关门声入射角度对人工头双耳测试结果的影响

蔺磊,闫兵,蔺玉辉,顾彦

（1.上海汽车集团股份有限公司乘用车分公司，上海 201804）

随着汽车工业的发展，消费者对于汽车的需求不再仅仅局限于功能性，而是更加注重产品的整体品质。其中，作为车辆NVH特性的第一印象，关门声有着非常重要的影响作用。因为其声品质的好坏，一定程度上反应了整车的品质，甚至有时候左右了顾客的购买意愿。所以，国内外对于汽车关门声品质都做了大量的主观评价和客观分析研究[1―3]。

而在车辆关门声研究中，为能更好地模拟人耳的实际听觉进行采样分析，研究人员经常使用双耳数字人工头进行采样。在对其采样的声样本进行客观评价时，双耳所测得的响度、尖锐度等客观评价参数通常并不一样。对于这种双耳异响的情况，国内外声学工作者均提出了各种算法模型来量化其总体感知[4]。

本文中结合了总体感知模型以及关门声客观评价方法，测量并分析了人工头与车身角度在关门声试验对双耳测试结果及总体感知的影响。

1 车辆关门声的客观评价

1.1 人工头的使用

人工头，又称仿真头，通常为木料或塑料制成的假人头[5]，有些还配有模拟耳廓和躯干。人工头耳道内，分别装有全指向性传声器。仿真头考虑了头部、躯干、肩部和耳廓对声场特性的影响，并模拟了人耳的滤波特性；声音信号传至人工头左右耳道内的传声器时，具有时间差和空间差，从而实现了模拟人的实际听觉效果来录音。这样，在声信号重放和客观分析时，才能获得很好的逼真度和立体声效果。

1.2 客观评价参数

车辆关门声的采样应在背景噪声低的环境中进行，例如在半消声室内。车外测量时，人工头等测试设备的安放位置应模拟人体所处的感受位置。通常选取距离车身1 m、高度1.6 m的位置，人工头应正对车身门锁，如图1所示。考虑到车辆经常停放在比较狭窄的空间内，也可选取距离车身0.4 m的位置。车内测量时，则选取驾驶员或副驾驶的位置。关门速度一般采用等关门速度或等关门力度进行控制。根据车辆型号、车门重量等差异，同等关门速度下，实际关门力度的差异相差可能很大。

图1 车外关门声的客观测试Fig.1 The test of outside door closure sound

目前，研究车门声品质，常用的客观评价指标有声压级、响度峰值和尖锐度峰值等。其中，响度和尖锐度是用以反映人对声音感知的心理声学参数。经研究表明，主观评价好的车门关闭声有着共同的客观特征，各客观评价参数(响度、尖锐度)数值均较小。但目前，心理声学的分析仍有许多不足之处，仅从指标上对关门声进行客观评价是不够的，必须与主观评价相结合。

1.3 双耳测试时的总体感知

关注双耳测试结果的总体感知，除了可以简化关门声的评价量，更重要的意义在于可以更真实地模拟人的听觉感受。

听觉响度特征一直是心理声学基础研究的重要方面，其中对于双耳异响下的响度感知，国内外声学工作者也进行了大量的研究工作。Chouard结合车内噪声对双耳异响的听觉感知进行了研究[6]，认为人耳总体响度感知等于左右耳响度的算术平均值。而Sivonen在对方向性入射声源的响度感知进行了研究，并给出了不同的意见[7][8]，认为双耳异响条件下的总体响度感知与左右耳之间的响度差异有关。双耳间的响度差异越大，听觉的总体响度感知高出双耳响度的算术平均值越多。Moore等人根据研究提出了双耳响度的叠加模型[9][10]，可以对双耳异响条件下的总体响度感知进行计算。

目前，国内对于双耳异响条件下的总体响度感知也做了不少研究[11]，根据张洁等人的研究结论，在双耳异响条件下，总体响度感知受频率的影响并不明显，并高于双耳声压级算术平均值所对应的响度级，且随着声压级差的增大，两者间差值增大，印证了Moore等人的研究结论。并提出以下响度叠加的数学模型

式中，NEQ为总体响度感知值，NM为双耳响度的算术平均值，ILD为双耳间声压级差。本文中，采用公式(1)作为其总体响度感知的计算公式。

尖锐度是描述高频成分在声音频谱中所占比例的参数，反映着声音信号的刺耳程度。目前，关于尖锐度的双耳总体感知研究较少。本文中，采用双耳尖锐度的算术平均值作为其总体感知。

2 关门声入射角度对双耳测试结果的影响

为检查声音入射角度对双耳测试时所得测量结果的影响，本文采用十二种入射角度：分别为0°(以人工头正对车门为0°，逆时针旋转为正向)，±30°，±60°，±90°，±120°，±150°和180°，如图2所示。工况采用弹性皮条控制关门能量，并使用关门速度仪监控实验过程中的关门速度。实验过程中采用等关门速度控制，均为1.2 m/s。

图2 不同入射角度下，车外关门声的客观测试Fig.2 The test of outside door closure sound at different incidence angle

实验结果如图3、图4和图5所示，随着关门声入射角度的改变，从0°至180°，声压级、响度和尖锐度，靠近车门的一侧均是先升高后降低，另一侧则相反。其中，声压级的变化随着关门声入射角度变化较小，最大变化量约6%左右；但响度和尖锐度的变化均较大，最大变化量约35%左右。较小角度时(±30°)，声压级的变化量仅2%左右，而响度变化量则达到9%左右，尖锐度变化量约4%；也就是说，小角度旋转时，响度随声音入射角度的变化最敏感。

图3 左右耳声压级随关门声入射角度的变化趋势Fig.3 The trend of binaural SPL at different incidence angle

图4 左右耳响度随关门声入射角度的变化趋势Fig.4 The trend of binauralloudnessatdifferentincidenceangle

图5 左右耳尖锐度随关门声入射角度的变化趋势Fig.5 Thetrend of binauralsharpnessatdifferentincidenceangle

3 关门声入射角度对双耳总体感知指标的影响

根据前文所述的总体感知计算方法，可得双耳总体感知随关门声入射角度的变化趋势。

图6 响度总体感知随关门声入射角度的变化趋势Fig.6 The loudness trend of overall perception at different incidence angle

图7 尖锐度总体感知随关门声入射角度的变化趋势Fig.7 The sharpness trend of overall perception at different incidence angle

由图6中可以看出，随关门声入射角度从0°偏转至120°，总体感知响度降低，但变化不大，约2 Sone GF；从120°至180°，总体感知响度略有上升；其中180°时，总体响度感知比0°降低约5%左右。由图7可以看出，随关门声入射角度从0°偏转至120°，总体感知尖锐度降低；从120°至180°总体感知尖锐度升高；其中180°时，总体尖锐度感知与0°时接近，约2%左右。人工头偏转较小角度时(±30度)，虽然单耳的响度和尖锐度变化量均较大，但总体感知均变化不大，约2%左右；且考虑到声压级变化很小，响度总体感知的修正项，此时响度的总体感知也可直接采用左右耳响度的算术平均值。

由图6和图7可以看出，虽然存在一定的实验误差，左右耳对声音的感知基本上是对称的。也就是说，同样入射角度下，正时针和逆时针旋转所测得的总体响度感知和总体尖锐度感知是一样的。故可以通过将正时针旋转和逆时针旋转所测得的数据予以综合，从而得到关门声实验中，总体感知随偏转角度的变化，如图8和图9所示。

图8 响度总体感知与关门声入射角度的关系Fig.8 The loudness trend of overall perception at different incidence angle

图9 尖锐度总体感知与关门声入射角度的关系Fig.8 The sharpness trend of overall perception at different incidence angle

4 结语

本文主要考察了汽车关门声在不同入射角度时(以人工头正对车门为0°)，双耳测试结果及总体感知的变化。结果表明：

(1)在关门声样本采集时，改变人工头与车身侧面的角度，单耳响度峰值和尖锐度峰值均变化较大，其中靠近声源的一侧，响度和尖锐度增大，偏离声源的一侧，响度和尖锐度减小；

(2)随关门声入射角度增大，总体感知响度和总体感知尖锐度先降低，随后升高。角度为180°时(最大夹角)，总体感知响度比0度时小，而总体感知尖锐度与0°时接近；

(3)关门声客观评价实验中，改变人工头与车门的角度在±30°以内，双耳响度和尖锐度的总体感知变化均不大，小于2%；故在关门声客观评价时，可不考虑角度的影响，而直接采用双耳测试结果的平均值，作为响度、尖锐度等客观评价指标的总体感知。

［1］Haeseung Lee,O-Jun Kwon,Jongho Lee.Modeling of door slamnoise index by using sound quality metric[R].SAE paper,2007-01-2394.

［2］ A.Petniunas,N.C.Otto,Scott Amman.Door systemdesign for improved closure sound quality[R].SAE paper,1999-01-1681.

［3］范玮，孟子厚.汽车车门声品质调查[J].声学技术，2007，26(4)，674-677.

［4］毛东兴.响度感知特征研究进展[J].声学技术，2009，28（6），693-696.

［5］王佐民.噪声与振动测量[M].科学出版社，2009，99.

［6］ N.Chouard.Loudness and unpleasantness perception in dichotic conditions.Doctoral dissertation.University of Oldenburg[R],1997.

［7］ V.P.Sivonen,W.Ellermeier.Directional loudness in an anechoic sound field,head-related transfer functions,and binaural summation[J].Journal of Acoustical Society of Ame rican,2006,119(5):2965-2980.

［8］ V.P.Sivonen.Directional loudness and binaural summation for wideband and reverberant sounds[J].Journ al of Acoustical Society of American,2007,121(5):2852-2861.

［9］ B.C.J.Moore,B.R.Glasberg,et al.A model for the prediction of thresholds,loudness,and partial loudness[J].Journal of the Audio Engineering Society,1997,45:224-239.

［10］B.C.J.Moore,B.R.Glasberg.Modeling binaural loudness[J].Journal of Acoustical Society of American,2007,121(3):1604-1612.

［11］张洁，毛东兴.中国人群双耳异响条件下的响度感知特征[J].声学技术，2007，26(5)：137-138.