基于音噪比的空调室内机音调评价

冯锦平

（广东美的制冷设备有限公司广东佛山 528311）

基于音噪比的空调室内机音调评价

冯锦平

（广东美的制冷设备有限公司广东佛山 528311）

为了合理的评价室内机噪声中的音调声的可接受度，采取主观评价的方法，确定室内机噪声中混入的单频音的不可接受声压幅值，计算对应的音噪比，并拟合了音噪比的阈值公式，当音调的音噪比大于阈值时，室内机音调不可接受，反之可接受，采用音噪比阈值判断方法比OA差判断方法准确，比现场主观评价更加客观、便捷。

空调; 噪声; 音调; 音噪比

1、前言

空调室内机存在异音时，会很明显的影响声音听感。室内机异音一般均表现为音调成分，包括单频异音，比如风轮的啸叫、冷媒脉动的传递音、室外机的管路振动传递音、电机的电源频率倍频激励声、电机的转频倍频激励声；偶尔也包括一些窄带噪声：冷媒冲刷管路的激励声，调制的风轮啸叫噪声等。这些音调均需要被检出，并判断是否可以接受。

当前音调声评价通常采取两种方式，第一种是现场主观评价；第二种是客观计算OA差。主观评价耗费评价人员大量的时间和精力，且不易量化。OA差指噪声的A计权总声压级和A计权FFT频谱中最大峰值的差值，如果差值小于等于10dBA，则判断存在音调声，如果差值大于10dBA则判断无异音。OA差的判断方法具有很大的局限性，没有考虑音调所在频率段的噪声对其掩蔽效应，对于稍高频段比如2000Hz以上的音调声一般无法检出。

针对以上问题，ANSI S1.13-2005[1]空气中声压级测量标准中的附录A提供了参考思路。在此标准中，音调成分被置于所在临界频带或者临近临界频带中进行评价，与全频段噪声值无关。当噪声中音调成分的评价指标超过标准限值时，则判断该音调是显著可听见的。但是一般而言，当音调的评价结论为显著时，音调听感已经过于突出，远远超出了产品的品质限定要求。所以，该标准的显著指标不能直接应用于评价室内机音调。以噪声掩蔽效应[2]为基础理论，计算了全频段范围内的纯音和噪声对特定频率声音的掩蔽阈值，最终根据频谱峰值和掩蔽阈的差值定义了烦恼度指数，但是未能说明用户不可接受的烦恼度指数是多少。

本文通过在空调室内机的噪声信号中添加纯音信号，并且不断调整纯音信号幅值，采用多人主观判断的方式，确定纯音信号不可接受的幅值，计算不可接受时的音噪比，以此作为音调判断阈值，并拟合了阈值公式。

2、音噪比介绍

音噪比用于描述噪声中音调听感的突出程度。以音调频率为中心的临界频带内的噪声会对音调产生掩蔽效应，而临界频带以外的噪声对该音调的掩蔽效应较小，一般可以忽略。音调声压级与对应临界频带的掩蔽噪声的声压级差值越大，则音调听感会越明显。ANSI S1.13-2005中音噪比计算称为tone-to-noise ratio方法，适用的音调频率范围为89.1Hz到11220Hz。

以f0为中心频率的临界频带带宽计算公式如下：

当f0≤500Hz时，临界频带的下限、上限频率分别为f1和f2，计算公式如下：当f0＞500Hz时，

Tone-to-noise ratio根据FFT线性声压级频谱计算音调声压级与对应临界频带(中心频率为音调频率)掩蔽噪声声压级的差值，得到音噪比指标：

对应临界频带内的掩蔽噪声总声压级可见公式(8)。

其中：

单一音调频率对应的掩蔽噪声总声压级的简化公式可见公式（9）。

从上公式可知：

采用标准中的显著阈值评价室内机音调是否可接受是不合理的。假设以1000Hz为中心频率的临界频带范围的总噪声值为32dB，音调按标准定义为显著是，音调声压级与掩蔽噪声声压级之差为8dB。根据噪声能量叠加原理，计算得出音调噪声声压级为31.37dB，掩蔽噪声声压级为23.37dB，可知整个临界频带噪声以音调噪声为主，音调成分已经十分明显。如果以此作为检测空调内机异音的标准，当检出存在显著音调成分时，异音已相当突出，早已突破了品质要求的红线。所以，研究空调内机音调的可接受听感阈值必不可少。

3、音调阈值拟合

以室内机挂机噪声为研究对象，研究结果仅应用于挂壁室内机音调声的评价。

音调听感可接受阈值采用主观评价方式确定，具体步骤如下：

第一步、录音。在半消声室内采用HEAD人工头记录挂机噪声，可实现模拟人头的高保真录音。

第二步、采用ArtemiS软件对声音进行合成处理。选择一个频率点，在无异音的室内机噪声中叠加纯音成分并生成声音文件。

第三步、主观听音评价。在安静的听音室内采用高保真的回放系统重现合成后的声音，采取多人主观评价的方式，判断是否存在音调成分，以及判断音调声是否可以接受。

第四步、如果主观评价音调声可接受，则增加纯音的声压级幅值2dB，重复第二步，第三步，直至主观评价确认音调听感不可接受为止，计算音调的音噪比，以此为音调评价阈值。

以确定1000Hz音调声可接受阈值为例，演示计算过程。图2所示为挂机内机的添加1000Hz音调后的噪声频谱，频率分辨率1.5Hz。不断的增大1000Hz音调幅值，当音调峰值增加到17dB时，主观评价不可接受，计算得到音噪比-2.0dB。

在室内机的噪声中，通常由电机激励，管路振动激励，冷媒激励，风道气流激励的音调噪声通常不会超过4000Hz，所以重点研究频率在4000Hz以下的音调声的评价阈值。在表1中所列频率处增加音调成分，逐个主观评价判断在某一频率处音调的不可接受阈值，计算音调刚好不可接受时的音噪比，得到表1的结果。计算音噪比之前，必须首先判断音调幅值是否大于绝对听阈值，如果小于绝对听阈值，则音调不可被听见[2]。

以频率为自变量，音噪比为因变量进行数据拟合，得到对数拟合结果，如图2。

拟合公式为：

89.1Hz≤f≤4000Hz

拟合结果的校正决定系数R2为：0.914。

4、评价效果验证

通过以下两个例子，可以说明采用音噪比阈值评价音调的方法优于OA差评价方法。

图1 （a）含2000Hz音调的室内机频谱图

图1 （b）含2000Hz音调的局部频谱图

表1 室内机音噪比不可接受阈值表

图2 阈值拟合图

图3 室内机异音频谱图

图4 含调制声的室内机异音频谱图

图3中为某室内机异音频谱，音调峰值为16dBA，总噪声值为36.8dBA，OA差值为20.8dBA，OA差大于10dBA，按照OA差判断标准为合格。但是按照音噪比评价方法，以2000Hz为中心频率的临界频带总噪声为24.2dB，音调窄带噪声20.1dB，计算得到掩蔽噪声为22.4dB，音噪比为-2.3dB；根据音噪比阈值拟合公式计算2000Hz的阈值为-4.5dB，实际音噪比大于阈值，判断存在异音。

图4为某室内机风轮啸叫调制声异音频谱。采用OA差判断异音，总值为43.9dBA，FFT最大峰值为27.0dBA，OA差为两者差值16.9dBA，远大于10dBA，判断结果为无异音。采用多音调的音噪比算法，主音调频率为1314Hz，总噪声声压级为35.7dB，音调总声压级为34.1dB，掩蔽噪声声压级为31.05dB，音噪比为2.95dB；根据音噪比阈值拟合公式计算1314Hz的阈值为-3.2dB，实际音噪比大于阈值，存在异音。

5、小结

本文在室内机噪声中叠加纯音合成异常室内机噪声，通过主观评价试验，确定不同频率纯音的不可接受的声压阈值，将对应的音噪比设为音调声的判断阈值，并拟合了判断公式，已应用于挂机室内机的音调检测。下一步还需要研究更多的方法检测其它种类的异音，比如窄带异音，频带异音，其它异响等。

[1] ANSI S1.13-2005 Measurement of Sound Pressure Levels In Air[S]

[2]蒋伟康,孙伟.基于掩蔽特性的噪声品质评估研究[J],声学学报,2005,30(2):184-188.

Evaluation of Tone in Airconditioner Indoor Unit Based on Tone-to-noise Ratio

FENG Jinping
(Guangdong Media General Refrigeration Equipment Co.Ltd , Foshan 528311)

In order to reasonably evaluate the tone in indoor unit noise, a pure tone is implanted in indoor unit noise,and the sound pressure amplitude of tone is gradually increased, when subjective judgment result is unacceptable, then tone-to-noise ratio is calculated, and the value of tone-to-noise ratio is defined as the threshold, finally a formula of threshold is fitted, when the value of tone-to-noise ratio is greater than the value of threshold, the tone is unacceptable, otherwise is acceptable. It’s more accurate to use tone-to-noise ratio method than use OA difference method, and is more objective and convenient than site subjective evaluation.

Airconditioner; Noise; Tone; Tone-to-noise ratio