声品质基本概念与研究综述

精品文档 1欢迎下载 声品质基本概念与研究综述声品质基本概念与研究综述 引言引言 多年以来 噪声控制技术的任务是降低声源的声辐射 声源的 测试也是围绕 A 声压级或 A 声功率级 这种努力的原则是基于 A 声 压级或 A 声功率级越低越好 而随着技术的发展 大多数声源的辐 射噪声己经得到降低 对人们的听觉不会造成物理伤害 研究发现 此时传统的声压级 以及三分之一倍频程的评价标准己经不能反映 人们对于噪声的主观判断 往往有声压级相同的声音 给人的主观 感觉却截然不同 而有的声音声压级虽然较高 但让人感觉比较愉 悦 在这样的情况下 声品质的概念便应运而生了 定义中的 声 并不是指单纯声波这样一个物理过程 而是指人耳的听觉感知过程 品质 是指由人耳对于声音事件感知过程最终做出的主观判断 这 一概念更强调人们对声特性判断的主观性 1 1 声品质基本评价量 声品质基本评价量 在声品质评价中 目前已有一系列的基本特性被认为是适宜于 描述听觉事件的 这些量主要有 响度 锐度 粗糙度 抖晃度等 这些量中的某几个组合在一起 形成了感觉舒适度 烦躁度等综合 性指标 1 11 1响度响度 响度是对声音强度的一种感受 它是人们对声音感知影响最大 的一个参量 通过对响度及其依赖关系的研究 以及掩蔽效应的研 究 人们发现 两个声级相等而频率间隔大于临界带的纯音产生的 精品文档 2欢迎下载 响度大于频率处于两纯音之间而声级为两纯音按能量叠加的纯音的 响度 两纯音的频率间隔增加 组成复合音的响度也随之增加 这 意味着响度不是由单独频率成分所决定的 而是由两者相互影响而 产生 尤其是当两者频率间隔较小时 影响较为明显 只有在两者 频率间隔足够大时无相互影响 这时 响度值等于两者的响度之和 由于临界带对响度计算有很大的影响 因此在构造响度模型时 把激励声级对临界带率模式作为基础 将总响度看成是特征响度N 对临界带率的积分 即 N 其中为在一个临界带内的特征响度 单位为 z N Bark soneG 下标 表示响度值是由临界带声级计算得来的 G 1 21 2 粗糙度粗糙度 粗糙感是在调制频率为 15 300Hz 时产生的 调制函数的频谱 在 15 300Hz 区域即足以产生粗糙感 并非要周期性调制 这也是 大多窄带噪声即使没有包络和频率的周期性变化 却产生粗糙感的 原因 将调制频率为 70Hz 调制幅度为 100 声级为 60dB 的 1kHz 纯音粗糙度定义为 1 asper 影响粗糙度的因素主要有两个 一个为频率分辨率 一个为时 间分辨率 频率分辨率由激励模式或特征响度随临界带的关系决定 当调制幅度为 25 时 即 m 0 25 粗糙度达到其最低值 0 1 精品文档 3欢迎下载 asper 调制幅度每增加 10 相应粗糙度增加 17 因此在可听 粗糙度划分为 20 个级别 粗糙度变化 1 56 倍时 我们刚可察觉 到粗糙度的差异 粗糙度是由激励模式随时间变化引起的 非常缓慢的变化不产 生粗糙度的感受 可见粗糙度正比于变化速度 即调制频率 此外 通过掩蔽分析可知 粗糙度与掩蔽深度成正比关系 于是得到 1 31 3 尖锐度尖锐度 在影响锐度感觉的众多因素中 与锐度密切相关的量有窄带声 音的频谱成份和中心频率 声音的带宽 声音的频谱包络对锐度的 影响最大 而频谱细部结构显的不太重要 在一个临界带宽内 带 宽的变化与锐度无关 锐度模型与频谱的精细结构无关 而仅与频谱包络有关 从心 理声学的角度 频谱包络表示成激励声级与特征频带率的关系的模 式 或称为特性响度与特征频带率的关系模式 根据窄带噪声的锐 度随特征频带变化关系 以及低频成份的增加可降低锐度的特点 可以采用冲量因子 g 来构造锐度模型 在 16Bark 以下频带为 1 而在 16Bark 以上的频带 g 大于 1 采用特性响度与特征频带率 的关系模式作为分布函数 以及在 1kHz 时的锐度为 1acum 的边界 条件 可以构造出如下的关系式 精品文档 4欢迎下载 式中为临界带内响度密度的积分 比例常数 C 0 11 根 z N 据 1kHz 声压级为 60dB 时 锐度为 1 acum 来确定 1 41 4 抖晃度抖晃度 听觉系统对经过 调制的声音有两种不同的感觉 当调制频率在 20Hz 以下感知为抖晃度 而在高频则感知为粗糙度 在 20Hz 附近 是听觉感知的平稳过渡区域 将 60dB 频率为 1kHz 的纯音 以 4Hz 纯音进行幅值调制 调制度为 100 声音的抖晃度定义为 1vacil 抖晃度呈调制频率的带通特性 最大值在调制频率为 4Hz 处 即 4Hz 的调制频率将显现较大的抖晃度 人耳听觉系统的频率 分辨率为 4Hz 流利语音的正常速率为 4 音节 秒 与粗糙度的计 算类似 抖晃度的计算也采用瞬间掩蔽模式 以最大和最小声级差 的形式表示 L 2 2 国外声品质研究现状 国外声品质研究现状 声品质研究作为一项跨学科领域的交叉研究 由于对其理解的 不同 不同研究单位在研究方向 研究方法手段上的相差很大 比 精品文档 5欢迎下载 较而言 英国和法国更强调它是一门感知科学 强调心理实验方法 的研究 强调揭示感知心理属性结构 德国和丹麦偏重于机械工程 方面的应用 以及物理机制方面的研究 比较来看 由于背后有着 汽车行业的支持 德国和美国在此项研究中的水平较高 普及面较 广 并具有重视基础研究作用机制和工程应用的特点 国外进行的声品质主观评价方面研究 其基本思路和流程大体 相同 首先 组织评价组对多个不同的有效车辆噪声采样信号进行 评分 常用评价方法有两种 等级评分法和成对比较法 前者可获 得声音评价的绝对数值 后者则可提供多个噪声采样之间的相对排 序 然后 以统计学方法对噪声样本进行多重回归分析 确定主观 评分等级与客观物理参数之间的相关性 最终建立用心理声学参量 表达的声品质函数公式 并以此作为汽车产品设计和制造的声学参 考和评价指标 2 12 1声品质主观评价研究声品质主观评价研究 声品质主观评价研究是采用通过问卷调查或主观评价实验等形 式 对主观评价数据通过统计分析等方法 获得适当的评价术语以 描述声品质的主观感知特征 声品质主观评价方法有 排序法 幅 度调节 等级评分法 成对比较法 语义细分法等 主观评价方法 在不断发展的同时 不同评价方法都有其优缺点以及适用环境 因 此经济 有效评价方法的研究也是声品质研究中的一个重要方面 国外许多学者对声品质描述指标进行了深入的探讨 奥地利 AVL LIST 公司较早给出了系统描述声学属性的 48 个物理特征量 精品文档 6欢迎下载 并把它们归纳出 8 类评价指标 包括声压级 综合级参数 周期性 测量 音质响度 音质尖锐度 脉冲性 粗糙度和声压分布 日本 学者提出的评价指标也很有特色 共分为响亮 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 12 类 1959 年 Solomon 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 成对比较法在声品质研究中应用较广 1994 年 Chouard 研究表 明回放顺序对主观评价结果没有显著影响 但是 不同的样本序列 会给评价者的评判结果带来差异 近几年在具体的声品质应用研究 中 成对比较法仍然处于不断的讨论研究中 1994 年 Boemak 提出采用明亮度 Brightness 柔和度 Softness 两个维度来描述汽车发动机的声品质 1995 1997 年 Bisping 针对车内噪声的声品质 通过一系列的 实验研究认为 车内声品质感知中愉悦度和劲度两方面的特征最为 重要 在车辆标准驾驶状态下 这两个因素占总变量的 60 70 1998 年 Bodden 在比较几种不同的主观评价方法的基础上 提 出一种适宜于工业应用的个性化测试法 可发挥评价者的主观能动 性 减少评价工作量 1999 年 Otto 等曾提出汽车声品质主观评价导则 比较系统地 精品文档 7欢迎下载 介绍了评价环境 评价准备工作 评价和分析方法等 2004 年 Anna Preis 关于专业评价者与非专业评价者对乐器声 品质的成对比较法实验研究表明 专业与非专业评价者对于声品质 偏好性的评价没有什么不同 一般情况下大多数的研究工作多是围 绕声品质的满意度 偏好性或烦躁度等方面的特征进行 并将其解 释为多维的特征 2 22 2声品质客观评价研究声品质客观评价研究 声品质客观评价研究的目的是建立声品质主观感知属性与物理 声学 心理声学之间的联系 即从物理声学 心理声学的角度 对 人们对噪声声品质的主观属性进行理解 国际上目前的研究普遍针 对特定的噪声条件而言 模型不适用所有的情况 研究方法和研究 结果有很大差别 总的来看 客观评价集中在从时间历程 频谱构 成 物理声学参量 心理声学参量 双耳信号的互相关等多个角度 的特征方面 利用方差分析 相关分析 主成份分析以及多元线性 回归分析等统计分析方法来进行 一些研究主要考虑从时间历程和频率构成特征的角度进行分析 试图降低某些频率段声压级 以提高噪声的和谐结构成分 改善噪 声的声品质 1999 年 Bodden 和 Heinrichs 在研究柴油发动机的嗒 嗒声品质评价时 采用考虑时域掩蔽和时域积分的时域响度模型来 反映 响度 平均响度 抖晃度 以及响度在时域的平均偏差 相 关系数达到 0 95 2002 年韩国科学技术学院 通过专门设计的实验 运用正交矩阵评价实验分析研究吸尘器声品质与频谱构成之间的关 精品文档 8欢迎下载 系 指出不同频带的变化明显影响主观评价结果 同时高频成分主 要影响满意度 低频成分与吸尘性能相关 一些研究基于心理声学特征量对于声品质主观特征进行表征 比 较有代表性的是 1984 年 Aures 把响度 粗糙度 锐度和音调组合起 来提出的感觉愉悦度 以及 1991 年 Hussain 提出的烦恼度指数 1999 年 Scot 和 Jeff 在进行细致的主观评价实验与分析之后 采用 基于响度 及其在时域的标准偏差 抖晃度对汽车启动声的主观评 价结果进行客观量化 取得比较好的效果 1997 年 Zhang 和 Vertiz 认为对电动窗听觉感知的主要因素和偏好特征为噪声强度 音色变 化以及锐度 其中强度 包含响度 粗糙度等 为最主要的因素 用 户更加偏好于这些参量值较低的产品 人们对电动车窗声品质的心 理期望是一致的 1999 年 Scott 和 Jeff 在进行细致的主观评价实 验与分析之后 采用基于响度 响度在时域的标准偏差 抖晃度对 汽车启动声的主观评价进行客观量化 取得比较好的效果 2001 年 Teik C Lim 通过研究将影响汽车电动车窗噪声烦躁度的因素归为四 类 响度 尖叫声 脉冲声 时域变化 低频噪声对于声品质的研究非常重要 有许多的工作集中于典型 的低频噪声以及特定条件下的隆隆声研究 2000 年 Hashimoto 等在 对车内噪声声品质的研究中 将 300Hz 以下的低频噪声在耳膜处产 生的声压感受称为轰鸣感 车辆稳态行驶时心理声学轰鸣级 Booming Level 的模型结果与轰鸣感相关性较好 而在加速时 提 出另外采用轰鸣指数 Booming Index 来评价 针对怠速以及发动机 精品文档 9欢迎下载 低转速时加速情况下的车外噪声 采用脉冲度来评价 2002 年 Otto 在对发动机声品质研究中发现现有模型具有很大 的局限性 认为粗糙度的特点应具有时域范围内抖晃的特征 发现 依据发动机的转速信息密切相关的阶次和半阶次特征所提出的粗糙 度计算模型效果比较好 除了传统的声品质研究方法外 一些现代发展的研究手段也被 运用到声品质的研究中来 1995 年 Brambilla 等则采用神经网络来 建立客观测试与主观评价之间的相关性 针对客观测量结果与主观 评价结果之间的不符 需要寻找客观量与心理声学指标可能存在的 相关性 或寻找更合适的心理声学参量 Brambilla 认为采用神经 网络元的设计来完成这项工作 在众多情形下是有效和独特的 1999 年 Prante 采用了 FIR 神经网络仿真评价者评价现实世界声信 号的过程 他采用的声样本包括了生活环境 交通噪声 家用电器 以及工业噪声 他的研究证明了 FIR 神经网络适合于仿真主观评价 过程 1999 年 Fry 等采用多层感知 MLP 神经网络来进行车辆通过 噪声的预测 其中对加速噪声的预测结果与分析模型的结果接近 以上的研究有许多侧重于神经网络在声品质评价应用中的概念 并 未对声品质研究中的神经网络方法进行更深入的研究 Prante 继续 了他在 1999 年的工作 他在柏林工大完成的博士论文可以说是目 前为止研究神经网络在声品质评价中应用的最全面的研究 在他的 论文中 对用于神经网络的声样本的选择 预处理以及不同神经网 行了详细的研究 2006 年 Sang Kwon Lee 通过人工神经网络 精品文档 10欢迎下载 ANN 利用轰鸣指数 Booming index 和啸鸣指数 Rumbling index 来预测人们对车辆加速噪声的主观偏好性 1999 年 Scheuren 等采用主动控制的手段来改善车辆噪声的声品质 从心理 声学的角度出发 他们采用主动控制方法对车门密封件以及车内噪 声的声品质改善进行了尝试 他们的工作可以说既为主动控制技术 的应用托展了一个新领域 又为声品质改善的研究提出了一种新的 手段 3 3 国内声品质研究现状 国内声品质研究现状 在国内 声品质的研究开展较迟 在主观评价方法方面 国内 曾经进行过厅堂音质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 研究结果必然 会存在很大差异 近几年国内的研究单位和产品厂家相继表现出对于噪声声品质 研究的关注 研究工作正逐渐起步 一些论文表明传统 A 声级评价 的不足 用现有的心理声学参数以及频谱结构方面进行简单分析 指出三分之一倍频程分析方法的不足 然而专项的研究很少 2003 年同济大学的毛东兴针对车内噪声进行主观评价研究 提 出了分组成对比较法和参考语义细分法和三角循环误差的计算模型 主要集中于评价术语 主观评价研究方面的探索 2005 年中国科学 院声学研究