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原文传递面向汽车声品质评价的声场重现系统研究与开发

论文题名：	面向汽车声品质评价的声场重现系统研究与开发
关键词：	汽车舒适性;声品质评价;声学人工头系统;自适应耳机回放均衡算法;客观参量计算模型;录制均衡算法
摘要：	随着消费者们对汽车舒适性关注度不断提高，汽车声品质成为NVH（Noise,Vibrationamp;Harshness）领域的研究热点。声品质评价是确定声音品质优劣的重要手段，声品质评价系统由声学人工头和评价软件构成。声学人工头确保声音的高精度采集；评价软件则用于计算采集信号的声品质客观参量并保证信号的高保真回放。然而商用的声品质评价系统价格昂贵，其人工头主要是基于欧美人生理尺寸进行设计，对于中国人群并不具备普适性。国内各大车企主要停留在声学人工头的应用层面，缺乏对相关商业软件中的声品质客观参量计算、声音回放均衡等核心算法的深刻理解与创新，限制了其在汽车声品质评价研究中的应用，因此研究适用于中国人群的声品质评价系统具有重要的实际意义和应用价值。　　本文首先通过调研近几年国内成年人生理尺寸的相关文献资料，确定了适用于中国人群的声学人工头模型尺寸参数，并研发了一套能够实时采集的声学人工头系统；随后，基于自制人工头模型和耳机回放系统进行了头相关传输函数（HRTF）测试和耳机到耳膜传输函数（HETF）测试，并从双耳时间差（ITD）、双耳声级差（ILD）特性方面对人工头有效性进行分析；进一步从回放均衡算法、声品质客观参量计算模型、录制均衡算法三个层面对汽车声品质评价系统的各个模块进行深入研究，并对声音采集和声品质评价的操作软件进行了开发设计，为汽车声品质评价系统的开发提供解决方案。　　主要研究工作主要包括以下四个方面：　　①设计了声学人工头模型并建立HRTF数据库。基于中国成年人平均生理参数设计并制作了人工头模型，对自制人工头和HMSⅣ人工头进行HRTF测试并建立了相应的HRTF数据库。对比分析了两者的HRTF差异，并基于HRTF计算了两者的双耳时间差、双耳声级差，分析发现两款人工头的ITD、ILD幅值虽有所差异，但其随方位角变化的趋势基本一致，证明了自制人工头的有效性。　　②研究并提出了GA-LMS自适应耳机回放均衡算法。针对耳机回放系统内最小相位均衡法、维纳滤波均衡法低频均衡效果不理想的问题，提出了GA-LMS自适应均衡算法对回放系统进行修正。通过仿真分析和试验测试等手段对算法的有效性进行验证，在50Hz~12kHz目标频段实现了较好的声场重现效果。通过与HEAD回放算法的精度进行对比，发现在50Hz~400HzHEAD回放效果优于本算法，但本算法在800Hz~5kHz的回放误差更小，说明GA-LMS自适应均衡算法在部分频段的均衡效果具有一定优越性。　　③复现了声品质客观参量计算模型并引入录制均衡算法。基于心理声学基础理论对时变响度、尖锐度、粗糙度、波动度计算模型通过MATLAB予以复现。计算了7组声音样本的客观参量，并与LMSTest.Lab.17A计算结果进行对比，整体计算结果的差异比低于±5%，验证了程序的有效性。基于自制人工头的HRTF数据库，并结合最小相位均衡法进行了录制均衡计算，消除了人工头结构对声音信号的影响，有效避免了外耳传输函数重复计算的问题。　　④开发了声音采集与声品质评价软件。基于LabVIEW平台开发了采集模块的操作软件，并结合NIUSB-4431硬件构成了声音采集系统。通过对NI设备与SIEMENSLMS设备的灵敏度标定、时域、频域测试结果对比，证明了NI设备满足测试要求。基于MATLABAppDesigner开发了声品质评价操作软件，实现了汽车声品质主观评价、客观评价的功能。并通过实车急加速声的采集与回放试验，验证了本文开发的汽车声品质评价系统的有效性和实用性。　　本文开发了一套用于汽车声品质评价的操作系统，实现了对汽车声音信号的采集、主观评价以及客观评价的功能，满足了相关车企汽车声品质开发的需求，并提高了声品质评价的精度和效率。
作者：	魏浩钦
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	李骏;刘志恩
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022