賽為斯聲學講堂丨聲品質的應用分析方法

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賽為斯聲學講堂丨聲品質的應用分析方法

文章出處：技術資訊網責任編輯admin 閱讀量：發表時間：2021-01-13 10:15

傳統評價噪聲的方法主要為計權聲壓級，用以反映聲音的大小。但是人耳的實際主觀感受對于不同頻率、不同強度的聲音有著非常復雜的關系，并不是簡單的計權曲線所能描述的。現代產品設計中，越來越多地使用聲品質指標進行噪聲評價和改進。
聲品質 (Sound Quality) 分析中包含多種參數，如響度 (Loudness)、尖銳度 (Sharpness)、粗糙度 (Roughness)、波動度 (Fluctuation Strength) 和煩惱度 (Psychoacoustic Annoyance) 等，其中響度最為常用，并且計算方法已經具有相應的ISO 532國際標準。雖然響度與計權聲級 (Weighting Sound Level) 都是描述聲音的強弱，但是兩者之間還是有許多不同之處。其他參數目前都只有定性的定義，缺乏統一的計算模型，也沒有相應的國際標準，并且對被分析信號的采樣率和長度等參數有一定的特別要求。本文以DASP軟件為例說明各個參數的特點和常用計算方法。
聲品質與計權聲級的比較
聲品質包含許多參數，其中只有響度可與計權聲級進行比較。響度用于反映聽覺判斷聲音強弱的屬性，不僅與聲壓大小有關，還與頻率、波形等因素有關，符號為N，單位為宋 (sone)，此外也可以用響度級來表示，符號為Ln，單位為方 (phon)，可與響度互算。
1. 臨界頻帶與1/3倍頻程的比較
在聲級分析中，常常將人耳聽覺頻率范圍按1/3倍頻程方式進行劃分，如表1所示，而響度分析中則將人耳聽覺范圍劃分為24個臨界頻帶 (Critical Band)，符號為z，單位為Bark，如表2所示。由于人耳對聲音頻率具有掩蔽效應，某純音頻率附近的某帶則是根據該特性進行劃分的。對于表1和表2，可見在280Hz以上兩者對于頻帶的劃分比較接近，而低于280Hz的頻率范圍，每個臨界頻帶相當于若干個1/3倍頻程頻帶的組合。
比較可見，在較高頻率范圍內，1/3倍頻程頻帶較為接近于人耳的掩蔽效應，而低頻范圍內則劃分過細，超出了實際人耳對頻率的敏感能力。但是由于1/3倍頻程是有規律的劃分方式，因此在實際使用中不僅方便而且計算簡單。

表1 聽覺范圍內的1/3倍頻程劃分

表2 聽覺范圍內的臨界頻帶劃分

2. 等響曲線與計權曲線的比較
等響曲線是一系列響度級相等的純音或窄帶噪聲額的聲壓級與頻率之間關系的曲線簇，是通過試驗統計方法，根據試驗者對來自正前方純音強弱的判斷來確定的，因此較能準確地反映人耳對聲音強弱的主觀感受，如圖1所示。

圖1 純音等響曲線（根據ISO226-1987）
傳統聲壓級的計權曲線則是通過某一條等響曲線修正而來的，A、B、C計權曲線分別為接近40phon、70phon和100phon的等響曲線的反曲線。以常用的A計權為例，由于它是接近40phon（響度為1sone）的等響曲線，因此對于其他大小的聲音則具有較大的誤差，在實際工程應用中，其突出的缺點主要在于對較高聲壓的低頻聲音衰減過大，難以反映高聲壓低頻噪聲的主觀感受。
有計算表明，對于同為60dBA的聲音，由于頻率結構的不同，其響度可能從1.3sone~21.1sone不等。可見計權僅僅是一種簡化的修正方法，對于某些聲音則誤差較大。但是由于等響曲線是一系列的曲線簇，并且需要考慮掩蔽效應，對于復合音的響度計算非常復雜，而計權聲壓級的計算則簡單得多。
響度譜分析方法
1. 穩態聲音的平均響度譜
對于穩定的聲音，一般使用線性平均方法計算平均響度，以提高計算結果的精度。圖2為使用DASP軟件按照ISO532B的方法，對列車噪聲進行計算的平均響度譜，其橫坐標為Bark，DASP軟件中的橫坐標分辨率為0.1Bark，縱坐標單位為sone/Bark，相當于響度在臨界頻帶內的分布，因此響度譜的積分就是總響度值，單位為sone。

圖2 對列車噪聲進行全程平均響度譜分析

圖3 洗衣機運轉過程的響度譜陣分析
2. 響度譜陣分析

對于非穩態的聲音，或者機器運行不同工況的全過程聲音，由于聲音特性隨時間不同而不同，平均響度分析就不合適了。此時可以使用隨時間的響度譜陣分析手段，以觀察不同工況下的響度特性的變化情況。圖3為洗衣機一次運行全過程的響度譜陣圖，該運行過程中包含了一次洗滌過程（3～9秒）和一次甩干過程（13～23秒）。響度譜陣是一系列時間上的瞬時響度譜按時間進行排列的譜陣，響度譜的高度使用不同顏色來表示。從譜陣圖上可以看出，噪聲成分主要分布在兩個頻帶區域（2～5Bark和15～18Bark），洗滌過程中的高頻噪聲和低頻噪聲都比較突出，而甩干過程中則主要是高頻噪聲占主要成分了。
多參數分析
除響度之外，聲品質分析中還常常提供其他一些參數的分析，常見的包括尖銳度、粗糙度、波動度和煩惱度等指標。
由于這些參數沒有統一的定義，更沒有統一的計算公式，因此實際使用之前必須了解分析軟件中使用的計算公式。此外，這些參數計算公式中還有一些定性的參數，各分析軟件在進行細節處理時可能使用不同的方法，導致不同軟件之間的結果很難有對比性，因此在實際產品的聲品質分析和改進過程中，應使用同一個軟件進行結果的對比。
1. 參數定義、特點和常用公式
尖銳度 (Sharpness) 指標描述了聲音品質評價中的音色特征，符號為S，單位為acum。對于頻率較高的聲音，感受到的尖銳度較大。因此實際聲音品質設計中有時會增加低頻噪聲以降低尖銳度，但響度會有所增加。尖銳度計算方法目前沒有標準方法，DASP軟件中使用下式，其中N’(z) 為某個Bark上的響度譜，g(z) 為附加系數，是臨界頻帶的函數：

波動度（Fluctuation Strength，又稱抖動強度）和粗糙度 (Roughness) 主要反映聲音的幅值調制特性，一般當調制頻率低于20Hz時（參考頻率為4Hz）為波動度特性，高于20Hz時（參考頻率為70Hz）表現為粗糙度特性。
波動度的符號為F，單位是vacil，定義60dB的1kHz純音在調制頻率為4Hz的100％調幅作用下產生的波動度為l vacil。粗糙度符號為R，單位是asper，定義60dB的1kHz純音在調制頻率為70Hz的100％調幅作用下產生的粗糙度為1 asper。波動度和粗糙度的計算方法同樣沒有被標準化，DASP中使用下面兩式進行計算，其中，Cf和Cr為計算系數，dL 表示單位為dB的調制深度，fmod 為調制頻率，在計算波動度時為最接近4Hz的調制頻率，計算粗糙度時為最接近70Hz的調制頻率。

與響度一樣，也可以得到以臨界頻帶為橫坐標的波動度譜曲線和粗糙度譜曲線，縱坐標分別為 vacil/Bark和asper/Bark。如圖4所示。為表示波動度和粗糙度指標特點，圖中示例波形中，對左右聲道分別選擇了具有4Hz和70Hz的100%幅值調制的1KHz 60dB單頻波形，雖然這種情況在實際應用中幾乎不可能出現。
煩惱度 (PA, Psychoacoustic Annoyane, 又稱厭煩度、騷擾度等）描述聲音的厭煩程度，它考慮了響度、尖銳度、粗糙度、波動度的綜合影響，為無量綱系數，DAS中使用下式計算煩惱度系數，其中N5 為以sone 為單位的累積百分比響度，wS 為反映尖銳度的系數，wFR 為反映波動度和粗糙度的系數。
2. 波動度和粗糙度分析的特別要求
由于波動度和粗糙度計算中需要分析信號在各個臨界頻帶內的幅值調制頻率，而幅值調制曲線則需要通過響度時間譜陣在各個臨界頻帶上的包絡線來得到。由于要保證有效的包絡線分析，因此對于被分析的波形數據有一定要求，在DASP軟件中要求被分析數據的采樣頻率不低于5120Hz，并且被分析區間的時間長度不小于2秒鐘。按照經驗，若要得到較好的分析結果，在對聲音信號進行采樣時，建議使用40KHz以上的采樣頻率，采樣時間長度為5秒以上。

圖4 波動度和粗糙度分析
結束語

當前聲品質分析應用已經逐漸廣泛，但是由于它的主觀性特點，目前雖然有大批學者在進行深入的研究，但是除響度外很難有標準化的統一計算手段。尤其對于綜合性指標的PA煩惱度更是如此，除本文給出的煩惱度系數計算公式之外還有一些其他形式的公式，并且各種公式都只能在一定程度上反映人對噪聲的厭煩程度。對于不同研究目標，有時還需要其他一些包括音調、純音顯著率、峰態因素等指標。在實際工程應用中，必須了解各指標的特點，并充分考慮到這些指標的局限性和不足之處，針對具體情況進行選擇和結果判斷。

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