廖祥凝, 鄭四發(fā), 李申廣,彭 博, 連小珉

(清華大學(xué),汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京 100084)

2016121

采用三維聲場重現(xiàn)系統(tǒng)的汽車聲品質(zhì)評價*

廖祥凝, 鄭四發(fā), 李申廣,彭 博, 連小珉

(清華大學(xué),汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京 100084)

鑒于目前聲品質(zhì)評價采用的雙耳聲重放系統(tǒng)的存在聆聽區(qū)域狹窄、重放效果因人而異和丟失立體聲場信息等缺陷，文中采用了三維聲場精確重放系統(tǒng)，對車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)進(jìn)行評價，并與基于雙耳聲重放系統(tǒng)的聲品質(zhì)評價結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明：與雙耳聲重放系統(tǒng)相比，基于三維聲場精確重放系統(tǒng)的聲品質(zhì)主觀評價與客觀參量之間保持了更好的一致性，評價的準(zhǔn)確性更高。

汽車；聲品質(zhì)評價；三維聲場重現(xiàn)；耳機(jī)回放系統(tǒng)

前言

汽車車內(nèi)聲品質(zhì)直接反映了人對噪聲的主觀感受，是影響顧客購買心理的重要指標(biāo)，對指導(dǎo)汽車零部件和整體設(shè)計具有重要意義，因此如何對一款汽車的聲品質(zhì)做出科學(xué)、準(zhǔn)確的評價，成為一個重要的研究課題。目前，汽車聲品質(zhì)主觀評價主要采用雙耳采集—耳機(jī)回放系統(tǒng)[1-2]。該系統(tǒng)操作簡單，實驗可重復(fù)性高，但也存在某些固有缺陷：(1)聆聽區(qū)域狹窄，回放聲場為點聲場，不具備空間感，不能使人體頭部、軀干等部位產(chǎn)生真實噪聲環(huán)境下的生理、心理反應(yīng)，從而不能得出與真實環(huán)境一致的評價結(jié)果，尤其是低頻聲評價結(jié)果[3]；(2)耳機(jī)重放效果與人工頭、評價者的生理結(jié)構(gòu)和尺寸相近程度有關(guān)，導(dǎo)致回放誤差因人而異[4]。目前廣泛使用的人工頭如B&K4128[5]等均以歐洲人體為模型，我國受試者實驗中采用這些人工頭可能會引入系統(tǒng)誤差。以上因素均會影響到主觀評價準(zhǔn)確性的判斷，繼而限制了對汽車產(chǎn)品聲學(xué)舒適性分析和后續(xù)產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計工作。

三維聲場重現(xiàn)技術(shù)[6-8]作為新興聲學(xué)技術(shù)，其基本思想是采用揚(yáng)聲器陣列在空間區(qū)域重現(xiàn)目標(biāo)聲場。重現(xiàn)聲場具有立體空間感，使實驗人員具有更自然的評價體驗，不僅在雙耳處感知原始聲場的信息，人體的其他感覺器官(如臉部皮膚、四肢等)也能感知到相應(yīng)的聲場信息(如極微小的振動)，這些信息的還原對評價的真實性也有重要影響。

本文中基于最小二乘誤差的多點聲壓匹配法[9]進(jìn)行三維聲場重現(xiàn)并驗證重現(xiàn)精度，為聲品質(zhì)評價實驗提供研究手段。再參照國家標(biāo)準(zhǔn)，對采集的不同工況副駕位噪聲進(jìn)行聲樣本采集及處理，基于成對比較法完成車內(nèi)勻速噪聲偏好性實驗。最后，將三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)與耳機(jī)回放系統(tǒng)的評價結(jié)果進(jìn)行分析對比。

1 三維聲場的精確重現(xiàn)

1.1 三維聲場重現(xiàn)采用的方法

基于最小二乘誤差的多點匹配法的時域系統(tǒng)模型，在某實驗室內(nèi)，進(jìn)行三維聲場的定量重現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維聲場重現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳聲器陣列采集的實際車內(nèi)噪聲樣本為

聲場回放時揚(yáng)聲器所需的激勵信號為

重現(xiàn)的噪聲聲壓為

為實現(xiàn)Pd(t)=Pr(t)，基于最小二乘誤差原理及Tikhonov正則化方法[10-11]，設(shè)計濾波器S(t)，求得所需的揚(yáng)聲器驅(qū)動信號：

G(t)=S(t)·Pd(t)

(1)

式中S(t)為實驗室中揚(yáng)聲器陣列到傳聲器陣列傳遞函數(shù)逆矩陣的時域表達(dá)式。

1.2 聲場重現(xiàn)精度

基于1.1節(jié)中所示重現(xiàn)系統(tǒng)，采用圖2所示的傳聲器陣列進(jìn)行目標(biāo)聲場的采集，再基于圖3所示的揚(yáng)聲器陣列，對一實際噪聲進(jìn)行室內(nèi)聲場重現(xiàn)。選擇雙耳兩個檢驗點的重現(xiàn)聲壓與目標(biāo)聲壓作對比，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖2 采集目標(biāo)聲場的傳聲器陣列

圖3 揚(yáng)聲器陣列示意圖

圖4 檢驗點目標(biāo)聲壓與重建聲壓時域聲壓級對比

圖5 檢驗點目標(biāo)聲壓與重建聲壓頻譜對比

圖4為時域聲壓級對比圖，檢測點1的平均時域聲壓級誤差值為0.29dB，檢測點2的平均時域聲壓級誤差值為0.32dB，均在人耳無法分辨的聲壓級差0.5dB[12]以內(nèi)。圖5為兩檢驗點選取1s對比頻譜信息?？梢钥闯觯噩F(xiàn)信號與目標(biāo)信號可以很好地吻合，驗證了使用三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)進(jìn)行主觀評價實驗的可行性。

2 主觀評價實驗

2.1 評價樣本采集

采集了內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的汽車A和純電動汽車B兩種類型車在勻速20，40，60km/h行駛時車內(nèi)副駕駛位噪聲作為聲品質(zhì)評價的聲信號樣本，如表1所示，并列出對應(yīng)的A計權(quán)聲壓級、響度、尖銳度、粗糙度4個客觀參量的數(shù)值。采集聲音樣本的同時采集前方場景視頻信息，達(dá)到聲品質(zhì)評價實驗室內(nèi)盡可能還原車內(nèi)場景信息的目的。

2.2 主觀評價實驗流程

分別基于文中提出的三維重現(xiàn)聲場回放系統(tǒng)和已廣泛使用的Head Acoustics公司的耳機(jī)回放系統(tǒng)對表1的評價樣本進(jìn)行聲品質(zhì)偏好性的主觀評價實驗，示意圖如圖6所示。采用成對比較法兩兩對比，并考慮到對數(shù)據(jù)可靠性和有效性檢驗的要求，評價樣本對中增加一對不同回放順序?qū)-I和一對相同樣本I-I評價對，共計17組評價比較對。

表1 評價樣本

評價實驗共有30名評價者參與，均為在校學(xué)生，包括11名女性和19名男性，年齡從19～30歲不等，所有評價人員聽力均正常。

圖6 主觀評價實驗示意圖

2.3 評價結(jié)果分析

2.3.1 誤判檢驗

在進(jìn)行主觀評價結(jié)果分析之前，須先對評價數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢驗，以判斷其評價的可靠性。因此，采用三角循環(huán)誤判方法[13]、相同樣本(I—I)檢驗和不同回放順序(I—J與J—I)檢驗進(jìn)行計權(quán)一致性系數(shù)[14]ζw(n)的計算：

ζw(n)=1-Cw(n)

(2)

(3)

式中：Cw(n)為計權(quán)誤判率；Ci(n)為第i種誤判率；Ei(n)為第i種誤判可能產(chǎn)生的總次數(shù)。

運(yùn)用上述誤判檢驗方法，得到三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)和耳機(jī)回放系統(tǒng)的30組數(shù)據(jù)的計權(quán)一致性系數(shù)，如圖7和圖8所示。

圖7 三維聲場重建回放系統(tǒng)的計權(quán)一致性系數(shù)

圖8 雙耳回放系統(tǒng)的計權(quán)一致性系數(shù)

取ζw(n)≥0.8作為評價結(jié)果的可靠性評判標(biāo)準(zhǔn)，由圖7和圖8可知，三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)中，不合格的僅有第29號實驗員的評價數(shù)據(jù)，有效率高達(dá)96.7%；而基于雙耳回放系統(tǒng)的評價實驗結(jié)果，9組評價數(shù)據(jù)不合格，有效率為70%，并且基于三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)的主觀評價實驗中有11人完全沒有誤判，雙耳回放系統(tǒng)僅有2人沒有誤判。綜上所述，采用三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)作為聲品質(zhì)研究手段的誤判率比耳機(jī)回放系統(tǒng)低。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

本文中針對兩種不同回放系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)，采用Bradley-Terry模型[15]以及和積法對6個樣本進(jìn)行偏好性權(quán)重排序，結(jié)果如圖9所示，排序值越高說明樣本聲品質(zhì)偏好性越好。

圖9 兩種不同回放系統(tǒng)樣本的聲品質(zhì)偏好性權(quán)重

為了研究車內(nèi)噪聲品質(zhì)偏好性主觀評價結(jié)果與心理聲學(xué)客觀參數(shù)之間的關(guān)系，對圖9中聲音樣本偏好性權(quán)重概率與表1計算得到的客觀心理聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行了線性相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯捎萌S聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)的勻速噪聲聲品質(zhì)偏好性評價結(jié)果與A計權(quán)聲壓級、響度存在強(qiáng)相關(guān)性，尖銳度對偏好性的影響比粗糙度更顯著，這符合目前勻速噪聲車內(nèi)聲品質(zhì)偏好性的研究結(jié)果[5]，進(jìn)一步說明三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)用于車內(nèi)噪聲主觀評價的合理性。并且相比雙耳回放評價方式，采用聲場重現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行的主觀評價實驗結(jié)果與客觀參量之間保持了更好的一致性，評價的準(zhǔn)確性更高。圖10和圖11直觀地描述了基于兩種評價系統(tǒng)的聲

表2 聲品質(zhì)偏好性主觀評價結(jié)果與客觀參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

品質(zhì)偏好性主觀評價結(jié)果與響度、尖銳度的線性相關(guān)性。

圖10 響度與偏好性評價結(jié)果的相關(guān)性

圖11 尖銳度與偏好性評價結(jié)果的相關(guān)性

2.4 對比總結(jié)

采用三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)和雙耳回放系統(tǒng)對6個汽車勻速工況下車內(nèi)噪聲樣本進(jìn)行主觀評價實驗，并對兩種研究手段的評價效果進(jìn)行了比較分析，結(jié)果如下。

(1) 數(shù)據(jù)有效性方面 基于三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)評價的計權(quán)一致性系數(shù)比耳機(jī)回放系統(tǒng)的高，無效評價樣本減少即誤判率減小。

(2) 評價準(zhǔn)確性方面 相比耳機(jī)回放評價方式，基于三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)得到的主觀評價結(jié)果與客觀參量之間保持了更好的一致性。

(3) 評價舒適性方面 通過問卷對于兩種回放方式舒適性的調(diào)查顯示，96.7%的人認(rèn)為三維聲場重現(xiàn)回放方式具有更好的評價舒適性。

綜上所述，相比雙耳回放評價方式，三維聲場重現(xiàn)回放評價方式在數(shù)據(jù)有效性、評價準(zhǔn)確性以及評價舒適性方面均更有優(yōu)勢。

3 結(jié)論

提出一種采用三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)進(jìn)行聲品質(zhì)主觀評價的方法。首先描述了三維聲場重現(xiàn)的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并給出了回放聲樣本與采集聲樣本間的誤差指標(biāo)。然后采集了電動車、內(nèi)燃機(jī)汽車在不同車速下勻速行駛時的車內(nèi)噪聲樣本，并設(shè)計了聲品質(zhì)主觀實驗。通過對比三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)與雙耳回放系統(tǒng)對聲品質(zhì)主觀評價結(jié)果，表明三維聲場重現(xiàn)回放系統(tǒng)的誤判率低，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，具有更好的評價準(zhǔn)確性和舒適性。

[1] LEE S K. Objective Evaluation of Interior Sound Quality in Passenger Cars During Acceleration[J]. Journal of Sound and Vibration, 2008, 310(1): 149-168.

[2] 王登峰,劉宗巍,梁杰,等. 車內(nèi)噪聲品質(zhì)的主觀評價試驗與客觀量化描述[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2006(S2):41-45.

[3] ALGAZI V R, AVENDANO C, DUDA R O. Elevation Localization and Head-Related Transfer Function Analysis at Low Frequencies[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2001, 109(3): 1110-1122.

[4] 謝菠蓀,管善群. 空間聲的研究與應(yīng)用——歷史、發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 應(yīng)用聲學(xué),2012(1):18-27.

[5] 蘇麗俐. 車內(nèi)聲品質(zhì)主客觀評價與控制方法研究[D].長春：吉林大學(xué),2012.

[6] KOLUNDZIJA M, FALLER C, VETTERLI M. Reproducing Sound Fields Using MIMO Acoustic Channel Inversion[J]. Journal of the Audio Engineering Society, 2011, 59(10): 721-734.

[7] AHRENS J, SPORS S. Wave field Synthesis of a Sound Field Described by Spherical Harmonics Expansion Coefficients[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2012, 131(3): 2190-2199.

[8] POLETTI M A. Three-dimensional Surround Sound Systems Based on Spherical Harmonics[J]. Journal of the Audio Engineering Society, 2005, 53(11): 1004-1025.

[9] BETLEHEM T, ABHAYAPALA T D. Theory and Design of Sound Field Reproduction in Reverberant Rooms[J]. The Journal of the Acoustical Society of America, 2005, 117(4): 2100-2111.

[10] 廖祥凝,鄭四發(fā),彭博,等. 非自由聲場三維重現(xiàn)的揚(yáng)聲器系統(tǒng)優(yōu)化配置[J]. 振動工程學(xué)報,2014(5):715-720.

[11] PENG B, ZHENG S F, LI S G, et al. 3D Sound Field Reconstruction in Reverberation with Regularization[C]. Proceedings of 20th International Congress on Sound and Vibration, ICSV 2013, v1:277-284. Bangkok, Thailand, 7-11 July, 2013.

[12] THEILE G, WITTEK H, REISINGER M. Potential Wavefield Synthesis Applications in the Multichannel Sereophonic World[C]. Proceedings of Audio Engineering Society 24th International Conference on Multichannel Audio: 1-15. Canada, 26-28 June, 2003.

[13] 毛東興,俞悟周,王佐民. 聲品質(zhì)成對比較主觀評價的數(shù)據(jù)檢驗及判據(jù)[J]. 聲學(xué)學(xué)報,2005(5):468-472.

[14] 趙林風(fēng),鄭四發(fā),連小珉,等,場景視頻對汽車聲品質(zhì)評價的影響[J]. 汽車工程,2013,35(6):538-542.

Vehicle Sound Quality Evaluation by Using Three Dimensional Sound-field Reproduction System

Liao Xiangning, Zheng Sifa, Li Shenguang, Peng Bo & Lian Xiaomin

TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

In view of the defects of binaural sound reproduction system currently adopted for sound quality evaluation, such as the narrowness of listening bandwidth, the person-dependency of playback effects and the losses of stereo sound-field information, an accurate three-dimensional sound-field reproduction system is adopted to evaluate the sound quality of in-car noise, which is then compared with that using binaural sound reproduction system. The results show that compared with binaural sound reproduction system, the three-dimensional sound-field reproduction system can maintain a better consistency between the subjective evaluation and objective parameters of sound quality and a higher accuracy of evaluation.

vehicle；sound quality evaluation；three dimensional sound-field reproduction；binaural sound reproduction system

*國家自然科學(xué)基金(51275262)資助。

原稿收到日期為2015年3月11日，修改稿收到日期為2015年7月28日。