排气噪声阶次调制软件实现及应用*

张威　卢炽华　杜松泽　刘志恩，2　侯献军，2（.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉430070；2.汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉430070）



排气噪声阶次调制软件实现及应用*

张威1卢炽华1杜松泽1刘志恩1，2侯献军1，2
（1.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉430070；2.汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉430070）

【摘要】基于阶次追踪及提取技术，应用MATLAB软件开发出能对瞬时噪声信号进行阶次分解、合成与调制的软件。该软件除具备传统的等幅调节、滤波功能外，还可对发动机任意转速范围内点火阶次及其谐阶次的声压大小进行组合，可实现排气噪声选择性控制和声品质的设计。通过实例验证了其在构建运动感声音及目标阶次中的应用。

1　前言

汽车的声品质已经成为汽车制造商和研究人员关注的焦点之一。近年来由于NVH技术的进步，汽车的噪声得到很大控制。但消费者对汽车的舒适性和个性化要求不断提高，这就使消声器的消声特性和声品质不仅要满足顾客的需求，还要树立起独特的品牌形象［1］。如今单纯的声压水平的高低已经不能代表声品质的好坏，在很多情况下即便声压级符合要求，消费者依旧对排气噪声感到不满意。因此，声品质的控制和设计不单要降低排气噪声的声压级，还要能够调节产品的声音特性，即消除总体噪声中令人烦躁的成分，同时适当保留甚至补充令人愉悦的成分，最终达到选择性噪声控制的目的，从而使产品声音满足消费者的主观感受［2、3］。

实现选择性噪声控制需要对排气噪声进行阶次分析。现在通用的阶次分析软件具有滤波功能，对所采集的噪声样本能够进行频谱上的高通、低通、带通和带阻处理，同时也能对阶次噪声进行调幅处理。但其只能在整个转速范围内对样本进行等幅的衰减或是增强，而不能在某一转速段任意调整特定阶次幅值的大小，并且不能实时播放和输出特定转速段调节阶次幅值后的声音，由此很难对比出阶次调整前、后声音的差异。

因此，通过MATLAB编程的方式设计发动机排气噪声阶次分解合成软件，应用其中的GUI模块建立所需要的图形用户界面及相应的回调程序。依据此软件能够对排气噪声中的阶次进行分析和主观调整，并能实时试听调整后的声音，建立所需要的目标声音样本库。最后通过主观评价试验，提出期望的排气系统阶次噪声的目标值。

2　设计原理

发动机是一种旋转机械，其振动、噪声信号和曲轴转速有密切关系，即信号的特征频率与参考轴的转频（每秒的转速）有固定的比值关系，这个固定的比值称为阶次［4］。作为发动机气动噪声的重要成分，排气噪声包含着大量的阶次信息，尤其是其中的点火阶次及其谐阶次对声品质的影响较大。因此，利用阶次分析技术处理排气噪声是极为有效的。

传统的FFT方法对发动机排气噪声信号进行分析时，由于采样频率固定而发动机转速变化易引起“频率混淆”和“能量泄露”问题［5］。而阶次跟踪理论是以角域采样为基础，其本质是将旋转机械不平稳的时域信号转变为平稳的角域信号，再利用快速傅里叶变换进行处理，得到阶次谱。

阶次提取时，要求时域信号采样频率的变化与参考轴转速的变化一致，以保证对非平稳信号等角度采样。将发动机每转过一定角度的时间间隔定为阶次采样的触发间隔［4］。其具体步骤如下。

a.将原始噪声信号和转速信号输入，建立起噪声信号随转速变化的对应关系，并经采样和抗混淆滤波。设定实时分析采样频率fs=k×n×fF（k≥12，为采样基频倍数；n为分析的阶次数；fF为信号基频）。

b.设定抽取阶数D，D值大小同分析的阶次数、转速信号的频率和分析模式有关。

c.先以fs=k×fM（fM为信号的最高频率）的频率采样，然后根据需要分析的最高频率对信号进行频域抽取，得到过采样频率

d.将噪声信号和转速频率进行插值并重新采样，重新采样频率fd=k×n×fF。

e.对得到的重新采样信号进行傅里叶变换，得到阶次谱。

3　设计方案

3.1流程设计

此软件的设计基于MATLAB在语音信号处理方面的优势和阶次跟踪原理在噪声阶次提取和分析中的应用，将噪声信号和转速信号依次进行导入，经阶次跟踪和提取，计算出声压级并绘图显示；其中加入阶次调整模块，可实时输出调整后的语音及绘制调整后的阶次曲线；最后导出调整后的声音样本文件。软件设计原理图如图1所示。

图1　软件设计原理

各阶次幅值的调整采用三线插值的方法，以保证调节后的阶次变化平缓，避免导出的样本声音有杂音、异响或是抖动。在语音输出阶段，为了分析各阶次对声品质的影响需要去除高频噪声，因此加入低通滤波的功能，保证输出语音的有效性。

3.2界面设计

软件窗口界面设计分为曲线显示、声音文件导入导出控制、阶次调整控制和播放控制4个模块，图形用户控制界面如图2所示。

图2　图形用户控制界面

a.曲线显示

曲线显示部分包括上、下两个绘图界面。上边显示原始声音样本的各阶次曲线，下边显示调整后的各阶次曲线。绘图界面下均有追踪转速信号的进度条，用以确定当前播放的声音所对应的转速以及播放进度。

b.声音文件导入、导出控制

此控制模块由“导入”、“导出”两按钮组成。点击“导入”时，可依次导入原始声音（wav.格式）和转速-时间序列。曲线显示部分的两个绘图界面均会自动显示出原始声音样本的各阶次曲线。点击“导出”按钮可生成目标声音。

c.阶次调整控制

起始转速和终止转速文本框用以输入转速的调节范围，而各阶次下“中心转速”所对应的文本框用以输入调整阶次幅值的中心转速。调整2、4、6、8阶相对幅值的大小可由各阶次对应的滑动条和“幅值”文本框双重控制。滑动条相当于粗调，而文本框相当于精确调整。各阶次下均设有复位按钮，用以把当前阶次曲线恢复到初始状态。

d.播放控制

播放控制模块可供需要选择是否滤波并可选择想要播放的转速范围以便试听，分辨阶次调整前、后的差异。点击“播放原始声音播放”按钮可在全转速范围内播放原始声音；而右键单击此按钮可弹出右键菜单，点击右键菜单可播放先前输入的特定转速范围的声音。同样，“播放目标声音”按钮也具有双重功能。

4　应用实例

利用此软件可绘制并任意调整发动机（4缸机）排气噪声的阶次曲线以及改变各阶次的能量配比，根据需要设计出符合预期的声音样本及阶次目标，这使得消声器的开发从初始的被动消声转变为现在的主动控制。例如，某项目根据市场需求，想要开发出一款具有运动感的车型，这就要求设计出的消声器能够去除不需要的阶次噪声，保留或是补充具有运动感的阶次成分。

4.1运动感的阶次分析

评价汽车的运动感需要以随时间变化的加速噪声为基础，这项声品质包含3个影响因子，即力量感、轻快感和加速感，其也是评价运动型车声品质合格与否的3个主要指标［6］。

Ohsasa Y和Kadomatsu K［6］利用公式建立了加速噪声的主观评价模型，定量描述力量感、轻快感和加速感的来源及影响因素：

式中，LOA为总体声压级；为半阶声压级与总体声压级之比；为基频声压级与总体声压级之比。

力量感来自于具有阶次的声音抖动与混沌的轰鸣声所引起的加速感觉。对4缸机来说，2阶为其基频阶次（点火阶次），是影响轰鸣声的主要因素［7］，并且2阶比例及总体声压级对力量感起主要作用。

轻快感与低阶次和高阶次的能量平衡以及占主导阶次的声压级有关。因此，寻找不同转速下的主导阶次对确定阶次目标值起着至关重要的作用。

加速感与γ1项的相关性最高，该项表明转速上升过程中随着高阶次的增强，加速感明显；γ2项表明占主导阶次的频率越高，加速感越明显；γ3项表明当主导阶次由低阶升向高阶时会造成转速升高的感觉。综上所述，加速感是一个动态过程，取决于随时间的声音变化。

4.2数据采集试验

排气噪声声音样本的采集按照GB 1495-2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》进行，试验车为原型车，排量2.0 L（4缸），采用LMS SCADAS Mobile 16通道数据采集系统采集声音信号，转速信号由RPM-800转速计测量［8］；传声器水平安置在距排气管中心14 cm处（左后方），并与排气管轴向呈45°夹角，见图3。

试验工况为：在关闭空调的前提下，先以最低稳定车速行驶，然后以3挡迅速踩下加速踏板使节气门全开，直至发动机转速达到5 500 r/min。共采集4次，挑选最佳采样值。

4.3主观评价试验

4.3.1构建声音样本库

将声音样本导入自编阶次调制软件。经前期理论研究及试听发现，对力量感起主导作用的2阶幅值不宜降低，单独或组合调节8阶对整体感觉并无明显影响。

考虑到掩蔽效应，故依据Bark尺度来划分转速范围（A、B、C 3组）；为了分析各阶次成分和声音样本具有运动感之间的关系以及各阶次、频率和转速对声品质的影响，依次定量调节各阶次在不同转速下的幅值及各阶次的能量配比，如表1所列；导出的声音文件采用标记的方法命名，即通过文件名不能识别出该声音文件的特征；每个转速段导出75对声音文件样本，所有的声音文件样本组成声音文件样本库。

表1　阶次调节

4.3.2评价主体

评价者的数量、年龄、性别、听觉经验、文化背景等因素都会影响主观评价结果。国外的评价主体通常选用专业的具有丰富噪声评价经验的人员和普通乘客，数量不少于20［9］。结合国外经验和自身现状，本试验共选取评价人员25人，其中汽车NVH工程师4人，汽车专业教授4人，汽车专业研究生12人，非汽车行业研究生5人；男20人，女5人；年龄在23～52岁之间，平均年龄28岁，听力均正常。

4.3.3主观评价结果

将声音文件样本库分发给25位评价者，并采用成对比较法（与原始声音相比）对3个转速段下各75对声音样本进行打分，并对较好的声音样本（得分〉7.5分）写下评语。规定运动感得分0～10分，0表示无运动感，10表示有极好的运动感；原始声音定为6分。

在A、B、C 3组中分别挑选出每位评价者认为最有动力感（得分最高）的两对声音样本，统计所有被选中样本的出现频率，即选中某一样本的评价者人数［10］，结果如图4所示。

由图4的统计数据可知，A55、B23、C47是每组中获得评价者人数最多的声音样本，分别是18人、21人、19人，平均得分分别为7.82、8.36、7.80，说明调节后的声音均好于原始声音；并且评价者对这3个样本的认同率均超过70%，远高于其它样本，由此有理由认为挑选出的声音样本为最优样本。图5～图7分别为最优样本调节前、后的阶次曲线对比图。最后将相关评价汇总，并根据阶次曲线图及评价结果得出结论。

由图5可知，样本A55 4阶升高12 dB，6阶升高12 dB。在1 500～3 000 r/min范围内，4阶对声音的特点起主要作用，当4阶升高12 dB接近2阶时，声音具有较强力量感和浑厚感；在上述规律下，6阶的增加会增强声音的抖动程度和加速明快感；当6阶上升12 dB以内时，对声品质无决定影响。

图4　样本频率分布

图5　样本A55阶次对比

由图6可知，样本B23 6阶升高12dB。在3 000～4 000 r/min范围的中高转速下，4阶上升超过6 dB且6阶上升12 dB接近2阶，声品质都有改善；相比较而言，单独上升6阶效果较好。

图6　样本B23阶次对比

图7　样本C47阶次对比

由图7可知，样本C47 2阶升高6 dB，4、6阶升高12 dB。在4 000～5 000 r/min范围的高转速下，消除2阶所存在的谷值能够明显感受到发动机的存在，同时将4阶和6阶上升12 dB接近2阶时，声音有明显变化；若此时不对2阶做任何改变则无明显影响。

由主观评价得出的结论与之前运动感的阶次分析一致：低转速时以2阶为主，随着转速的增加，主导阶次逐渐由2阶过渡到4阶然后过渡到6阶，这样就可以使排气噪声听起来在低转速时有力，随着转速升高加速感明显，且加速轻快。

4.3.4确定阶次目标

中低转速（1 500～3 500 r/min）是驾驶员最能享受加速驾驶乐趣的阶段［6］，因此在该转速段调制声音，确定各阶次升高的幅值。将4阶和6阶递进式升高，其中4阶在1 500～3 000 r/min转速段分别升高6 dB、9 dB、12 dB、15 dB，6阶在2 500～3 500 r/min转速段分别升高6 dB、9 dB、12 dB、15 dB、18 dB，同时保证2阶在低转速时不变，共导出20组声音样本；建立声音样本库并按照之前方法再次进行主观评价，挑选出最佳样本，阶次曲线见图8。

图8　阶次目标的调制

经过两次主观评价，最终确定了调节各阶次所对应的转速段及幅值：4阶在1 500～3 000 r/min转速段升高12 dB，6阶在2 500～3 500 r/min转速段升高15 dB。

结合图8及评语分析可知，在低转速段下，总声压级有所升高，由于阶次成分得到加强，这一段力量感增强；在2 500 r/min以后，4阶呈下降趋势，但6阶的快速升高和4阶到6阶的转换表现出的加速感弥补了4阶下降所减小的力量感，因此承接并延续了运动的感觉。

本软件结合主观评价试验确定了阶次目标值，但由于不同人的主观感受不相同，主观感受存在一定客观量化范围，因此最后确定的阶次量化目标曲线只是局部最优解。

参考文献

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8刘志恩，赵楠楠，侯献军，袁守利.轿车车内噪声声品质改进研究.噪声与振动控制，2011（5）：35～38.

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10Yasuo Ishii，Masashi Iwai，Koji Ito，et al.A support system for development of sporty sound.SAE Paper，2003-01-1400.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2015年12月21日。

主题词：排气噪声阶次噪声声品质调制软件

The Development of Software for Exhaust Noise Orders Modulation and Application

Zhang Wei1，Lu Chihua1，Du Songze1，Liu Zhien1，2，Hou Xianjun1，2
（1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Components，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070；2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology，Wuhan 430070）

【Abstract】A software which has functions of order decomposition，composition and modulation on instantaneous noise signal is developed with software MATLAB based on order tracking and extraction technology，that not only has functions of equiamplitude regulation，filtering，but also can combine sound pressure of firing orders and order modulation at any engine speeds，and can realize exhaust noise selective control and acoustic quality design.Its application in building sporty sound and target order is verified with practical case.

Key words:Exhaust noise，Order noise，Acoustic quality，Modulation software

中图分类号：U461.4

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）05-0026-05

*基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（2014-VII-004）。