轿车排气噪声声品质的试验分析与优化研究

轿车排气噪声声品质的试验分析与优化研究

本文利用LMS b软件对消声器结构修改方案在实车上进行了试验测试，并进一步通过声学分析对声压级水平和声品质客观参量的前后变化进行了比较，最终确定出消声器最优方案，在实车上经验证满足要求，达到最终声品质优化的目的。

1 前言

长期以来行业内一直以A计权声压降低作为车内及车外噪声设计目标，但是声压级高低己经不能反映人们对于噪声信号的主观评价，因为人们发现即便声压水平满足法规要求，但是在车内仍然会感觉烦躁不安，甚至恶心呕吐，因此单纯以A计权声压级作为噪声评价标准的观念越来越受到挑战。本文利用声品质(Sound Quality)客观参量来反映人们对于声音事件主观感受的适当描述，并基于人的心理效应进行声学评价，以保证从主观和客观的角度对车内、车外噪声进行准确的分析和评价。

2 声品质计算理论基础

本文选取响度、尖锐度、粗糙度、抖动度这四个国际上比较常用的参量，并在建立国际上比较公认的数学模型在软件中进行计算分析。

2.1 响度

响度是反映人耳对声音强弱主观感受程度的心理声学参数，它考虑人耳对声音频谱的掩蔽特性，能比A声级更准确的反映声音信号的响亮程度。其单位是Sone，定义1kHz、40dB纯音的响度为1sone。在客观度量中，声音的强弱是由声波的振幅决定的。但是作为主观评价量的响度与振幅并不完全一致，它不仅决定于振幅的大小，还决定于频率的高低、频带的宽度、频谱特性和声音的持续时间。

人耳对声音的反应具有非线性特性和频率相关特性，这意味着对响度的感觉不能完全由声压级或它的谱来描述。由声压信号诱导出一种经验性的响度级，是由声压信号的频谱倍乘一频率计权函数得出来的。计权函数是以实验得到的等响度曲线为基础规定的，表达为声压级和频率二者的函数的响度感觉。图2.1为一簇等响度曲线，从中可以看出人耳对低频声和高频声的敏感性差别很大，在中频(1000Hz左右)范围内对声压级水平最为敏感。

为比较不同频率和声压级声音的强弱关系，提出了响度级的概念。响度级的单位为“方”(Phon)，在数值上等于与标准音(1kHz纯音)一样响时所对应的标准音的声压级。响度级是个相对的量，与响度不同，它并不与人对声音的强弱感觉成线性关系。

响度级LN与响度N的关系为：N=2(LN-40)/10(2.1)

图2.1 等响度感觉曲线

2.2 粗糙度和抖动度

噪声信号的瞬时变化能导致两种不同的感觉，低频变化时产生起伏抖动感，高频变化时产生粗糙感。比如以调制比为1的幅值调制1kHz单频音为例，当调制频率从低到高变化会给人产生三种不同的感觉：在低频调制时，给人的感觉是声音响度慢的上下起伏和抖动的感觉，在心理声学里以抖动度来描述声音的这种主观感觉；当调制频率大于20Hz时，起伏感消失代之以粗糙感，在心理声学里以粗糙度来描述声音的这种主观感觉；当载波频率大于2000Hz时，粗糙感产生于调制频率20～300Hz范围内，当调制频率大于特征带宽时，人能分辨出独立的变频音。

粗糙度和抖动度都是描述人对噪声信号瞬时变化的感觉，因此具有相似的性质，他们都与噪声的调制频率、调制比、中心频率和声压级等因素有关。其中调制频率和调制比对粗糙度和抖动度的影响最为显著，且粗糙度和抖动度都随调制比的增大而增大。对幅值调制而言，中心频率对抖动度影响不大，对频率调制声音，抖动度随中心频率增大呈下降趋势。声压级对粗糙度和抖动度的影响相对较小，声压级增加40dB粗糙度或抖动度增加2～3倍。

为定量地描述粗糙度和抖动度，需要规定粗糙度和抖动度的参考值。粗糙度的单位为“asper”，并规定调制比为1，声压级为60dB的1kHz幅值调制纯音在调制频率为70Hz 时的粗糙度为1asper。

Aures将总粗糙度看成是各临界频带内24各特征粗糙度的积分，提出了粗糙度的计算模型：

抖动度的单位为“vacil”，规定声压级为60dB调制比为1的1kHz幅值调制纯音在调制频率为4Hz时的起伏度为1vacil。与粗糙度的计算类似，抖动度的计算也采用瞬间掩蔽模式，以最大和最小声压级△L的形式表示：

式中，f mod为调制频率。

2.3 尖锐度

尖锐度是描述高频成分在声音频谱中所占比例的参数，它反映了声音信号的刺耳程度。由于人耳对高频声音比较敏感，因此尖锐度对声音的舒适程度影响很大，噪声尖锐度值越高，给人的感觉就越刺耳。尖锐度的单位是acum，规定中心频率为1kHz、带宽为160Hz 的60dB窄带噪声的尖锐度为1acum。

尖锐度模型与频谱的精细结构无关，而仅与频谱包络有关，影响尖锐度最重要的因素是噪声信号的频谱成分和窄带噪声的中心频率。声压级对尖锐度的影响相对较小，声压级从30dB增加到90dB尖锐度只会增加一倍；对尖锐度影响较小的另一因素是噪声的带宽，只要其带宽小于特征频带，带宽的变化与尖锐度无关。噪声信号的高频成分占优势时尖锐度就高，为此可通过改进信号的频谱，增加低频成分的方法来改善声品质。

对应某一临界带的尖锐度分量按下式计算：

其中， N＇(z)为该临界带的兹维克尔响度，g(z)为用于强化高频分量的计权函数，如图2.2 所示。

对于0～16Bark，g(z)的值为1；高于16Bark，g(z)按指数规律上升，即：

图2.2 计算尖锐度的计权函数

以“acums”表示的总尖锐度S，由尖锐度分量S＇(z)的积分求出：

3 消声器结构修改前后的车内车外声品质变化及分析

某轿车在急加速或快速松开油门工况下，在车外可明显感觉排气系统有瞬时沉闷的“噗噗”声异响；行驶时车内噪声较大，在加速工况尤为突出，主观感受为声品质粗糙，在后排座位感觉尤其明显。经过试验分析确定排气噪声对车内车外声音品质有重要影响，因此确定改善排气噪声进而提升车内车外的声音品质。

3.1 轿车排气管修改方案分析

对轿车后排气管消声器部分进行分解，绘出如表3.1所示原型结构示意图，分析该消声器气流流向，可以看到进气管和出气管上都有穿孔结构与管外密闭的空腔相通，消声器右侧腔室没有通道可以流出气流，而必须通过左侧腔室内的短的盲管才可以流出，因此右侧腔室实际上只是起到类似弹簧作用的缓冲和衰减能量作用。

因此提出如表3.1结构优化设计方案，考虑到进气管小孔附近湍流耗散比较严重，改进设计在进气管上包裹吸声材料，以降低高频分量；而打通盲管则是考虑到防止由于进气管被钢板包裹而导致背压升高过大，同时使得排气流畅，也可消除异响。

表3.1 消声器结构优化设计方案