汽车座椅按摩声品质问题及优化方法

杨雨圣，张言

（130000 吉林省 长春市 中国第一汽车集团有限公司）

0 引言

随着汽车行业技术的发展，越来越多高端车型上的专属配置已逐渐向中低端车型普及，座椅按摩功能便是其中之一。由于现阶段市场上配置该项功能的车型仍是少数，大多数整车厂和座椅供应商对座椅按摩性能管控的技术储备尚不足，而其中对于声品质水平控制的设计经验更是欠缺，这将导致座椅按摩开发后期及装车后暴露出一些声品质问题，而在此阶段再进行更改优化必然导致开发成本的增加，因此需要在座椅开发阶段尽早地介入座椅按摩声品质的性能管控。

对试验室内60 辆国内外不同汽车品牌车型的调研显示，目前各级别具备座椅按摩功能的车型比例分别为：A 级车，0/14，0%；B 级车,1/20，5.0%；C级车，4/17，23.5%；D级车，5/9，55.6%；整体共计10 辆具备座椅按摩功能的车辆，10/60，16.7%。这个比例在未来会越来越高，因此座椅按摩也会越来越注重声音品质感的开发。

本文通过对10 台座椅按摩的声音样本进行分析，得出座椅按摩开发过程中受用户关注的声音成分，并通过结构分析及具体座椅按摩问题优化案例，总结出座椅按摩声品质控制方法，以更好地满足未来市场高品质发展的需求。

1 声品质概念及参数介绍

1985 年，日本丰田汽车公司的工程师在美国汽车工程师协会（SAE）会议上发表的一篇论文拉开了汽车声品质研究的序幕。以往汽车NVH 主要工作为减振降噪，随着技术的发展，大多数声源的辐射噪声已得到降低。传统的声压级以及1/3 倍频程的评价标准已不能反映人们对于噪声的主观判断，有的声音声压级虽然较高，但让人感觉比较愉悦，在这样的情况下，声品质的概念应运而生。定义中的“声”并不是指单纯声波这样一个物理过程，而是指人耳的听觉感知过程。“品质”是指由人耳对于声音事件感知过程最终做出的主观判断。这一概念更强调人们对声特性判断的主观性。

所以声品质性能是车辆中与人主观感受高度相关的性能之一。声品质开发主要分为主观和客观评价，本文主观评价采用实车评价并以十分制进行打分，客观评价将采用以下心理声学参数[1-4]：

（1）响度：由于人的听觉不像线性测量装置那样工作，信号的电平（例如dB(A)）的简单表示不能捕获听者感知的音量。心理声学参数是通过模拟人类听觉特性的信号处理来计算的。

响度的单位是sone。频率为1 kHz、声压级为40 dB 的正弦信号的响度定义为1 sone。响度标度的意义在于，具有2 倍响度的声音信号其响度标度sone 值也为2 倍。在声学测试中，通过比较声音信号和1 kHz 正弦信号的响度，确定其响度。

（2）特征响度：特征响度表示响度在临界频带上的分布。它的单位是sone/Bark。总响度N 是特征响度值n'在临界频带上积分得到的结果，如式（1）所示：

（3）尖锐度：声信号的频谱成分主要分布在高频范围内，会被人类听觉感知为“锋利”或“刺耳”。作为这种感知的衡量标准，引入了尖锐度参数。尖锐度的决定性因素是频谱包络线以下区域的平衡点。这一点向高频移动得越远，声音的声学感知就越尖锐。

尖锐度单位为acum。尖锐度以线性方式描绘人类的听觉感知。带宽小于150 Hz、声压级为60 dB的窄带噪声在1 kHz 的尖锐度定义为1 acum。

（4）粗糙度：粗糙度是描述嘈杂、刺耳、粗犷、富有进攻性等感受的心理声学指标。

如图1 所示，粗糙度的单位是asper，定义为60 dB 的单频1 kHz 正弦波，在70 Hz 调制频率、幅值调制参数为100%情况下，粗糙度为1 asper。主要影响粗糙度的变量有调制频率和调制深度。其他参数，比如响度值或声压值对其影响较小。

图1 粗糙度定义示意图Fig.1 Schematic diagram of roughness definition

（5）波动度：波动度是另外一个让人感觉不愉悦的声音指标，表现为声音信号受到低频调制产生幅值变化，对人耳感受产生的影响，简言之就是信号幅值有规律的低频波动。信号的包络曲线可以明显看出像波浪一样，给人的主观感受也是忽大忽小、忽上忽下，如图2 所示。

图2 波动度定义示意图Fig.2 Schematic diagram of fluctuation definition

波动度的单位是vacil，定义为60 dB 的单频1 kHz 正弦波在4 Hz 调制频率，幅值调制参数为100%情况下，则其波动度为1 vacil。一般在调制频率4 Hz 时波动度感受最明显。对应不同调制频率的曲线像通滤波器曲线一样，4 Hz 最大，依次向两边递减。当调制频率超过20 Hz 以后，慢慢过渡为粗糙度，变成另外一种不同的声音感受。

2 整车座椅按摩声品质主观评价

首先对具备座椅按摩功能的车辆进行整车状态下座椅按摩各工况的主观评价[5]，评价环境为整车半消声室，背景噪声不高于25 dB(A)，保证各评价车辆没有馈电且处于IG-ON 状态；评价人员坐在被测座椅上模拟用户使用工况进行座椅按摩声品质的评价，采用十分制评分标准评分表如表1 所示，评价人员为NVH 专业主观评价成员共10 人。得到10 辆车的座椅按摩声品质主观评分，将10 辆车分别命名为A—J，主观评价结果见表2。

表1 主观评价打分标准Tab.1 Scoring criteria for subjective evaluation

表2 主观评分结果Tab.2 Subjective scoring results

从评价得分可以看出，这10 辆车中座椅按摩声品质主观评价好的有2 辆，而处于一般和可接受的占比80%，而针对几台评分在6 分的车辆评价中，我们增加了一项抱怨点描述。评价人员反馈的评价结果是座椅按摩声音主要的抱怨点有2 个：①座椅按摩系统工作过程中“嗡嗡”声音偏大；②系统放气的声音突出。因此本文结合整车座椅按摩声品质主观评价结果，总结出对座椅按摩运行嗡嗡声及系统放气声进行控制的方法，以提升座椅按摩声品质。

3 座椅按摩结构及声音分析

座椅按摩的基础结构通常由气泵、管路、控制器、气袋组成，如图3 所示

图3 座椅按摩系统结构示意图Fig.3 Structural diagram of seat massage system

座椅按摩工作原理：气泵电机驱动，气泵产生正压空气，经控制器按需给各个气袋充气、放气，进而控制每个气袋的顶起高度，从而实现舒适性调节的作用。各结构在实车上的示意如图4 所示。

图4 座椅按摩实车布置图Fig.4 Layout of seat massage vehicle

当座椅按摩工作时，大部分结构都处于动作状态，其中任一部分都会产生造成不良感知的噪声，例如气泵电机本体噪声、管路输气噪声、控制器内部分压阀的噪声、气袋充气噪声、气袋泄气噪声等。座椅按摩的结构及声音均较复杂，因此本文通过Head acoustics 公司的SQuadriga II 型手持式声音采集器以及ArtemiS 软件进行专业的整车按摩声音的客观测试及分析。测试人员满足75±5 kg体重要求，测试环境及工况与上文主观评价相同，测试人员佩戴设备并乘坐于被测座椅上。如图5 所示。

图5 整车状态下座椅按摩客观测试示意图Fig.5 Schematic diagram of objective test of seat massage under vehicle state

采用以上方法对10 台车进行客观测试，并依据主观评价结果，分析声音样本，在好、一般、可接受的每个评分等级各选择一辆车，对car8、car5、car1 进行声音样本的对比分析。根据嗡嗡声和放气声2 个抱怨点进行充气和放气的声音截取，结果如图6 和图7 所示。

图6 充气阶段频谱对比示意图Fig.6 Schematic diagram of spectrum comparison in inflation stage

图7 放气阶段频谱对比示意图Fig.7 Schematic diagram of spectrum comparison in deflation stage

（a）充气阶段

通过对比频谱图可以看出，car1 在200 Hz 和1 000 Hz 左右的声音成分与car5 和car8 差别较大，200 Hz 主要是声音能量较大，1 000 Hz 以上则是其他车型没有的频率成分，因此此频段声音成为用户的抱怨点“座椅按摩系统工作过程中‘嗡嗡’声音偏大”，而充气阶段此声音的主要噪声源为气泵。

（b）放气阶段

通过对比频谱图并结合声学回放可以看出，3 辆车在50～4 000 Hz 的宽频范围内的声音成分为座椅按摩系统的放气声音。该声音由car8、car5 到car1 能量逐渐增高，声音品质也逐渐变差。即该声音对应抱怨点“系统放气的声音突出”。

除频谱分析外，针对特征响度、粗糙度和波动度也做了对比，如图8、图9 所示。结果显示，特征响度及特征粗糙度与主观评价结果非常吻合，特征波动度则不是特别明显，在之后的问题分析中可重点关注声品质参数响度和粗糙度。

图8 特征响度及特征粗糙度对比示意图Fig.8 Comparison diagram of characteristic loudness and characteristic roughness

图9 特征波动度对比示意图Fig.9 Comparison diagram of characteristic volatility

声品质分析最终的目的是要提升产品的声品质，本文针对座椅按摩声音进行了主观评价和客观测试数据的分析，得到抱怨声音的声音特性以及与主观评价相对应的客观评价参数。若完成品质提升，则需要明确各抱怨点与结构间的对应关系，采取相应优化措施。下文以某车型座椅按摩声品质问题优化为例，总结座椅按摩声品质结构优化方法及整车控制目标。

4 某车型座椅按摩声品质问题优化案例

4.1 问题识别

在某车型开发过程中，主观评价识别出该车型前排座椅按摩电机声音大，声品质差，座椅按摩泄气声音大，不可接受。

对问题车辆进行测试分析，得到按摩声音的频谱图，如图10 所示。由图10 可见，按摩声音主要包含100～200 Hz 窄频带噪声和100～1 000 Hz 宽频带噪声2 个成分。通过回放，滤掉100～200 Hz 成分，电机声明显减弱；滤掉200～600 Hz 成分，泄气声明显减弱。

图10 问题车座椅按摩声音频谱图Fig.10 Sound spectrum diagram of seat massage in problem car

在解决此问题前，首先识别出整车资源比较紧张，因此后续方案均需要进行整椅台架验证，由于问题的特殊性，本文对比了整椅台架座椅按摩与整车状态下座椅系统声音前后差异，总结出在整车状态下座椅系统各调节工况包括座椅按摩的声压级均高于台架2 dB，这个规律主要源自于整车状态下的车内声音测试会受到内饰件反射的影响。台架测试在消声室内进行，属于自由场，没有反射源，因此整车状态下声音偏高，说明用台架验证也可代表整车效果。为方便同台架数据进行对比，且满足声品质主观评价的评价分值，制定了声压级、响度及尖锐度目标值，目标设定符合第2 部分主观评分8分车辆所对应的客观参数值，目标值为座椅按摩电机声声压级≤40 dB(A)，响度≤3.0 sone；座椅按摩泄气声声压级≤45 dB(A)，尖锐度≤2.0 acum。

4.2 真因分析

根据座椅按摩结构及整椅环境对影响因素进行分析，分析结果如图11 所示。

图11 座椅按摩声品质影响因素分析Fig.11 Analysis of influencing factors of seat massage sound quality

对问题声音成分及第4 部分声音进行分析，可判定问题主要在气泵充气及泄气过程中产生。本文采用4 种验证方案验证真因，验证整椅台架前后对比差异，如表3 所示。用整椅台架测试模拟整车测试。将座椅安装在台架上，利用控制器进行座椅按摩的控制，测试人员佩戴头戴式声音采集器坐在座椅上进行测试。

表3 验证方案Tab.3 Validation scheme

在验证结果中，气泵位置及气泵本身空气噪声是影响主观感受按摩电机声音大的原因，控制器声学包设计不足是引起主观感受泄气声音大的原因。

4.3 制定措施及验证

针对4.2 中识别到的真因，进行详细的措施验证，需制定成本低可实现的优化方案。气泵噪声分为位置和本体噪声2 个原因。首先针对位置进行验证实施，共2 个位置验证方案：一是座椅背板偏下部位置，扎带卡扣固定，如图12 所示；二是座椅坐垫下部位置，胶带悬挂固定，如图13 所示。

图12 背板偏下位置方案示意图Fig.12 Schematic diagram of lower position scheme of backplane

图13 坐垫下部位置方案示意图Fig.13 Schematic diagram of lower position scheme of cushion

2 个位置方案实施后，整椅台架结果显示只有坐垫下部位置可达到7 dB 优化效果，其他方案仅能优化1 dB，并且在座椅开发过程中，坐垫下部无空间布置气泵，所以位置方案无法实施。

采用气泵包裹方案，共使用3 种材料进行验证，包括橡胶、铅皮及PA 材料[6]，将材料包裹好后，重新安装到整椅上再进行台架测试，如图14 所示，实施后效果见表4。经过试验，铅皮和PA 包裹后对声音的优化效果较为明显，但从工程可行性上分析，铅皮包裹无法保证散热等其他性能，因此采用PA 包裹方案。由于位置方案不能采纳，电机声最终可行性优化方案为对电机进行PA 包裹。

表4 验证方案Tab.4 Validation scheme

图14 包裹方案示意图Fig.14 Schematic diagram of package scheme

确定电机声优化方案后，根据泄气声有效措施制定最终方案。前文中，优化控制器消音海绵结构对泄气声优化明显，本文采用2 种方案进行效果验证。方案1：增加8 块26.5 mm×10 mm 的吸音海绵，密度25 kg/m3海绵；方案2：在方案1 基础上气管气袋连接支架增加6 对快插接头且在插头内部增加海绵。2 种方案分别如图15、图16 所示。

图15 增加海绵方案示意图Fig.15 Schematic diagram of adding sponge

图16 在增加海绵基础上增加快接插头方案示意图Fig.16 Schematic diagram of adding quick connect plug on the basis of adding sponge

由于方案2 是在方案1 实施的前提下增加快接插头且插头内部采用海绵结构，所以最终验证结果显示方案2 优化效果最明显，可优化6 dB，因此针对泄气声最终优化方案确定为控制器内增加8 块海绵，气袋与气管连接支架增加带海绵结构的快插接头。

泄气声及电机声优化最终可行性方案确定后，将方案应用到整椅后安装在整车上，对整车状态下座椅再进行优化测试，最终达到4.1 中要求的整车目标水平，且主观评价达到7 分以上。

5 结论

本文通过对10 台车辆的座椅按摩声品质进行主观及客观评价，明确座椅按摩声音用户容易抱怨的问题点，并根据客观分析，确定同问题点主观感受对应的客观分析参数包括响度、粗糙度等，并根据评价好的车辆的主观评价结果，制定出包括声压级、响度、尖锐度的整车状态下座椅按摩的声品质指标，并在某车型座椅按摩声品质问题上得以应用。

某车型座椅按摩声品质问题，包括电机声和泄气声问题，本文通过原因分析，多措施验证，最终锁定电机包裹及控制器增加消音结构的可行性方案，并且整车验证达标。

总结座椅按摩声品质问题从原因分析上可概括成源及路径，源包括电机声及气流噪声。气流噪声一般可以通过改变气管的截面积或在气道内增加阻尼来改变气体的流速从而改变气流声品质。电机噪声则是通过改变电机本体的性能水平，使负载工况处于电机性能特性曲线的高效率部分，这样可以既不浪费电机功率节约了成本，又不会有较差的声品质。路径上，噪声源很容易通过座椅骨架及座椅包覆传递到人耳，也可能会由于座椅内部空腔结构设计的不合理而产生空腔噪声。可通过优化气泵布置位置和在设计初期做好模态仿真，规避有风险的座椅造型结构。针对本文座椅问题案例，也可通过对噪声源的包裹及特殊结构的增加消音棉等消音方案来解决声音问题，这是座椅按摩声品质的总体结构优化控制方案。

汽车座椅按摩可以为驾乘人员提供舒适的享受，越来越多地应用于汽车开发中，除保证功能外，好的座椅按摩声音表现更会给用户带来更极致的体验，本文提供的座椅按摩声音优化方法可应用于座椅按摩的前期开发，更好地提升座椅按摩声品质。