加速行驶车内噪声线性度评价方法研究及应用

仲崇发 卢炳武 毕金亮 张智

摘 要：为有效评价加速行驶车内噪声线性度，建立了一种基于客观参数的回归模型。首先以18款市场主流车型的加速行驶车内噪声主客观试验结果为研究对象，通过最小二乘法对客观试验结果进行一元线性回归拟合，计算出最大偏差、平均绝对偏差和确定系数三项线性度评价参数，然后基于加速车内噪声线性度主观评价结果，构建出主客观回归模型。最后以某C级SUV加速行驶车内噪声线性度优化案例，证明了该方法的有效性及合理性。

关键词：加速车内噪声;线性度;主客观试验;回归分析

Abstract： A regression model based on objective parameters is established to evaluate the linearity of acceleration noise. Firstly， the subjective and objective test results of acceleration noise of 18 mainstream models were taken as the research object， using the least square method to monadic linear regression fitting， calculated the maximum deviation， the average absolute deviation and coefficient of three linearity evaluation parameters， and then based on the linearity subjective evaluation results， build the regression model of subjective and objective. Finally， the optimization case of acceleration noise linearity of a c-class SUV was presented， proves the validity and rationality of the method.

Keywords： Acceleration noise; Linearity; Subjective and objective test; Regression analysis

引言

加速行駛工况作为汽车最常使用的工况之一，主机厂对加速车内声品质控制有着严格的要求。目前加速车内声品质主要以响度、语音清晰度、线性度和粗糙度作为评价指标[1-2]，相较于其他三项研究较为成熟的心理声学参数，对于线性度的研究相对较少，但如果要追求更高级的听觉体验，将车内声品质打造成产品魅点，关于线性度的研究是不可或缺的。据了解目前对加速行驶车内噪声线性度的研究主要是针对总声压级曲线或响度曲线的分析[3-4]，但很多情况下发动机主阶次噪声曲线存在人耳能够明显感知的峰值，总声压级噪声曲线却只有轻微幅值变化，分析总声压级或响度曲线的线性度并不能完全反应人耳的感受。在加速行驶车内噪声线性度优化过程中，重点是解决能量大，频率成分为中低频的发动机主阶次噪声问题，如动力总成共振，传动系共振，车身共振引起的噪声问题及进排气噪声等，所以研究发动机主阶次噪声曲线的线性度更有意义。目前已有很多主机厂利用主动噪声控制技术优化发动机主阶次噪声线性度，从而提升汽车的加速行驶车内声品质[5]。

本文针对市场主流车型进行了加速行驶车内噪声线性度主观评价和客观试验数据采集，结合回归分析及声学理论选取了三项线性度客观评价参数，建立了加速行驶车内噪声线性度主观评价分值与客观评价参数之间的数学模型，并将该模型应用于某C级SUV产品开发中加速行驶车内噪声线性度的优化。

1 加速行驶车内噪声主客观试验

1.1 客观试验

为保证试验样本数据充分，选取了市场主流的自主及合资轿车、SUV共计18款车型为研究对象。测试采用LMS公司的24通道数据采集前端及B&K公司的声音传感器，声音传感器布置于驾驶员外耳位置，采样频率为25600Hz。为减少外界因素的影响，所有车辆测试路段为同一长直线平滑沥青路面，风速小于5m/s，测试工况为3挡全油门加速，对于自动挡车型采用手动模式进行测试，发动机转速范围为1200 ～5000r/min，采集三组有效数据。测试数据采用LMS软件进行处理，发动机转速步长为25r/min，频率分辨率为1Hz，计算出加速行驶车内噪声总声压级及主阶次噪声曲线，示例如图1所示。

1.2 主观评价

主观评价采用直接评分法，由8名具有NVH主观评价资质的NVH工程师对18款车型的加速行驶车内噪声线性度进行评价。采取10分制评价标准，等级划分如表1所示，评分最小单位为0.25分。为保证主观评价与客观试验的对应性，评价道路及工况与客观试验一致。计算8名评价人员主观评价分值的算数平均值作为最终结果，结果圆整至0.25分，如表2所示。

2 试验结果分析

2.1 客观试验参数计算

线性度是指加速行驶车内噪声随发动机转速变化的线性关系。理论上，全油门加速工况下车内噪声应随着发动机转速的增加而线性平稳增加，而实际因发动机燃烧不稳定性、结构共振及进排气噪声调校等多方面因素影响会使加速噪声波动，出现波峰或波谷，人耳感知上声音会有突然的增大或降低，影响人耳的主观感受。本文采用最小二乘法对加速行驶车内噪声曲线进行一元线性拟合，结合回归分析原理，选取最大偏差、平均绝对偏差和确定系数三项参数对加速行驶车内噪声线性度进行评价。

①最大偏差。最大偏差是加速过程中实测车内噪声声压级与拟合声压级差值绝对值的最大值，见公式（1）。最大偏差越大，线性度越差。

式中，MD为最大偏差;yi为实测声压级;为拟合声压级;i为发动机转速，取值范围为1200～5000r/min。

②平均绝对偏差。平均偏差是加速过程中各点实测声压级与拟合声压级差值绝对值的平均值，见公式（2）。平均绝对偏差越小，说明线性度越好。

式中，MAD为平均绝对偏差;n为数据采集量。

③确定系数。确定系数是对线性拟合优度的统计量，见公式（5），R2的取值范围是[0，1]，R2的值越接近于1，表明线性度越好。

式中，R2为确定系数;为平均声压级;SSE为和方差;SST为总平方和。

按上述公式对18个样本的加速行驶车内噪声总声压级和发动机主阶次噪声曲线的线性度客观评价参数进行计算，結果如表3所示。

2.2 主客观相关性分析

为研究全油门加速工况车内噪声线性度主观评价结果与客观试验参数的相关性，本文运用SPSS软件进行Pearson相关分析[6]，结果如表4所示。

表示95%置信区间内显著相关。

表示99%置信区间内显著相关。

由主客观相关分析结果可以看出，总声压级客观参数与主观评价结果相关系数均在0.6以下，相关性较差;而主阶次客观参数与主观评价结果相关系数均在0.7以上，相关性较为显著;从侧面明确了加速行驶车内噪声线性度的主观评价与发动机主阶次噪声线性度更为相关，客观参数对主观评价结果影响程度排序为：最大偏差>确定系数>平均绝对偏差。

2.3 线性度回归模型建立

回归分析是在确定自变量和因变量之间相关关系的基础上，对两种或两种以上自变量间的相互依赖关系进行预测的一种统计分析方法。该方法不仅能分析自变量对因变量的影响程度，还能够通过自变量对因变量进行预测。本文分析中因变量为加速行驶车内噪声线性度主观评价分值，自变量为发动机主阶次噪声线性度的三项客观评价参数。采用逐步回归方法，通过F检验值对自变量能否进入回归方程进行判断，平均绝对偏差的F检验值大于0.05，将其排除，最终计算得出的线性回归模型如公式（6）所示。

（6）式中，Y1为线性度主观评价分值，Xmd为最大偏差，Xr为确定系数。

式中表明主观评价分值与最大偏差呈负相关，与确定系数呈正相关，可以通过降低主阶次噪声的最大偏差及提高确定系数来提升加速车内噪声线性度。回归方程的校正复相关系数R2为0.851，大于0.8，明确主观评分预测值与实际值拟合程度较高。

在模型建立后需要对其进行校验，其中常量，最大偏差，确定系数的t检验概率P值分别为0.000、0.000、0.001，均在0.05以内;方差膨胀因子（VIF）为1.761，小于10，符合共线性诊断要求[7-8];残差符合正态分布，证明线性度回归方程具有统计学意义。

3 线性度优化与应用

一款搭载V6发动机的C级SUV车型在开发阶段发现加速行驶车内主阶次噪声曲线在发动机转速1600 r/min以内和发动机转速2600 r/min附近存在两处明显峰值，如图3所示，利用回归模型对主观评价分值进行预测，计算结果为5.97分，不满足7分的产品开发目标要求，需要进行优化。下面对两处峰值的优化过程进行概述：

（1）对发动机转速在160 r/min以内主阶次噪声峰值进行原因排查，将排气口噪声通过延长管的方式引出后测试发现噪声峰值基本消除，证明该噪声峰值主要是由于排气口辐射噪声引起，对排气系统进行调音优化后问题得以解决。

（2）对发动机转速2600r/min附近的峰值问题进行分析发现车内噪声在120～140Hz频率区间存在共振带，与后悬置主动侧120～140Hz区间共振带相对应。整车状态下对动力总成弹性体模态进行测试，识别到动力总成一阶垂向弯曲模态频率为121Hz，一阶横向弯曲模态频率为139Hz;初步判断车内噪声共振带是由于动力总成共振引起。一般动力总成弹性体模态要求高于发动机主阶次最大激励频率，如公式（7）所示，该动力总成额定转速为5500r/min，经计算动力总成一阶弹性体模态频率应大于388.9 Hz。

式中：fmin为动力总成最低模态频率，Nmax为发动机额定转速，n为发动机气缸数，Z为冲程数。

由于该动力总成为3.0T大排量纵置发动机，受动力总成质量和结构形式的影响，动力总成弹性体模态较低，无法避开发动机主阶次激励频率，只能通过其它方法解决问题，其中增加动力吸振器是解决共振的一种简单有效的方案[9-10]。

通过动力总成弯曲模态振型分析，发现一阶模态频率下最大变形位置为变速器末端，结合动力总成质量等相关参数及变速器结构，设计了一个中心频率为130 Hz的环形动力吸振器，如图2所示，整车测试效果2600 r/min主阶次噪声峰值降低约8 dB（A）。

最后，将两个方案同时进行整车效果验证，加速行驶车内噪声曲线对比结果如图3所示，利用回归模型对主观评价分值进行预测，计算结果为7.58分，满足目标要求，证明了方案的有效性。为验证模型的准确性，对优化前后的加速行驶车内噪声线性度水平进行主观评价，主观评价分值与线性度回归模型预测分值对比结果见表5，结果表明主观评价分值与预测模型计算结果基本一致，验证了预测模型的合理性。

4 结论

本文通过对18辆主流车型的加速行驶车内噪声主客观试验及线性度分析，建立了主观评价分值预测模型，然后将模型应用于线性度优化案例中，主要得到以下结论：

（1）相对于加速行驶车内总声压级噪声曲线，发动机主阶次噪声曲线的线性度与人耳主观感受相关性更高。

（2）应用多元线性回归方法建立了加速行驶车内噪声线性度预测模型，通过计算发动机主阶次噪声曲线的最大偏差和确定系数能够预测加速车内噪声线性度的主观评价分值。

（3）某款搭载V6发动机的C级SUV车型加速行驶车内噪声线性度优化案例，一方面验证了线性度预测模型的有效性及合理性，另一方面提供了一种加速行驶车内噪声线性度问题的解决思路。

参考文献

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