1、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
2、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。1.1 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
3、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对临界带率的积分，即: 其中为在一个临界带内的特征响度，单位为，下标 表示响度值是由临界带声级计算得来的。 1.2 粗糙度 粗糙感是在调制频率为 15300Hz 时产生的。调制函数的频谱在 15300Hz 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
4、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 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：1.3 尖锐度 在影
5、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
6、锐度为 1acum的边界条件，可以构造出如下的关系式：式中为临界带内响度密度的积分，比例常数C=0.11，根据 1kHz声压级为60dB 时，锐度为1 acum来确定。1.4 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
7、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： 2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
8、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。2.1 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
9、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，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
10、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6
11、070%。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。2.2 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、
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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（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Sch
18、euren 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
19、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所焦风雷以等响处理后双耳记录的车内噪声为例，针对非度量多维尺度分析（NMDS）是否适用于研究一致性较强的噪声声品质主观评价这一疑问进行研究。4声品质研究发展方向声品质研究的一个目的在于建立标准化的评价体系。另外，作为声品质研究动力的汽车行业，一致关注于对于在产品设计阶段对于声品质主观感知的预测，这对于新产品的开发设计非常重要。近几年随着
20、声品质研究的深入，美国福特公司、比利时LMS公司等将声品质的研究与NVH (Noise, Vibration, Harshness) 工程分析技术相结合，从原有的传统的“测试分析改进设计”转变为在第一设计阶段（Design Right First Time）实现产品声品质的优化设计。 Patrick在文献中指出目前研究集中在声品质、振动预估的实验性及理论性的研究方法，提出了一些心理声学的模型以及工程方面相关的模型。然而研究结果远远不能满足要求，仍然缺乏对于声品质和结构动力学之间的基本原理和系统的知识，以及结构模型设计上的改变与人们对声信号的感知之间的联系，较长时间内还很难建立声品质与产品设计之间确定的关系。 可以预见随着不断逐步理解声信号的声品质与人主观感知属性的联系以及随着可听化技术的不断发展，在不远的将来，虚拟原型的仿真声学设计越来越重要。欢迎您的下载，资料仅供参考！致力为企业和个人提供合同协议，策划案计划书，学习资料等等打造全网一站式需求
