（光学工程专业论文）车内声品质评价系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 声品质反映了人对噪声的主观感受，车内声品质对消费者的购买心理起到了 越来越关键的作用。因此近十多年来，研究车内声品质，改善车内声品质，从而 提高汽车乘坐舒适性和市场竞争力，日益受到汽车工程界高度重视。快速准确地 评价车内声品质是开展汽车声品质研究和改进的重要技术基础，研究声品质评价 方法、开发声品质评价系统，对提高汽车声品质研究开发水平具有重要意义。 本文在借鉴国内外声品质研究成果的基础上，研究了声品质评价方法，开发 了声品质主要评价参数如响度、尖锐度、粗糙度和抖动度的计算分析程序，并验 证了程序的正确性。同时结合可视化技术，实现了分析结果的图形化显示。在对 主观评价方法和评价流程分析的基础上，开发了与之相适应的评价软件，实现了 主观评价试验和评价结果后处理分析的平台，提高了主观评价的效率。建立了车 内声品质数据库，实现了声品质数据的集中存储与统一管理，使得设计人员能够 共享数据资源以及快速准确地定位历史数据，从而获取重要经验以指导车内声品 质的改进或设计。本文研究最终形成了基于c s 架构模式的汽车声品质管理分析 评价系统。 应用所开发的系统进行了汽车声品质主观评价研究。以不同类型轿车匀速行 驶工况下的稳态车内噪声样本作为评价对象，组织评价主体以成对比较法进行了 主观偏好性的评价试验。对评价结果进行了误判分析和有效性分析，并剔除了无 效评价结果，对评价结果进行了排序分析。将声音样本的主观评价结果与其四个 心理声学参数进行了相关分析和多元回归分析，建立了以心理声学参数量化描述 主观评价结果的声品质偏好性数学模型。模型表明，在汽车匀速行驶的稳态工况 下，车内声品质偏好性主要受响度的影响，为车内声品质的改善指明了方向。 关键词：声品质，主观评价，评价系统，心理声学 英文摘要 a b s t r a c t t h es o u n dq u a l i t yw h i c hr e f l e c t sp e o p l e ss u b j e c t i v ef e e l i n ga b o u tn o i s ep l a y sa m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ep u r c h a s i n gp s y c h o l o g yo fc o n s u m e r s a sar e s u l t ， w i t h i nt h ep a s tt e ny e a r st h ea u t o m o t i v ee n g i n e e r i n gc i r c l eh i g h l i g h t e dt h es t u d ya n d i m p r o v e m e n to ft h ec a l i n t e r i o r s o u n d q u a l i t y t oe n h a n c et h e r i d i n g c o m f o r t p e r f o r m a n c ea n dt h em a r k e tr i v a l r o u s n e s so ft h e f a c t o r i e s t h eq u i c ka n dp r e c i s e e v a l u a t i o no fc a ri n t e r i o rs o u n dq u a l i t ys e t st h ev i t a lt e c h n i c a lb a s i sf o rt h es t u d ya n d m o d i f i c a t i o no fc a rs o u n dq u a l i t y m o r e o v e r , t h es t u d yo ft h es o u n dq u a l i t ye v a l u a t i o n m e t h o da n dt h ee x p l o r a t i o no ft h es o u n dq u a l i t ye v a l u a t i o ns y s t e mp o s s e s si m p o r t a n t m e a n i n gf o rt h ei m p r o v e m e n to ft h ed e v e l o p m e n to f t h es o u n d q u a l i t ys t u d y b a s e do nt h en a t i v ea n df o r e i g nr e s e a r c h e so ft h es o u n dq u a l i t y ，t h i sa r t i c l es t u d i e s t h ee v a l u a t i o nm e t h o df o rs o u n dq u a l i t ya n dd e v e l o p st h ec a l c u l a t i o na n a l y s i sp r o g r a m f o rt h em a i ne v a l u a t i o np a r a m e t e r ss u c ha s l o u d n e s s ，s h a r p n e s s ，r o u g h n e s sa n d f l u c t u a t i o ns t r e n g t hf o l l o w e db yt h e t e s t i n go ft h ep r o g r a m m e s i m u l t a n e o u s l y ， c o m b i n i n gw i t ht h ev i s u a lt e c h n o l o g y ，t h ed i s p l a yf o rt h ep h o t o g r a p ho ft h er e s u l ti s c a r r i e do u t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es u b j e c t i v ee v a l u a t i o nm e t h o da n dp r o c e s s ，t h e d e v e l o p m e n to fc o r r e s p o n d i n ge v a l u a t i o ns o f t w a r ew h i c hr e a l i z e st h er o o ff o rt h e s u b j e c t i v ee v a l u a t i o nt e s ta n dt h ep o s t - p r o c e s s i n ga n a l y s i sf o rt h ee v a l u a t i o nr e s u l t i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h es u b j e c t i v ee v a l u a t i o n t h ee s t a b l i s h m e n to fc a ri n t e r i o r s o u n dq u a l i t yd a t a b a s ew h i c hr e a l i z e st h ec o n c e n t r a t e ds t o r a g ea n du n i f i e dm a n a g e m e n t o fs o u n dq u a l i t yd a t aa l l o w st h ed e s i g n e r st os h a r et h ed a t ar e s o u r c e sa n dt of i n dt h eo l d d a m sq u i c k l ya n dp r e c i s e l ys oa st og a i nv i t a le x p e r i e n c e sf r o mi tt od i r e c tt h ed e s i g n a n dm o d i f i c a t i o nf o rt h e c a l i n t e r i o rs o u n dq u a l i t y f i n a l l y ，t h i sa r t i c l ec o n s t r u c t sa m a n a g e m e n ta n a l y s i se v a l u a t i o ns y s t e mo fa u t o m o t i v es o u n dq u a l i t yb a s e do nt h ec s f l a m em o d e t h es u b j e c t i v ee v a l u a t i o no ft h es o u n dq u a l i t yw a ss t u d i e di nt h i ss y s t e m t a k i n g t h ei n t e r i o rs t e a d yn o i s es a m p l e so fd i f f e r e n tk i n d so fc a r sr u n n i n ga to n es t e a d ys p e e d a st h ee v a l u a t i o no b j e c t s ，t h eo r g a n i z e de v a l u a t o r st o o kp a r ti na l le s t i m a t i n ge x p e r i m e n t o ns u b j e c t i v ep r e f e r e n c ei nam e t h o do fp a i r i n gc o m p a r i s o n a f t e rt h ee r r o ra n a l y s i sa n d t h ev a l i d i t ya n a l y s i s ，t h ei n v a l i d a t i n ge v a l u a t i o nr e s u l t sw e r ed e l e t e da n dt h ee v a l u a t i o n r e s u l t sw e r er a n k e d t h ec o r r e l a t i o na n a l y s i sa n dt h em u l t i d i m e n s i o n a lr e g r e s s i o n a n a l y s i sw e r ec a r r i e do u tb e t w e e nt h er e s u l t so fs u b j e c t i v ee v a l u a t i o na n dt h ef o u r i i i 重庆大学硕士学位论文 p s y c h o a c o u s t i c sp a r a m e t e r s ，a n dam a t h e m a t i cm o d e lo ft h ep r e f e r e n c eo ft h es o u n d q u a l i t yw a s b u i l tt oq u a n t i t a t i v e l yd e s c r i b et h er e s u l t so fs u b j e c t i v ee v a l u a t i o nw i t ht h e t o o lo fp s y c h o a c o u s t i c sp a r a m e t e r s t h em o d e ls h o w st h a tt h ep r e f e r e n c eo ft h e c a r i n t e r i o rs o u n dq u a l i t yr u n n i n ga tas t e a d ys p e e di sm a i n l ya f f e c t e db yt h el o u d n e s s ，a n d t h i sc o n c l u s i o nd i r e c t st h eo r i e n t a t i o no ft h ei m p r o v e m e n to ft h ei n t e r i o rs o u n dq u a l i t y k e y w o r d s ：s o u n dq u a l i t y ，s u b j e c t i v ee v a l u a t i o n ，e v a l u a t i o ns y s t e m ，p s y c h o a c o u s t i c s i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的至乳士学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究工作及 别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 莩位论文作者签名：鼋1 药 导师始 研哗 士学 程” 刊( 签字日期：加了- ( ，、， 签字日期：弘。1 ，、厂 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 童 期 硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按章程 规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：谴 导师签名： 力 撕托1 二 4 7 如1 年毛月岁日 备注。审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 l 绪论 1绪论 1 1 课题的研究背景 传统声学研究将a 声级作为唯一评价标准存在明显不足，a 声级标准只是反 映了人耳对低声压声音的响度感觉特性，并不能全面反映人对声音的主观感知特 性。当用a 声级对噪声进行描述时，得出的评价结论往往与人的主观感受不一致。 而且，由于声音物理特性和人体主观感知的差异性，即使相同a 声级的噪声也会 引起不同的听觉感受。在实际中也常常出现车辆的a 声级测量合格，而司乘人员 却感觉其车内噪声环境十分烦躁、难以忍受的现象。显然，单纯降低噪声的a 声 级已不能完全满足消费者对汽车产品乘坐舒适性的要求【l 埘。 在这种情况下，反映主观感受的声品质( s o u n dq u a l i t y ) 概念应运而生，成为 评价声音适宜性的主要指标【3 】。声品质的研究，实际上提出了现代噪声控制的全新 理念，即噪声控制不仅要降低噪声的声压级，还要能够调节产品的声音特性，消 除总体噪声中令人烦躁的成分，适当保留令人愉悦的成分，使得产品声音符合消 费者主观感受的要求【l 】。国外许多汽车厂商和研究机构在声品质的评价以及改善方 面已经作了大量工作。在国内，声品质的研究基础还比较薄弱，很多研究成果仍 存在着不足，对于指导实际应用还有一段距离。随着我国汽车工业的飞速发展， 目前消费者可以选择的车型范围较广，购车考虑的因素不仅仅是外型、性能、价 格等方面，对车辆乘坐舒适性的感受越来越关注，车内声学品质的优劣直接影响 消费者的购买心理。对于各个汽车制造厂商而言，市场的竞争日益激烈，纷纷认 识到改善汽车乘坐舒适性的重要性，优越的车内声学品质已逐渐成为产品的一个 关键竞争点。车内声品质的快速准确评价是汽车声品质改进和设计的前提基础， 因此研究声品质评价方法、开发声品质评价系统，对于提高汽车声品质研究开发 水平具有举足轻重的作用。 1 2 声品质及其评价系统的研究现状 1 2 1 国外声品质的研究状况 噪声声品质的研究最早可以追溯到1 8 8 3 年s t u m p f 提出的声特性( s o u n d c h a r a c t e r ) 的概念，用于描述具有相同声级不同感受声信号的物理特性。如何准确 地描述噪声的声音品质，国际上许多厂商和研究机构的专家学者一直致力于声的 物理、心理特性的研究，并提出了一些描述声特性的评价指标和参数，为声品质 的评价工作提供了可靠的基础。奥地利a v ll i s t 公司的s c h i f f b a n k e r 和h u s s a i n 等做了开拓性的工作，通过对6 0 种有代表性的发动机噪声的测量，按声学特征归 重庆大学硕士学位论文 纳为8 类评价指标，提炼出4 8 个物理特征量，对3 0 0 个应试者作了噪声骚扰度的 统计分析m 】，建立了完整的噪声族谱的测试方法和以数理统计为基础的主观评价 技术。德国f e v 发动机技术公司对车辆和发动机声音品质划分为1 1 种评价指标【7 j ， 研究人员分析了主观判定与客观特征的关系。日本学者则提出了响亮、轰鸣、平 稳、尖锐、坚实、强劲、活泼、豪华、驾驶乐趣、动感、偏爱和发动机延展性等 1 2 类评价指标【8 】，而英国r i e a r d o 的研究人员则将噪声的主观评价归类为5 种指标 9 , 1 0 】。美国福特公司的研究人员则把车辆的起动持续时间也作为一个评价汽车声品 质的评价指标j 。 由于声品质是作为评价主体的人参与到听觉事件并作出判断的过程，主观评 价是理解人耳听觉感知心理特征以及建立听觉感知数学模型的主要途径，主观评 价方法的研究是声品质研究的基础【1 2 】。o t t o 和a m m a n 等提出了汽车声品质主观 评价的指导法则，对声品质主观评价实验中的评价环境、评价前的准备工作、评 价流程及分析方法等进行了介绍【”】，但只介绍了一般的方法流程，并未涉及到一 些方法的改进及最新进展方面。b a k e r 等【1 2 , 1 4 】比较了成对比较法中听音的自由回放 与固定序列回放过程对评价结果的影响，得出自由回放过程结果的一致性和重复 性提高了2 0 的结论，但b a k e r 的结论应该有受试者的评价经验等因素的影响在 内，另外由于所采用的受试者人数、评价试验的可靠性等方面的缺憾，所以其结 论有待于进一步验证。s o l o m o n ”】首先将语义细分法用于声学研究，在应用的过程 中针对不同的情况实验流程有所不同。其中，德国奥登堡大学和波鸿大学【1 5 j 在进 行车内噪声声品质的研究中对语义细分法采用了不同的研究流程，以适用不同的 研究要求。 1 2 2 国内声品质的研究状况 对于噪声声品质的研究，国内开展研究的时间较晚。在主观评价方法方面， 国内曾经进行过厅堂音质的评价研究。由于评价者对厅堂音质与噪声声品质的心 理感知需求的不同，评价术语方面有较大区别，研究结果也会存在很大差异【1 6 1 。 同济大学声学研究所与上海大众汽车有限公司也合作开展了汽车声品质的研究， 其中毛东兴从我国人群对声品质听觉感知以及汉语文化背景出发，以匀速行驶条 件下的车内噪声为研究对象，采用“分组成对比较法 【l7 】和“参考语义细分法 首次在国内系统完整地进行了声品质主观评价和分析方法的研究，建立了汉语环 境下声品质研究的基础【1 引。中国科学院声学研究所焦风雷【1 9 - 2 3 1 等人运用非度量多 维尺度分析( n m d s ) ，进行了一致性较强的车内噪声声品质的主观相似性、偏好性 的潜在主观感知结构、物理声学和心理声学属性的研究。吉林大学的刘宗巍建立 了以心理声学参数描述车内声品质的数学模型，提出了声品质主动控制算法和相 应控制策略，实际构建了双通道车内声品质自适应主动控制系统【l 】。 2 1 绪论 1 2 3 声品质评价系统的现状 声品质评价系统作为声品质研究的重要辅助工具，为声品质主观感受的量化 描述提供了可能。随着声品质研究的不断深入，各个领域的行家纷纷加入到声品 质评价系统的开发阵营中，加快了声品质评价系统发展的步伐。a v ll i s t 公司最 早在这方面进行了尝试，其组织了声品质研究相关领域( 统计学、软件工程、声 学等) 的专家，采集不同工况下车内噪声进行了主观评价的对比试验，修正了声 品质评价参数在特定条件下的系数，开发了一种适合于欧洲乘客和高档轿车的车 内声品质评价软件，能够较好地给出声品质评价结果【l 】。目前国外专门用于声品质 分析的软件已有很多，如h e a da c o u s t i c s 公司的a r t e r m i s 系统、b & k 公司的p u l s e s o u n dq u a l i t y 系统、c o r t e x 公司的d b s o n i c 系统和m u l l e r b b m 公司p a k 系统 等，这些软件可以快速地计算出来声音样本的声品质评价参数并以图形化的方式 将其显示出来，形成了声品质评价的人机交互式平台【2 4 】。国内在声品质方面的研 究刚开始不久，声品质分析评价软件还很少，其中声望的声品质分析系统b s q 2 0 0 是根据我国的实际情况和工业水平开发出的简单实用的声品质分析系统。 上文提及的商业化声品质评价软件功能均较为强大，提供了对各种问题的解 决方案，同时配备了相应的硬件设备，能够实现对声信号数据的采集。人工头作 为声信号采集设备中的重要组成部分，很好地模拟了人头、肩部、耳廓的几何形 状和人耳的滤波特性，可以准确记录双耳的听觉感受，保持了人耳听觉感知的所 有特性，尤其是听觉感受空间特性，h e a da c o u s t i c s 公司的h e a dh m s i i i 数字式 人工头测量系统就是其中的代表。同时，对于商业软件内部的评价参数，他们在 积累了大量试验数据的基础上对其进行了独特的修正，因此其得出的结果更能反 映人的主观感受。虽然商业化的声品质分析软件具有其自身的优点，但是对于实 际应用中仍然主要存在着以下的不足： 其价格普遍比较昂贵，导致声品质研究工作的大量开展受到限制。 无法较好提供对主观评价试验的支持，实现主观评价试验的自动化，过多 的手工操作导致评价效率低下、错误率较高。 对于主观评价结果的后处理，还需借助于其它的统计学软件( 如s p s s ) ， 摆脱不了其它软件的束缚，且仍不能实现数据的误判分析和有效性分析等后处理 功能。 无法满足网络用户对于声品质评价的需要，无法广泛开展主观评价试验， 以构建我国不同人群的声品质特征。 采集的声信号数据分散存储在采集设备上，无法对其提供有效的管理，数 据缺乏安全性，难于实现共享，不能快速准确地定位目标历史数据，获取为新产 品开发提供参考的宝贵资料。 重庆大学硕士学位论文 1 3 课题研究的目的和意义 随着汽车市场竞争的加剧以及人们对汽车质量及舒适性要求的不断提高，车 内声学品质的优劣对于车辆舒适性起着越来越重要的作用，已成为影响人们对汽 车质量的印象及购车选择的关键因素之一，车内声品质的评价与改善问题的重要 性日益显得突出起来。国外在声品质研究方面已经进行了大量的工作，结合不同 噪声样本和不同人群进行了大量评价试验，在此基础上开发了效果较好的声品质 评价软件；我国的声品质研究才刚刚起步，声品质评价软件相对较少，且不成熟。 本文参考国内外的声品质研究成果和方法，致力于开发一套集声品质分析、评价 管理于一体的综合应用系统，促进声品质研究工作的广泛开展，积累声品质设计 的参考样本，为构建国人对声品质的主观评价体系提供支持，对于提高我国汽车 产品的声品质研究水平，增强市场竞争力，无疑具有重要意义。 1 4 论文研究的主要内容 本文在借鉴国内外声品质研究的基础上，对车内声品质的分析评价及其实现 进行深入研究，开发声品质评价系统的人机交互平台，并通过实际应用证明系统 的适用性。论文的主要研究内容如下： 研究声品质评价参数( 响度、尖锐度、粗糙度和抖动度) 的数学模型及其 计算机实现方法。 研究数据可视化技术在声品质评价系统中的应用。 研究声品质主观评价的方法和流程，构建主观评价的试验和评价结果的后 处理平台。 研究声品质数据存储方法、数据库模型及其评价系统的软件模型，建立合 理的数据库结构和系统框架。 研究声品质评价系统各人机交互平台的实现方法。 利用本文开发的系统对车内噪声进行声品质主观评价试验，研究声品质主 观评价方法、数据误判分析、数据相关分析等，建立车内声品质的主观评价客观 量化模型以确定车内声品质的主要影响因素。 4 2 声品质评价的理论基础 2 声品质评价的理论基础 2 1 声品质的内涵 b l a u e r t 2 5 函】首先提出了声品质定义：“声品质是在特定的技术目标或任务内涵 中声音的适宜性。声品质定义中的声并不是指声波这样一个物理事件，而是 指人耳的听觉感知，品质是指由人耳对声音事件的听觉感知过程做出的主观 判断。 声品质定义包括了的三方面的内涵。首先是称为“声品质元素 的发声 部件，如空调噪声中的马达、叶片和壳体等；其次是听觉感知，听者接收到了声 音，开始听觉感知的过程，构成了声品质概念中的“听觉事件；最后是听者根 据对发声对象的心理期望，判断其发射声音的优劣，在这一过程中加入了听者的 认知、情感等主观因素。声品质评价的前提是评价者对评价目标的发声部件有先 验的了解或知识，并具有明确的噪声特征心理期望，这样评价者才能将听觉事件 与噪声的心理期望特征进行比较，从而作出声品质优劣的判断【1 2 1 。 声品质的评价应该在具有相同或相似的原理和用途的产品之间进行，对不同 类别的产品进行比较是毫无意义的，因为产品本身的噪声特性是不同的，评价者 对产品噪声发射的预期是不同的，因而判断的标准也会不同。声品质评价需要结 合评价者的主观心理期望进行判断，是一个主观的范畴，容易受到评价者即时状 态和社会因素等影响，是一个随着社会发展而不断发展和完善的概念膨7 1 。 图2 1 声品质评价过程中听者流程 f i g 2 1l i s t e n e r sp r o c e d u r ei ns o u n dq u a l i t ye v a l u a t i o np r o c e s s 声品质评价的听者流程【2 8 1 可以用图2 1 表示，从图中可以看出听者是声品质评 价过程中的主体，声品质的好坏最终要由听者来决定，这一过程涉及认知、情感 和反应因素的相互作用，反映出了听者对声音的理性处理和情感表现过程。同时 在声品质的评价中单纯地考虑声音与听者的作用是不够的，还必须考虑坏境因素 对听者和声音的作用，以及听者和声音对于环境的反作用，研究环境对声品质作 重庆大学硕士学位论文 用的规律并在此基础上通过改变环境来改善产品的声品质。 声品质评价研究还必须注重人类听觉的心理学特征，是一种有别于传统物理 方法的研究。从心理学的角度，声品质具有三方面的特征：激励响应相适性【2 9 1 ， 心理学中通常将有关适宜性的问题用激励响应相适性来说明，声音的信息与人耳 听到声音后所作出的反应及行为要一致；声音的舒适性【3 引，舒适性是人对特定 的物体或环境的质量描述，声音要给人带来轻松、愉悦的享受；声或声源的可 识别性【3 0 j ，当人听到声音事件时，可以识别声源的方向，辨识声音的内涵。 2 2 听觉感知的基本特i 生 听觉系统对声信号的处理过程及其感知的基本特性是声品质研究首先必须弄 清的问题，人对声音的感知问题涉及到生理学、声学、心理学、心理声学等诸多 领域。听觉感知中的心理特性可通过心理声学来描述，心理声学的目标就是研究 人耳和大脑是如何处理接收到的声音信号，以给出人对声音感受的定量描述。心 理声学为声品质基于主观评价的客观描述提供了科学的基础【3 。 2 2 1 听觉感知 在心理声学中，涉及物理和心理两个方面，关注的焦点是声音激励和听觉感 知之间的关系。听觉器官的感知响应存在着一定的范围，只有声激励在听觉器官 的感应范围内才能引起听觉感知，在其范围之外，无论声激励多么强烈，人耳都 是感觉不到的。人耳听觉生理特性的实验研究表明，人耳对不同频率的声音具有 不同的感知灵敏度，人耳通常能听到的频率范围为2 0 h z 2 0 k h z ，相差近1 0 0 0 倍， 强度范围相差1 0 1 2 倍【3 2 1 。 瘸闽 u 兀x l啊h耙加k 1 屯嘶f 一 一飞 p v j ， 音乒 h 、 j 一一，。 、 、 、! (、- 、 语言 、l i n | 、 )、) 歹 、 、一 i 听觉范围 、。 。j ， 、掣 、龇p j 听阔 图2 2 入耳的听觉范围 f i g 2 2r a n g eo f h u m a na u d i t o r y 6 2 声品质评价的理论基础 人耳的听觉范围( 自由场，稳态纯音持续时间大于1 0 0 m s ) 女 1 图2 2 所示。能引 起听觉的声音，不仅在频率上有范围限制，而且在声压上也有一定范围，就是说 频率在2 0 h z 2 0 k h z 以内的声波，其声压还必须达到某一量才能引起人耳听觉。图 中听阈表征能引起听觉所需的最小声压刺激量；随着声音的强度的逐渐加大，当 声压超过某一最大值时，声音在人耳中会引起痛觉，把人耳可容忍的最大声压刺 激量称为痛阈。在听阈曲线和痛阂曲线之间的区域是人们能够听见声音的听觉区 域，简称听阈。 2 2 2 掩蔽效应【1 5 , 3 3 , 3 4 】 在众多声品质主观评价的影响因素中，人耳的听觉特性起了关键性的作用， 尤其是人耳的掩蔽效应。掩蔽效应是指当两个彼此之间在时间和频率上足够近的、 响度不等的声音作用于人耳时，响度较高频率成份的存在会影响响度较低频率成 份的感受，使其变得不易觉察的现象。被掩蔽的信号分量被称为被掩蔽音，掩蔽 了另一个信号分量( 被掩蔽音) 的信号分量被称为掩蔽音。一个信号分量刚好被另一 个信号分量掩蔽时，信号的能量级被称为掩蔽阂值。例如m o o r e 和z w i c k e r _ - f a s t l 【3 5 】所作的分析，当声级超过掩蔽阈值时，声音被部分掩蔽，当声级低于掩蔽阈值 时，将被完全掩蔽。当周围环境比较嘈杂时，人们在讲话时不得不提高说话的音 量，以便对方能听清说话内容的现象就是一种听觉掩蔽效应。 听觉掩蔽分为频域掩蔽和时域掩蔽。频域掩蔽发生在掩蔽音和被掩蔽音同时 出现的情况，又称为同时掩蔽。在频域掩蔽中，掩蔽音在掩蔽效应发生期间一直 起作用，是一种较强的掩蔽效应。通常，频域中的一个强音会掩蔽与之同时发声 的附近的弱音，弱音离强音越近，一般越容易被掩蔽；反之，离强音较远的弱音 不容易被掩蔽。频域掩蔽现象和基底膜及毛细胞的功能有关。时域掩蔽发生在掩 蔽音和被掩蔽音不同时出现的情况，又称为异时掩蔽。时域掩蔽又分为前向掩蔽 和后向掩蔽。被掩蔽音出现在掩蔽音之前的掩蔽称为后向掩蔽，而被掩蔽音出现 在掩蔽音之后的掩蔽称为前向掩蔽。产生时域掩蔽的主要原因是人的大脑处理信 息需要花费一定的时间。时域掩蔽随着时间的推移很快会衰减，是一种弱掩蔽效 应。在几种听觉掩蔽中，频域掩蔽明显于时域掩蔽，而前向掩蔽明显于后向掩蔽。 前向掩蔽通常发生在掩蔽音和被掩蔽音时间差为2 0 m s 的范围内，且效果不明显， 常可忽略不计，后向掩蔽在2 0 0 m s 的范围内起作用，且效果明显。 图2 3 为中心频率等于l k h z 的窄带噪声在不同声压级三佃时的掩蔽阈。图中 绝对听阈和掩蔽阈将平面分成三个区域：绝对听阈以下为不可听域、绝对听阈和掩 蔽阈间的区域为部分可听域，掩蔽阈以上部分为完全可听域。从图可知，当测试音 频率在2 1 d - i z 时，如果其声压级小于等于4 0 d b ，将会被声压级大于等于8 0 d b 的窄 带噪声所掩蔽。从图中还可看出，窄带噪声的掩蔽阈值随着声压级l c 日的增大而增 7 重庆大学硕士学位论文 大，在声压级三c b 小于4 0 d b 时，窄带噪声的掩蔽阈关于中心频率对称；当声压级三。 大于4 0 d b 时，随着声压级k 的增大，在中心频率左侧的掩蔽阈向上平移，中心 频率右侧的掩蔽阈的斜率则变得越来越平坦。 号 营 艋 拦 嚣 测试音频率( k h z ) 图2 3 中心频率1 k h z 的窄带噪声在不同声压级时的掩蔽模式 f i g 2 3t h em a s km o d eo fn a r r o w - b a n dn o i s e w i t l lc e n t r ef r e q u e n c yo f1k h za td i f f e r e n ts p l 研究发现频域掩蔽效应的频域特性具有如下规律： 被掩蔽音的频率越接近掩蔽音，掩蔽量越大，频率相近的纯音掩蔽效果显 著，最大掩蔽出现在掩蔽频率附近。 掩蔽音的声压级越高，掩蔽量越大，掩蔽的频率范围也越宽。 低频音容易掩蔽高频音，而高频音较难掩蔽低频音。 2 2 3 临界频带 临界频带( 特征频带) 的概念是由f l e t c h e r 在1 9 4 0 年研究纯音的听阈与带通 噪声掩蔽音带宽的关系时提出的。f l e t c h e r 认为听觉外围系统从功能上可以看作包 含着一个相互重叠的带通滤波器组。这些滤波器被称为听觉滤波器，滤波器的带 通即为i 临界频带，滤波器的带宽即为相同中心频率临界频带的宽度。在低于5 0 0 h z 时，临界带宽保持为l o o h z 这个常数，在高于5 0 0 h z 时，临界带宽约为中心频率 的2 0 ，此时临界频带可用三分之一倍频程来近似，因此稳态声音响度计算可选 定三分之倍频程声压级来进行。人们把整个频带分为2 4 个临界频带【3 6 】，各频带具 体划分见表2 1 。 8 2 声品质评价的理论基础 b a r k 尺度是一种以临界频带为基础的频率尺度，与人耳的内耳中基膜长度成 线性关系，能够更为确切地反映了人耳对声音的听觉感受。b a r k 尺度中，临界频 带数z 和频率厂的对应关系可近似为g z ( f ) = 1 3 0 a r c t a n ( 0 7 6 厂) + 3 5 a r e t a n ( f 7 5 ) 2 b a r k( 2 1 ) 2 2 4 双耳效应 双耳效应 3 7 , 3 8 1 是指当声源位置不再双耳的前方中轴线时，由于声音到达两耳 的距离不同，听者具有对声源方位的定位能力。用单只耳朵虽能决定声音的响度、 音调和音色等属性，却不能准确确定声源的方向和位置，当用两只耳朵听声音时， 对声音方向的定位能力就极大地提高了。声音到达两只耳朵的距离不等引起了时 间差，头部的遮蔽作用引起了强度差，这两者综合作用就导致了双耳效应的产生。 因此在采集声品质评价所需的声音样本时，为了尽可能真实地反映双耳听觉的感 受，最好使用考虑了双耳技术的人工头作为声音采集装置。 2 3 声品质评价参数 为了客观量化人对噪声的主观感受，各国专家学者对噪声声品质进行了大量 的研究，并提出了一些以心理声学为基础的评价参数，这些评价参数综合考虑了 9 重庆大学硕士学位论文 人体心理反应机制和噪声感知特性，能反映不同噪声信号造成的主观感受差异【3 9 1 。 其中，响度( l o u d n e s s ) 、尖锐度( s h a r p n e s s ) 、抖动度( f l u c t u a t i o ns t r e n g t h ) 和粗糙度 ( r o u g h n e s s ) 是比较常用的4 个声品质心理声学评价参数，下面将对这四个评价参 数进行简单介绍。 2 3 1 晌度 响度( l o u d n e s s ) 是反映人耳对声音强弱主观感受程度的心理声学参数，它考 虑了特征频带分布和人耳的掩蔽效应对声音的影响，能比a 声级更准确的反映声 音信号的响亮程度。定义l k h z 、4 0 d b 纯音的响度为i s o n e ，一个声音给人的听觉 感受比该参考声响一倍，则其响度为2 s o n e 。通常声音的响度值愈大，给人感受到 的烦恼程度愈严重，声音品质越差。响度不仅取决声波振幅的大小，还与频率的 高低、频带的宽度、频谱特性和声音的持续时间等有关。 在响度计算还涉及到特征响度这个基本概念【1 8 】。特征响度反映了响度在频 域的分布，定义为一个特征频带内噪声的响度，单位s o n e b a r k ，其计算公式为： 。( 剞陋+ 南h 亿2 ， 其中：k = 0 2 3 ，e 0 为相应参考声强( i o = 1 0 - 1 2 w m 2 ) 的激励，e 为在b a r k 域的激励级， ( 力为静域激励， s = 1 0 玑2 2 0 肿5 。州蹦一1 为域值系数， n o 0 0 6 8s o n e b a r k 为i k h z 声压级为4 0 d b 时的参考响度。当激励等于0 时，特 征响度也等于0 ，即e = 0 时，n = 0 。 i s 0 5 3 2 推荐的计算特征响度的公式为： 。= k 】1 0 0 1 q k l ( o 7 5 + 0 2 5 1 0 仉1 ( k 氐户一1 i ( 2 3 ) 式中：如为修正分贝值，指数e 1 为0 2 5 ，常数蜀为0 0 6 3 5 ，k 为静域值， 由下式计算： l n s = 3 6 4 e h ，一6 5 e o 6 ，q 3 2 + 0 0 0 1 f 4 ( 2 4 ) 式中厂以k h z 为单位的频率。 2 3 2 尖锐度 尖锐度( s h a r p n e s s ) 是描述高频成分在声音频谱中所占比例的参数，它反映 了声音信号的刺耳程度。由于人耳对高频声音比较敏感，因此尖锐度对声音的舒 适程度影响很大，噪声尖锐度值越高，给人的感觉就越刺耳。尖锐度的单位是a c u m ， 定义中心频率为i k h z 、带宽为1 6 0 h z 的6 0 d b 窄带噪声的尖锐度为l a c u m 。一般 来说，一个声音包含的高频成分越多，其尖锐度值越，反之，尖锐度值越小。人 对声音的尖锐度感觉主要与以下因素有关：窄带噪声的中心频率、带宽、声压级 l o 2 声品质评价的理论基础 和频谱包络，其中心频率和频谱包络是影响噪声尖锐度的最主要因素。 2 3 3 粗糙度和抖动度 对于一个1 0 0 幅度调制的纯音，逐渐增加其调制频率，将存在3 种不同的感 受区域：在很低的调制频率时，响度上下缓慢变化，产生声音上下抖动的感觉， 在心理声学里以抖动度来描述声音的这种主观感觉。这种感觉在调制频率接近4 h z 时达到最大值，然后随着调制频率的升高逐渐减小。在大约1 5 h z 时，另一种 声音粗糙的感受开始出现，在心理声学里以粗糙度来描述声音的这种主观感觉。 在调制频率为7 0 h z 时达到最大值，然后随着调制频率的升高逐渐减小。随着调 制频率的继续升高，人耳逐渐感受到3 种不同的纯音，在调制频率接近1 5 0 h z 时， 这种感觉很小，但是对于较大的调制频率，这种感受急剧增强。 当调制频率在0 2 5 2 0 h z 之间时，响度随着时间缓慢地上下起伏变化产生抖 动的感觉，定义为抖动度( f l u c t u a t i o ns t r e n g t h ) 。将声压级为6 0 d b 的l k h z 纯音， 以4 h z 纯音进行幅值调制，调制度为1 0 0 时声音的抖动度定义为l v a c i l 。抖动度 呈调制频率的带通特性，最大值出现在调制频率为4 h z 处。 粗糙度( r o u g h n e s s ) 是在调制频率在1 5 h z - - 3 0 0 h z 之间产生的，描述被调制 声音的响度随时间快速地起伏变化。将声压级为6 0 d b 的l k h z 纯音在调制频率为 7 0 h z 的1 0 0 调幅作用下产生的粗糙度定义为l a s p e r 。 粗糙度和抖动度都是描述人对声音信号瞬时变化的感觉，具有相似的性质， 它们都与声音的调制频率、调制比、中心频率和声压级等因素有关。其中调制频 率和调制比对粗糙度和抖动度的影响最为显著，粗糙度和抖动度都随调制比的增 大而增大。 2 4 声品质评价方法 声品质主观评价方法种类很多，目前试验采用的评价方法主要有：简单排序 法、等级评分法、成对比较法和语义细分法等。这些方法各有利弊，适用于不同 的试验条件。因此，进行主观评价试验时必须考虑具体的试验条件和目的，选择 适宜的评价方法，这样才能获取良好的评价结果。 、 简单排序法 简单排序法是最简单的主观评价方法之一。在这种评价方法中，声音样本被 连续播放，评价主体按照评价术语( 如偏好性、愉悦度、烦扰度和喜好度等) 和主 观感受对各个声音样本进行排序。排序法的任务难度会随着声音样本数目的增加而增 大，通常该方法评价的声音样本数目应不超过6 个。排序法只能得出某样本比另一 个好的结论，却无法得出样本之间对比的比例信息，导致其在主观评价的客观量 化方面帮助极小。因此，简单排序法只适用于一些简单的评价任务。 重庆大学硕士学位论文 等级评分法 等级评分法是将声品质的某一属性划分为若干个等级，每个等级中又包含不 同的分值，试验中评价者根据对声音的反映给出对应的评价分值，各声音样本的 声品质等级为其总分的平均值。这种评价方法操作简单快捷，评价工作量相对较 小，但对于没有经验、未经培训的评价者来说，直接给出准确的评分是很困难的。 因此等级评分法进行主观评价时，需要对评价者进行必要的听音培训。对于评分 等级刻度的确定，国外有研究表明，大部分评价人给出的分值都集中在国际通用 的1 0 等级刻度中5 - 1 0 级的区域，为此评价时可将这一区域进一步细化以提高主 观评价结果的准确性。 成对比较法 成对比较法是将各声音样本按排列组合方式分组，每组中包含两个样本( 样 本a 和样本b ) ，评价者对这两个样