飛機客艙內(nèi)聲品質(zhì)技術探究

1、    飛機客艙內(nèi)聲品質(zhì)技術探究    屈建民李桂生翟偉蔣超奇摘 要客艙內(nèi)聲環(huán)境是決定飛機乘坐舒適性的主要因素之一，以往的噪聲研究只將重心放在聲壓級上，而忽視了聲品質(zhì)的影響。本文主要介紹了響度、尖銳度、粗糙度等聲品質(zhì)參數(shù)，以及主要的幾種聲品質(zhì)主觀評價方法。本文還介紹了相關聲音采集系統(tǒng)與采集規(guī)范，并展望了聲品質(zhì)技術在飛機設計中的廣闊前景。關鍵詞聲品質(zhì);雙耳采集系統(tǒng);主觀評價;客觀評價;飛機設計中圖分類號： u461                     &

2、#160;  文獻標識碼： adoi：10.19694/ki.issn2095-2457.2020.11.0020 引言客艙內(nèi)聲環(huán)境是決定飛機乘坐舒適性的主要因素之一，乘客在乘機過程中處于一個相對狹小封閉的環(huán)境中，惡劣的聲環(huán)境不僅對乘客的心理產(chǎn)生影響，使之煩躁，惡心等，長時間更可能引起聽覺系統(tǒng)的變化，發(fā)生病理性改變，如果誘發(fā)狂躁癥，將會極大危害航空器安全1。根據(jù)上海飛機設計研究院完成的一項關于客艙內(nèi)聲環(huán)境的調(diào)查研究表明，有56.2%的受訪者認為客艙內(nèi)的噪音是最影響乘坐舒適性的因素2。以往的噪聲研究只關心聲壓級的大小，但是舒適性是很主觀的感受，由于主觀因素的影響，很有可能出現(xiàn)這種情況：

3、聲壓級顯示達標，但乘客主觀感覺干擾性太大;或者相反，聲壓級顯示很大，但乘客主觀感覺聲音悅耳，不覺得干擾性大。因此非常有必要采用新的參數(shù)來表示人體對噪音的主觀感受。經(jīng)過多年的總結，blauert對聲品質(zhì)進行了定義：聲品質(zhì)是在特定的技術目標或任務內(nèi)涵中聲音的適宜性3。它是聲環(huán)境的一個重要特征，是人體對聲音最直接的感官體驗。1 采集設備以往對聲環(huán)境的評價僅僅局限于聲壓級的范疇，因此相應的數(shù)據(jù)采集設備要求也比較低，一般只要傳聲器滿足i型標準就行了。隨著研究的深入和聲品質(zhì)的提出，這對聲音文件的精度提出了更高的要求，特別是進行聲品質(zhì)分析，由于人對聲音的感覺是人腦對通過人耳接收到聲信號的反應，因此人耳對聲音

4、的掩蔽效應就不可忽略了。為了體現(xiàn)人耳對聲信號的影響，科研人員通常會采用人工頭采集設備來進行數(shù)據(jù)采集。圖1是海德公司出品的hms數(shù)字型人工頭，內(nèi)置高精度傳聲器和存儲設備，設備重量只有5.65kg，已經(jīng)廣泛應用于汽車，高鐵，家用電器等領域。在飛機設計階段，往往也會采用人工頭設備對客艙內(nèi)的聲環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，但是這樣實施的成本非常高昂，不僅需要安排專門的試飛航次，而且需要在不同的位置安置多套設備進行采集，在采集過程中對設備進行移動也非常不方便，因此針對大空間的聲環(huán)境數(shù)據(jù)采集，這種人工頭的方式還是顯得便攜性不夠。為了克服人工頭移動不變的缺點，工程師又采用了另一種思路：利用真人代替人工頭，將便攜式雙耳傳

5、聲器置于人耳中以考慮其掩蔽效應。圖2是典型的雙耳數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由雙耳傳聲器，數(shù)據(jù)采集卡和存儲設備組成，該套系統(tǒng)體積小，重量輕，非常適合于大空間下的移動采集數(shù)據(jù)。進行聲環(huán)境數(shù)據(jù)采集，除了保證采集設備能夠考慮人耳的掩蔽效應，還需要保證一定的采樣頻率。這是因為人類能夠聽到的聲音頻率是有限制的，其上限是20000hz，低于這一頻率限值的信號稱為聲信號。為了避免出現(xiàn)頻率混淆，對聲信號采樣，必須保證采樣率至少大于該頻率限值的兩倍，即采樣頻率不能低于40000hz。另外，對飛機客艙進行聲音信號采集時，坐姿，采樣時間等都會對后續(xù)的聲品質(zhì)分析產(chǎn)生影響，因此，程明昆等人基于研究成果總結了數(shù)據(jù)采集的相關規(guī)范標準4g

6、b / t 20248-2006聲學飛行中飛機艙內(nèi)聲壓級的測量，采集時可參照執(zhí)行。2 聲品質(zhì)主觀分析聲品質(zhì)是反映人耳對聲音的主觀感受，目前主要通過兩個方法來進行評估：主觀評價和客觀評價。主觀評價是受測者通過相關聽音流程，然后對聲音作出的相關評價，因此也叫聽音評價。在進行聲品質(zhì)主觀評價時，受測者會按照相關方法規(guī)定的流程，完成聽音測試過程，然后對聽到的聲音進行判斷，評價，或者打分。常用的主觀評價法有以下四種5：排序法排序法是指受測者按照某個屬性（比如響度）作為評價標準，然后對聽到的聲音進行排序。排序法是最簡單易行的主觀評價方法，能夠得到樣本之間的好壞次序，但是缺點是無法應用于大量的聲音樣本，也無法

7、評估各個聲音樣本之間的優(yōu)劣程度。打分法顧名思義，打分法是受測者對聽到的聲音樣本進行打分，一般評分范圍為1-10分。雖然這種方法可以定量地分析各個樣本之間的優(yōu)劣程度，但是需要事先對受測者進行聽音訓練以建立相關參考標準，否則受測者將很難確定應該打多少分值。成對比較法成對比較法又叫a/b比較法，每次評價只播放一對聲音樣本，受測者不需要一次性對多段聲音樣本進行排序，也不需要煩惱該給這段聲音樣本打多少分，受測者只需要對這一對聲音樣本作出“好，一樣，差”的判斷即可，從該方法的執(zhí)行流程可以看出，該方法適用于無經(jīng)驗的測試人群，同時也能得到較為準確的評價結果。語義分析法語義分析法是用多組詞語與反義詞對聲音進行描

8、述，比如安靜/吵鬧，尖銳/低沉等等，然后受測者在聽音后對這些描述詞語進行等級評分，常用5級或7級標準，從這一點看，語義分析法可以認為是改進后的打分法。目前已經(jīng)有廠商開發(fā)了比較成熟的主觀評價系統(tǒng)，能夠方便地進行聲品質(zhì)主觀評價測試。比如海德公司就推出了artemis suite聽審測試模塊，支持分類比較法、語音細分法等多種評價模型，可以隨時對測試進行控制、監(jiān)視和管理。雖然這些主觀評價系統(tǒng)已經(jīng)在汽車等行業(yè)得到了應用，但是這些系統(tǒng)都需要專門的聽音實驗室，占用場地大，嚴重限制了受測人群規(guī)模，進而影響到主觀評價結果的精確性。類似于便攜式的雙耳數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，開發(fā)一套便攜式的主觀評價系統(tǒng)，將能極大的擴充受測人

9、群規(guī)模，提高主觀評價結果的精確性，為設計人員提供可靠的數(shù)據(jù)支持。3 聲品質(zhì)客觀分析聲品質(zhì)主觀評價雖然是人耳對聲音的真實感受，但是由于人的主觀感受會受到多種因素的影響，具有隨機波動性，因此主觀評價的結果很難做到穩(wěn)定，特別是針對一些差別非常小的聲音樣本，通過主觀評價往往很難得到穩(wěn)定可信的結果。為了建立物理/生理聲學與主觀感受之間精確的數(shù)學聯(lián)系，科學家從時間歷程，頻譜等多個特征角度出發(fā)，總結出與聲品質(zhì)有關的多個物理參數(shù)，這種利用物理數(shù)學工具進行聲品質(zhì)評價的方法就是聲品質(zhì)客觀評價。通常，表征聲品質(zhì)的有以下幾個參數(shù)：3.1 響度響度（loudness）是反映人實際感覺到的聲音強弱大小的參數(shù)，是聲品質(zhì)評價

10、中具有決定性的特征量6。1947年，國際標準化組織定義了響度的具體計算方法，其計算公式為：上式中：n表示響度（sone），ln表示響度級（phon）。目前廣泛應用的響度計算模型有三種，它們都考慮了人耳的掩蔽效應等因素的影響，分別為stevens模型，zwicker模型和moore模型。這三種方法中，stevens模型和zwicker模型被選用為1975年國際標準（iso532a和iso532b）。moore模型出現(xiàn)較晚，相對于前兩種計算模型，moore模型考慮了雙耳掩蔽效應7，精度更高，適用于雙耳采集系統(tǒng)，2005年被定為美國國家標準（ansi_s31-2005）。3.2 尖銳度尖銳度（sha

11、rpness）是反映聲音刺耳程度的參數(shù)，從物理上講，它描述了聲音高頻部分在整個頻譜的所占比重。目前，沒有統(tǒng)一的國際標準來計算尖銳度，常用的尖銳度計算模型有：zwicker模型、aures模型和bismarck模型。3.3 波動強度波動強度（fluctuation）是聲音信號以緩慢的（<20hz）幅度調(diào)制給人帶來的聽覺感受，其定義為在調(diào)制頻率為4hz的100%調(diào)幅聲作用下，60db，1khz的純音產(chǎn)生的波動度為1vacil。當聲音信號時域包絡的幅度隨時間緩慢變化時，人會明顯感受到聲音忽大忽小，用“波動度”來度量這種強度忽大忽小的變化。通常，聲音的波動強度越大，人聽起來越不舒服。3.4 粗糙

12、度粗糙度（roughness）聲音信號以快速的（15-300hz）幅度調(diào)制給人帶來的聽覺感受，其為定義在調(diào)制頻率為70hz的100%調(diào)幅聲作用下，60db，1khz的純音產(chǎn)生的粗糙度為1asper。從以上定義可以看出，粗糙度與波動強度的非常相似，區(qū)別就在于調(diào)制頻率的不同，一個是以低頻調(diào)制，一個是以高頻進行調(diào)制。目前也沒有統(tǒng)一的國際標準來計算粗糙度，zwicker、aures等眾多科學家都提出過不同的計算模型。3.5 最佳語言干擾級為了描述在吵鬧環(huán)境下說話的清晰度，科學家提出了語言清晰度ai（the articulation index）的概念。但是語言清晰度的計算較為復雜，后來為了簡化計算，b

13、eranek等人又提出將中心頻率為6004800hz的6個倍頻帶聲壓級的算術平均值作為參考量，稱為語言干擾級sil。后來又優(yōu)化為用中心頻率為500、1000、2000hz的3個倍頻帶的平均聲壓級來作為參考量，結果也稱之為最佳語言干擾級8。目前眾多成熟的商業(yè)軟件都能實現(xiàn)聲品質(zhì)的客觀分析，比較有名的有l(wèi)ms公司的test.lab，海德公司的compact analysis，北京聲望的va-lab等，由于相關理論比較簡單，國內(nèi)也有高校自己開發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)了聲品質(zhì)參數(shù)的計算6。4 聲品質(zhì)分析對飛機設計的意義進行聲品質(zhì)分析，通常都會進行客觀評價與主觀評價，然后將二者的結果進行相關性分析，最后得到偏好度與響度

14、，尖銳度等客觀參數(shù)之間的擬合關系。根據(jù)以往研究表明，響度大小對喜好度的影響最大，其次是尖銳度，也就是響度越小，尖銳度越小的聲音越讓人覺得舒適。有了這些擬合關系，設計人員就能分析出各個參數(shù)的影響大小，進而對設計進行有針對性的改進。比如汽車設計人員就通過聲品質(zhì)分析，有針對性的調(diào)教了汽車關門聲，使得關門聲更加符合消費者對高檔車的感覺。還有抽油煙機廠商通過分析現(xiàn)有產(chǎn)品的聲品質(zhì)表現(xiàn)，在新產(chǎn)品中對相關缺陷進行優(yōu)化，提升了產(chǎn)品的競爭力。目前飛機客艙的聲環(huán)境設計還是以傳統(tǒng)的聲壓級分析為主，這可能導致乘客的實際感受與設計初衷有所偏離，因此，非常有必要對客艙聲環(huán)境的聲品質(zhì)表現(xiàn)進行分析，這樣才能客觀真實的反映乘客的

15、乘坐感受，為設計優(yōu)化提供必要的數(shù)據(jù)支撐。同時，將主觀評價系統(tǒng)與仿真客艙（或者vr客艙）相結合，能夠讓乘客“身臨其境”在真實客艙環(huán)境中，這將為飛機銷售推廣開拓出一條新的道路。參考文獻1who，guidelines for community noise，2000.2吳丹.民用飛機客艙舒適度調(diào)查與分析，民用飛機設計與研究，2017年第1期.3blauert，j.（1994）.product-sound assessments：an enigmatic issue from the point of view of engineering.proc.inter-noise 94，yokohama， japan，vol.2，857-862.4程