汽车关门声品质多维度评价方法研究

张红川，周向阳，李博学，罗萌萌

1.长城汽车股份有限公司，河北保定 071000;2.河北省汽车技术创新中心，河北保定 071000

0 引言

汽车声品质是NVH研究的重要组成部分，已广泛引起声学工程师的注意，国内外知名车企已将其列为汽车设计的一项重要内容。关门声品质作为顾客对汽车了解的第一印象，能够向顾客传递一系列复杂的如安全、舒适、豪华和可靠等信息，从而直接影响其对汽车档次的初步定位。因此，关门声品质具有重大的研究意义，国内外众多车企已投入大量人力物力研发关门声品质。李凯等分析关门声产生的机制，对所采集振动噪声数据分析得出关门声品质的噪声是由门锁芯相互撞击、密封条的拍击和空腔共振产生的。Zhang等研究发现，锁扣设计和密封条设计是影响关门声品质的关键部件。Hoechstetter等研究发现尖锐度持续时间与冲击声音品质强相关。

目前汽车关门声品质评价方法有两种：主观评价和客观评价。主观评价通过以往研究成果以及市场用户需求调研，来获取描述目标声音主观感知特性的相关指标;常用的客观评价指标有声压级、响度、尖锐度和小波频谱分析等，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。文中从多维度对关门声品质评价方法进行研究，并对主观评价与客观评价指标进行相关性分析。

1 汽车关门声品质主观评价

1.1 维度识别

目前，汽车关门声品质主观评价研究成果显示，主观评价术语有昂贵的、有力的、鸣铃声、二次冲击声、咔嗒声、音响浑厚度、轰鸣感、金属感和关门舒适感等。基于现有研究成果，并结合市场用户需求调研结果，最终确定汽车关门声品质主观评价维度为响亮度、厚重感、金属感、精致感、紧凑感和关门舒适感。其中，响亮度指主观上感受到的关门瞬间声音的大小，厚重感指低频能量强弱及持续时间，金属感指高频金属音，精致感指中高频音色与低频音色的调和关系，紧凑感指关门完成首次撞击后无其他多余尾音，关门舒适感指关闭车门时用力大小及舒适程度。

1.2 主观评价

由NVH专家团队20人组成评价小组(其中男16人女4人，年龄集中在25～40岁，从事NVH工作3～15年)，选取不同品牌不同价位SUV样车10辆，采用10分制评分规则，从响亮度、厚重感、金属感、精致感、紧凑感和关门舒适感6个维度进行评价。采用SPSS 22.0软件，对评价人员之间的Spearman系数进行计算，并对各评价者与其他所有评价者的相关系数取算术平均值，详见表1。

表1 各评价者与其他所有评价者之间的平均相关系数

从统计学意义上，一般认为各评价者与其他所有评价者的相关系数的平均值低于0.7就意味着线性相关程度较弱，为了提高线性相关程度，剔除表1中平均相关系数低于0.8的人员。对于响亮度的评价，剔除评价人员F、N；对于厚重感的评价，剔除评价人员F、H；对于金属感评价，剔除评价人员K、N和R；对于精致感的评价，剔除评价人员B、L、P和S；对于紧凑感的评价，剔除评价人员G；对于关门舒适感的评价剔除评价人员K。

经上述相关性检验后，响亮度保留了18个人的评价结果，厚重感保留了18个人的评价结果，金属感保留17个人的评价结果，精致感保留了16个人的评价结果，紧凑感保留了19个人的评价结果，关门舒适感保留了19个人的评价结果。将保留的评价结果进行算术平均，得到10辆样车6个维度的评价结果，如图1所示。

图1 10辆车6个维度的评价结果

2 汽车关门声品质客观评价

2.1 客观评价指标

2.1.1 声压级和响度

声压级和响度是反映人耳对声音强弱感受的客观参数，其中响度考虑人耳对声音频谱的掩蔽效应，属于心理声学参数。

声压级计算公式为：

(1)

式中:为声压级；

为实际声压；

为基准声压。

响度计算公式为：

(2)

(3)

式中：为安静状况下听阈对应的激励;

为参考声强对应的激励;

为被计算声音对应的激励。

2.1.2 尖锐度

尖锐度是描述高频段声音成分在总体声音中所占比例的物理量，对声音的舒适度影响较大，反映了声音信号的刺耳程度，属于心理声学参数。

尖锐度计算公式为：

(4)

式中：为加权系数，=011；

′()为Aures加权函数，′()=e0171；

为心理声学的临界频带尺度(Bark)。

2.1.3 小波频谱

小波频谱分析如图2所示。从时间轴上看，可以看到声音衰减的特征，如碰撞次数、碰撞强度、震颤等，一般要求低频成分持续时间0.5 s左右，高频成分衰减快、能量尽可能小且一次撞击完后无多余噪声;从频率轴上看，可以看到各个频率下声音的强弱，以及它们与各个模态特征之间的联系。一般来说车门结构主要贡献30～50 Hz低频成分；车身板辐射声主要贡献成分50～200 Hz；车门和B/C柱的碰撞是密封条与钣金之间的碰撞，以及车门与防撞块之间的碰撞，主要贡献中低频成分；门锁碰撞主要贡献高频成分。

图2 小波频谱分析

2.1.4 特征响度曲线

响度是随着临界频带变化的，这种变化的特征曲线就是特征响度。特征响度曲线能体现声音能量在频率上的分布，并将其量化，有助于判定关门声类型。不同车型关门声品质数据可以通过特征响度曲线直接进行对比，特征响度曲线一致性较好的车型，其主观评价也相似。特征响度曲线如图3所示。

图3 特征响度曲线

2.1.5 尖锐度曲线

关门声尖锐度曲线如图4所示。关门瞬间时，尖锐度上升至峰值；关门声在减小过程中，由于高频成分衰减快，低频成分衰减慢，尖锐度逐步降低，随着关门声进一步降低，尖锐度又逐步上升。尖锐度峰值越大，关门声高频占比越高，锁声也越明显；以尖锐度峰值开始，如果尖锐度随时间衰减的曲线上谷值越多，一般关门声听起来越松散；尖锐度峰值与谷值时间间隔0.3 s左右，尖锐度峰值在2～2.5 acum、谷值在0.5 acum左右，尖锐度曲线在谷值之后能较平稳地传递0.1～0.2 s，一般关门声低频能量所占比例会较高，且低频能量持续时间为0.4～0.5 s。

图4 关门声尖锐度曲线

2.2 客观评价指标计算

10辆样车客观评价指标见表2。其中，指20～50 Hz频段能量，指20～100 Hz频段能量，指20～200 Hz频段能量，指100～500 Hz频段能量，指500～5 000 Hz频段能量，指5 000～10 000 Hz频段能量，指与的比值。

表2 10辆样车客观评价指标

3 主观评价与客观评价相关性分析

3.1 响亮度相关性分析

图5和图6分别给出了响亮度评分与声压级、响度的相关性分析。由图可以看出,响亮度评分与响度相关性在0.9以上，而响亮度评分与声压级相关性不足0.8，说明响度比声压级更适合作为评价关门声品质响亮程度的客观评价指标。

图5 响亮度评分与声压级的相关性分析

图6 响亮度评分与响度的相关性分析

3.2 厚重感相关性分析

图7给出了厚重感评分与20～50 Hz频段能量、20～100 Hz频段能量和20～200 Hz频段能量的相关性分析。由图可以看出，厚重感评分与20～100 Hz频段能量相关性较好，且呈正相关性。

图7 厚重感评分与低频能量的相关性分析

3.3 精致感相关性分析

图8给出了精致感评分与频段能量、频段能量和比值的相关性分析。由图可以看出，精致感评分与比值的相关性较好，且值越小精致感越好。

图8 精致感评分与D频段能量、E频段能量和比值G的相关性分析

3.4 金属感相关性分析

图9给出了机械感评分与频段能量、尖锐度和频段能量的相关性分析。由图可以看出，机械感评分与频段能量的相关性较好，且呈正相关性。

图9 机械感评分与E频段能量、尖锐度和F频段能量的相关性分析

3.5 关门舒适感相关性分析

图10和图11分别给出了关门舒适感评分与关门速度、静态关门力的相关性分析。由图可以看出,关门舒适感评分与关门速度线性相关系数达到0.98以上，而与静态关门力无明显相关性。说明关门速度可以作为评价关门舒适感的客观评价指标，且关门力越小越好。

图10 关门舒适感评分与关门速度的相关性分析

图11 关门舒适感评分与静态关门力的相关性分析

4 结束语

本文主要从多维度对关门声品质进行评价，并对主观评价和客观评价指标进行相关性分析。关门声品质主观评价维度主要有：响亮程度、厚重感、金属感、精致感、紧凑感和关门舒适感。结合关门声主观评价和客观评价指标相关性分析结果确定关门声品质客观评价指标：响亮程度评价指标为响度，厚重感评价指标为20～100 Hz频段能量，金属感评价指标为5 000～1 000 Hz频段能量，精致感评价指标为比值，关门舒适感评价指标为最小关门速度。同时结合小波频谱分析、特征响度曲线分析和尖锐度曲线分析，从多方面对关门声品质进行评价。从而为关门声品质研发提供更为全面的主观评价方法，并为开关门声品质前期设计提供新思路。