桑塔纳3000轿车噪声测试与评价

I摘 要汽车诞生已过百年，其各方面的性能随着科学的发展而得到了极大的提高，但是随着人们生活水平的提高，人们对汽车的综合性能指标又不断提出更高的要求。声音品质已经像舒适性、操纵稳定性那样成为评价汽车的重要指标之一，本论文对 Santana3000 轿车噪声进行了测试与评价。首先本论文阐述了国内外车辆噪声评价技术的发展现状，讨论了噪声测试方法与评价方法。基于声强测试技术和计算机接口技术，本论文构筑了声音采集硬件系统，使用实验室的相应测试软件，实现了对汽车的噪声信号的数据采集。基于 Zwicker 心理学模型，本论文用 Matlab 语言编写响度的计算程序，同时编写了 A-计权指标的计算程序，分别用两种评价指标对 Santana3000 的噪声信号进行了基于人体主观感觉的客观评价。最后指出响度指标能更好地符合人对噪声信号的主观感觉。关键词： 轿车；A-计权；响度；声音品质；测试与评价IIAbstractIt is more than one hundred years after the car was invented. All aspects of performance of the car have been greatly improved with the development of science. However, with the improving of peoples living standard, more requirements of the comprehensive performance of cars are constantly getting higher. Similar like ride comfort, handling stability, sound quality has been become an important index for car evaluations. Therefore, a measurement and evaluation of the Santana 3000 noises, including the interior, exterior, and pass-by noises, were performed in this thesis. First of all, this thesis investigated the development situation of vehicle noise evaluation technology. Based on the sound-pressure testing technology and computer I/O technology, in this work, we established a sound acquisition hardware system. Using in-situ test software in our lab, we collected the date of vehicle noises. Based on the Zwicker psychology model, we compiled loudness calculation program by Matlab software, as well as an A-weighting calculation program, to evaluate the noise quality of the Santana 3000. We therefore obtained an objectively evaluation based on the subjective human feeling. The conclusions can be drawn that loudness is suitable to evaluate the sound quality.Key word: Car; A-weighting; Loudness; Sound quality; Measurement and EvaluationIII目录第一章 绪论 .11.1 本课题的提出及意义 .11.2 国内外研究状况 .21.3 本论文的研究内容 .3第二章 Santana3000 轿车噪声信号的采集 .52.1 噪声信号综述 .52.2 车辆噪声测量方案 .52.2.1 车内噪声测试方法 .62.2.2 汽车加速车外噪声测试方法 .62.3 噪声信号的测量 .72.3.1 声强测量的原理 .82.3.2 声强测量的标定 .92.4 实验系统的搭建 .102.4.1 系统所用设备 .102.4.2 系统的组建 .122.4.3 Santana3000 轿车信号采集 .13第三章 基于主观感觉的声音评价 .153.1 听觉的主观感觉 .153.1.1 听觉的生理基础 .153.1.2 听觉感知的基本特征 .163.2 评价参量及其计算方法 .183.2.1 A 计权 .183.2.2 响度 .22第四章 结论 .30致谢 .31参考文献 .32附录 A Matlab 计算程序 .33附录 B 英语参考文献及中文翻译 .381第一章 绪论1.1 本课题的提出及意义汽车诞生已过百年，其各方面的性能随着科学技术的迅猛发展而得到了极大的提高和改善。随着汽车技术的发展和人们生活质量的提高，对于汽车行驶的舒适性，尤其是对汽车的振动与噪声特性提出了越来越高的要求。各类噪声污染中，交通污染是最严重和影响最广泛的一种，有统计表明：70%的交通噪声是由车辆发出的。目前，噪声品质已经成为衡量汽车产品的一项重要质量标准，它直接影响产品在国内外市场的竞争能力。各车辆生产厂家都把车辆噪声的情况作为衡量车辆质量好坏的指标，都在尽可能地把车辆产生的噪声降低到最小程度。国内外都曾经出现过因汽车的噪声问题而影响市场销售的案例，也经常发生消费者就汽车的振动和噪声问题的投诉。为此，世界各国都制定了严格的汽车噪声控制标准和法规，各大汽车生产厂家也都投入了大量的人力和物力进行汽车振动和噪声发生机理和控制方法的研究，并取得了丰硕的成果。随着汽车向快速和大功率方面的发展，汽车噪声成为一些大城市的主要噪声源。汽车噪声主要包括：发动机的机械噪声、燃烧噪声、进排气噪声和风扇噪声；底盘的机械噪声、制动噪声和轮胎噪声；车厢振动噪声、货物撞击声、喇叭声和转向、倒车时的蜂鸣声等噪声。由于车辆噪声具有运动性，影响范围大，干扰时间长，因而危害性比较大。有关调查表明，城市噪声的 70%来源于交通噪声，而交通噪声主要来源于汽车噪声，因此国内外对汽车噪声的测试和分析都非常重视。本课题既是在这个背景下提出的。本论文的研究内容涉及到声学测量技术，信号分析技术、心理声学及生理声学等方面的知识。通过声学测量并结合信号处理技术可以获知声源的部位、声源的类别、声级或声功率级的大小等；结合信号的分析技术，进而得出噪声的时频特性和传播规律等；利用心理声学及生理声学方面的知识，可以做出人们对各种声音的客观评价。在以后的研究中就可以利用这些分析结果，判断出被测对象主要噪声源的具体发声零件或主要辐射部位，分析产生噪声的原因，进而提出合理的降噪措施和声音改良方案，去除令人不适的振动和噪声，改善声音质量，最终在汽车内外创造一个良好的声学环境。21.2 国内外研究状况轿车噪声主要来至于发动机噪声，发动机的噪声激励主要来至空气动力效应，燃烧过程中气体压力和旋转，往复零部件的机械激励等等。从二十世纪五、六十年代开始，国外一些研究单位和高校就进行发动机噪声方面的研究工作。英国的 T.Priodo 于 1960-1961 年在伦敦的机械工程研究会议上发表了关于柴油机汽缸压力谱形式和噪声关系文章。1973 年英国的 E.c.Grover、N.Lalor 发表文章阐述低噪音柴油机设计思想。1975 年 N.Lalor 和 M.Potyt 在 SAE 上发表了作为噪声源的内燃机机构振动模态。1982 年，M.F.Russell 在文章中对柴油机噪声控制技术进行了论述。与此同时，一些学校和企业也进行了大量的研究工作，英国的南安普顿（University of Southampton）振动噪声研究所于上世纪七十年代在对一些主要内燃机制造公司生产的内燃机噪声测试的基础上，提出了预测柴油机 A-计权声压级的经验公式，随着柴油机降噪工作的开展，英国的里卡多（Ricardo）公司又对该公式进行了修改。为了研究车辆噪声对人的听觉主观感觉上的影响，1985 年，来自丰田汽车公司的工程师发表在美国汽车工程协会（SAE ）会议上的一篇题为“A Study of Noise in a Vehicle Passenger Compartment During Acceleration”的论文被公认为是第一篇关于声质量方面的论文，它为后来的车辆噪声的评价起到了领起作用。与此同时，人们提出了听审团测试方法，1999 年来自福特，通用和人工头公司的工程师们在题为”Guidelines for Jury Evaluations of Automotive Sounds”的论文中较为系统地阐述了听审团测试方法的原理。各大汽车生产厂家也都深刻认识到车辆 NVH（Noise Vibration and Harshness）是企业汽车产品竞争的一大关键因素，美国通用公司和日本丰田公司等都有各自的 NVH 研究中心，已经成功地使各种汽车噪声降低了10dB 20dB 不等。我国在上世纪 80 年代就已经对车辆的噪声问题有了深刻的认识，早在1983 年国家科委就已经把内燃机噪声研究列为国家 38 项重点研究课题之一。从 1985 年开始进行噪声控制研究，但目前和发达国家在噪声研究和控制领域还存在较大差距：上世纪七十年代末，国产轿车噪声与先进工业国家同类型产品比较普遍高出 3dB-5dB，到 1989 年对国家标准 GB259-86“中小功率柴油机噪声限值”进行修订时，仅仅收缩了限值 1dB2dB。而根据日本环境保护厅的资料，从 1970 年倒 1990 年间其小客车噪声下降了 6dB(A)，大型车的车外加速度噪声级降低了约 10dB（A） 。有学者认为现在我国发动机噪声水平与发达国家产品之间的差距在进一步拉大，已经普遍高出 39dB。其原因主要是：我国执行的车辆和发动机噪声限值标准要就比国外低，汽车噪声控制的行政管理制度不如国外严格；国产轿车在降噪方面的研究工作开展的不够活跃，尤其是创造性的3关键技术研究不够；研究队伍和研究条件薄弱。目前国内无论是企业还是科研单位都已经认识到了和国外先进水平的差距，许多高校如吉林工业大学、合肥工业大学、天津大学、清华大学等和一些科研单位,企业如上海内燃机研究所、一汽、七零所等都投巨资建设了内燃机消声实验室，许多新的实验手段和技术都被应用于噪声的分析研究。1.3 本论文的研究内容本论文的主要研究内容包括 Santana 3000 噪声信号的测量和噪声信号的分析与评价如图 1-1 所示评价指标轿车噪声信号 传声器 放大器模数转换降噪处理时频分析图 1-1 轿车声音信号的采集及分析评价1.Santana3000 轿车声学信号的采集要对轿车的噪声信号进行分析和研究，首先要获得其声音信号。在声音信号的采集部分，目前最为流行的是基于互谱的声强测量技术，因为它具有对背景声音的抗干扰性、优化的精确度和实现现场测量的优点，所以本论文的实验就选择了声强测量法。本文使用实验室现有的声音信号采集硬件系统和测试软件，实现对轿车声信号的数据采集。2.信号的声质量评价声质量的概念自二十世纪八十年代出现于汽车工业以来，已广泛应用于汽车噪声控制的各个领域。无论从发动机噪声、吸排气噪声到轮胎噪声等部件级还是从整车级的运行噪声和车内音响系统的声音品质分析等都已广泛考虑声质量的因素。声质量，就像产品的造型、颜色和品牌一样，作为汽车产品质量的重要指标，日益显示其重要性。从工程角度讲，按照 Lyon1994的解释，声质量是 “人对产品声音的主观感觉的反应，它反映了听者对那个产品声音的接受程度：接受程度越高，则声质量越好。 ”按照 Blauert&Jekosch1996的定义，产品声质量是指“和某一产品相联系的声音的合适性（adequacy）的描述，它来自于对产品声音总的听觉特征的评价，这种评价是用户在他们实际具体的感知、活动和情绪的情况下进行的，4这种评价是用户参照他们希望的产品声音特征（集）来实现的。 ”这里的“ 合适性”也是以人的主观感受为评价依据的，本论文采用的是这个定义。对声品质的解释涉及到方方面面，仅仅借助于物理的测量是不能得到对声品质完整而确切的定义的。人的听觉对声音强弱的感觉不仅与声压级有关，而且与声音信号的幅值密度、谱成份和时间结构等都有关系。因此，结合人的听觉感受来对噪声进行评价，才是一个全面而又确切的方法。声质量评价方式的研究应当综合考虑声音的强度、频谱成分、频率特性和时间结构等的影响，而本文采用的声质量主要评价指标为响度（Loudness),这个指标的计算结合了人的心理声学和生理声学的知识，可以准确的表达人对噪声的主观感觉。5第二章 Santana3000 轿车噪声信号的采集2.1 噪声信号综述噪声是使听者不喜欢或无好感的声音的总称。因此，噪声不仅有声学方面的性质，而且还具有生理学、心理学方面的含意，即包括声音产生的不舒适程度和对人体影响程度在内。噪声从声学方面讲是一种由很多不同频率的声强组合的无规律的声波，是一种不协调的声音。机动车噪声产生的原因有：发动机工作噪声、行车噪声、车体振动噪声、制动噪声、喇叭噪声等，如图 2-1 所示。图 2-1 汽车噪声的组成部分2.2 车辆噪声测量方案国家标准中对汽车的不同工况的噪声限值和测试方法做出了相应的规定，所以进行汽车噪声测试时，对应于不同的工况，测试方法是不同的。62.2.1 车内噪声测试方法（1） 车内噪声测试条件车辆跑道应有足够试验需要的长度，应是平直、干燥的沥青路面或混凝土路面。测量时风速（指相对于地面）应不大于 3m/s。测量时车辆门窗应关闭。车内带有的其他辅助设备是噪声源，测量时是否开动，应按正常使用情况而定。车内除驾驶员和测量人员外，不应有其他人员。车内本底噪声（指假定测量对象噪声不存在时，周围环境的噪声）比所测车内噪声至少低 10dB，并保证车辆在测量过程中不被其他生源所干扰。（2） 车内噪声测点位置车内噪声测量通常在人耳附近布置测点，话筒朝车辆前进方向。驾驶室车内噪声测点位置如图 2-2。载客车室内噪声测点可选在车厢中部及最后排做的中间位置，话筒高度如图 2-2 所示。图 2-2 噪声测点位置2.2.2 汽车加速车外噪声测试方法（1） 测试所需的条件首先应选择合适的测量仪器。在没有任何调整的情况下，如果后一次校准读数相对前一次校准读数的差值不超过 0.5dB，则认为前一次校准后的测量结7果有效。同时必须选用准确度优于2%的发动机转速表或车辆测量仪器来监测转速或车速，不得使用汽车上的同类仪表。其次应选择合适的测试天气和场地。测量应在良好的天气条件下进行。测量时传声器高度的风速不应超过 5m/s，必须注意测量结果不受阵风的影响。场地的中心放置一个无指向小声源时，半球面上各方向的声级偏差不超过1dB。如果下列条件满足，则可认为该场地达到了这种声场条件： 以测量场地中心为基点，半径 50m 的范围不应有大的声反射物，如围栏、岩石，桥梁或建筑物等； 测试场地跑道应有 20m 以上的平直、干燥的沥青路面或混凝土路面，路面坡度不超过 5%，试验路面和其余场地路面干燥，没有积雪、蒿草、松土或炉渣之类的吸声材料； 声级计附近除测量者外，不应有其他人员，如确系不可缺少的人员，则应站在测量者的背后 被测车辆不载重，测量时发动机应处于正常使用温度，车辆带有的其他辅助设备都是噪声源，测量时是否开动，应按正常使用情况而定； 传声器附近没有任何影响声场的障碍物，并且声源与传声器间没有任何人站留，进行测量的观察者也应站在不致影响仪器测量的位置。（2） 测量区和传声器的布置加速行驶测量区域按图 2-3 确定。 O 点为测量区的中心，加速段长度为2*(10m0.05m)，传声器应布置在离地面 1.2m0.02m，距行驶中心线7.5m0.05m 处，并用三脚架固定。其参考轴线必须水平垂直指向行驶中心线。2.3 噪声信号的测量关于噪声的测量方法目前有两种，一种是声压测量，另一种是声强测量。声压测量是指声波传播时，在垂直于其传播方向上的单位面积上引起的大气压的变化，用符号 P 表示，单位为 Pa 或 N/m2。由于声压测量依赖于测点离声源的距离以及周围的环境，所以如果测点位置选择不当，测试环境的本底噪声很高、环境风速很大、传声器和噪声源附近有较大反射物时都会在一定程度上影响测量结果。不同的传声器取向也会给测量结果带来一定的误差。由于本课题的实验受到了试验环境和条件的限制，采用声压测量很可能带来很大的误差。所以本课题采用了声强测量的方法。8图 2-3 测量场地和传声器布置2.3.1 声强测量的原理1. 声压介质中声波所及的区域称为声场，声波在声场中是以疏密波的形式传播，所以在传播过程中在同一时刻不同体积元的压强是不同的。设介质处于平衡状态时，各处的静压为 P0,当声波传来时，某点的压强变为 Pf，其变化量为：P=P -P (2-1)f0变化量 P 就是声压。声压是时间和空间的函数。某一点的声压 P（t） 称为该点的瞬时声压。实际上人耳鉴别不出瞬时声压的变化，只能感受到一个稳定的有效声压。有效声压是一个变化周期内瞬时声压的均方根值，其表达式为(2-2)Tt dtp02)()(1其中 T 为周期。通常把有效声压成为声压，声压的大小反应了声波的强弱。2. 声强声场中某点处，与质点速度方向垂直的单位面积 S 在单位时间内通过的声能量称为声强，用符号 I 表示，单位为 W/m 。声强是描述声能流动的具有大2小和方向的声学量，某点的声强的大小等于该点声压与质点速度的乘积，即：9(2-3)(tupIrr3. 声强测量的方法声强测量有两种基本方法：一种是将传声器和测量质点速度的传感器相结合，简称 p-u 法；另一种是双传声器法，简称 p-p 法。结合本实验的实验条件，本文中采用的即是 p-p 法。p-p 法是基于两传声器测得声压的互谱关系得到的。测量时采用两个靠得很近的且性能一致的传声器 M 和 M 测得的声压。有 p(t),u(t)的互相关函数的定12义：(2-4)Tup dtutpR0, )(1lim)(声强的定义可以写成：(2-5)Trr tiI0)(li有 的傅立叶变换对可得到upR,(2-6)dSIupr )()(R ,0up,因为其实部为声源辐射的声强，频率从 0 到 ，所以声强谱表示为：(2-7)(21)(21)( *UPIee 将差分近似式作频域变换，得(2-8)2)(1120PjUr将其带入上式并取其虚部得(2-9)()(210pmrGII2.3.2 声强测量的标定由于两只传声器存在着相位差，所以在测量前需要对其进行标定。本课题的实验采用了 Sound Calibrator NC-74 麦克风标定器。102.4 实验系统的搭建为了实现轿车信号的采集与分析处理，本文基于声强测量技术和计算机接口技术，采用实验室现有的声音信号采集硬件系统和相应的测试程序，实现了对 Santana 3000 轿车噪声信号的采集。并使用 Matlab 软件编写了对信号数据进行分析和评价的程序，图 2-4 为测试布置方案图。图 2-4 测试布置方案2.4.1 系统所用设备1. 传声器为了同时取得被测点处的声压信号和质点运动速度，声强传感器必须配置11两个传声器。这种双传声器的组件称为声强探头。传声器是一种装有换能器的电声器件，在声波的作用下，换能器可输出相应的电信号，即将声波的机械能转变为电能。本课题的实验选用的是苏州声和震动技术有限公司的 1/4”，压电式麦克风 M117。符合 IEC651 一级标准。它的主要技术指标如下：频率响应：30Hz-4KHz （ 0.5dB）,4kHZ-20kHZ( 1.5dB)频率范围：20Hz-20KHz测量范围：30-130dB灵敏度：50mA/Pa 5%图 2-5 实验用传声器2. 放大器实验所用的放大器由本实验室自主研发，它的本底噪声为 20dB，如图 2-6。3. A/D 板A/D 板将传声器采集到的模拟信号转换成数字信号。实验中采用的是COMIZON A/D 板。它的主要技术指标如下：分辨率：16bit12最大采样频率：100KHz图 2-6 实验所用放大器4. 信号的处理部分本实验中由传声器采集到的声音信号经过放大器，A/D 板转换成数字信号进入计算机，利用 VC+语言编制的程序将数据文件保存成 “.txt”文件，然后再将其导入到 Matlab 中进行降噪处理，声音评价等。2.4.2 系统的组建为了实现噪声信号的采集和分析处理，系统的搭建示意图如图 2-7，系统搭建后就可以进行声音信号的采集了。Santana3000 噪声信号 双传声器 放大器A/D 采集卡信号的分析和处理图 2-7 系统搭建示意图2.4.3 Santana3000 轿车信号采集本实验在实验室进行，采用实验室 Santana3000 轿车，分别对该车的内部，13外部和外加速噪音的声音信号进行采集。两麦克风中心距为 2cm，距离传声器3m 之内没有障碍物，麦克风距离地面和轿车外距均为 0.5m，其参考轴平行地面。实验规则均参考中华人民共和国标准声学机动车辆定置噪声测量方法GB16170-1996汽车定置噪声限值进行检测；采样频率为 22050Hz。测量的实验情况和其时域信号如图 2-82-10 所示。图 2-8 外车辆时外部噪声信号，图 2-9 为时车辆内部噪声信号，图 2-10 为该车外加速噪声信号。由图可以看出，噪声信号的最大幅值 93.7 CAL = 96.9 88.4 95.5 93.2 83.1 58.6 57.0 56.1 56.2;left, cal, err = calibrate02(left0, CAL);ROW,COL = size(left);for k = 1:ROW for num = 1:5qqq = 2(5-num);for nn = 1:NN/qqqdata0(nn) = left(k,qqq*nn);endswitch numcase 1MidDataM01(k,:) = data0;case 2MidDataM02(k,:) = data0;case 3MidDataM03(k,:) = data0;case 4MidDataM04(k,:) = data0;case 5MidDataM05(k,:) = data0;endclear data0;endendsave Resampled_passby_halfm MidDataM01 MidDataM02 MidDataM03 MidDataM04 MidDataM05;M,N = size(BAcoefs);for k = 1:ROWfor n = 1:M B = BAcoefs(n,1:N/2);A = BAcoefs(n,N/2+1:N);if n = 1y0 = filter(B,A,MidDataM01(k,:);elseif n=2 & n=5 & n=8 & nt, and otherwise is 0, where t denotes the threshold. The candidate threshold rules and other options in the denoising functions in nonlinear shrinking were also carefully investigated. Finally, the selected parameters were: Daubechies wavelet “b3,” 7 levels, soft universal threshold equal to the root square of 2 log (length(f), assuming the model is basic and with unscaled noise. As an example, a denoised interior signal is shown in Figs. 1 and 2 is the corresponding spectrum. It can be seen that the harmony and white noise components of the sample interior noise are well-controlled. The wavelet shrinkage denoising technique is effective and sufficient for denoising vehicle noises. After signal denoising, a database of vehicle interior noises was established for evaluation by using filtering technique. The parameters of the filters designed by Matlab toolbox are shown in Table 1. Eighteen noise signals were generated by filtering the interior noises from the right ear of the dummy head, and 18 from the left “ear”41Fig. 2. Comparison of the interior noise spectra before and after the wavelet-denoising model422.中文翻译基于小波变换前神经网络模型的车内非平稳噪声质量预测摘 要本论文介绍了小波变换前神经网络模型，是一种新的噪声质量预测方法。基于车内噪声小波变换的前神经网络噪声评测模型混合了小波变换和神经网络分类的技术。作为一个神经网络模型，一个提取噪声特征的基于小波变换的模型被建立，结果证明，经过训练的神经网络模型更精确而且有效的对于非平稳车辆噪声信号的噪声质量预测。由于它非常突出的时间频率特性，基于小波变换的神经网络模型可应用于处理平稳和非平稳随机信号，甚至短暂的信号。在传统的心理模型方面，小波变换前神经网络技术不进能够预测、分类、比较车内噪声质量（响度、尖锐度）而且可以用于其他相关的工程领域1. 引言降低我们生活中日益增长的噪声水平，可以提高声音质量，因此提高生活质量。在过去的几十年中，汽车噪声占城市环境噪声的40%，因此汽车噪声控制已经成为一个非常热门的研究领域。汽车声音的主要问题不是造成听力损伤，而是声音舒适性。为了在汽车设计中提高声音舒适性，研究人员首先应了解怎样去评价噪声。最近已进行了大量相关的关于车辆噪声质量评价的相关工作。此外，一个有关人听觉的物理过程是，人感受到的声音与汽车发出的声音不完全一样；因此，许多心理声学指标，如响度、尖锐度、音调、粗超度、波动量、愉悦度等等，这些都可以解释声音刺激和人的感觉之间的定量关系，也可用于评价汽车噪声。可以看出噪声质量评测方面的算法复杂度和时间消耗并不能包括所有的人的情感因素和指定所有声音的反应。举例来说，汽车噪声质量研究往往把重点放在对一个或两个类型噪声的反应上，原因是每一种类型的噪音有每一种类型的特征。因此，开发一种新的强大的工具以便更精确的评价噪声品质是有必要、实用的。在声音质量评测领域，信号处理技术必须根据声音的特征细心的加以选择。文献7 ，8 经常提到平稳频率技术和非平稳频率技术。前者是用来算出那些非独一无二的特征，因此不适用于非平稳随机信号。时频技术，可以用来提取声音的瞬态特性。短时傅立叶变换在几个不同的窗口用一个标准的傅立叶变换。小波分析技术用一个母小波函数和一个离散或连续的尺度克服了短时傅立叶变换固有的固定时间频率问题。在运用中，离散小波变换和小波包分析，经常用于减少运算的数目，因此节省计算机运行时间。模糊功能和Wigner-ville分布比43短时傅立叶变换能更好的解决问题，