汽车喇叭声特性试验分析

张志飞，袁 琼，徐中明，贺岩松

（1.重庆大学 机械传动国家重点试验室，重庆 400030；2.重庆大学 机械工程学院，重庆 400030）

汽车喇叭是汽车安全系统中不可缺少的电器元件之一，其声音对道路两旁行人和前后车辆具有一定的提示与警醒的作用，但使用不当或随意使用就会对环境造成噪声污染并严重影响人们的日常生活，因此人们对喇叭声音的要求逐渐提高。国外对机动车喇叭声音性能的研究已经比较成熟，能够严格控制喇叭发声大小。我国也在积极开展相关研究，针对机动车喇叭声音性能的标准[1]也正在向世界高水平标准靠拢。为了降低喇叭声带来的不良影响，各大汽车厂商、院校和研究所对喇叭声音的特性及如何提高喇叭声音特性进行着研究[2-5]，期待开发出在不失去其最基本功能的前提下，具有自己品牌效应的DNA喇叭声音。因此，对汽车喇叭声音进行声特性的试验分析研究具有重要意义。

目前喇叭声音主要是结合主客观评价试验进行声品质[6-9]研究，但是主观评价耗时、费力且效率较低，因此本文从客观方面对喇叭声音进行分析。本文参考GB 15742—2006《机动车用喇叭的性能要求及试验方法》[10]对12辆不同类型家用轿车喇叭声音进行采样，分析喇叭声音的时域、频谱、时频特性。采用国家标准对喇叭声音进行检验，并用客观参量A、B计权声压级、双耳响度、粗糙度、尖锐度对喇叭样本进行客观分析，了解汽车喇叭声音的特性，分析不同喇叭声音信号的差异，为后续有关喇叭声音的研究提供指导。

1 试验方法

本次试验参考国家标准GB 15742—2006《机动车用喇叭的性能要求及试验方法》来进行。试验采用B&K双耳麦克风4101，采集距离车辆中心纵向平面7 m的正前方和右前方30°的喇叭声音信号（要求传感器离地距离为0.5～1.5 m），采用LMS公司生产的16通道便携式数据采集器。试验场地为开阔空地，满足背景噪声和风噪声比被测喇叭的声压级至少低10 dB、天气良好、试验环境温度为23 ℃±5 ℃。试验时，除测试人员外，其他人员不得在喇叭和传感器附近停留，且所有窗户关闭、辅助装置停止工作，以免对试验准确性产生干扰。为了保证试验数据的有效性，要求试验人员能够熟练、正确佩戴双耳麦克风，能够控制好按喇叭的力度，因此试验前对2名双耳麦克佩戴者和喇叭按动者进行专业培训，试验时由他们统一操作。由于人耳可听见的声音频率范围为20～20 000 Hz，故本次试验采样频率为40 960 Hz，采样时间为11 s，各车型重复采样3次。试验流程及设备如图1所示。

2 试验结果分析

目前，对声学特性的分析主要有主观评价、客观评价、主客观相结合，由于主观评价需耗费大量时间、人力，效率较低且成本较高、容易出错，因此本文从客观等方面对喇叭声音样本进行分析处理。

对同一车型的喇叭3个不同声音样本，选取满意的复制到LMS Test.Lab9A的Time Data Selecting界面，通过重复试听截取发声效果较好且波形比较饱和，时间长度为1 s的样本，保存作为后续处理数据。

2.1 喇叭声音样本基本分析

图2为喇叭原始信号与截取信号，通过对样本时域基本参量分析，得样本的均值接近于0，表明喇叭发声稳定。结合样本时域波形图和时频图（图3），进一步说明喇叭声音是一个短时平稳信号，且主要能量集中在中高频段。

本次试验车型所用喇叭均为电喇叭，结合样本频谱图，可以看出部分频谱具有谐波特性，提取每个车型喇叭声音样本的峰值频率，见表1。根据QC/T30—2004《机动车用电喇叭技术条件》[11]，喇叭基频范围在240～650 Hz，有单音喇叭、双音喇叭、三音喇叭。对于双音喇叭，以低音基频为基准，基频比为4∶5或者5∶6，对于三音喇叭基频比为4∶5∶6，且允许误差均为6%。结合表1可知本次试验所用喇叭除11号样本为单音喇叭外，其余11个样本为双音喇叭，其基频比在0.793～0.861。对各样本声压级频谱图分析（图4），可得频率在1 800～3 550 Hz频带内的声压级均大于频率超过3 550 Hz的每一分量的声压级。综上所述，喇叭基频、基频比、频带声压级均满足QC/T30—2004喇叭技术条件。

表1 喇叭基频周期

本次试验同时采集正前方和右前方30°两测点的喇叭声音信号，目的是为了研究喇叭声音的指向性，因此分别计算两测点位置左右麦克风的A计权声压级，最终结果（表2）取各测点左右参数的算术平均值，分析可得以下结果。

（1）背景噪声和风噪声比被测喇叭声压级最少低了21.15 dB，满足开阔场地进行声学试验的要求。

（2）根据规定，对于M、N类安装在车辆前部的喇叭，在距离喇叭2 m处的A计权声压级取值范围为93～112 dB。参考“测量距离增加1倍，声压级降低6 dB”的准则，将其转换到正前方和右前方7 m，大概降低12 dB，结合本次试验数据，可得12款车型喇叭声压都在规定范围内。

（3）理论上距离声源相同距离处声压级是相等的，因此右前方的声压级应小于正前方，背景噪声充分验证了理论的正确性。比较不同样本正前方和右前方30°的声压级，得1、3、6、7、8样本右前方30°的声压级大于正前方，说明汽车喇叭指向性不明确，其在给前方车辆和行人发出警醒的同时，也给两侧的居民造成了干扰。

表2 测点位置A计权声压级

2.2 心理声学客观参数分析

心理声学参数是描述不同声音信号主观感受差异程度的客观物理量，采用心理声学参数分析喇叭声音样本，能够定量反映不同样本之间的听觉感受差别。心理声学参数很多，结合国内外研究现状，并考虑喇叭声音具有高频、短时平稳的特点，本文选取了双耳响度、尖锐度、粗糙度3个主要参数进行分析。需要说明的是各参数的计算都是通过PULSE Sound Quality模块进行的，其中双耳响度是针对左右耳的参数，其余参数通过取左右通道的算术平均值完成。表3给出了12个样本车型正前方3个心理声学客观参数（双耳响度、粗糙度、尖锐度）、A计权声压级、B计权声压级的计算结果。

比较分析各心理声学参数在不同测点的值，结果发现，不同测点的客观参数有差异，部分表现为右前方30°的心理声学参数值大于正前方，进一步表明喇叭声音的指向性不明确，分析原因有可能是喇叭在汽车上的安装位置和喇叭朝向所致。

表3 心理声学客观参数

表4 归一化处理客观参数

对比分析喇叭声音心理声学参数，可以看出，在同一测点，不同车型发出的喇叭声音差异较大，即便是同一品牌或同等价位的车，喇叭声音也各具特点。为了研究这些样本之间的联系与差异，对心理声学客观参数做相关性分析和差异性分析，寻找样本之间的异同。由于表3的参数具有不同的量纲，且变化范围与量度范围各不相同，不便于参数间的分析、比较。因此本文采用数据无量纲归一化处理，去除单位限制，将其转换为无量纲纯数，且各指标都处于同一数量级，对不同单位、不同变化范围的各指标进行综合比较、分析。本文所用归一化处理通过各参量相对于其最大值的比例来实现标准化处理，结果见表4。

分析A计权声压级、B计权声压级、双耳响度、粗糙度、尖锐度的相关性，得出以下结论：双耳响度与A计权声压级、B计权声压级的相关系数分别为0.905、0.864，说明A计权声压级较B计权声压级更能反映人耳对噪声响度的频率响应；尖锐度、粗糙度与双耳响度之间存在较高的相关性，充分证明了两者之间的联系，即尖锐度、粗糙度都是以响度为基础的计算参量。

为了研究不同喇叭声音特点受哪些参数影响较大，运用统计学中使用较多的多变量差异比较法，对各参数做直观清晰的分析，得到的结果如图5所示。分析可知，响度、粗糙度、尖锐度3个心理声学客观参数差异较A、B计权声压级明显，且粗糙度、尖锐度的影响最大，说明喇叭产生不同声特性主要受粗糙度、尖锐度影响，其次为双耳响度。

3 结论

（1）通过对12款不同类型家用轿车喇叭声音信号的分析，得出喇叭声音是处于中高频带的短时、平稳信号。目前车用电喇叭多是双音喇叭，其指向性不明确，在给前方车辆和行人发出警醒的同时，也给道路两旁居民造成干扰。

（2）分析双耳响度、粗糙度、尖锐度、A计权声压级、B计权声压级之间的相关性，得出A计权声压级与各参数的相关性高于B计权声压级，说明A计权声压级更能反映人耳对噪声响度的频率响应。同时，喇叭声特性受粗糙度与尖锐的影响大于双耳响度。

References)

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