張志飛，袁 瓊，徐中明，賀巖松

（1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶 400030；2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030）

汽車(chē)?yán)仁瞧?chē)安全系統(tǒng)中不可缺少的電器元件之一，其聲音對(duì)道路兩旁行人和前后車(chē)輛具有一定的提示與警醒的作用，但使用不當(dāng)或隨意使用就會(huì)對(duì)環(huán)境造成噪聲污染并嚴(yán)重影響人們的日常生活，因此人們對(duì)喇叭聲音的要求逐漸提高。國(guó)外對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)?yán)嚷曇粜阅艿难芯恳呀?jīng)比較成熟，能夠嚴(yán)格控制喇叭發(fā)聲大小。我國(guó)也在積極開(kāi)展相關(guān)研究，針對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)?yán)嚷曇粜阅艿臉?biāo)準(zhǔn)[1]也正在向世界高水平標(biāo)準(zhǔn)靠攏。為了降低喇叭聲帶來(lái)的不良影響，各大汽車(chē)廠(chǎng)商、院校和研究所對(duì)喇叭聲音的特性及如何提高喇叭聲音特性進(jìn)行著研究[2-5]，期待開(kāi)發(fā)出在不失去其最基本功能的前提下，具有自己品牌效應(yīng)的DNA喇叭聲音。因此，對(duì)汽車(chē)?yán)嚷曇暨M(jìn)行聲特性的試驗(yàn)分析研究具有重要意義。

目前喇叭聲音主要是結(jié)合主客觀(guān)評(píng)價(jià)試驗(yàn)進(jìn)行聲品質(zhì)[6-9]研究，但是主觀(guān)評(píng)價(jià)耗時(shí)、費(fèi)力且效率較低，因此本文從客觀(guān)方面對(duì)喇叭聲音進(jìn)行分析。本文參考GB 15742—2006《機(jī)動(dòng)車(chē)用喇叭的性能要求及試驗(yàn)方法》[10]對(duì)12輛不同類(lèi)型家用轎車(chē)?yán)嚷曇暨M(jìn)行采樣，分析喇叭聲音的時(shí)域、頻譜、時(shí)頻特性。采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)喇叭聲音進(jìn)行檢驗(yàn)，并用客觀(guān)參量A、B計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、雙耳響度、粗糙度、尖銳度對(duì)喇叭樣本進(jìn)行客觀(guān)分析，了解汽車(chē)?yán)嚷曇舻奶匦?，分析不同喇叭聲音信?hào)的差異，為后續(xù)有關(guān)喇叭聲音的研究提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15742—2006《機(jī)動(dòng)車(chē)用喇叭的性能要求及試驗(yàn)方法》來(lái)進(jìn)行。試驗(yàn)采用B&K雙耳麥克風(fēng)4101，采集距離車(chē)輛中心縱向平面7 m的正前方和右前方30°的喇叭聲音信號(hào)（要求傳感器離地距離為0.5～1.5 m），采用LMS公司生產(chǎn)的16通道便攜式數(shù)據(jù)采集器。試驗(yàn)場(chǎng)地為開(kāi)闊空地，滿(mǎn)足背景噪聲和風(fēng)噪聲比被測(cè)喇叭的聲壓級(jí)至少低10 dB、天氣良好、試驗(yàn)環(huán)境溫度為23 ℃±5 ℃。試驗(yàn)時(shí)，除測(cè)試人員外，其他人員不得在喇叭和傳感器附近停留，且所有窗戶(hù)關(guān)閉、輔助裝置停止工作，以免對(duì)試驗(yàn)準(zhǔn)確性產(chǎn)生干擾。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，要求試驗(yàn)人員能夠熟練、正確佩戴雙耳麥克風(fēng)，能夠控制好按喇叭的力度，因此試驗(yàn)前對(duì)2名雙耳麥克佩戴者和喇叭按動(dòng)者進(jìn)行專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，試驗(yàn)時(shí)由他們統(tǒng)一操作。由于人耳可聽(tīng)見(jiàn)的聲音頻率范圍為20～20 000 Hz，故本次試驗(yàn)采樣頻率為40 960 Hz，采樣時(shí)間為11 s，各車(chē)型重復(fù)采樣3次。試驗(yàn)流程及設(shè)備如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

目前，對(duì)聲學(xué)特性的分析主要有主觀(guān)評(píng)價(jià)、客觀(guān)評(píng)價(jià)、主客觀(guān)相結(jié)合，由于主觀(guān)評(píng)價(jià)需耗費(fèi)大量時(shí)間、人力，效率較低且成本較高、容易出錯(cuò)，因此本文從客觀(guān)等方面對(duì)喇叭聲音樣本進(jìn)行分析處理。

對(duì)同一車(chē)型的喇叭3個(gè)不同聲音樣本，選取滿(mǎn)意的復(fù)制到LMS Test.Lab9A的Time Data Selecting界面，通過(guò)重復(fù)試聽(tīng)截取發(fā)聲效果較好且波形比較飽和，時(shí)間長(zhǎng)度為1 s的樣本，保存作為后續(xù)處理數(shù)據(jù)。

2.1 喇叭聲音樣本基本分析

圖2為喇叭原始信號(hào)與截取信號(hào)，通過(guò)對(duì)樣本時(shí)域基本參量分析，得樣本的均值接近于0，表明喇叭發(fā)聲穩(wěn)定。結(jié)合樣本時(shí)域波形圖和時(shí)頻圖（圖3），進(jìn)一步說(shuō)明喇叭聲音是一個(gè)短時(shí)平穩(wěn)信號(hào)，且主要能量集中在中高頻段。

本次試驗(yàn)車(chē)型所用喇叭均為電喇叭，結(jié)合樣本頻譜圖，可以看出部分頻譜具有諧波特性，提取每個(gè)車(chē)型喇叭聲音樣本的峰值頻率，見(jiàn)表1。根據(jù)QC/T30—2004《機(jī)動(dòng)車(chē)用電喇叭技術(shù)條件》[11]，喇叭基頻范圍在240～650 Hz，有單音喇叭、雙音喇叭、三音喇叭。對(duì)于雙音喇叭，以低音基頻為基準(zhǔn)，基頻比為4∶5或者5∶6，對(duì)于三音喇叭基頻比為4∶5∶6，且允許誤差均為6%。結(jié)合表1可知本次試驗(yàn)所用喇叭除11號(hào)樣本為單音喇叭外，其余11個(gè)樣本為雙音喇叭，其基頻比在0.793～0.861。對(duì)各樣本聲壓級(jí)頻譜圖分析（圖4），可得頻率在1 800～3 550 Hz頻帶內(nèi)的聲壓級(jí)均大于頻率超過(guò)3 550 Hz的每一分量的聲壓級(jí)。綜上所述，喇叭基頻、基頻比、頻帶聲壓級(jí)均滿(mǎn)足QC/T30—2004喇叭技術(shù)條件。

表1 喇叭基頻周期

本次試驗(yàn)同時(shí)采集正前方和右前方30°兩測(cè)點(diǎn)的喇叭聲音信號(hào)，目的是為了研究喇叭聲音的指向性，因此分別計(jì)算兩測(cè)點(diǎn)位置左右麥克風(fēng)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，最終結(jié)果（表2）取各測(cè)點(diǎn)左右參數(shù)的算術(shù)平均值，分析可得以下結(jié)果。

（1）背景噪聲和風(fēng)噪聲比被測(cè)喇叭聲壓級(jí)最少低了21.15 dB，滿(mǎn)足開(kāi)闊場(chǎng)地進(jìn)行聲學(xué)試驗(yàn)的要求。

（2）根據(jù)規(guī)定，對(duì)于M、N類(lèi)安裝在車(chē)輛前部的喇叭，在距離喇叭2 m處的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)取值范圍為93～112 dB。參考“測(cè)量距離增加1倍，聲壓級(jí)降低6 dB”的準(zhǔn)則，將其轉(zhuǎn)換到正前方和右前方7 m，大概降低12 dB，結(jié)合本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得12款車(chē)型喇叭聲壓都在規(guī)定范圍內(nèi)。

（3）理論上距離聲源相同距離處聲壓級(jí)是相等的，因此右前方的聲壓級(jí)應(yīng)小于正前方，背景噪聲充分驗(yàn)證了理論的正確性。比較不同樣本正前方和右前方30°的聲壓級(jí)，得1、3、6、7、8樣本右前方30°的聲壓級(jí)大于正前方，說(shuō)明汽車(chē)?yán)戎赶蛐圆幻鞔_，其在給前方車(chē)輛和行人發(fā)出警醒的同時(shí)，也給兩側(cè)的居民造成了干擾。

表2 測(cè)點(diǎn)位置A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)

2.2 心理聲學(xué)客觀(guān)參數(shù)分析

心理聲學(xué)參數(shù)是描述不同聲音信號(hào)主觀(guān)感受差異程度的客觀(guān)物理量，采用心理聲學(xué)參數(shù)分析喇叭聲音樣本，能夠定量反映不同樣本之間的聽(tīng)覺(jué)感受差別。心理聲學(xué)參數(shù)很多，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并考慮喇叭聲音具有高頻、短時(shí)平穩(wěn)的特點(diǎn)，本文選取了雙耳響度、尖銳度、粗糙度3個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行分析。需要說(shuō)明的是各參數(shù)的計(jì)算都是通過(guò)PULSE Sound Quality模塊進(jìn)行的，其中雙耳響度是針對(duì)左右耳的參數(shù)，其余參數(shù)通過(guò)取左右通道的算術(shù)平均值完成。表3給出了12個(gè)樣本車(chē)型正前方3個(gè)心理聲學(xué)客觀(guān)參數(shù)（雙耳響度、粗糙度、尖銳度）、A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、B計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的計(jì)算結(jié)果。

比較分析各心理聲學(xué)參數(shù)在不同測(cè)點(diǎn)的值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同測(cè)點(diǎn)的客觀(guān)參數(shù)有差異，部分表現(xiàn)為右前方30°的心理聲學(xué)參數(shù)值大于正前方，進(jìn)一步表明喇叭聲音的指向性不明確，分析原因有可能是喇叭在汽車(chē)上的安裝位置和喇叭朝向所致。

表3 心理聲學(xué)客觀(guān)參數(shù)

表4 歸一化處理客觀(guān)參數(shù)

對(duì)比分析喇叭聲音心理聲學(xué)參數(shù)，可以看出，在同一測(cè)點(diǎn)，不同車(chē)型發(fā)出的喇叭聲音差異較大，即便是同一品牌或同等價(jià)位的車(chē)，喇叭聲音也各具特點(diǎn)。為了研究這些樣本之間的聯(lián)系與差異，對(duì)心理聲學(xué)客觀(guān)參數(shù)做相關(guān)性分析和差異性分析，尋找樣本之間的異同。由于表3的參數(shù)具有不同的量綱，且變化范圍與量度范圍各不相同，不便于參數(shù)間的分析、比較。因此本文采用數(shù)據(jù)無(wú)量綱歸一化處理，去除單位限制，將其轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱純數(shù)，且各指標(biāo)都處于同一數(shù)量級(jí)，對(duì)不同單位、不同變化范圍的各指標(biāo)進(jìn)行綜合比較、分析。本文所用歸一化處理通過(guò)各參量相對(duì)于其最大值的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)果見(jiàn)表4。

分析A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、B計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、雙耳響度、粗糙度、尖銳度的相關(guān)性，得出以下結(jié)論：雙耳響度與A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、B計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的相關(guān)系數(shù)分別為0.905、0.864，說(shuō)明A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)較B計(jì)權(quán)聲壓級(jí)更能反映人耳對(duì)噪聲響度的頻率響應(yīng)；尖銳度、粗糙度與雙耳響度之間存在較高的相關(guān)性，充分證明了兩者之間的聯(lián)系，即尖銳度、粗糙度都是以響度為基礎(chǔ)的計(jì)算參量。

為了研究不同喇叭聲音特點(diǎn)受哪些參數(shù)影響較大，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)中使用較多的多變量差異比較法，對(duì)各參數(shù)做直觀(guān)清晰的分析，得到的結(jié)果如圖5所示。分析可知，響度、粗糙度、尖銳度3個(gè)心理聲學(xué)客觀(guān)參數(shù)差異較A、B計(jì)權(quán)聲壓級(jí)明顯，且粗糙度、尖銳度的影響最大，說(shuō)明喇叭產(chǎn)生不同聲特性主要受粗糙度、尖銳度影響，其次為雙耳響度。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)12款不同類(lèi)型家用轎車(chē)?yán)嚷曇粜盘?hào)的分析，得出喇叭聲音是處于中高頻帶的短時(shí)、平穩(wěn)信號(hào)。目前車(chē)用電喇叭多是雙音喇叭，其指向性不明確，在給前方車(chē)輛和行人發(fā)出警醒的同時(shí)，也給道路兩旁居民造成干擾。

（2）分析雙耳響度、粗糙度、尖銳度、A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、B計(jì)權(quán)聲壓級(jí)之間的相關(guān)性，得出A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)與各參數(shù)的相關(guān)性高于B計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，說(shuō)明A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)更能反映人耳對(duì)噪聲響度的頻率響應(yīng)。同時(shí)，喇叭聲特性受粗糙度與尖銳的影響大于雙耳響度。

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