r a d i t i o n a l a c o u s t i c s ，t h e p s y c h o a c o u s t i c sa n di t sp a r a m e t e r sr e l a t e dt ot h eh e a r i n gm o d e lo f m a n k i n d ，t h e s u b j e c t i v ee v a l u a t i o na n do b j e c t i v ee v a l u a t i o na n ds o o n w eg o ta ne f f e c t i v e s o u n dq u a l i t ye v a l u a t i o np r o c e d u r eb a s e do nt h es u m m a r i z a t i o no ft h er e s e a r c n r e s u i t sa b o v e t h i r d ，as o f t w a r en a m e d “s u b j e e t i v e e v a l u a t i o ns y s t e mo fv e h i c l e s o u n dq u a l i t y h a sb e e nd e v e l o p e dt oc o p ew i t ht h ec o m p l e xp r o c e s so fe v a l u a t i o n t h es o f t w a r en o to n l ys a v e st h et i m eo fm a k i n gs c h e m e so fe v a l u a t i o n ， b u ta l s o m a k e st e s t i n ge a s ya n dr e d u c e sm i s t a k er a t i o a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h es o u n d q u a l i t yp r o c e d u r e ，w es e l e c t e d w i t hs o m es u b j e e t i v ea n do b j c c t i v ee v a l u a t i o n m e t h o d st od oas i m p l ee v a l u a t i o no fs m a l lc a ri sc a r r i e do u tb a s e do nt h es o r w a r e d e v e l o p e d ，a sw e l la sa n a l y s i so f t h er e s u l t k e yw o r d s ：s o u n dq u a l i t y ； s u b je c t i v ee v a l u a t i o n ；o b j e c t i v e e v a l u a t i o n ； e v a l u a t i o np r o c e d u r e 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 ，1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 插图清单 平面波传播示意图7 耳的主要部分9 耳蜗构造图9 声音的各个方面：1 0 听觉范围。1 1 纯音标准等响曲线( 双耳自由声场) 1 l s o n e 与p h o n 的关系1 1 计权曲线图1 2 声级计基本构造j 1 4 掩蔽实例频谱图1 7 软件应用声品质评价简化流程图2 5 u m l 系统用例图2 5 系统功能总图2 7 系统数据库结构关系图2 8 计算机管理3 0 本地安全设置3 0 登录对话框3 0 软件主题界面3 0 用户管理3 1 车型名称设置3 2 试验名称设置3 2 样本设置3 3 样本信息设置3 2 选取评价样本库3 3 主观评价方法选择3 3 成对比较法设置3 3 打分法设置3 4 打分法模板设置3 4 语义细分法设置3 4 排序法设置3 4 成对比较法结果分析3 5 语义细分法结果分析3 5 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 1 图4 3 2 图5 一l 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 图5 一 图5 图5 一 打分法结果分析3 6 排列法结果分析3 6 数据库备份。3 6 数据库还原3 6 测评人设置3 7 成对比较法评价模板选取3 7 成对比较法评价3 8 语义细分法评价3 8 打分法评价3 8 排列法评价3 8 声品质评价发展历程，3 9 产品开发流程图4 0 汽车声品质开发流程图4 0 声品质评价应用流程图4 1 驾驶员左耳4 2 右后座右耳4 2 后备箱4 2 发动机舱。4 2 标准车内传声器布置图4 3 器材连接图4 3 总体偏好性4 8 偏好性与声压级关系图4 8 聚类关系图4 9 偏好性与发动机转速一5 0 偏好性与声压级5 0 a 类人群偏好性与粗糙度5 0 a 类人群偏好性与尖锐度5 0 b 类人群偏好性与粗糙度5 0 b 类人群偏好性与尖锐度5 0 关于1 号样本的f f t 图5 1 关于2 4 号样本的f f t 图一5 1 插表清单 表2 1g b1 4 9 5 7 9 机动车辆允许噪声1 3 表2 2g b1 4 9 5 - - 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限值1 3 表4 1 快捷图标对应的菜单命令3 1 表5 1 器材使用表4 3 表5 2 声样本名称表4 4 表5 3 声样本客观参数表4 4 表5 4 分组情况表4 5 表5 5a 组成对比较个体汇总结果4 6 表5 6b 组成对比较个体汇总结果4 7 表5 7 偏好性样本总体评分4 8 表5 8 聚类后样本的分值4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金月巴王些太堂 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一周工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 孝廖禄签字日期：7 中u 月z 仁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金筐王些态堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权金鲤王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴一懿氢凉麟 签字曰期：2 多口尹年月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 剐渺一月缈吕 电话： 邮编： 致谢 时光飞驰，两年多的读研生活即将过去。在论文完稿之际，首先要对我的 导师陈剑教授表示衷心的感谢! 感谢恩师两年多来对我的培养，对我学习上的 指导和生活上的关心。感谢陈老师在我在完成论文过程中提供的良好实验条件 和资料支持。从论文的选题、实验的开展与完成到论文的撰写及修改，都离不 开导师的指导和付出。同时，陈老师勇于创新的科研精神和严谨的治学态度也 给我留下了深刻的印象。 特别感谢李灿和杨雯同学两年多来在论文和工作上给予我的许多帮助，和 他们在研究方向，工作开展等方面的相互讨论和学习，让我的工作能够更加顺 利的进行并加以改进和完善。感谢钟秤平、汪念平和韩晓峰师兄在我学习过程 中给予过的帮助和指导，同时也要感谢我的同学高敬轩、雷达、张丰利、徐陈 夏、夏海和李家柱同学在我研究生阶段学习和生活上给予的鼓励和帮助! 感谢 师弟给我的一些意见和建议。 在工作的开展过程中，相互交流给予我很大的启发。在这里，感谢毕传兴 老师和徐小军老师在软件、硬件使用和工作的开展方面给予我的帮助和建议。 同时，也要感谢热情参加主观评价实验的所有人员，他们的参与为论文提供了 可靠的实验数据和研究基础。 最后，感谢我的父母，兄长和家人，所有的一切都离不开他们的支持和信 任，正是有了他们的理解和付出，我的学业才得以j l l 孵t j 完成。三年时间在人生 旅程中只是短暂的一段，但在这里所学到的一切将让我受用终身，再次感谢所 有帮助和关心过我的人们! 作者：宋恩栋 2 0 0 9 年3 月3 0 日 第一章绪论 1 1 汽车n v h 的总体情况 汽车是最重要的现代化交通工具之一。正是由于它的诞生，给人们的出行， 货物的运送等方面带来了便捷，也可以认为它的诞生对于整个国家各方面的发 展起到了强有力的推动作用。在发达国家中，许多著名的汽车企业在世界企业 排行榜中( 按总销售额排列) 均名列前茅，汽车工业产值约占国民经济总产值 8 ，占机械工业总产值3 0 ，其实力足以左右国民经济的动向。因此，世界各 个发达国家几乎无一例外地把汽车工业作为国民经济的支柱产业。 早期的汽车发动机功率很低而且都是在城市道路上低速行驶，噪声振动的 问题并不突出。2 0 世纪5 0 年代，一部中型轿车的发动机功率只有十几马力， 后来达到l0 0 马力。这时高速公路开始发展，车速不断提高，噪声与振动问题 日渐突现出来。到了2 0 世纪9 0 年代，一部中型轿车的发动机功率可以达到2 0 0 马力，噪声与振动问题就开始成为汽车开发工程中最主要的问题之一。 在汽车行业，人们谈论噪声与振动时，通常采用一个词n v h ，即是噪声 ( n o i s e ) 、振动( v i b r a t i o n ) 和不舒服( h a r s h n e s s ) _ _ 三个英文单词首字母的简写。人的 耳朵是一个非线性结构，对于不同频率噪声的听觉是不一样的。人对振动的敏 感程度是与频率、姿势和方向有关系的。噪声与振动能让顾客直接感受到车辆 是否舒适，所以他们在购买汽车时，对此特别关注。因此，在汽车开发过程中， 公司会投入大量人力和物力来减小噪声和振动。 先进的汽车厂家从8 0 年代以来已经将汽车结构的动态特性纳入产品开发 的常规内容。尤其是2 0 世纪9 0 年代以来，通用、大众、福特、克莱斯勒、丰 田等众多世界知名品牌汽车厂商的工程研究中心均设立了n v h 分部，专门对 汽车的各项噪声振动指标进行研发和改进。n v h 技术的最新进展与发展趋势是 将噪声振动控制的理念和技术纳入到新车型设计流程的关键环节，以期从设计 源头上确保车辆的n v h 品质。产品开发的前期噪声与振动设计在现代产品开 发模式中所占的比重越来越大。前期开发和设计包括新车型概念形成、基本外 形设计、内部空间符合人机工效学和使用基本尺寸、车身结构断面设计和三维 数字成型、主要部件b o m ( b i l lo fm a t e r i a l ) 的选择、部件空间的布置、整车主 要性能的定义、性能匹配的均衡以及成本和整车重量控制等。对于企业来说需 要制定振动噪声的具体目标来与影响产品开发的四个因素( 客户要求、政府法 规、竞争对手、公司技术水平) 【2 1 相对应。在汽车产品开发的中期，还没有模型 车，主要是车型详细设计，c a e 起到了关键作用。在产品开发的后期，设计完 毕，c a e 计算出个方面的性能达标后试制模型车。试验工程是对模型车进行主 观评价发现各种振动噪声问题【3 】。之后就是试验数据、c a e 分析、结构修改这 三者的反复，直到产品达到满意的效果。 1 2 汽车声品质的研究内容和国内外现状 汽车声品质是汽车n v h 问题研究与应用中非常重要的内容。司机和乘客 对于汽车的直接舒适性感受就是振动和噪声的感受，而声音的好坏就是其二者 中的问题之一，所以足见对于声音的设计和改进的是何等的关键。 最早的噪声声品质的概念可以追溯到18 8 3 年s t u m p f 提出的声特性( s o u n d c h a r a c t e r ) 的概念，用于描述具有相同声级不同感受的声音事件的物理特性。但 是，长期以来声品质的概念只是应用于厅堂音质、电声、乐器、语音等领域。 自2 0 世纪3 0 年代以来，人们不仅要求汽车“安静”，还关心它的频率组成成分， 与发动机转速的关系等的因素，即考虑声音的质量。2 0 世纪8 0 年代中期，致 力于汽车噪声控制的工程师们发现，传统的a 计权声压级不足以描述汽车噪声 的全部特征【4 】，单纯地降低声压级并不能改善汽车乘坐的舒适性。从9 0 年代中 期开始，在低噪声技术的基础上，国际汽车工业积极开展了声品质( s o u n dq u a l i t y ) 的研究。b l a u e r t 在19 9 4 年给出了声品质的明确定义【5j ：声品质是在特定的技 术目标或任务内涵中声音的适宜性。目前国际上公认的声品质定义是：声品质 是能够反映人们对于声音事件主观感受的适当描述【6 l 。汽车声品质研究目的就 是在满足人和环境的要求下，寻求符合汽车产品特性的声音。 1 2 1 声品质在国外的研究 在现代声品质评价流行之前，其实国外早已经对声音的某些方面有了比较 详细的研究。18 8 3 年，s t u m p 提出的声特性概念里面已经可以找到与心理声学 有关的最早概念。1 9 3 3 年f l e t c h e r 和m u n s o n 建立了等响度曲线1 7 】，19 5 6 年史 蒂文斯( s t e v e n s ) 弓i 入了计算响度指数的方法，1 9 6 0 年z w i c k e r 在进一步考虑了 人耳的听觉特性的基础上提出了以宋( s o n e ) 和宋巴克( s o n e b a r k ) 为单位的响度 和特征响度级( 或响度谱) 的计算方法。这些客观量值的引入使人们对于声音的 认识从单一的主观感受到详细的定量描述，从而对于声音才能制定相应规范和 标准。 19 5 9 年，s o l o m o n l i l l 首先将语义细分法用于声学的研究。德国奥登堡大学 和波鸿大学的学者用语意细分法的不同研究流程对车内噪声声品质进行了研 究。 1 9 8 5 年，日本丰田汽车公司的技术人员在美国汽车工程师协会( s a e ) 会议 上发表的“as t u d yo fn o i s ei nav e h i c l ep a s s e n g e rc o m p a r t m e n td u r i n g a c c e l e r a t i o n ”被认为是汽车声品质方面的第一篇论文。 1 9 8 7 年t e r h a r d ，1 9 8 4 年a u r e s ，1 9 9 0 年w e b e r ，1 9 9 7 年e l l e r m e i e re ta 1 分别对心理声学的感觉舒适性进行了研究。1 9 8 1 年b e r g l u n d 、c a r d o z o 、v a n l i e s h o u t 、k a s t k a 、m e l l e r t ，1 9 9 1 年w e b e r 、z w i c k e r ，1 9 9 7 年b e i d l 与 s t u c k l s c h w a i g e r ，2 0 0 1 年g u s k i 等人分别对心理声学的烦扰度进行了研究。众 2 多科学家对声音进行理论分析以及实际的听音实验，总结出了与声音的感觉舒 适性和烦扰度相关的些重要参数如：响度、粗糙度、尖锐度、音调度等。 l9 9 4 年，c h o u a r d 研究表明回放顺序对结果没有显著的影响，可以只进行 半矩阵的成对比较，而不用担心会出现不对称的结果，但不同的序列对评价者 来说难度有差异。近几年在具体的声品质应用研究中，对于成对比较法的数据 检验方法及分析模型( b r a d l e y t e r r y l u c e ，t h u r s t o n e m o s t e l l e r ，p r e f e ：f e n c e t r e e 模型等) 仍然处于不断的讨论研究中【l 。 1 9 9 7 年，欧盟在o b e l i c s 项目的支持下，对车内噪声声品质的客观评价 做了全面的研究，建立了车内噪声数据库和描述词汇体系【l 引，并将成对比较法 在声品质研究中较广应用。 1 9 9 7 年，b l a u e r t 和b o d d e n 等人指出，声音即不能没有，也不能太大，因 为它必须让用户明确产品的运行情况而不会影响人的交流，造成不舒适瞵j 。 1 9 9 9 年，o t t o 等人写过一篇关于汽车声品质评价指南一j 的文章，主要阐述 了对声品质评价的评价环境、评价准备工作、评价分析方法等进行了归纳总结 具有指导意义和实际应用价值。 1 2 2 声品质在国内的研究 我国对于声品质的研究工作开展的比较迟，但是在不少理论研究方面和许 多工程应用方面也取得了不少成绩。 同济大学声学所与上海大众汽车有限公司针对部分乘用车进行声品质方面 的研究，使某些车型声品质得到改善。同济大学毛东兴教授于2 0 0 3 年撰写成博 士学位论文中对声品质评价分析得到以下主要成果【l 2 j l l 3 j ：提出改进的成对比较 法和参考语义细分法，并对其中的误判情况建立了相应的考察方法。建立了结 合中国汉语具体实际情况的评价词汇体系。在数据分析方面运用多种手段，得 出了我国评价者的声品质参量主观感知特征，以及与国外现有的声品质参量之 间的相似性和存在的差异。以低沉度为一维评价量，偏好性为二维评价量，得 出相应结论，并对主观量和客观量进行了相关分析。 中国科学院声学研究所焦风雷博士等人提出了用非度量多维尺度分析 ( n m d s ) 方法来对声品质主观评价的结果进行分析。提出对于特定物体相关的声 品质，要恰当地描绘其特征，确定其特征维度的数目，因此需要采取合适的降 维方法，而在其过程中n m d s 可以达到很好的效果【1 6 】 1 7 儿1 引。 西北工业大学陈克安教授和闰靓等人在环境声质量的主观与客观评价方面 有所建树。提出了一套评价环境声质量状况的评价体系，该体系包括五级( 或十 级) 和百分制两种分类方法，由不同评价体系之间的联系，推导了环境声质量参 数的定量计算公式。该评价体系和所提出的环境声质量参数简单明了、物理意 义明确【l9 1 。他们还提出环境声质量分类评价体系和与之相应的定量评价指标 3 e s q 。并将这种指标作为一种新的环境声质量评价方法，以弥补现有评价方法 的不足【2 0 1 。 上海交通大学蒋伟康教授和陈双籍、陈端石等人就车内噪声的偏好性评价 结果与各心理声学参数进行多元回归分析，使以往单一的客观和主观评价参数 得以建立相互的关系，得到较好的综合评价结果。 我校噪声与振动研究所在老校长陈心昭和所长陈剑教授的带领下，很早就 开始了对于声品质的研究工作，在某些方面是走在全国前列的。陈剑教授在国 内率先提出了构建汽车声景的构想，并且带领研究生从事声品质的研究工作。 已经对现有的各种声品质主观评价和客观评价方法进行了详细的研究i z ，提出 了简单易行的声品质评价流程，并且在与企业的合作应用上取得了良好的效果。 现在正在努力构建汽车声品质评价流程f 2 2 儿2 3 j 和相应的软件的开发。 1 3 课题的来源、目的和意义 本课题来源于“国家8 6 3 重大科技专项”。 汽车声品质问题的研究最终目的是使驾驶员和乘客甚至于在车外的行人能 都能对汽车发出的声音产生舒适的感受。首先，由于汽车是要满足政府法令法 规才能投入市场使用的，因此传统的声学作为对汽车使用最基本的方面是不容 忽视的。其次，对于满足规定的声音需要进行心理声学参数的分析，使之尽量 令人产生舒适的听觉感受。汽车声品质研究的目的不仅要在汽车生产完成后对 声音进行测试评价，而且根据现代化设计趋势，更需在汽车n v h 正向设计流 程中将其运用，力图在车辆还没有制造出来时就能预测声音的基本参数和综合 品质，减少反复设计的过程，从而真正达到设计出具有符合不同车型、不同人 群需要的声品质的汽车。 汽车声品质的研究是非常具有理论意义和实际应用价值的。由于汽车n v h 性能是衡量汽车制造质量的一个综合性指标，它给汽车用户的感受是最直接。 有统计资料显示，整车约有1 3 的故障问题与车辆的n v h 问题有关系，而各大 公司有近2 0 的研发费用消耗在解决车辆的n v h 问题上。根据1 9 9 6 年对欧洲 汽车市场的调查，由于汽车的性能、质量等方面均已达到较高的水平，因此顾 客对乘坐舒适性的要求明显提高，仅次于对汽车款式的要求。作为噪声与振动 这二者中的一个方面，声品质的提高无疑直接意味着汽车n v h 性能的提升， 所以会影响顾客的选购，甚至决定一个汽车品牌的成败。汽车声品质的研究主 要内容是改善声品质，研究的同时也会对另一些汽车性能的改善带来直接或间 接的益处或者成为另一些问题研究的有力工具。如可以对噪声源识别提供帮助， 可以对车内声场的分布情况提供参考，为某些结构设计寻找不合理因素提供依 据，为噪声传递路径分析提供借鉴等。 4 1 4 论文的主要内容及结构安排 本文对现在主流的声品质主观评价方法和客观评价方法进行了研究总结， 给出了声品质评价的流程，并且按照制定的流程对某车进行了实际试验，运用 声品质评价方法对声样本进行了分析。其次，由于国内很少有声品质评价方面 的软件平台可以使用，因此针对这一现象并结合合肥工业大学噪声振动工程研 究所以往对声品质评价的经验，开发了“声品质主观评价平台软件，在对某 车声品质评价的过程中，该软件起到了节约时间，减小人为错误和误差的作用， 使声品质评价效率比起以往有了很大提高，使构建群体主观评价听音室更加方 便。 论文的结构安排如下： 第一章：介绍了汽车n v h 的总体情况以及声品质在国内外研究的进展和 应用情况，明确了课题的来源、目的以及意义； 第二章：介绍了传统的声学参数的计算以及声品质客观评价参数的描述和 计算，还从传统声学和心理声学入手介绍了人耳的感知模型特性； 第三章：介绍了声品质主观评价的方法和对应各个方法的要求； 第四章：结合声品质主观评价特点以及数据处理的特点，介绍了声品质主 观评价平台软件的开发情况和使用方法； 第五章：结合上述声品质评价流程，并且充分运用声品质主观评价平台软 件，对某乘用车定置的车内噪声进行了主客观评价分析并得出相应结论； 第六章：对论文工作进行总结，提出存在的不足和困难，对下一步能够开 展的工作计划进行展望。 5 第二章声品质的客观评价 声音的产生是自然的一种物理现象，而人正是通过对声音具有感知功能的 耳朵这个器官来对这一现象进行感知的。因此在了解声音产生原理以及声音的 客观参数计算的同时，对于人耳的感知情况的了解也是非常重要的。在本章中 将对声音产生的原理，传统描述中用到的客观参数，以及人耳对声音听觉的感 知模型和心理声学相关的声学参量进行阐述。 2 1 声学概念简介 2 1 1 一些声学概念的定义 在弹性介质中，若波源所激起纵波的频率，在2 0 到2 0 0 0 0 h z 之间，就能 引起人的听觉。在此频率范围内的振动称为声振动，由它激起的纵波就称为声 波。声波是物质波，是在弹性介质( 气体、液体和固体) 中传播的压力、应力、 质点运动的一种或多种变化【2 4 1 。 从声波的定义中不难看出声波的产生是有一定物理条件的。在通常情况下， 发声存在有振动物体，对于汽车，如齿轮箱的撞击，车门关闭等等。另一种情 况是无振源的声音，如压力气体喷射( 飞机火箭等燃料喷射) ，爆炸等情况( 汽车 发动机燃烧室内的爆燃情况等) 。除了声音产生的源头，作为声波的传播还需要 有媒质的存在，能成为声波传播介质的媒质是需要有一定密度，媒质的质点间 具有弹性，这样才能形成疏密波传播。 2 1 2 描述声的基本物理量 描述声波的三个重要物理量是波长兄( m ) 、频率f ( h z ) 和声速c ( m s ) 。声波 的波长定义为，密部和密部之间的相对距离；频率是每秒内完成的振动次数，( 即 周期的倒数) ；日常中提及的声速则是疏密部前进的速度。这三个物理量可用下 面公式相互联系 肚号= c t ( 2 - 1 )， 声音是在媒质中传播的，在媒质中本身就存在压力p ，称为媒质的静压力 ( 在空气中就是大气压) ，声波作用在媒质上导致基础静压力产生变化，这个压 力的变化量卯称为声压( 令p = d p ) ，这个量非常小，过去常用微巴来描述( 1 微 巴= 1 达因厘米2 = 0 1 牛顿米2 ) ，人耳通常感受到的声音通常在0 0 0 0 2 微巴到 2 0 0 微巴之间。由于声波的传播远比热传递快，故可看做绝热过程来处理，在 大气中传播的声音通常可以用下述公式来描述： d p = k s p ( 2 2 ) 式中k 是比热比( 绝热指数k = c p c v ，c p 是定压比热c v 是定容比热) ，规定 s = d p | p 。 6 图2 1 平面波传播示意图 为了更好的描述声波行进的具体过程，假设声波的传播是如图2 1 所示的 声音在二维平面上传播的，声速是鲁= c ，则可以通过推导得到声波的平面波 动方程： ( 2 - 3 ) 其中f 声波前进方向的变化，u 是质点振动的速度。在大气中，0 。c 时： c = 3 3 1 5 + 0 6 1 t ( 米秒) ( 2 4 ) 其中t 表示大气中的温度单位是o c 。 2 2 传统声学参数及意义 对于声音的测量不仅仅限于声速的测量，在传统声学测量与研究中，还需 要对声音的能量方面进行测量，这方面的研究已经很成熟。在汽车n v h 方面， 人们关注汽车的噪声声学指标。噪声是指不希望声的总和，这个不希望的概念 比较模糊，通常用声音是否过响，是否妨碍某些事物的发展，是否使人们听觉 产生不愉快，是否是可以忽视的噪声这些方面来描述【2 副。其中又以是否过响为 主要研究指标，传统声学即是对此进行量化的。 2 2 1 声音的基本三要素 声音的基本三要素包含声强、音调、音品。在单位时间里，通过单位面积( 与 声波前进方向垂直) 的声能平均时间率，称为声能通量或声强( 也称长度c 的容积 内能) 。通常用于描述声音的声强是声强的有效值，即在一个周期内的均方根值， 对于球面波或平面波来说可以表示如下： r 2 i 。= 丝( 2 - 5 ) p c 其中p 。是声压的有效值，空气在2 0o c 时p = 1 2 0 5 1 0 q 克厘米，c = 3 4 4 米秒。 7 吩一酽如一酽唧一舻 小 一 一 = = = 尸j、一： “一： p 一： 扩一所扩一钟铲一钟 音调取决于声音的基频率，若两波各自 、以，则1 0 9 ： z 值为音程，音程的 单位称为倍频程( 即传统意义上的八度音) ，若办为力的2 倍，则办比力高一个 倍频程。音品也称为音色，通常用一些形容词来修饰，如“宏亮”、“密度”、“粗 暴”、“丰满”等，是声音反映出声音表现力的一个方面，其主要产生的原因是由 于声音的组成结构不同所引起的。 2 2 2 最初考虑人耳接受情况的客观参数 十九世纪，经过韦f f l ( w e b e r ) 和菲克纳( f e e h n e r ) 的研究，得出了韦伯和菲克 纳定律2 6 l 描述到：人耳可辨别最小听觉变化址，与其刺激变化量和此时刺 激全量成一定比例关系。 缸：c i 竽 ( 2 6 ) 上式两边积分得： 三= c d g l( 2 7 ) 从上式可以看出人耳对声音的感觉满足对数关系。人耳最小可听声强厶在 1 0 0 0 h z 时为l o = 1 0 。2 瓦米2 ，于是用而来表示任意声强，的级别，称为声强级 ( s i l 或二) ： l ，= l o l g ( 如分贝) ( 2 8 ) 0 和声强相同，声压也可以表示成声压级( 即三或印) 的形式，听阂声压或基 准声压为p o = 2 x l o ( 1 0 0 0 h z ) ，p 表示实际声压： 印：l o l g 乓：2 0 l g 旦( 栅) ( 2 9 ) popo 通过( 2 5 ) 式可以看出声强级和声压级数值上在球面和平面波的情况下是相等 的。同时从声强级和声压级的计算方式可以看出，相同级的在同一点的叠加并 不是简单的数值相加，而需要从声强本身和声压本身考虑。两个声压级相同 p 1 = p 2 ) 的声源同时存在时，其合成声压级为： 印= l o l g 学= l o l g 萼= l o l 9 2 + l b 3 + ( 船) ( 2 1 0 ) 筋p o 声功率指单位时间内，声波通过垂直于传播方向某指定面积的声能量。但 一般指的是所谓声源声功率，即指某台机器所辐射的总声功率。将机器视为点 声源( 远场) ，则距离声源中一t l , 为，俐的球面上各点的声强，与声功率形的关系 为： 形= 4 n r 2 ，( 瓦)( 2 1 1 ) 声功率级用s w l 或三f f ，表示，其中基准声功率为= j d 。2 ( 瓦) ： 彤2 l w 。1 0 1 9 嚣) ( 2 - 1 2 ) 8 2 3 人耳的听觉感知模型 耳是听觉器官的统称。人耳可分为外耳、中耳和内耳( 如图2 2 所示) ，连 同各级听觉中枢组成听觉系统( 2 ”。听觉的声学过程发生在外耳、中耳及内耳的 耳蜗一部分，听觉的神经过程发生在耳蜗的感受器部分、听神经和听觉中枢。 听神8 h # l 。，。，一l l ，一 雉茸中耳内葺 图2 - 2 耳的主要部分 外耳包括耳廓和外耳道，主要起集声作用。中耳包括鼓膜、听骨链、鼓室、 中耳机、咽鼓管等结构，主要起传声作用。耳蜗主要起感声作用。 耳蜗( 如图2 3 所示) 是一有骨质外壳卷曲呈蜗牛状的三层平行管道结构， 三层管道内充满淋巴液，分别称前庭阶、鼓阶和蜗管，后者夹在前二者当中， 由软组织分隔。蜗管与鼓阶间的分隔称基底膜，上面排列着声音的感受器- 螺旋 器，其感受细胞为毛细胞。前庭阶和鼓阶各有一窗开向鼓室，分别称卵窗和圆 窗，宙上均有膜。卵窗膜与听骨链内端的镫骨底板连在一起。耳蜗靠近宙的一 端称基部，另一端称蜗顶。 图2 3 耳蜗构造图 9 正常耳的传声途径是声波作用于鼓膜，经听骨链传入耳蜗，称气导。鼓膜 面积比卵窗膜约大2 0 倍，听骨链的杠杆结构使在鼓膜端振幅大、力小的振动变 成在卵窗膜端振幅小、力大的振动，犹如一个变压器，起到阻抗匹配的作用， 从而提高了声音从空气媒质至淋巴液媒质的传播效率。声波也可通过头骨的振 动直接传至内耳，称骨传声，不过传播效率较低。 听觉的机理包括从声波的机械振动至电、化学、神经脉冲、中枢信息加工 等一系列过程。当听骨链推动卵圆窗膜产生振动时，声波便开始在耳蜗内的淋 巴液媒质中传播，先经前庭阶，后经鼓阶。在传播途径中的时差造成了二阶各 段每一瞬间的压力差，使基底膜上下波动，从耳蜗基部开始，顺序移向蜗项， 称行波。基底膜的运动使排列在它上面的螺旋器也相应地运动。 由于惯性等作用，螺旋器内不同结构运动的方向差和速度差产生一种力， 使感受细胞上的纤毛弯曲，改变了经常存在于蜗管和毛细胞之间的生物电流回 路中的阻抗，从而调制了通过的电流。电流的变化导致感受细胞与听神经4 末梢 间的突触释放化学递质，使神经末梢兴奋，发出神经脉冲。接受不同特性的各 种声音后听神经发出的脉冲在时间和空间上各有不同的构型，它们携带有关声 音的信息，顺序传至各级听觉中枢，经过处理和分析，最后产生反映声音各种 复杂特性的听觉。 2 4 心理声学与心理声学参量 由于人耳的接受声音信号的机理相当复杂，所以用上述简单的声学参数来 描述人对声音的感受是远远不够的。要全面的了解声音与描述声音需要包含许 多方面( 如图2 4 所示) ： 物理方面 a ，b , c i 戈线性计权声压级)( 持续对同和能量)f 频谱分布 认知度方面 心理声学方面 主观看法卜弋声事件的分类卜一时域的短时变化结构 声音信号的信息)f 声源的空间分布1( 声源数量和位置 双耳效应方面 图2 4 声音的各个方面 声音的声压必须超过某一最小值，才能使人产生听觉。能引起有声音感觉 1 0 的最小声压级成为听闽。不同频率的声音听阐不同f 通常没有干扰声的情况下， 图2 - 5 ) ，2 0 0 0 到5 0 0 0 h z 范围的听阈最小，频率大于或小于这个范围听阈都 增加。在1 0 0 0 h z 是4 d b 人耳就可以察觉，而1 0 0 h z 时只有达到3 0 d b 以上人 耳才能听到。当声压级增大到使人感觉不舒服、剌耳和有头痛感，这时的声压 级称为痛阈，听闽与痛阈的声压级分别为0 d b 和1 2 0 d b 。人的最佳可听范围是 5 0 0 到6 0 0 0 h z 。在2 0 到2 0 0 0 0 h z 这个区域内，在高频区域，随着年龄增长， 听觉逐渐下降( 即听闽会提高) 。 一 7 。飞 l 。_ ( 1 。 o 车o、) 一 。 vp 1 崭 “p 图2 5 听觉范围 人耳对声音强弱的主观感受不仅与声压级有关，而且与频率和波形有关。 工程上，用单位为p h o n ( 方) 的响度级来度量这种主观感觉。根据i s o 标准规定， 对于频率为1 0 0 0 h z 的纯音，响度级( p h o n ) 乖l 声压级( r i b ) 的值是相同的，只是单 位不同而已。对其它频率的纯音，响度级与声压级的关系，由标准的等响曲线( 图 2 6 1 给出。 豳2 - 6 纯音标准等响曲线( 职耳自由卢场) l m 口晰 幽2 - 7s o l l e 与p h o n 的关系 响度级“方”直接联系到声压级“分贝”，使用方便，但其在物理学或生理声 学方面都无听力计量基础。表达主观上判断声音大小强弱还需要另一种标度法， 就是响度。响度与响度级的关系和强度与强度及的关系不同，两者有不同来源， 关系不是自然的，而是实验结果。响度的定义是，以4 0 p h o n 响度级的响度n 为l 宋( s o n e ) ，听者判断为其2 倍响的是2s o n e ，为其1 0 倍响的是1 0s o n e 。通 过试验，得到很有结果很有规律，可以在半对数坐标纸上表示( 如图2 6 、图2 - 7 所示) s o n e 与p h o n 的关系。用数学表达式可以表示成： n = 2 “。4 0 ( 2 1 3 ) 或 l = 3 3 l g n + 4 0( 2 - 1 4 ) 式中n 为响度，单位s o n e ；l 为响度级，单位为p h o n 。响度级等于同响的1 0 0 0 h z 的声强级可得 n = ，0 0 4 i o ) r ( 2 一1 4 ) 考虑到人耳听觉在不同的频率有不同的灵敏度，在一般噪声测量仪器中， 常配置一些特定的滤波电路，叫计权网络，这些计权网络是根据图2 6 标准等 响曲线设计的，这些网络可以是其输出特性与等响曲线相反( 高频和低频灵敏度 底) ，因而输出就接近响度