核心提示：针对某型摩托车在怠速度、加速等状态下的噪声数据，基于频谱分析和主观评价，设计了消声器改进方案。然后针对改进消声器的测量数据，计算了响度、尖锐度等心理声学参数，并利用成对比较法完成了主观评价实验，对改进设计前后摩托车的噪声品质进行了对比分析，证明了改进方案的有效性。
随着工业技术的进步，我国摩托车工业取得突飞猛进的发展，摩托车产量和保有量呈指数级增长[1]。在国家有关政策的支持下，近年来广大农村地区的摩托车销售市场也迅速扩大。然而，摩托车在怠速、加速等状态下的噪声品质在很大程度上直接影响消费者对产品的选择。如何改善原有产品的声音品质，获得满足消费者要求的、容易被人接受且不使人厌烦的摩托车噪声，已成为摩托车设计与生产领域至关重要的环节。
文从工程实际应用的角度出发，对比使用者普遍认为声品质较好的某品牌摩托车噪声样本，分析了某型摩托车在怠速、加速等状态下的心理声学参数及其频谱结构。在此基础上，提出消声器设计改进方案。对安装改进后消声器的摩托车在怠速、加速等状态的噪声样本，计算了心理声学参数，并利用成对比较法设计完成主观评价实验，检验改进的消声器设计方案合理性和有效性。
1 摩托车噪声特性分析
针对某型摩托车在“怠速”，“加速”以及“怠速至加速”三种工况下驾驶员位置处的录制噪声样本，采用B&K的PULSE Sound Quality Software—Type 7698,计算各样本的主要声品质参数[2]，即响度（N）、尖锐度（S）、粗糙度（R）和波动强度（F），见表1。同时，进行幅度谱与细化幅度谱分析[3]，以全面掌握其噪声特性。
对比使用者普遍认为声品质较好的某品牌摩托车噪声样本的分析结果，可知：未改进的摩托车噪声在400—500Hz频段内具有显著的高强度成分，且明显高于对比品牌车辆该频段内的声音强度，这可能是引发高烦恼度的直接原因。
表1 某型摩托车噪声样本声品质参数计算结果
|
声品质参数 |
驾驶员位置 |
|
怠速 |
加速 |
怠速至加速 |
|
N/sone |
13.81 |
15.01 |
13.97 |
|
S/acum |
4.63 |
4.46 |
4.62 |
|
R/asper |
11.95 |
12.06 |
11.92 |
|
F/vacil |
2.56×10-5 |
2.58×10-5 |
2.55×10-5 |
由表1可知，波动强度对摩托车声品质的影响较小。心理声学参数与烦恼度主观评价值的相关分析结果（见表2）表明：其相关系数在α=0.05水平下将近0.95；尖锐度对驾驶员位置处的噪声主观感知有强烈的负线性相关影响（γ≈-0.98）。
表2 摩托车噪声烦恼度与声品质参数相关分析
|
|
响度
(N/sone) |
尖锐度
(S/acum) |
粗糙度
(R/asper) |
|
烦恼度 |
0.947* |
-0.974* |
-0.810 |
*表示在α=0.05水平下线性相关
2.1 原消声器消声性能分析
改进前的摩托车消声器，外壳由圆锥管YZG、圆柱管YG及尾端WD三部分组成，其内部由与排气管相连接的g1管及其横隔板b1、内圆锥管gz、横隔板b2、b2、b4、b5及收缩管g2-g3、g4-g5和g6组成，其中横隔板b1带有12个直径3mm的开孔，圆锥管gz开有40个直径12mm的壁孔，横隔板b2上有52个直径5mm的通孔，圆柱管YG的内径为92mm。
原消声器是由共振式、扩展式及其他消声结构组成的一个复合式消声器。依据消声器尺寸和共振消声器理论可算出共振频率为：
fr=c/2π×(Gt/Vl)½ ≈344×103／2π=1511Hz
根据扩张式消声器理论可分别估算出第1、2、3级消声器的最大消声频率。综合共振消声器和扩张消声器组合得到的消声特征，除5.8Hz处的谷点外，低频段（也包括400～500Hz）消声量不够理想。
2.2 改进设计方案
综合频谱分析结果和消声器，将对消声器的改进重点放在消除400~500Hz的峰值方面。即需要对原消声器的消声频段做适当调整，采取的措施如下：
1）调整共振消声器中心频率。取fr=480Hz,则可以推算出Gr≈43mm，选壁孔直径为3mm，则其传导率为2.1mm，这样需要20个孔即可满足要求。
2）降低扩展式消声器最大消声频率，消除部分通过频率。为此，将g2、g3管由原来的118加长到145，这样最大消声频率可降低到590Hz的奇数倍；其中伸到腔室q2中20mm，伸到腔室q4中55mm。在腔室q3中的长度约为70mm，以保证插入管等于扩张部分长度的1/2和1/4。
3）改善消声器的空气动力性能，降低再生噪声。将进气管g1在原基础上加长50mm，为加大气流通过面积，将其壁孔（ψ5）由原来的16个增加到48个。
对比
消声器改进前后不同行驶状态下摩托车噪声的幅度谱与细化幅度谱，可知：（1）改进消声器 后，不但可以显著降低摩托车“怠速”状态下的噪声强度，而且能够以强化单一频率成分的方式丰富其中的调性成分，以实现从根本上改善原本由强度近似的多个窄带成分共同作用所引起的主观响应。（2）改进消声器后，不但可以降低摩托车“加速”状态下的噪声强度，明显降低400~500Hz内的噪声成分，而且能够改变原始“加速”和“怠速至加速”噪声的谱特性。
由此可见，本文所提出的消声器改进方案能够降低噪声强度、消除异常频率成分。
参考文献：
[1] 王青。我国摩托车噪声控制现状及标准发展趋势[J].摩托车技术，2005，（3）：19—21。
[2] E.Zwicker，H.Fastl.Psychoacoustics：Facts and Models[M].Berlin：Springer，2nd，1999。
[3] 王济，胡晓。Matlab在振动信号处理中的应用[M]。北京：中国水利水电出版社，知识产权出版社，2006。
[4]孟子厚。音质主观评价的实验心理学方法[M]。北京：国防工业出版社，2008。84—110。
