（车辆工程专业论文）摩托车噪声主观评价研究.pdf

中文摘要 随着工业技术的发展，车辆的噪声问题越来越受到人们的重视，人们已经开 始注意到噪声的声音品质在很大程度上影响着消费者对产品的选择，声音品质的 改善目标是能够适应消费者要求的、容易被人所接受的、不令人厌烦的声音。本 文根据国内外声学主观评价研究现状，开展了针对摩托车噪声的声音品质主观评 价的研究工作。 本文首先对国内外主观评价研究工作的成果及方法进行了分析总结，简单介 绍了主观评价研究的理论基础心理声学中的基本概念和常用的心理声学参 数，分析了主观评价实验研究中需要注意的问题及可采用的实验方法。以1 5 种 1 2 5 m l 排量摩托车噪声为研究对象，选取其中比较典型的噪声作为评审团测试的 样本，通过评审团测试的方法获得了不同类型人群对不同摩托车噪声的主观评价 结果，并详细地分析了不同性别、年龄、职业人群对摩托车噪声的主观评价结果， 通过回归分析得到了主观评价结果和客观心理声学参数间的相关性。 本文从工程实际应用角度出发，得至人们普遍认为较好的噪声样本，结合心 理声学参数分析其频率结构，对摩托车噪声声音品质提出了改进意见。研究表明 适当增加噪声中的低频成分可以降低噪声的尖锐度从而得到较好的声音品质，降 低高频成分在整个噪声谱中的能量，使噪声谱的结构合理化。 论文从实验研究的角度出发，分析了不同心理声学参数对摩托车噪声声音品 质的影响。研究表明响度和尖锐度是影响摩托车声音品质的主要因素，而粗糙度 和波动度对声音品质的影响不大。随着年龄的增长，人们对尖锐度对摩托车声音 品质的影响变得越来越不敏感，而响度逐渐占据了声音品质影响因素的主要地 位。对于男性来说尖锐度和响度在声音品质的影响因素中同样占有很重要的地 位，尖锐度略占优势；对于女性来说响度通常是影响声音品质的最主要因素，而 尖锐度在其中起的作用并不大。 关键词：摩托车噪声控制主观评价声音品质心理声学 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g y , m o r ea t t e n t i o n sh a v eb e e np a i do n t h es o u n dq u a l i t yo fn o i s e t h i st h e s i sc o n d u c t ss o m er e s e a r c h e si ns o u n dq u a l i t yo f m o t o r c y c l eb a s e do nt h er e s u l to fd o m e s t i ca n do v e r s e a t h em a i nc o n t e n t sa r ea s f o l l o w i n g s ： f i r s t l y , as u m m a r yo f r e s e a r c ho ns u b j e c t i v ee v a l u a t i o ni sg i v e na n dt h e na b r i e f i n t r o d u c t i o no fp s y c h o a c o u s t i c sa sat h e o r e t i cb a s i sf o rs u b j e c t i v ee v a l u a t i o ni s p r e s e n t e dw i t hs o m eb a s i cc o n c e p t s ，f r e q u e n t l yu s e dp a r a m e t e r s ，s o m ep r o b l e m sn e e d c o n s i d e r a t i o na n dm e t h o d si ne x p e r i m e n t s t h e ns e v e r a lt y p i c a ln o i s es a m p l eo f15 t y p e so f1 2 5 m lm o t o r c y c l ei sp r o v i d e a tt h ej u r yt e s tt oo b t a i n t h es u b j e c t i v e e v a l u a t i o no fv a r i o u st y p e so fp o p u l a t i o n b ya n a l y z i n gt h es u b j e c t i v ee v a l u a t i o n r e s u l t so f d i f f e r e n tg e n d e r s ，a g e s ，a n dp r o f e s s i o n so f t h ep o p u l a t i o n ，w ef i n a l l yg e tt h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h er e s u l t so ft h es u b j e c t i v ee v a l u a t i o na n dt h ep a r a m e t e r so f o b j e c t i v ep s y c h o a c o u s t i c st h r o u g hl i n e a rr e g r e s s i o n t h et h e s i sp r e s e n t ss o m ea p p l i c a b l em e a s u r e st oi m p r o v et h es o u n dq u a l i t yo f m o t o r c y c l eb ya n a l y z i n gt h ef r e q u e n c yc o m p o n e n to fw e l l a c c e p t e dn o i s es a m p l e s w i t ht h ec o m b i n a t i o no f p s y c h o a c o u s t i c sp a r a m e t e r s t oo b t a i nab e t t e rs o u n dq u a l i t y , i ti sn e c e s s a r yt oi n c r e a s et h ep o w e ro fl o wf r e q u e n c yw h i l ed e c r e a s et h ep o w e ro f h i g hf r e q u e n c yt or e d u c es h a r p n e s so ft h en o i s ea n dr a t i o n a l i z et h en o i s ef r e q u e n c y s p e c t r u ms t r u c t u r e w i t hs o m e e x p e r i m e n t s ，w ea n a l y z e t h ei n f l u e n c eo fs o m ed i f f e r e n t p s y c h o a c o u s t i c sp a r a m e t e r so v e rm o t o r c y c l es o u n dq u a l i t y l o u d n e s sa n ds h a r p n e s s a r eo fg r e a ti m p o r t a n c et ot h es o u n dq u a l i t yo fam o t o r c y c l ew h i l er o u g h n e s sa n d f l u c t u a t i o ns u e n g t hi so fl i t t l ei m p o r t a n c e w i t ht h ei n c r e a s eo fa g e ，p e o p l ea r el e s s s e n s i t i v et os h a r p n e s sw h i l em o r es e n s i t i v et ol o u d n e s s ，t oam a l es h a r p n e s sa n d l o u d n e s sa r ea l m o s to ft h es a m ei m p o r t a n c ei ne v a l u a t i n gas o u n dq u a l i t ya n dt h e f o r m e ri so fas l i ma d v a n t a g e b u tt oaf e m a l e ，m o r ec o n t r i b u t i o ni sg i v e nt ol o u d n e s s w h i l es h a r p n e s sc o u n t sf o ral i t t l e k e yw o r d s ：m o t o r c y c l e ，n o i s ec o n t r o l ，s u b j e c t i v ee v a l u a t i o n ，s o u n dq u a l i t y , p s y c h o a c o u s t i c s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同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了谢意。 学位论文作者签名：崩签字日期：对年月2 夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 毛氅 签字日期：2 a d 一年月1 ，7 日 导师签名：罗甩量 签字日期：抑年，月疗日 天津大学硕士学位论文 摩托车噪声主观评价研究 第一章绪论 随着工业技术的不断进步，世界汽车、摩托车工业的发展越来越追求性能和 品质，车辆的n v h ( n o i s e 、v i b r a t i o n 、h a r s h n e s s ) 性能无疑已成为衡量产品质 量和消费者选购的重要因素和依据，噪声问题已成为制造者所关注的重要课题之 一。在2 0 世纪八十年代，对于车辆和发动机而言，设计的关注点在于降低声音 的能量，即使得用d b ( a ) 测量的声压级能满足正在执行或即将执行的越来越 严格的噪声法规，而没有更深入地考虑其声音特性。进入2 0 世纪九十年代，在 低噪声的基础上，研究人员认识到不同的声音会对人的心理感受产生不同的影 响，即对噪声的主观感受直接影响着人们对产品的选择，于是开展了对噪声主观 评价的研究工作，提出了噪声声音品质的概念。声音品质的改善目标是能够适 应消费者要求的、容易被人所接受的、不令人厌烦的声音。可能的话，产品的声 音也会像其造型一样成为产品的卖点之一，直接影响到产品的市场销售潜力，所 以改善产品的声音品质已经变得越来越重要。 1 1 声音品质主观评价研究的发展与现状 1 1 1 声音品质的描述 声音品质的研究始于2 0 世纪八十年代中后期，德国a u r e s 研究了1 7 种钟声 及1 7 种日常生活中其他声音的品质，b r e r m e c r e 等对2 5 种有代表性的工业噪声 的骚扰性判断依据作了研究，日本m a e d a 等分析了摩托车发动机噪声的听觉感 受，试图开发一种噪声评判的尺度【2 j 。对人而言，判断噪声是否具有骚扰性的判 据是其主观感受的噪声特性或声音质量。由于人的主观因素的介入，有些产品用 d b ( a ) 测量是符合标准的，但听起来很不舒服，更有可能出现用d b ( a ) 测量 大的声音感觉上比小的听起来更容易被人接受的情况。 由于传统的声学物理参数并不能描述人的这种主观感受，而只能用柔和的、 低沉的、清脆的等等这类形容词来模糊的表述对声音的感受，如何准确地描述噪 声的声音品质成了一个问题为此国际上许多厂商和研究机构的专家学者做了大 量的工作，并提出了一些评价指标和参数，为声音品质的评价工作提供了可靠的 基础。奥地利a v l 李斯特公司的s c h i f f b a n k e r 和h u s s a i n 等作了开拓性的工作， 通过对6 0 种有代表性的发动机噪声的测量，按声学特征归纳为8 类指标，提炼 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 摩托车噪声主观评价研究 随着工业技术的不断进步，世界汽车、摩托车工业的发展越来越追求性能和 品质，车辆的n v h ( n o i s e 、v i b r a t i o n 、h a r s h n e s s ) 性能无疑己成为衡量产品质 量和消费者选购的重要因素和依据，噪声问题已成为制造者所关注的重要课题之 。在2 0 世纪八十年代，对于车辆和发动机而吉，设计的关注点在于降低声音 的能量，即使得用d b ( a ) 测量的声压级能满足正在执行或即将执行的越来越 严格的噪声法规，而没有更深入地考虑其声音特性。进入2 0 世纪九十年代，在 低噪声的基础上，研究人员认识到不同的声音会对人的心理感受产生不同的影 响，即对噪声的主观感受直接影响着人们对产品的选择，于是开展了对噪声主观 评价的研究工作，提出了噪声声音品质的概念【jj 。声音品质的改善目标是能够适 应消费者要求的、容易被人所接受的、不令人厌烦的声音。可能的话，产品的声 音也会像其造型一样成为产品的卖点之一，直接影响到产品的市场销售潜力，所 以改善产品的声音品质已经变得越来越重要。 1 1 声音品质主观评价研究的发展与现状 1 1 1 声音品质的描述 声音品质的研究始于2 0 世纪八十年代中后期，德国a u r e s 研究了1 7 种钟声 及1 7 种日常生活中其他声音的品质，b r e n n o c e 等对2 5 种有代表性的1 业噪声 的骚扰性判断依据作了研究，f 1 本m a e d a 等分析了摩托车发动机噪声的听觉感 受，试图开发一种噪声评判的尺度口j 。对人而言，判断噪声是否具有骚扰性的判 据是其主观感受的噪声特性或声音质量。由于人的主观因素的介入，有些产品用 d b ( a ) 测量是符合标准的，但听起来很不舒服，更有可能出现用d b ( a ) 测量 大的声音感觉上比小的听起来更容易被人接受的情况。 由于传统的声学物理参数并不能描述人的这种主观感受，而只能用柔和的、 低# 的、清脆的等等这类形容词来模糊的表述对声音的感受如何准确地描述噪 声的声音品质成了一个问题。为此国际上许多厂商和研究机构的专家学者做了大 量的工作，并提出了一些评价指标和参数，为声音品质的评价工作提供了可靠的 基础。奥地利a v l 李斯特公司的s c h i f t o a n k e r 和h u s s a i n 等作了开拓性的工作， 通过对6 0 种有代表性的发动机噪声的测量，按声学特征归纳为8 类指标，提炼 通过对6 0 种有代表性的发动机噪卢的测量，按声学特征归纳为8 类指标，提炼 第一章绪论 出4 8 个物理特征量，并对3 0 0 个应试者做了噪声骚扰度的统计分析【3 j 】，建立了 完整的噪声族谱的测试方法和以数理统计为基础的主观评价技术。其他如德国 f e v 发动机技术公司对车辆和发动机声音品质划分为1 1 种评价指标【5 】，日本学 者则将车辆噪声提炼出1 4 类评价指标，而英国r i c a r d o 的研究人员则将噪声的 主观评价归类为5 种指标【6 ”。 由于噪声主观评价方面的研究开展时间还不很长，影响声音品质的因素繁 多，其中还包括人种及地域分布等，噪声声音品质的评价指标至今还没有制定出 统一的标准，各个评价量都是各公司或民间组织根据特定的研究对象和目的自行 制定的。目前常用的噪声主观评价指标有响度、尖锐度、粗糙度、波动度、脉冲 性和周期重复性等。 1 1 2 声音品质的主观评价 主观评价研究中通常使用评审团测试( j u r yt e s t ) 的方法来获得人对各种声 音信号的主观感受，并通过统计的方法最终获得人们普遍对每种声音的好恶，从 而得到对各种声音品质模糊的文字描述和准确的评价指标以及传统物理学声学 参数之间的关系，并将获得评价最好的声音应用于实际生产和设计中。 a v l 李斯特公司的h s c h i f f b a n k e r 和m s c h n e i d e r 等在研究中采用了成对比 较法和理论推导中的分段选择法，应用这些方法挑选出能够最准确描述发动机噪 声主观感受的物理量。研究中利用仿真人工头将1 5 0 多种发动机噪声和4 0 多种 车辆噪声以立体声的形式录制下来，从中选出7 1 2 种具有代表性的噪声回放给 应试者，测试中由计算机随机成对播放声音样本，让应试者选择哪种更悦耳。 测试完成后，使用统计的方法用大量客观的物理参数对样本进行标定，目的是找 出最能反映主观评价的最佳参量，最终得到声音品质的骚扰性的判据是和声音的 响度、重复率、粗糙度和尖锐度及脉冲性相关的。 美国福特汽车公司则对车辆的启动噪声进行了主观评价研究【8 l ，得到影响声 音品质的三个主要因素为响度、启动持续时问和声学特性，并通过回归方程得出 启动持续时间和声学特性在主观评价中具有同等重要的作用，而响度与他们相比 是次要因素的结论。日本学者则发现对声音进行主观评价的主要依据是响度、脉 动性和频率特性，并且日本人比较喜欢清脆的声音。 1 1 - 3 以改善声音品质为目的的产品开发与设计 通过主观评价方法得到了人们普遍能够接受的噪声后，分析其频率结构和物 理特性，并对实际产品的结构进行改进和重新设计，在低噪声的基础上使其产生 的噪声接近所得到的目标噪声，最终提高产品在市场中的竞争力。 2 天津大学硕士学位论文 摩托车噪声主观评价研究 f e v 发动机技术公司长期致力于系统地应用声音品质( 尤其是内部噪声的 声音品质) 特性优化内燃机的研究。其总体设计思想是通过研究内部噪声的主观 评价，分析造成发动机噪声骚扰性的主要原因，并估计改进的潜力，确定目标噪 声值，优化内燃机设计。其研究步骤为：( 1 ) 发动机噪声的实时状态分析；( 2 ) 声音品质目标的确定；( 3 ) 零部件的声学设计。 美国著名的h a r l e y - d a v i d s o n 摩托车的声音已经成为其最明显的标志之 一，原因是其一直致力于改善发动机及排气噪声的声音品质，通过改变噪声的频 率结构，使摩托车发出低沉而有力的轰鸣声，并带有很强的节奏感，听起来不但 不会觉得厌烦反而感觉有些动听。这也许是改善声音品质的工作中晟成功的例子 之一了。 1 , 2 进行摩托车噪声主观评价研究的重要意义 在对车辆及发动机噪声声音品质主观评价技术的研究中发现，对声音品质的 主观感受和评价往往受人种、地域、经历等各种因素的影响。日本的田佃研究了 日本人和德国人对发动机声音品质的主观感受的比较，在六项指标中，四项差异 较大，其中两项出现了完全相反的判断。对被测的两辆日本车和一辆欧洲车，日 本人和德国人根据对声音品质的好恶做出了完全不同的取舍1 9 j 。 因此，由于民族习惯的差异，国际上对车辆及发动机噪声声音品质的研究成 果，不能完全作为我国开展以改善声音品质为目的的车辆及发动机开发和研究的 依据。借鉴国外的研究成果和方法，研究国人对摩托车声音品质的主观评价体系， 并将物理参数特征化，对于推动和提高中国摩托车工业的产品质量，提高产品的 竞争力，无疑具有重要意义。 研究并建立国人对摩托车噪声声音品质的评价指标，是我国开展高质量声音 品质的摩托车的研制和开发中必然会面对而又必须要解决的问题。其意义不仅在 于指导工程设计方面，而且在摩托车噪声领域的理论研究方面具有很高的学术研 究价值。研究占世界人口1 4 的中国人对摩托车声音品质的主观感受，为国际上 该研究领域提供中国人对摩托车声音品质的主观评价成果，丰富和发展国际上对 车辆及发动机声音品质的主观评价理论体系，无疑是对该研究领域的一大贡献。 本研究也是对声学研究中的边缘交叉学科心理声学的重要贡献，具有较高的学术 研究意义。 我国对声音品质的研究工作才刚刚起步，除了有关介绍国外研究状况的综述 文献外，国内对声音品质方面的研究工作还未见详细报道。 第章绪论 1 3 本文的工作 鉴于摩托车噪声问题的重要性，以及国内外目前的研究现状，特别是为了弥 补我国在摩托车噪声主观评价领域落后的状态，作者围绕摩托车噪声主观评价开 展研究工作。论文的主要内容包括： 1 论文第一章，首先介绍了国内外噪声声音品质的研究状况，论述了国际 上开展车辆噪声主观评价研究所采用的方法和研究成果，说明了开展摩托车主观 评价研究的意义。最后，说明本论文的研究目的和研究内容。 2 论文第二章，介绍了主观评价的基础理论心理声学，对心理声学理论的 基本概念进行了阐述，总结出了在主观评价研究中常用的几个心理声学参数。 3 论文第三章，介绍了国外现阶段通过评审团测试进行主观评价实验研究 的基本方法和注意事项，着重阐述了本文所采用的成对比较法在评审团测试中的 应用。 4 论文第四章，对不同摩托车噪声进行采样，通过分析噪声的物理特性， 反复试听确定最终进行评审团测试所使用的样本。通过开展评审团测试获得人们 对摩托车噪声的主观评价结果。 5 论文第五章，对通过评审团测试获得的主观评价数据进行了详细地统计 分析，从主观和客观两个方面分析不同类型的人群对摩托车噪声的偏好，最后通 过回归分析得到主观评价结果和客观物理参数的相关性，并给出了z y l 2 5 7 摩 托车排气噪声声音品质的修改意见。 6 在论文的第六章，主要就本论文的研究工作做出总结并对未来的研究工 作做出展望。 天津大学硕士学位论文 摩托车噪声主观评价研究 第二章心理声学基础理论研究 心理声学( p s v c h o a c o u s t i c s ) 是声音品质研究的理论基础。所谓心理声学， 就是研究听觉的心理反应的一门科学，这其中人的主观因素起很大的作用，对人 而言，判断声音是否具有骚扰性的根据就是其对声音品质的主观感受。由于人主 观因素的介入，有些产品声音用d b ( a ) n u 量是符合噪声标准的，但是听起来很不 舒服：更有些用d b ( a ) 测量值大的声音比小的声音听起来更容易让人接受。为了 客观的量化对声音的主观评价，国际上许多专家学者经过长期的理论和实验研究 提出一些心理声学的基本概念和基本参数，为主观评价工作提供了可靠的理论基 础【l o ，1 1 1 。 2 1 人耳的听觉特性 听觉是人对声音的主观反应，人耳的听觉范围即听阈。听阈如图2 - 1 所示， 通常情况下以频率的对数为横坐标，d b 值表示的声压级为纵坐标，同时也给出 了声强、声压、声强级的纵坐标。 黾蕙 仃斗2 1 0 , 21 l盂 州2 1 0 2 量 iq “：矿号 2 盯” i 仃珥2 1 0 - s i f r e q u e n c y 图2 - 1 入耳的听觉范围 位于最下面的实线表示绝对闻阈，也就是能听到纯音的最小声级；虚线表示 痛阈，也就是听觉区域的上限；实线和虚线之间的区域就是人耳的听觉范围，大 约是由2 0 - t 1 至2 0 k h z 。细点划线上方表示可能对人的听觉造成损伤的区域，低 =c事一一口c)o价 面a|4lscaiul d r 5 0 们 第二章心理声学基础理论研究 频区域人耳可以承受很高的声压级，但在1 - 5 k h z 只能承受大约9 0 d b 的声压级， 长时间暴露在这个数值以上的声音中就会对听觉造成损伤。图中阴影线表示的区 域代表我们日常生活中谈话和常见乐器所产生声音的区域，如果通过扬声器当然 可以达到更高的声压级。 人的听觉系统是非常敏感的，声能仅为o 0 0 0 1 m w 的声音可能已经超过了损 伤极限。人耳所能承受的不会造成永久性听力损伤的最大声压级和在声音中暴露 的时间长短有关，图2 1 中粗点划线表明一个经常听很大声音音乐的学生的绝对 闻阈上移，听觉造成永久性的损伤。 2 2 掩蔽效应和临界带宽 2 2 1 掩蔽效应 掩蔽效应在日常生活中扮演着十分重要的角色，一个典型的例子就是在安静 的环境下两个人对话只需要用很小的声音就能够互相听到对方，这时身边经过一 辆轰鸣的卡车，于是两个人都听不到对方说话的声音了。这里卡车发出的声音就 称为掩蔽音，两个人的说话声称为被掩蔽音。如果想继续两个人的对话，有两种 方法，一种是等卡车过去，另一种是提高说话的音量。这里两个人要想听到对方 所要提高到的音量称为掩蔽闻阈，增量称为掩蔽量或阈移。 概念上讲，掩蔽效应是心理声学中最基本的效应之一，简单的说就是对一种 声音( 被掩蔽音) 的听觉感受被另一种声音( 掩蔽音) 所影响的现象。掩蔽闻阈 就是被掩蔽音( 通常是连续的声音) 在掩蔽音的作用下刚好能够被听到所需要达 到的声压级。通常情况下掩蔽闻闽都在绝对闻阈以上，当掩蔽音和被掩蔽音的频 率相差很大的少数情况下，掩蔽闻阈和绝对闻闽是一样的。 纯音间的掩蔽比较简单：第一，对处于中等强度时的纯音最有效的掩蔽是出 现在它的频率附近的纯音。第二，低频的纯音可以有效地掩蔽高频的纯音，而 反过来则作用很小【l 。 噪音对纯音的掩蔽要复杂得多，图2 2 给出了以白噪声为掩蔽音的例子，在 不同声压级的白噪声作用下测试声音随频率变化的声压级。虚线依旧表示绝对闻 域，即没有掩蔽音时测试声音的可听度，实曲线表示白噪声在不同声压级下的掩 蔽闻阈。虽然白噪声的谱密度是和频率无关的，掩蔽闻阈也仅仅是在低频区域是 水平的。频率高于5 0 0 h z 时，掩蔽闻阈随着频率的增加而升高，增长的幅度大 概是每十倍频1 0 d b 。白噪声声压级增加1 0 r i b 相应的掩蔽闻阈也上移1 0 d b ，这 个有趣的结果表明宽带噪声产生的掩蔽效应是线性的。在很低或很高的频带，掩 天津大学硕士学位论文 摩托车噪声主观评价研究 蔽闻闽等和绝对闻阈重合。绝对闻闽对频率的依赖性在宽带噪声的掩蔽作用下几 乎完全消失。 图2 - 2 宽带噪声的掩蔽效应 l c a 2 l、?；= 1 7 5 a c u m 表示尖锐度s 的 a c u ms o n e 影响 。意知志+ o s ，啬j 表示波动度f 和粗糙度r 的影响 这个公式不仅能用于人工合成音，也可以用于工业技术上的声音，例如汽车 噪声、空气压缩机噪声或者圆锯等工具的噪声中。骚扰性系数概念的提出为声品 质工程提供了巨大的发展潜力。 2 7 本章小结 本章介绍了心理声学的相关理论，阐述了心理声学中的两个基本概念掩 蔽效应和l 临界频带，之后分别介绍了响度、尖锐度、粗糙度和波动度等几个常用 的心理声学参数，最后给出了主观满意度和主观骚扰性这两个综合评价指标的定 义和计算公式。 天津大学硕士学位论文 摩托车噪声主观评价研究 第三章噪声主观评价方法研究 在噪声的主观评价研究工作中，人们试图寻找哪方面才是决定声音品质的关 键。在很多人做过的噪声和振动的测试工作中发现仅对声学信号进行分析并不能 完全确定这些信号的声音品质，虽然通过分析声音的心理声学参数能够获得有关 声音品质的部分信息，但毕竟心理声学的发展时间不长，很多理论还不完善，还 是需要通过进行主观评价实验来获得人对声音质量的主观感受，进而和心理声学 理论相互印证。由此可以看出进行噪声主观评价工作的重要性。 噪声的主观评价是通过进行评审团测试( j u r yt e s t ) 来实现的，所谓评审团测 试是指对一群人做简单的主观的测试，而不是一次只对一个人做测试i l5 1 。主观的 测试可以同时对一个人或多个人进行测试，两种方法各有利弊。测试结束后统计 测试的结果从而获得对某种声音的主观评价。 3 1 听音环境 3 1 1 室内声学 如果声音是在房间( 消声室除外) 里进行回放的，扬声器和声音本身的频率 特性将会与房间的频率特性发生叠加，产生混响效应【16 1 。如果应试者位于房间内 不同的位置进行测试，他们听到的声音也会不一样，这就会影响到他们对声音做 出的评价。如果使用扬声器进行声音回放的话，就要对房间的结构大小、应试者 位置的布置、扬声器的位置等问题仔细考虑，以消除混响效应给测试带来的偏差。 3 1 2 环境噪声 降低环境噪声是准备主观评价实验中的一项重要工作。听音室中可能成为噪 声源的有计算机风扇、荧光灯、直流电源等，可以通过增加应试者和噪声源间的 距离、使用吸声材料覆盖噪声源、直流静音滤波等手段来减小这些问题带来的影 响，使外界噪声的影响最小化。 仅用d b 或者d b ( a ) 来测量室内的环境噪声是远远不够的，推荐的室内环 境噪声应该遵照n c r ( 噪声标准) 2 0 ，在1 6 8 0 0 0 h z 倍频程带的允许值都有规 定 1 7 , 1 8 】。在主观评价测试过程中，应试者的位置不能互相影响，最好将应试者相 第三章噪声主观评价方法研究 互隔开以减少互相之间的影响。当听到分贝较低的噪声时，感冒或者有呼吸系统 疾病的被测试者会对自己和其他被测试者都产生影响，从而对听到声音造成困 难。 3 1 3 测试环境 听音室对应试者来说应该是让人感到舒适的，室内看起来应该比较接近自然 而不是很专业的样子，因为室内布置得很专业会让被测试者感到紧张从而影响他 们对声音的判断。家具和墙壁最好用比较自然的颜色，舒适的椅子和耳机能避免 被测试者的注意力被其他事物所吸引，从而专心做测试。光线要适中，太暗的灯 光会分散被测试者的注意力，特别是在长时间单调的评价测试中。 室内温度应该保持在2 4 摄氏度左右，湿度应该保持在4 5 5 5 。室内通风 要好并且没有异味。 3 2 应试者的选择 应试者就是指主观评价实验中对声音做出评价的人。挑选应试者的时候需要 考虑以下几点因素：应试者的类型、应试者的数量和应试者的获得途径。 3 2 1 应试者的类型 应试者的类型是定义在其听觉经验、产品使用经验和人口统计学基础上的。 在听觉经验上，普遍的准则是要求应试者的听觉经验水平适合主观评价实验 的需求并且是典型的目标消费者l l 。一个有经验的应试者在判断某个声音的品质 上可能要比一个没有经验的人容易而且准确得多，一个没有经验的被测试者无疑 在辨识声音的细微差别上有困难，而这对测试来说是很重要的。不过大多数声品 质测试并不需要这么专业的人员，汽车和摩托车的声品质测试即在此类，不需要 非要找有经验的被测试者，而且完全使用专业人员进行测试并不好，因为专家常 常挑出微小方面的特点，而这些方面对大部分消费者来说并不重要。 在产品的使用经验方面，应试者对声音的判断通常会受到他们本身期望的影 响，这些期望受他们曾经使用过的同类产品特性的影响，这样当选择被测试者的 时候就要注意到这点。举例来说，我们不能让豪华轿车的使用者去评价运动赛车 的发动机噪声。由于公司员工有机会接触到各种产品，这样对他们来说基本不存 在这种影响，所以选择他们做为应试者中的大部分来参与声质量评价。当需要对 某部分特别的细节进行评价时，我们可以让这种产品的实际使用者作为应试者。 天津大学硕士学位论文 摩托车噪声主观评价研究 在人口统计学方面，应试者应该是涵盖各种年龄、性别、经济地位人群的统 计学混合，并在产品消费阶层中具有代表性。需要注意的是统计学混合并不等同 于统计平均，举例来说，豪华轿车部分的消费者层次应该大于5 0 岁并且男性在 其中占主导地位。当使用公司成员作为应试者时很难掌握统计学混合的尺度，通 常我们在测试中使男女各半。 3 2 2 应试者的数量 如何确定应试者的数量很大程度上取决于应试者是否接受过培训和主观评 价实验的难易程度。 对于简单的主观评价工作，基本不需要或只需要很少接受过训练的被测试 者，大部分被测试者可以通过参加短时间的学习来达到要求。问题在于需要多少 被测试者才能获得比较可靠的测试结果，这一点是很重要的，因为这意味着使用 n 个被测试者获得的结果和2 n 或1 0 n 个测试者所获得的结果是一样的，这样我 们就需要知道n 到底大约等于多少。如果我们知道了被测试者的反应的分布， 那样n 的值就可以通过计算已经得到的可信度来得知。在测量分布的时候有几 点限制，一是收集数据所需要的时间，另一个是响应比例并不像中心极限定理那 样总是符合通常的统计学假设，这样我们必须依靠评价工作经验来确定。通常来 说，被测试者越多越好，但评价所用的时间是一个固定的影响因素。通常在听录 音回放的评价工作中使用大概2 5 5 0 名公司员工作为应试者，大约有1 0 的应 试者的数据由于偏差较大会被舍弃。如果选择消费者作为应试者，大概需要 7 5 1 0 0 人参与f 2 0 】，消费者比公司员工在做出判断时具有更强的不稳定性容易导 致无效数据的比例升高。最后，通常要多找一些被测试者以防出现无效数据( 大 概比需要多出2 0 ) 。 复杂的评价工作通常需要在主观评价测试开始之前对应试者作一些培训，培 训包括让应试者对要听到的声音祁评价的任务都有所熟悉。必须提到的是由于培 训i 时间的限制，参与的应试者通常不会很多，通常不多于1 0 人，大多数时候少 于5 人，这就会导致这种评价工作中测试结果的不稳定性会很高。 3 2 3 对应试者培讨l 对被测试者的培训是指让应试者适应要听到的声音和整个主观评价工作的 过程。培训的程度取决于评价工作的难度，培训可以从简单的熟悉渐进到比较专 业的程度。 简单和复杂的评价工作应该区分开，简单的评价工作只需要应试者给出他们 对声音的判断，这种判断可以让应试者指出对两种声音的好恶或者对某一种声音 第三章噪声主观评价方法研究 的品质做出某种评价。由于大多数人习惯于做出判断，需要给他们介绍一些简单 的评价技巧。推荐使用日常生活中大多数人都听过的声音，这样应试者就不用再 练习认识声音。由于这些原因，被测试者很容易通过评价工作每个部分开始之前 的培训阶段来熟悉这些声音和评价过程，评价过程中所有的声音都要在培训阶段 让被澳0 试者熟悉并有个大概的想法，这是很重要的。在评价工作中如果应试者没 有对所有的声音有一个大体的概念，任何一个播放的声音都有可能被应试者错误 的判断。当听到一个很好的声音时，被测试者可能会给出最好的评价，但也许在 声音样本中还有比这更好的声音存在。 复杂的评价工作需要把没有经验或不熟悉这方面工作的应试者培训l 到一个 能让我们接受的程度，这就需要很多基本的心理声学方法。通常这种培训需要很 长时间，连续几周每天3 小时以上的培训，具体时间取决于评价工作的难度，当 成绩接近渐近线时培训工作就可以完成了2 2 j 。 3 3 声音样本的准备 当准备实际产品的声音质量的评审团测试用的声音样本时，要求使用高质量 的声音记录样本。高质量的声音样本是指能真实反映出产品的声音特性的样本， 并尽量排除外来的干扰。样本准备工作的充分虽然不能确保研究工作的成功，但 质量差的声音样本能导致一个其他方面均正常的实验的失败，所以录制声音样本 时要非常注意。总体来说，不论这个声音是在汽车的乘客席上录制还是在一个著 名的音乐厅由一个好的管弦乐队所演奏，产品声音的原音重现是必须的，这样能 使评审团成员感受到本来的声音。目前使用最多的可靠录制并再现原声的方法是 使用人工头把声音记录成数字格式并在特定环境中使用高保真耳机回放的双耳 录音技术。 3 3 1 声音样本的记录 数字录音在今天已成为记录声音样本的标准方法，有条件的话尽量使用。当 前声质量评价工作中应用最普遍的录音方法是使用数字式录音磁带录制声音，高 动态范围( 9 0 + d b ) 和便宜的存储介质是这种方法最主要的两个优点。 录音习惯：如果可能的话，每一个特定的主观评价测试中使用的声音都必须 是在同样的灵敏度和均衡设置下录制的，由于录制过程中录音系统设置是不变 的，这样可以减小由于硬件变化而引起操作误差的可能性，使用同一传感器灵敏 度录制的声音都可以通过被校准的耳机或扬声器在正确的回放音量下再现出来， 而不再需要软件或硬件上的额外放大补偿。这种习惯的另一个好处是确保录制到 天津大学硕士学位论文 。：一 摩托车噪声主观评价研究 的是同一个传感器的本底噪声，由于不同的传感器灵敏度会产生不同的相应仪器 产生的背景噪声声压级，所以这是个很重要的问题。这种由不同的灵敏度产生的 在录音中变化的不需要的噪声会影响应试者对声音的感觉，这种情况在a b 比 较模式下更为突出。录音时应尽量避免由于产品的工作状况有变化而使实验出现 偏差，还有一点需要注意的是，无论是使用人工头或者麦克风，录音过程中保证 相同的传感器布置是很重要的，这样才能保证录音的一致性。 测录声音时应根据传感器灵敏度合理选择量程，保证在不发生过载的情况下 获得最大的声音信号。典型的样本频率是4 4 ，i k h z ，压缩唱片标准，4 8 k h z 是数 字录音带标准，还有一些其他的样本频率，比如3 2 k h z ，用于一些d a t 机器和 计算机声卡上。4 4 1 和4 8 k h z 是最常用的样本频率，因为他们的频率响应范围 分布整个可听频率范围。如果将来想做成c d 声音文件那么应该是用4 4 1 k h z 的 样本。许多企业仅使用一种采样率作为录音标准( 例如4 4 1 k h z ) 。这能确保任 何基于声音文件的计算结果不会由于采样率的不同而不同。同样的，由于依赖硬 件，当不同采样率的样本被成对回放时声音输出也会出现同样的问题。由于具有 不同的时间分辨率，不同采样率的声音应该被认为是不相容的，这会影响到基于 它们的数据分析，使用工具可以使采样率变得相容从而可以进行回放和分析。 3 3 2 声音样本的选取 测试的样本选择应该以研究方向为根本。举例来说，如果测试的目的是研究 产品的声品质在同类有竞争力产品中的位置，那么就要用到从市场上弄来的其他 竞争者的产品。录制的实际产品的声音应是可靠的，并且让被测试者听到的是产 品的普通工况下的声音。有时产品是在极端的工况下运行时测试的，比如汽车油 门全开加速的声音品质测试，使用这种方法测量这种极端情况，可以比较容易的 查明产品声音之间的差异并发现潜在的声音品质缺陷加以改进。如果研究的目的 是为了给产品设计最好的声音品质，那么录制收集声音激励时应该让录制的声音 表现出各种各样相应的特征( 如嗡嗡声、嘶嘶声等) 或以声学参数( 响度、音高 或粗糙度) 来表现。通过认识全部声音的特征水平或感觉参数和声音质量的影响， 也许能找到最佳的声音品质，从消费者口中使用的像喜欢的、不恼人的、舒服的 这类形容词中提炼出最优的描述量。 录制下来的声音样本不能直接回放给应试者，而需要先进行相应的滤波、剪 辑、均衡等处理。 声音回放的目的是保证声音被完整地再现，声音样本需要事先准备以保证不 包含外来噪音。举例来说，当产品声音中包含外来的声音干扰时，比如说话声或 环境噪音等不应该让应试者听到的声音，应该通过编辑排除掉或选择没有被污染 第三章噪声主观评价方法研究 的录音片段。录制应该在安静的环境下进行，排除噪声对产品声音的干扰，保证 只能昕到产品的声音。在进行评审团测试前要仔细检查是否有不希望出现的噪 音。 由于人耳听觉的短期记忆功能，在直接对a b 两个声音样本的比较测试中， 入耳能够感觉出两个声音样本的微小区别。对稳态的声音来说，声音样本的长度 应该在3 到5 秒。对于瞬时的事件，像车门关闭的声音，如果要从短时间的声音 中寻找较大区别，也许需要重复播放多次声音样本。对于非稳态的时间历程比较 长的声音样本，例如加速噪声，则需要比较专业的测试人员。 可以通过调幅使每个声音样本的响度计权值相同。这是项很有用的技术， 我们需要应试者将注意力集中在声音其他重要的品质方面而不是响度上，尤其在 使用成对比较测试方法时这种方法非常有用。 3 4 主观评价方法 主观评价中所采用的评审团测试方法有排序法、打分法、成对比较法、语义 区分法、数值估计法等，每种方法各有利弊【2 3 , 2 4 】，没有一种方法能够适用于任何 主观评价实验中，所阻挑选对于自己的实验来浼最合适的方法是很重要的。 3 4 1 排序法 排序法是主观评价中一种比较简单的方法，只需要应试者按照某些评价指标 ( 骚扰性、声音大小等) 将n 个声音从1 到n 排序。声音样本是按顺序播放的， 应试者在测试中可以随意的重复去听声音样本来做出判断。由于排序任务的难度 会随着声音样本的个数的增加而成倍增加，所以通常排序法中使用的声音样本不 超过6 个。这种方法的最大缺点就是不能给出具体的分数信息，也就是说当应试 者确定了样本a 比样本b 好时，我们并不能从中知道样本a 到底比样本b 好多 少。由于存在这个缺点，如果想得到声音的主观感受和客观物理特性的相关性， 排序法起不了太大作用，一般不被采用。排序法通常仅被用在只想知道声音样本 相互间的比较关系的情况下。 3 4 2 打分法 打分法通常是通过数值来描述声音样本的质量，比如说我们熟悉的1 1 0 分 制。应试者对其所听到的声音质量的好坏或其与样本声音之间的差异的大小以一 个数字打分，声音样本通常是顺序播放并且不会重放的。这种方法简单快捷，并 天津大学硕士学位论文摩托车噪声主观评价研究 且直接给出分数信息，但是对于没有经过培训、没有经验的应试者来说做出正确 地打分是很难的。分数这个概念对于没有经验的应试者来说不大容易理解，很难 将它们与对声音的具体感受联系起来，他们习惯的是使用形容词来作出评价。如 何正确地把握尺度是很大的问题，所以对没有经过培训的应试者一定要慎重使用 打分法。还有一点需要注意的是，用打分法获得的分数来确定声音样本主观评价 和客观物理特性的相关性几乎是不可能的。 3 4 3 成对比较法 成对比较法是将声音样本成对回放，让应试者在两者中做出相应的判断，比 较法有很多评价形式，例如主观感受比较、察觉比较和