聲品質(zhì)基本概念與研究綜述.doc

聲品質(zhì)基本概念與研究綜述引言多年以來(lái)，噪聲控制技術(shù)的任務(wù)是降低聲源的聲輻射，聲源的測(cè)試也是圍繞A聲壓級(jí)或A聲功率級(jí)，這種努力的原則是基于A聲壓級(jí)或A聲功率級(jí)越低越好。而隨著技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)聲源的輻射噪聲己經(jīng)得到降低，對(duì)人們的聽(tīng)覺(jué)不會(huì)造成物理傷害。研究發(fā)現(xiàn)，此時(shí)傳統(tǒng)的聲壓級(jí)、以及三分之一倍頻程的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)己經(jīng)不能反映人們對(duì)于噪聲的主觀(guān)判斷，往往有聲壓級(jí)相同的聲音，給人的主觀(guān)感覺(jué)卻截然不同，而有的聲音聲壓級(jí)雖然較高，但讓人感覺(jué)比較愉悅，在這樣的情況下，聲品質(zhì)的概念便應(yīng)運(yùn)而生了。定義中的“聲”并不是指單純聲波這樣一個(gè)物理過(guò)程，而是指人耳的聽(tīng)覺(jué)感知過(guò)程；“品質(zhì)”是指由人耳對(duì)于聲音事件感知過(guò)程最終做出的主觀(guān)判斷。這一概念更強(qiáng)調(diào)人們對(duì)聲特性判斷的主觀(guān)性。1聲品質(zhì)基本評(píng)價(jià)量在聲品質(zhì)評(píng)價(jià)中，目前已有一系列的基本特性被認(rèn)為是適宜于描述聽(tīng)覺(jué)事件的，這些量主要有：響度、銳度、粗糙度、抖晃度等。這些量中的某幾個(gè)組合在一起，形成了感覺(jué)舒適度、煩躁度等綜合性指標(biāo)。1.1 響度響度是對(duì)聲音強(qiáng)度的一種感受，它是人們對(duì)聲音感知影響最大的一個(gè)參量。通過(guò)對(duì)響度及其依賴(lài)關(guān)系的研究，以及掩蔽效應(yīng)的研究， 人們發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)聲級(jí)相等而頻率間隔大于臨界帶的純音產(chǎn)生的響度大于頻率處于兩純音之間而聲級(jí)為兩純音按能量疊加的純音的響度。兩純音的頻率間隔增加，組成復(fù)合音的響度也隨之增加。這意味著響度不是由單獨(dú)頻率成分所決定的，而是由兩者相互影響而產(chǎn)生，尤其是當(dāng)兩者頻率間隔較小時(shí)，影響較為明顯。只有在兩者頻率間隔足夠大時(shí)無(wú)相互影響，這時(shí)，響度值等于兩者的響度之和。由于臨界帶對(duì)響度計(jì)算有很大的影響，因此在構(gòu)造響度模型時(shí)，把激勵(lì)聲級(jí)對(duì)臨界帶率模式作為基礎(chǔ)。將總響度看成是特征響度對(duì)臨界帶率的積分，即: 其中為在一個(gè)臨界帶內(nèi)的特征響度，單位為，下標(biāo) 表示響度值是由臨界帶聲級(jí)計(jì)算得來(lái)的。 1.2 粗糙度 粗糙感是在調(diào)制頻率為 15300Hz 時(shí)產(chǎn)生的。調(diào)制函數(shù)的頻譜在 15300Hz 區(qū)域即足以產(chǎn)生粗糙感，并非要周期性調(diào)制。這也是大多窄帶噪聲即使沒(méi)有包絡(luò)和頻率的周期性變化，卻產(chǎn)生粗糙感的原因。將調(diào)制頻率為70Hz，調(diào)制幅度為100，聲級(jí)為 60dB的1kHz純音粗糙度定義為1 asper。 影響粗糙度的因素主要有兩個(gè)，一個(gè)為頻率分辨率，一個(gè)為時(shí)間分辨率，頻率分辨率由激勵(lì)模式或特征響度隨臨界帶的關(guān)系決定。當(dāng)調(diào)制幅度為 25%時(shí)，即m=0.25 ，粗糙度達(dá)到其最低值 0.1 asper，調(diào)制幅度每增加 10，相應(yīng)粗糙度增加 17，因此在可聽(tīng)粗糙度劃分為 20 個(gè)級(jí)別。粗糙度變化 1.56 倍時(shí)，我們剛可察覺(jué)到粗糙度的差異。粗糙度是由激勵(lì)模式隨時(shí)間變化引起的，非常緩慢的變化不產(chǎn)生粗糙度的感受，可見(jiàn)粗糙度正比于變化速度，即調(diào)制頻率，此外，通過(guò)掩蔽分析可知，粗糙度與掩蔽深度成正比關(guān)系，于是得到：1.3 尖銳度 在影響銳度感覺(jué)的眾多因素中，與銳度密切相關(guān)的量有窄帶聲音的頻譜成份和中心頻率、聲音的帶寬。聲音的頻譜包絡(luò)對(duì)銳度的影響最大，而頻譜細(xì)部結(jié)構(gòu)顯的不太重要。在一個(gè)臨界帶寬內(nèi)，帶寬的變化與銳度無(wú)關(guān)。 銳度模型與頻譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，而僅與頻譜包絡(luò)有關(guān)。從心理聲學(xué)的角度，頻譜包絡(luò)表示成激勵(lì)聲級(jí)與特征頻帶率的關(guān)系的模式，或稱(chēng)為特性響度與特征頻帶率的關(guān)系模式。根據(jù)窄帶噪聲的銳度隨特征頻帶變化關(guān)系，以及低頻成份的增加可降低銳度的特點(diǎn)，可以采用沖量因子 g來(lái)構(gòu)造銳度模型，在 16Bark 以下頻帶為 1，而在 16Bark 以上的頻帶，g大于 1。采用特性響度與特征頻帶率的關(guān)系模式作為分布函數(shù)。以及在 1kHz 時(shí)的銳度為 1acum的邊界條件，可以構(gòu)造出如下的關(guān)系式：式中為臨界帶內(nèi)響度密度的積分，比例常數(shù)C=0.11，根據(jù) 1kHz聲壓級(jí)為60dB 時(shí)，銳度為1 acum來(lái)確定。1.4 抖晃度聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò) 調(diào)制的聲音有兩種不同的感覺(jué)：當(dāng)調(diào)制頻率在20Hz以下感知為抖晃度，而在高頻則感知為粗糙度。在 20Hz 附近是聽(tīng)覺(jué)感知的平穩(wěn)過(guò)渡區(qū)域。將 60dB 頻率為1kHz 的純音，以 4Hz 純音進(jìn)行幅值調(diào)制，調(diào)制度為 100聲音的抖晃度定義為 1vacil。抖晃度呈調(diào)制頻率的帶通特性，最大值在調(diào)制頻率為 4Hz 處，即 4Hz 的調(diào)制頻率將顯現(xiàn)較大的抖晃度。人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的頻率分辨率為4Hz，流利語(yǔ)音的正常速率為 4 音節(jié)/秒。與粗糙度的計(jì)算類(lèi)似，抖晃度的計(jì)算也采用瞬間掩蔽模式，以最大和最小聲級(jí)差 的形式表示： 2國(guó)外聲品質(zhì)研究現(xiàn)狀聲品質(zhì)研究作為一項(xiàng)跨學(xué)科領(lǐng)域的交叉研究，由于對(duì)其理解的不同，不同研究單位在研究方向、研究方法手段上的相差很大。比較而言，英國(guó)和法國(guó)更強(qiáng)調(diào)它是一門(mén)感知科學(xué)，強(qiáng)調(diào)心理實(shí)驗(yàn)方法的研究，強(qiáng)調(diào)揭示感知心理屬性結(jié)構(gòu)。德國(guó)和丹麥偏重于機(jī)械工程方面的應(yīng)用、以及物理機(jī)制方面的研究。比較來(lái)看，由于背后有著汽車(chē)行業(yè)的支持，德國(guó)和美國(guó)在此項(xiàng)研究中的水平較高，普及面較廣，并具有重視基礎(chǔ)研究作用機(jī)制和工程應(yīng)用的特點(diǎn)。國(guó)外進(jìn)行的聲品質(zhì)主觀(guān)評(píng)價(jià)方面研究，其基本思路和流程大體相同：首先，組織評(píng)價(jià)組對(duì)多個(gè)不同的有效車(chē)輛噪聲采樣信號(hào)進(jìn)行評(píng)分。常用評(píng)價(jià)方法有兩種：等級(jí)評(píng)分法和成對(duì)比較法，前者可獲得聲音評(píng)價(jià)的絕對(duì)數(shù)值，后者則可提供多個(gè)噪聲采樣之間的相對(duì)排序。然后，以統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)噪聲樣本進(jìn)行多重回歸分析，確定主觀(guān)評(píng)分等級(jí)與客觀(guān)物理參數(shù)之間的相關(guān)性，最終建立用心理聲學(xué)參量表達(dá)的聲品質(zhì)函數(shù)公式，并以此作為汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的聲學(xué)參考和評(píng)價(jià)指標(biāo)。2.1 聲品質(zhì)主觀(guān)評(píng)價(jià)研究聲品質(zhì)主觀(guān)評(píng)價(jià)研究是采用通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查或主觀(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)等形式，對(duì)主觀(guān)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析等方法，獲得適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)術(shù)語(yǔ)以描述聲品質(zhì)的主觀(guān)感知特征。聲品質(zhì)主觀(guān)評(píng)價(jià)方法有：排序法、幅度調(diào)節(jié)、等級(jí)評(píng)分法、成對(duì)比較法、語(yǔ)義細(xì)分法等。主觀(guān)評(píng)價(jià)方法在不斷發(fā)展的同時(shí)，不同評(píng)價(jià)方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)以及適用環(huán)境，因此經(jīng)濟(jì)、有效評(píng)價(jià)方法的研究也是聲品質(zhì)研究中的一個(gè)重要方面。國(guó)外許多學(xué)者對(duì)聲品質(zhì)描述指標(biāo)進(jìn)行了深入的探討。奧地利AVL LIST公司較早給出了系統(tǒng)描述聲學(xué)屬性的48個(gè)物理特征量，并把它們歸納出8類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括聲壓級(jí)、綜合級(jí)參數(shù)、周期性測(cè)量、音質(zhì)響度、音質(zhì)尖銳度、脈沖性、粗糙度和聲壓分布。日本學(xué)者提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)也很有特色，共分為響亮、轟鳴、平穩(wěn)、尖銳、堅(jiān)實(shí)、強(qiáng)勁、活潑、豪華、駕駛樂(lè)趣、動(dòng)感、偏愛(ài)和發(fā)動(dòng)機(jī)延展性等12類(lèi)。1959年Solomon首先將語(yǔ)義細(xì)分法用于聲學(xué)研究，在應(yīng)用的過(guò)程中針對(duì)不同的情況實(shí)驗(yàn)流程有所不同。其中，德國(guó)奧登堡大學(xué)和波鴻大學(xué)在進(jìn)行車(chē)內(nèi)噪聲聲品質(zhì)的研究中對(duì)語(yǔ)義細(xì)分法采用了不同的研究流程，以適用不同的研究要求。成對(duì)比較法在聲品質(zhì)研究中應(yīng)用較廣，1994年Chouard研究表明回放順序?qū)χ饔^(guān)評(píng)價(jià)結(jié)果沒(méi)有顯著影響，但是，不同的樣本序列會(huì)給評(píng)價(jià)者的評(píng)判結(jié)果帶來(lái)差異。近幾年在具體的聲品質(zhì)應(yīng)用研究中，成對(duì)比較法仍然處于不斷的討論研究中。1994年Boemak提出采用明亮度(Brightness)、柔和度(Softness)兩個(gè)維度來(lái)描述汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的聲品質(zhì).1995、1997年Bisping針對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的聲品質(zhì)，通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)感知中愉悅度和勁度兩方面的特征最為重要,在車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)駕駛狀態(tài)下，這兩個(gè)因素占總變量的6070%。1998年Bodden在比較幾種不同的主觀(guān)評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，提出一種適宜于工業(yè)應(yīng)用的個(gè)性化測(cè)試法，可發(fā)揮評(píng)價(jià)者的主觀(guān)能動(dòng)性，減少評(píng)價(jià)工作量。1999年Otto等曾提出汽車(chē)聲品質(zhì)主觀(guān)評(píng)價(jià)導(dǎo)則，比較系統(tǒng)地介紹了評(píng)價(jià)環(huán)境、評(píng)價(jià)準(zhǔn)備工作、評(píng)價(jià)和分析方法等。2004年Anna Preis關(guān)于專(zhuān)業(yè)評(píng)價(jià)者與非專(zhuān)業(yè)評(píng)價(jià)者對(duì)樂(lè)器聲品質(zhì)的成對(duì)比較法實(shí)驗(yàn)研究表明，專(zhuān)業(yè)與非專(zhuān)業(yè)評(píng)價(jià)者對(duì)于聲品質(zhì)偏好性的評(píng)價(jià)沒(méi)有什么不同。一般情況下大多數(shù)的研究工作多是圍繞聲品質(zhì)的滿(mǎn)意度、偏好性或煩躁度等方面的特征進(jìn)行，并將其解釋為多維的特征。2.2 聲品質(zhì)客觀(guān)評(píng)價(jià)研究聲品質(zhì)客觀(guān)評(píng)價(jià)研究的目的是建立聲品質(zhì)主觀(guān)感知屬性與物理聲學(xué)、心理聲學(xué)之間的聯(lián)系，即從物理聲學(xué)、心理聲學(xué)的角度，對(duì)人們對(duì)噪聲聲品質(zhì)的主觀(guān)屬性進(jìn)行理解。國(guó)際上目前的研究普遍針對(duì)特定的噪聲條件而言，模型不適用所有的情況，研究方法和研究結(jié)果有很大差別?？偟膩?lái)看，客觀(guān)評(píng)價(jià)集中在從時(shí)間歷程、頻譜構(gòu)成、物理聲學(xué)參量、心理聲學(xué)參量、雙耳信號(hào)的互相關(guān)等多個(gè)角度的特征方面，利用方差分析、相關(guān)分析、主成份分析以及多元線(xiàn)性回歸分析等統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)進(jìn)行。一些研究主要考慮從時(shí)間歷程和頻率構(gòu)成特征的角度進(jìn)行分析，試圖降低某些頻率段聲壓級(jí)，以提高噪聲的和諧結(jié)構(gòu)成分、改善噪聲的聲品質(zhì)。1999年Bodden和Heinrichs在研究柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的嗒嗒聲品質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，采用考慮時(shí)域掩蔽和時(shí)域積分的時(shí)域響度模型來(lái)反映(響度、平均響度、抖晃度、以及響度在時(shí)域的平均偏差)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95。2002年韓國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)運(yùn)用正交矩陣評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)分析研究吸塵器聲品質(zhì)與頻譜構(gòu)成之間的關(guān)系，指出不同頻帶的變化明顯影響主觀(guān)評(píng)價(jià)結(jié)果，同時(shí)高頻成分主要影響滿(mǎn)意度，低頻成分與吸塵性能相關(guān)。 一些研究基于心理聲學(xué)特征量對(duì)于聲品質(zhì)主觀(guān)特征進(jìn)行表征。比較有代表性的是1984年Aures把響度、粗糙度、銳度和音調(diào)組合起來(lái)提出的感覺(jué)愉悅度，以及1991年Hussain提出的煩惱度指數(shù)。1999年Scot和Jeff在進(jìn)行細(xì)致的主觀(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)與分析之后，采用基于響度、及其在時(shí)域的標(biāo)準(zhǔn)偏差、抖晃度對(duì)汽車(chē)啟動(dòng)聲的主觀(guān)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行客觀(guān)量化，取得比較好的效果。1997年Zhang和Vertiz認(rèn)為對(duì)電動(dòng)窗聽(tīng)覺(jué)感知的主要因素和偏好特征為噪聲強(qiáng)度、音色變化以及銳度，其中強(qiáng)度(包含響度、粗糙度等)為最主要的因素，用戶(hù)更加偏好于這些參量值較低的產(chǎn)品，人們對(duì)電動(dòng)車(chē)窗聲品質(zhì)的心理期望是一致的。1999年Scott和Jeff在進(jìn)行細(xì)致的主觀(guān)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)與分析之后，采用基于響度、響度在時(shí)域的標(biāo)準(zhǔn)偏差、抖晃度對(duì)汽車(chē)啟動(dòng)聲的主觀(guān)評(píng)價(jià)進(jìn)行客觀(guān)量化，取得比較好的效果。2001年Teik C.Lim通過(guò)研究將影響汽車(chē)電動(dòng)車(chē)窗噪聲煩躁度的因素歸為四類(lèi):響度、尖叫聲、脈沖聲、時(shí)域變化。 低頻噪聲對(duì)于聲品質(zhì)的研究非常重要，有許多的工作集中于典型的低頻噪聲以及特定條件下的隆隆聲研究。2000年Hashimoto等在對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲聲品質(zhì)的研究中，將300Hz以下的低頻噪聲在耳膜處產(chǎn)生的聲壓感受稱(chēng)為轟鳴感。車(chē)輛穩(wěn)態(tài)行駛時(shí)心理聲學(xué)轟鳴級(jí)(Booming Level)的模型結(jié)果與轟鳴感相關(guān)性較好。而在加速時(shí)，提出另外采用轟鳴指數(shù)(Booming Index)來(lái)評(píng)價(jià),針對(duì)怠速以及發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)加速情況下的車(chē)外噪聲，采用脈沖度來(lái)評(píng)價(jià)。2002年Otto在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)聲品質(zhì)研究中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有模型具有很大的局限性，認(rèn)為粗糙度的特點(diǎn)應(yīng)具有時(shí)域范圍內(nèi)抖晃的特征，發(fā)現(xiàn)依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信息密切相關(guān)的階次和半階次特征所提出的粗糙度計(jì)算模型效果比較好。除了傳統(tǒng)的聲品質(zhì)研究方法外，一些現(xiàn)代發(fā)展的研究手段也被運(yùn)用到聲品質(zhì)的研究中來(lái)。1995年Brambilla 等則采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)建立客觀(guān)測(cè)試與主觀(guān)評(píng)價(jià)之間的相關(guān)性，針對(duì)客觀(guān)測(cè)量結(jié)果與主觀(guān)評(píng)價(jià)結(jié)果之間的不符，需要尋找客觀(guān)量與心理聲學(xué)指標(biāo)可能存在的相關(guān)性，或?qū)ふ腋线m的心理聲學(xué)參量，Brambilla 認(rèn)為采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)元的設(shè)計(jì)來(lái)完成這項(xiàng)工作“在眾多情形下是有效和獨(dú)特的”。1999年P(guān)rante 采用了 FIR 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真評(píng)價(jià)者評(píng)價(jià)現(xiàn)實(shí)世界聲信號(hào)的過(guò)程，他采用的聲樣本包括了生活環(huán)境、交通噪聲、家用電器以及工業(yè)噪聲。他的研究證明了FIR 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適合于仿真主觀(guān)評(píng)價(jià)過(guò)程。1999年Fry等采用多層感知(MLP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行車(chē)輛通過(guò)噪聲的預(yù)測(cè)，其中對(duì)加速噪聲的預(yù)測(cè)結(jié)果與分析模型的結(jié)果接近。以上的研究有許多側(cè)重于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在聲品質(zhì)評(píng)價(jià)應(yīng)用中的概念，并未對(duì)聲品質(zhì)研究中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行更深入的研究，Prante繼續(xù)了他在 1999 年的工作，他在柏林工大完成的博士論文可以說(shuō)是目前為止研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在聲品質(zhì)評(píng)價(jià)中應(yīng)用的最全面的研究。在他的論文中，對(duì)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聲樣本的選擇、預(yù)處理以及不同神經(jīng)網(wǎng)行了詳細(xì)的研究。 2006年Sang-Kwon Lee通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），利用轟鳴指數(shù)（Booming index）和嘯鳴指數(shù)（Rumbling index）來(lái)預(yù)測(cè)人們對(duì)車(chē)輛加速噪聲的主觀(guān)偏好性。1999年Scheuren 等采用主動(dòng)控制的手段來(lái)改善車(chē)輛噪聲的聲品質(zhì)，從心理聲學(xué)的角度出發(fā)，他們采用主動(dòng)控制方法對(duì)車(chē)門(mén)密封件以及車(chē)內(nèi)噪聲的聲品質(zhì)改善進(jìn)行了嘗試。他們的工作可以說(shuō)既為主動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用托展了一個(gè)新領(lǐng)域，又為聲品質(zhì)改善的研究提出了一種新的手段。3國(guó)內(nèi)聲品質(zhì)研究現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)，聲品質(zhì)的研究開(kāi)展較遲。在主觀(guān)評(píng)價(jià)方法方面，國(guó)內(nèi)曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)廳堂音質(zhì)評(píng)價(jià)研究由于評(píng)價(jià)者對(duì)廳堂音質(zhì)與噪聲聲品質(zhì)的心理感知需求的不同，評(píng)價(jià)術(shù)語(yǔ)方面有較大區(qū)別，研究結(jié)果必然會(huì)存在很大差異。近幾年國(guó)內(nèi)的研究單位和產(chǎn)品廠(chǎng)家相繼表現(xiàn)出對(duì)于噪聲聲品質(zhì)研究的關(guān)注，研究工作正逐漸起步。一些論文表明傳統(tǒng)A聲級(jí)評(píng)價(jià)的不足，用現(xiàn)有的心理聲學(xué)參數(shù)以及頻譜結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，指出三分之一倍頻程分析方法的不足，然而專(zhuān)項(xiàng)的研究很少。2003年同濟(jì)大學(xué)的毛東興針對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行主觀(guān)評(píng)價(jià)研究，提出了分組成對(duì)