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增压器噪声的主客观评价

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中图分类号:U464;TH45:U461.4 文献标识码:A DOI编码:10.3969/j.issn.1006-1335.2013.03.054Subjective and Objective Evaluation of TurbochargerS NoiseSHENG Xiao-zhen,TIAN Sheng,CAO Xia,YANG Di(Hunan Tyen M achinery Co.,Ltd.,Hengyang 421005,Hunan China)Abstract:A program for generating single-frequency noise was written using MATLAB code.The 24 pure tones ofdifferent frequencies and sound pressure levels were generated using this program to simulate the turbochargerS noise.Thenthese pure tones were respectively added to the background noise recorded in the cab of a modem car to synthesize 24 soundsamples.Subjective evaluation experiment was carried out on these samples,in which scores between 1 and 1 0 were givenby the auditors to evaluate the detestableness and acceptableness of the pure tones in the background noise.Finaly,for eachsound sample,the subjective evaluation was compared with the power-spectral-level difference between the pure tone andthe background noise,and also compared with the ratio of the pure tone to the noise.The corresponding corelation andregress analyses were conducted.And the limitation value of the turbochargers noise was obtained.From this study,thecriteria for controling turbo noise can be established。

Key words:acoustics;turbocharger;sound quality;acoustic evaluation;tone-to-noise ratio利用发动机废气的能量,通过涡轮增压器来压缩空气,增加发动机的进气量,从而增加发动机的功率。-般而言,增压发动机的功率和扭矩比自然吸气条件下要增大20%~30%。该产品还具有降低单位功率油耗、减 少废 气 中的污染物 排放 等优点 , 。欧II和更高排放标准在中国的推行,使增压器成为各种内燃发动机的必选设备。

增压器是高速旋转机械,转速可达30万 r/min,叶轮的最大线速度可达500 m/s以上,远高于声速。

由于两轮与气流的相互作用,转子的不平衡,以及轴收稿 日期:2012.07.25;修改日期:2012.09-14作者简介:圣小珍(1962-),男,江西永新人,国家千人计划”特聘专家,博士,英国声学学会会员和注册工程师,目前从事涡轮增压器振动噪声等核心技术研究。

E-mail:shengxiaozhen###hotmail.tom承的非线性油膜力等因素,使增压器在使用过程中产生各种噪声。增压器噪声频率很高,发动机的背景噪声频率却要低得多,难以将前者屏蔽。目前在中国各城市的大街小巷,当装有增压器的卡车或公交车通过时,路人就会听到增压器的啸叫声。因此,增压器噪声已成为环境噪声污染的重要来源。高频率意味着短波长。因此 ,增压器噪声更容易通过各种间隙、以很小的衰减率传播进入车内,造成对驾驶员和乘客的噪声干扰。增压器噪声通常是高频谐音,会大大降低车内声学品质。因此,中高档轿车上的增压器噪声水平必须要严加控制。

增压器低噪声之要求经常与增压器高性能之要求相矛盾。换句话说,降低噪声的措施经常对性能有负面影响〉低增压器噪声往往也意味着生产成本的提高。因此,合理的做法是,根据单频音屏蔽原理,将增压器噪声控制在能够被背景噪声屏蔽的水242 增压器噪声的主客观评价 2013年6月平。为此,我们需要知道,在给定背景噪声水平的情况下增压器噪声水平的最大允许量。

根据单频音屏蔽原理 ' ,对任何-个单频声,存在-个以该单频声频率为中心频率的临界频带,只有该临界频带内的背景噪声才对单频声有屏蔽作用,并且当单频声的能量比临界频带中背景噪声的能量不高出6 dB时,多数听者-般不太容易注意到单频声的存在。这个 6 dB原则或许可以用作确定增压器噪声允许值的依据〖虑到建立该原则的实验是多年前在西方发达国家的专门实验室进行的,那时的人们所经历的噪声与现在大不相同(环境噪声的恶化、手机和MP4等电子产品的大量使用使现在的人们经受更多的噪声污染,这会改变人们对噪声的心理反应),而且西方人与中国人对噪声的态度和心理反应有所不同,当时实验室的背景噪声不-定同于现在的车内背景噪声。所以,我们有必要在真实车内背景噪声条件下,对增压器噪声的可被屏蔽性、人们对增压器噪声的可接受程度作进-步的研究。就 目前国内外学术界所发表的相关文献来看,虽然有许多作者研究车内声品质问题 ' ,但对上述课题研究得很少。本文的目的就是要通过此项研究为确定增压器噪声标准提供依据。

1 样本采集与处理1.1 汽车背景噪声采样本文中的汽车背景噪声采集于以大约70 km/h的速度行驶在高速公路上的某-款轿车的副驾驶左耳朵位置,目的在于旧能真实地模拟乘客所接受的声音。在采集过程中,轿车的所有窗户关闭,以尽量减姓气动力学噪声≌调和音响设备也全部关闭。采样频率为44 100 Hz,采集的时间长度为50 S,并截取其中较为稳定的时长为5 S的-段用作背景噪声。用Matlab程序对背景噪声进行频谱分析。图1给出了背景噪声的时域波形和频谱。从图1可以看出,发动机等产生的背景噪声能量集中于500 Hz以下,且有明显的谐波分量。高于500 Hz,频谱基本平坦,说明车内背景噪声在500 Hz以上基本上是宽带随机噪声。

1.2 增压器噪声模拟增压器噪声-般为单频噪声,其频率-般是涡轮增压器转速的整数倍。本文采用Matlab程序生成不同频率(1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz和8 000 Hz共四个)、六个不同声压级的单频声,然后分别加入到背景噪声中去。这样-共得到24个混有增压器O·40.2萋o 0.2-0.46召 4望 20背墩噪声的时域波形 醛 点 E 1:题氆- - l 1 l址~---.jO图 l背景噪声的时域波形(上)和频谱(F)Fig.1 Time history and frequency spectrum ofbackground noise噪声的声音文件,它们将作为主观评价实验的样本。图2是含有频率为 8 000 Hz、比背景噪声高出32 dB(英译为above.floor leve1)的增压器噪声的声音文件的功率谱密度。

鲁啪搬静k薹骛壁要nI 罐《 h- ,、 ~ 5 7 9 11 13 l5频率/kHz图 2含有增压器噪声(8 000 Hz,比背景噪声高出32 dB), 声音文件的功率谱密度Fig.2 PSD of sound sample containing turbochargernoise(8 000 Hz and 32 dB above-floor leve1)2 主观评价实验2.1评价主体选择评价主体就是主观评价实验中的听者。在本实验中选择了30名本公司职员作为评价主体,年龄范围为2455岁,他们大部分有增压器设计、制造和应用的经验,2/3的人有实际驾车经验,并对客户对增压器噪声的反应有-定了解。因此,它们对增压器噪声的反应基本上能代表广大客户。

2.2 实验方法和评价准则在进行主观评价实验之前,对每位评价主体介绍了背景噪声的采集和单频噪声的加入等具体过∞ 加 ∞ ∞ m 如- - - - 。

第33卷 第3期 噪 声 与 振 动 控 制 243程,以及实验的目的,同时回放24个声音样本,使主体对被评价对象的动态范围有个初步的了解。本实验采用国内外普遍使用的评分法对 24个声音文件进行评价。评分法是用分值来定量描述主体对于背景噪声中所混有的单频声音的可听见性和可接受程度。评价主体要对所听到的声音在给定的评分范围f1~10)内评分,10分表示相对于背景噪声根本感觉不到单频噪声的存在,1分表示单频噪声十分明显,且强度太高,作为-个客户,完全不能接受背景噪声中的单频噪声的存在。通常认为6分以上表示听者可以接受单频声的存在。实验中声音样本按顺序播放,通常不能重复,评价主体通过专业耳机收听,以排除外面噪声的干扰。

按照上述评价方法和准则完成主观评价实验并记录数据,剔除两位表现不稳定主体的评价结果,最终得到28位主体的有效评价结果。

2-3 实验数据的有效性检验采用统计学方法对实验的有效性进行检验。由于工程试验结果大部分符合正态分布,所以对每-个声音文件的评价结果(数据样本就是各评价主体给出的分数),在工程统计商业软件Minitab中做置信水平为95%的正态分布假设检验,发现大部分声音文件的评价结果基本能够符合正态分布,这说明了本次主观评价实验的客观性和有效性。以加入8 000 Hz35 dB单频噪声的声音样本为例(图3),Minitab给出的P值为0.072,大于0.05。因此,我们没有理 由拒绝其符合正态分布的假设(即H。假设)。应该指出,虽然p值大于0.05,但还是比较低。

较低的口值可能是由于规定分数只能取 1到l0之问的整数和样本数不够高造成的。对这个声音的评价,标准差与平均值之比是43%,平均值在 95%置8 000 Hzl 8 dB 态分布假设枪验结果正怨性检验i 0 67P俏 0 1)72均值 4.27504588 926编艘 1.Ol360度 。·图 3对加入8 000 Hz35 dB单频噪声的声音评价结果的正态性检验Fig.3 Normality check on scores of sound sample(the pure tone is at 8 000 Hz and with 35 dB above-floor leve1)信水平上的置信区间是3.6,5.0]∠高的相对标准差反映了主体对噪声反应的巨大差异性,尤其是有人给出的分数是 10,说明此人根本就听不到单频噪声的存在,而另-人给了1分,至少说明他或她能十分明显地听到了单频声的存在。

2.4 主观评价与客观物理量之间的相关性分析对每个声音样本的28个主观评价分值求算术平均值,同时计算出每个声音文件功率谱密度中单频声高出背景噪声的dB数(客观物理量),计算结果如表 1所示。对单频噪声高出背景噪声的dB数(以D表示)与加入该单频噪声样本评价得分的算术平均值(以M表示)做相关和回归分析。图4给出了四个频率f1 kHz,2 kHz,4 kHz和8 ld-Iz)的回归分析的结果。从图中可以看出单频噪声高于背景噪声的dB数与主观评价分值算术平均值之间有很强的线性相关性。因此,前者可用作评价增压器噪声的客观声学量 。

表 1各声音文件主观评价算术平均分值和单频噪声相对水平Tab.1 Average subjective scores of sound samples and above-floor levels of the tones6.715.935-354.663.462.95% 加 勰8 7 6 6 5 4 "如 醯 %6 6 5 4 3 2 加∞卯 ∞7 6 5 5 3 3 244 增压器噪声的主客观评价 2013年6月O l0 2O 3O 40高出背景噪声分贝数/dB图4单频噪声高出背景噪声的分贝数与主观评价平均值之间的关系Fig.4 Relationship between above-floor levelsand mean subjective evaluation scores从图4可以看出,四条拟合的直线基本上是平行的。这说明在所测试的频率范围内,单频噪声高出背景噪声的dB数的变化所导致的主观评价的变化基本上是与频率无关的。四条直线的平均斜率是-0.23,当单频噪声高出背景噪声的dB数增加 10dB,主观评价将下降2.3个点。 、根据试验规定,当主观评价分数等于或大于6分时,就认为评价主体可以接受背景噪声中所加入的单频噪声。通过回归方程计算评分值M6时不同频率单频噪声高出背景噪声的dB数,此dB数可以作为-个阀值,用来评价该频率下当增压器噪声高于同频率下的背景噪声多少dB时,增压器噪声会让乘客感到厌烦。计算 结果见表 2,其拟合 曲线见 图5。

表 2 M6时各频率下单频噪声高出背景噪声的dB数11ab 2 Predicted above.floor levels for :6从图5中可以看出,增压器噪声高出背景噪声的dB数阀值与频率之间的关系在I kHz到8 kHz的范围内近似是线性的,频率越高,允许高出的水平也越高。该直线可表为Dlh h。ld1 1.832.097f(dB) (1)(1)式中,频率,的单位是kHz。直线以下为可接受区,以上为不可接受区。

3 立El噪 1 -匕 采 L国际标准 中描述 了用音噪比(Tone-to-noiseratio1来评价宽带噪声中的单频声之突出程度。要霎 j/囱/,/2017.5. /r-] j1 .// L- O 2 4 6 8频率/Hz 10图 5单频噪声高出背景噪声的dB数阀值与频率之间的关系Fig.5 Relationship betw een above-floor levelthreshold of a pure tone and its frequency计算音噪比,首先按下式计算临界频带的上下限频率[ ,厂2]:等-J(asc) 24-So21 , 2 1 (2) -, 0 1 -J 0 c ,此处 为中心频率(即单频声的频率),临界频带的带宽由下式给出af25.075.0l1.01.4(f0/1 0o0) I (3)然后按照AL :10 log( / )dB (4)来计算音噪比,此处 为单频声的能量, 为背景噪声在临界频带中的能量(等于临界频带中的总能量减去单频声的能量)。对上述24个声音文件计算得到的音噪比与主观评价平均分数之间的关系见图6。

l 比图 6评价平均分数与增压器噪声音噪比之间的关系Fig.6 Tone·to-noise ratio of pure tones VS.subjectiveevaluation scores of sound samples可以看出,它们有相当强的相关性,音噪比越高,评价分数就越低,说明音噪比也可用作评价单频噪声的客观声学量。图6中直线的斜率是-0.24,与图4中四条直线的平均斜率(-0.23)相当接近,说明第33卷 第3期 噪 声 与 振 动 控 制 245两个客观声学量具有-定的等价性。然而,当评价分数为6时,音噪比为 12 dB,比通常的6 dB要高出- 倍,这说明评价主体对单频声的容忍程度比较高。

4 结 语用Matlab程序生成24个不同频率和声压级的单频噪声(用以模拟增压器噪声),分别加入到同-汽车背景噪声中,合成24个声音样本。由28个主体用评分法对背景噪声中所含的单频声的可听见性和可接受程度在0~10范围内进行打分。对主观评价分数与对应的单频噪声高出背景噪声的dB数之间、前者与对应的单频噪声的音噪比之间作对比分析。

试验和分析结果表明,单频噪声高于背景噪声的dB数与主观评价分值算术平均值之间有很强的线性相关性。因此,前者可用作评价增压器噪声客观标准的声学量。在所试验的频率范围内,单频噪声高出背景噪声的dB数每增加 l0 dB,主观评价将下降23个点。增压器单频噪声高出背景噪声的dB数阀值与频率之间的关系在 1 kHz到8 kHz的范围内近似是线性的,频率每增加 1 000 Hz,允许高出的 <>-(>0 -:>-:0'-◇ (><>◇ <>(上接第211页)5 结 语作为信号分析处理方法的-种,EMD适于处理非线性、非平稳信号,然而却存在端点效应问题。采用经镜像延拓法改进的EMD对信号进行处理,有效地解决了端点效应。提出了IMF故障因子指标算法,并利用该算法剔除其中的伪分量,获得无过分解的IMF,从而强化了故障信息。在此基础上建立了改进EMD和HMM的齿轮故障诊断方法框架,并将方法应用到齿轮故障诊断中。最终采用HMM分类器对故障诊断达到了较高的正确率,验证了该方法的可行性。

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