汽车工程 2012年(第34卷)第2期 Automotive Engineering 2012030 汽车喇叭声品质分析球 徐中明 ,张芳 ,贺岩松 ,周小林 (1.重庆大学机械工程学院,重庆400030;2.汽车噪声振动和安全国家重点实验室,重庆400039) [摘要] 参照国家标准GB15742,对l0余辆不同类型的乘用车进行了正前方和右前方30。两个方位的汽车喇 叭声学测试。采用主观相似性实验对所得样本进行分类,并按国标进行检验和筛选。最终对6个合格有效的声音 样本进行粗糙度、尖锐度、双耳响度和波动度等6个参量的计算,并对这些参量间的相关性和多参量差异进行了分 析。结果表明,导致喇叭产生不同声音特点的心理声学因素主要是粗糙度和尖锐度,其次是双耳响度,而波动度差 异不明显。 关键词:汽车喇叭;声品质;主观相似性实验 An Analysis on the Sound Quality of Car Horns Xu Zhongming ,Zhang Fang ,He Yansong , &Zhou Xiaolin 1.College ofMechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030; 2.StateKey LaboratoryofVehicleNVH and S ̄fety Technology,Chongqing 400039 [Abstract] By reference to national standard GB 1 5742,a car horn acoustic test is conducted on around a dozen cars of different categories along both front ahead and 30。oblique directions.The sound samples obtained from the test are classified with subjective similarity judgments,and then checked and sifted as per the requirements of GB 1 5742.Finally 6 qualified samples are obtained,of which the parameters including roughness,sharpness, binaural loudness and fluctuation are calculated,and the correlation among these parameters and inuhi—parameters difference are analyzed.The results indicate that the major psychoacoustic factors making horn generate different sound features are roughness and sharpness with binaural loudness in the next place while the difference in fluctua— tion iS not obvious. Keywords:car horn;sound quality;subjective similarity experiment 住环境噪声的社会调查中发现,70%的居民认为交 日IJ茸 通噪声严重影响了正常生活,尤其是汽车鸣笛声 J。 为了降低喇叭声带来的噪声,国内外在健全法规标 喇叭是汽车安全系统中的一个不可或缺的电器 准方面做了很多努力,并通过法规约束、降低喇叭工 元件,喇叭声音作为一种汽车特有的语言主要用于 作电流和调整喇叭结构等途径来降低噪声。但随着 车与人及车辆之间的交通信息沟通。除市区主干道 生活水平的提高,人们对喇叭声品质的要求也日益 外,绝大多数的道路都离不开喇叭,因此它的提示和 严格,因此,对汽车喇叭进行声品质的研究很有必 警告作用不可替代。但由于我国国情和驾驶员的习 要。人们希望在不失去喇叭最基本功能的前提下, 惯与欧美和日本有很大差异,使汽车喇叭的使用次 能够听到更加舒适的警鸣声,制造商也希望制造出 数多出10倍左右 J,由此带来的噪声污染极为严 具有自己品牌的喇叭 J,来满足人们越来越高的 重。中国科学院声学研究所和Et本三重大学关于居 生活质量要求。 国家自然科学基金(50975296)、汽车噪声振动和安全国家重点实验室2010年度开放基金(NVHSKL一201012)资助。 原稿收到日期为2011年3月15日,修改稿收到日期为2011年6月15日。 汽车工程 2012年(第34卷)第2期 声品质评价主要依赖于人们对产品声音特性的 主观理解和判断 J,它不仅与产品的声音特性这一 客观物理量有关,还与人们对产品的认知度和人自 实验中大多数听审者都将这6对相同的样本分别分 在同一类中,说明该实验可靠且可行。实验在个人 计算机上完成,主观相似性实验软件界面如图1所 示。实验之前,听审者所看到的1—32的按钮分别 代表32个声样本。听审者可通过点击按钮进行试 听和评价,通过拖动按钮到界面右侧对样本进行分 类,直到任务完成为止。听审者的主要任务是将他 们认为声品质相同或相似的样本放在一起,不受组 身的心理状态有关。因此,汽车喇叭声品质的评价 包括主观评价和客观评价两方面 。本文中主要对 l0余辆不同品牌、价位的乘用车的喇叭进行了主观 相似性实验,并参考相应标准对其基本性能进行分 析检验。通过客观分析,了解汽车喇叭声信号的特 点,找出了产生不同感觉声音信号的主要差异。 数的限制,根据自己的判断自由分组。最后进行统 1 汽车喇叭声样本的获取 1.1 喇叭声样本的采集 实验按照GB15742《机动车用喇叭的性能要求 及实验方法》来进行。为了在主观实验中使评价者 获得与实际情况更接近的声音信号,采用Binaural Microphone Type 4101双耳麦克风记录实际条件下 的双耳喇叭声信号。分别对车辆正前方和右前方 30。两个方向上距离7m处的喇叭声信号进行记录, 设置采样频率44 100Hz。为便于数据截取与分析, 对同一型号的车重复采样3次,单个样本采集时间 为10s。为防止建筑物、墙壁或汽车等物体反射,要 求汽车与这些大型物体之问的距离大于20m。除测 试人员外,被测汽车无其他负载,汽车所有窗户均关 闭,辅助装置停止工作。测试时,由于按喇叭的力度 不一致将对样本产生较大影响 ,因此,由一名经过 训练的试验人员统一操作。 1.2声样本的预处理 汽车喇叭声音历时较短,本着记录完整单个事 件的原则对样本进行截取,可通过重复播放来研究 声音信号间的细微差别。采用Cool Edit软件对声 音样本进行编辑,去除部分外部噪声干扰,最终得到 合理有效的声音样本26个。 2主观相似性实验 考虑到主观评价实验的代价和时问,过多的样 本将耗费大量的人力物力,也给分析带来难度,通过 主观相似性实验,将样本进行相似性聚类分析 ,找 出具有代表性的几个声音样本来做研究,可以达到 同样的效果。 2.1实验过程 除上述26个有效样本外,再选其中6种车型对 应的6个相同的样本,进行主观相似性实验。如果 计处理,图2是听审判断的结果。 图1 主观实验前的用户界面 图2主观实验后的用户界面 结合国外经验 和本次实验的具体情况,实验 选取了33名在校大学生作为听审者,28名男生和5 名女生。自述均无听力障碍,身体状况良好。实验 之前对听审者进行了相关培训,说明了评价任务和 过程。 2.2实验结果 实验结果如图3所示,大多数听审者将所有的 声音样本分为6~9组,其中将声样本分成7组的人 数最多。经有经验的测试人员试听,认为分组结果 较合理,声音样本较相似。统计结果显示之前抽出 的6组完全相同的样本也都被分到了同一组中,这 些重复组有(3,4),(5,6),(7,8),(14,15),(25, 26),(30,31)6对,这也证明了本次实验的可靠性和 可行性。 徐中明,等:汽车喇叭声品质分析 叭进行了性能评价分析,结果见表1。由表可见:所 有车型的最大声压级均未超过118dB,采用倒谱 法¨叫计算出所有车型的基频基本满足要求(400± 籁 一 _ l一 30Hz);在谐振频率检测中,须满足频率为1 800— 3 550Hz频带内的声压级必须大于频率超过3 550Hz .. .一 __ . . 一l_ __._._曩. . 1一 的每一分量的声压级。经频谱分析,除15号所代表 的车型外,其他车型都满足了标准要求,在以下的研 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1l 12 13 14 15 16 17 18 19 20 分类数 究中对15号车不作为样本进行深入分析。 图3实验分组数的统计结果 表1各车型喇叭性能统计表 通过计算,从大部分听审者认为分组合理且可 车型 最大声压级/dB 基频/Hz 谐振频率检测 合格 靠的7组中,选出了被所有人分到同一组中概率最 3 96.2 419.9 是 是 高的7个有代表性的样本,即样本3,8,12,13,l5,19 8 95.6 430.7 是 是 和24作为分析的样本,分别对应着7个不同品牌的 12 95.7 398.4 是 是 车型。 13 94.6 419 是 是 15 96.2 430.7 否 否 19 95.2 376.8 是 是 3喇叭声样本性能的基本分析 24 96.2 441 是 是 3.1喇叭声样本初步分析 对上述7个有代表性的声样本做时、频域分析, 4喇叭声品质的客观分析 结果见图4和图5。由图可见,喇叭在发声阶段无明 显波动,其频谱表现为基频及其若干次倍频。 4.1客观参量的计算 心理声学参数是描述不同声音信号所造成主观 感受差别程度的客观物理量,采用心理声学参数分 时 析,可以定量地反映听觉感受的差别,消除个体的影 昌 粗 响。影响声品质主观评价的因素有很多,结合国内 外经验,本文中选择了双耳响度、尖锐度、粗糙度和 波动度4个主要的心理声学参数进行分析。利用 PULSE软件中Sould Qulity模块计算出喇叭声样本 正前方和右前方30。两个方位的4个心理声学参数, 图4喇叭声样本时域图 同时计算了相应的基本物理量A计权声压级和线性 声压级值。需要说明的是,PULSE计算出的参量除 双耳响度外其他均针对单个耳朵,这些参量最终的 结果采用左右耳测量值的算术平均值 ,这里只给 出正前方的客观参量,如表2所示。 表2正前方客观参数值 车型 双耳响 声压 A计权声 尖锐度/ 粗糙度/ 波动度/ 度/sone 级/dB 压级/dB aCUm asper vacil 3 39.9O 80.20 80.25 0.800 2.380 2.400 8 46.00 81.2O 8O.2O 1.075 2.030 2.435 图5声样本频谱分析 12 47.70 81.9O 81.95 1.460 1.940 2.480 13 40.80 82.20 82.05 0.862 2.230 2.390 3.2喇叭各性能指标参数检验 19 44.2O 82.55 81.95 0.840 O.951 2.480 按照GB15742((机动车用喇叭的性能要求及实 24 45.70 82.2O 82.2O 1.315 1.146 2.405 验方法》,分别在MATLAB和PULSE中对各车型喇 汽车工程 2012年(第34卷)第2期 4.2正前方和右前方30。客观参量对比分析 ・ 表3客观参量的归一化 车型 双耳响 声压 A计权声 尖锐度/ 粗糙度/ 波动度/ 度/sone 级/dB 压级/dB asper vacil 3 8 12 0.836 5 0.971 5 0.976 3 0.964 4 0.983 6 0.975 7 1 0.992 1 0.997 0.547 9 1 0.967 7 满足人们基本生活要求的汽车喇叭的设计须达 到以下几个要求:(1)恰当的声压级使被警告者能 听清喇叭声,但不干扰环境;(2)良好的指向性,街 道两侧不受干扰;(3)良好的音色,不是怪声或难听 的声音。实验测量正前方和右前方3O。两个方位的 客观参量,验证汽车喇叭的指向性,各个客观参量的 0.736 3 0.852 9 O.981 5 1 0.399 6 1 13 19 24 0.855 3 0.995 8 0.998 2 0.926 6 1 0.997 1 0.590 4 0.937 0.965 7 1 0.575 3 0.5O6 3 对比如图6和图7所示。由图可见,客观参量有差 异,但差异较小,表明目前大部分汽车喇叭的指向性 0.958 1 0.996 4 0.900 7 0.481 5 0.969 8 不明显,喇叭在给前方车辆和行人发出警告信号的 同时,给两侧的居民也造成了影响。 60 5O 曼40 警3皿‘2O 0 10 0 3 8 12 13 19 24 车型 图6双耳响度对比图 2 §1.5 昌 越 1 舔 --,g 0.5 0 3 8 12 13 19 ’ 24 车型 图7尖锐度对比图 4.3客观参量之间的相关分析 不同喇叭发出的声音特点不同,有的样本让人 无法忍受,有的样本让人勉强接受,但也有少部分样 本听起来相对舒服。为了更深入研究,进行客观参 量问的相关分析与差异比较。表2中结果反映的各 参量的变化范围及量度范围各不相同,且差异较大, 不便于参数间的分析和比较。为此,采用以各参量 相对于其最大值的比例对数据进行归一化处理,如 表3所示。客观参量之间的相关性见表4。 由表4可见:声压级和A计权声压级具有很高 的相关性,在99%的置信区间显著相关,可见喇叭 声音频段主要集中在中高频范围内;尖锐度和粗糙 度与双耳响度之间存在着较高的相关性,充分证明 了两者之间的联系,它们都是以响度为基础的计算 量;但波动度与其他客观参量之间不具有显著的相 表4客观参量间的相关分析 双耳响 声压 A声 尖锐度/ 粗糙度/ 波动度/ 度/sone 级/dB 级/dB aspe vaeil 双耳响 Pcarson 1 度/sone 相关性 级/dB 相关性 声压 Pearson 0.398 1 A计权声 Pear压级/dB 相关性 son 0.257 0.893 1 尖锐度/ PeaCUm 相关性 0.845 arson 0.262 O.351 l 粗糙度/ Pcarson 0.790 0.655 0.664 0.706 1 asper 相关性 波动度/ Pearson 0.652 0.371 0.225 0.322 0.695 1 vacil 相关性 关性,说明喇叭声音信号波动度不明显,在以后喇叭 的声品质研究中这一客观参量可以不做深入分析, 减少分析的难度。 4.4汽车喇叭声品质多参量差异分析 不同车型的喇叭声音具有不同的特点,运用统 计学中的多变量差异比较法,将样本的各个参量做 直观清晰的分析。结果如图8所示,可以看出,主要 是双耳响度、粗糙度和尖锐度3个客观参量的差异 较突出,尤其是粗糙度和尖锐度。说明喇叭声产生 不同听觉感受的主要因素是粗糙度和尖锐度,其次 为双耳响度。另外,不是所有的声品质研究中,响度 的影响都是最主要、占据主导地位的。 双耳响度/sone 车型 ----0--3 波动度/vacil 声压级/dB-- u --13 824 +l2 —●一19 粗糙gUa ̄er A计权声压级/dB 尖锐度/acum 图8多变量差异分析图 2012(Vo1.34)No.2 徐中明,等:汽车喇叭声品质分析 ・153・ [2]郑大瑞,久野和宏,等.关于居住环境噪声的社会调查(名古屋 5结论 (1)进行主观相似性实验,选出具有代表性的 样本,不仅减少了样本的数量,节约了人力和物力, 而且便于分析,在分类之后,更加容易找出差异,为 设计者们提供参考。 . E京)[J].声学学报,1993,18(4):280—289. [3] Guillaume Lemaitre.Model and Estimation Method for Predicting the Sound Radiated by a Horn Loudspeaker-With Application to a Car Hom[J].Applied Acoustics,2008,69:47-59. [4] Guillaume Lemaitre.The Sound Quali ̄of Car Horns:A Psychoa— coustical of Timbre『J].Acta Acustiea United with Acu ̄ica, 2007,93:457—468. (2)喇叭声音信号是一个稳态信号,频谱表现 为基频及其若干次倍频。在国家标准的检验中可以 [5] Gillaume Lemaitre.The Sound Quali ̄of car Homs:Designing New Representative Sounds[J].Acta Acus-Tica United with Acustica,2009,95:356—372. 发现,个别车型喇叭并没有达到国家标准的要求,并 且大部分喇叭的指向性不明显,给两旁的居民正常 的生活造成了影响。 (3)在喇叭声品质的基础研究中,带来不同听 [63 Svend G M.What is Sound Quality[J].Bmel&KjaeI Magazine, 2007(1):19—23. [7]焦风雷.噪声信号声品质评价及分析方法研究[D].北京:中国 科学院声学研究所,2005. 觉感受的主要因素是粗糙度和尖锐度,其次是响度, 波动度与其他参量之间不具有相关性,且差异不明 显,在今后的研究中可剔除这个因素的影响,为进行 更加深入的研究奠定基础。 参考文献 [1]郭继峰,任万滨,翟国富.汽车电喇叭的技术发展[J].机电元 件,2010,30(1):39—46. [8]李灿,陈剑.某车车门关闭声品质评价[J].噪声与振动控制, 2009(4):107. 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