【摘 要】 介紹一種基于脈沖響應(yīng)的音質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析客觀測(cè)量和主觀評(píng)價(jià)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該技術(shù)可以更直接地評(píng)價(jià)廳堂音質(zhì)的優(yōu)劣，從而快速發(fā)現(xiàn)廳堂可能存在的聲學(xué)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】 脈沖響應(yīng)；傳遞函數(shù)；測(cè)量方法；音質(zhì)評(píng)價(jià)

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.11.005

【Abstract】This paper introduces a technology based on impulse response of sound quality evaluation， and through the experimental test， analyze the corresponding relationship between objective measurement and subjective evaluation. The technology can more directly evaluate auditorium acoustic quality， thus might quickly finding auditorium acoustic problems.

【Key Words】impulse response； transfer function； measuring method； acoustical evaluation

1 概述

廳堂音質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)是一個(gè)十分重要的研究課題，對(duì)搞好廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)，促進(jìn)廳堂音質(zhì)研究具有不可忽視的作用。由于廳堂的最終用途是為人們提供一個(gè)欣賞藝術(shù)的場(chǎng)所，使人們通過(guò)聲音及視覺(jué)在感官以至心靈上得到享受。所以，評(píng)價(jià)一所廳堂音質(zhì)的優(yōu)劣，除了作必要的客觀測(cè)量外，更主要的是聽(tīng)眾的主觀反應(yīng)?；诿}沖響應(yīng)的音質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)正是要研究主觀心理量與客觀物理量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而這個(gè)心理評(píng)價(jià)技術(shù)比只看物理參量更容易被人理解和接受。基于脈沖響應(yīng)的音質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)將是未來(lái)建筑聲學(xué)模擬仿真技術(shù)的研究基礎(chǔ)。

2 脈沖響應(yīng)

當(dāng)房間被聲脈沖信號(hào)激勵(lì)后，某點(diǎn)聲壓隨時(shí)間變化的曲線是房間中該點(diǎn)的脈沖響應(yīng)（見(jiàn)圖1）。同一房間同一位置，聲源到接收點(diǎn)的脈沖響應(yīng)是唯一的。也就是說(shuō)，一個(gè)脈沖響應(yīng)圖可以對(duì)應(yīng)廳堂中某一點(diǎn)的音質(zhì)信息。通過(guò)分析脈沖響應(yīng)圖和對(duì)應(yīng)的聽(tīng)聲效果（聲頻文件），可以更直接地獲得廳堂音質(zhì)主觀評(píng)價(jià)以及更直觀地發(fā)現(xiàn)存在的聲學(xué)問(wèn)題；期望獲得主觀聽(tīng)聲評(píng)價(jià)術(shù)語(yǔ)與描述廳堂音質(zhì)的物理量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1 脈沖（Impulse）

脈沖就是采用猝發(fā)聲作為信號(hào)源?，F(xiàn)實(shí)條件下，不存在寬度為零的理想脈沖聲，一般用瞬間聲音近似代替，如氣球破裂、電火花、發(fā)令槍等近似于理想的脈沖信號(hào)源。

脈沖函數(shù)（見(jiàn)圖2），一般用δ（t）來(lái)表示。其定義為：

2.1.1 脈沖信號(hào)作為激勵(lì)聲源的優(yōu)點(diǎn)

為什么要選用Δt足夠小的脈沖信號(hào)作為激勵(lì)聲源，而不是用粉噪或者音樂(lè)作為聲源研究呢？人對(duì)聲音的感覺(jué)，有三大要素：聲音的大小（能量）、音調(diào)的高低（頻率）、音色的好壞（諧波）。

聲音是由正弦波疊加而成，每個(gè)頻率都有固有周期T。有研究顯示，當(dāng)聽(tīng)聲時(shí)間t小于幾個(gè)周期時(shí)人的頻率感丟失，即人耳無(wú)法分辨其頻率。這時(shí)這個(gè)極短的聲音對(duì)于人的聽(tīng)感來(lái)說(shuō)只代表一個(gè)能量團(tuán)，與頻率無(wú)關(guān)。

當(dāng)單個(gè)正弦波發(fā)聲的時(shí)候是沒(méi)有調(diào)性的，有足夠多的正弦波的時(shí)候才有調(diào)性。在不同頻率不同波長(zhǎng)的時(shí)候，到達(dá)這個(gè)臨界點(diǎn)需要正弦波的個(gè)數(shù)（時(shí)值）是不一樣的。實(shí)驗(yàn)表明音調(diào)對(duì)聲音持續(xù)時(shí)間遵循一定的規(guī)律：當(dāng)一個(gè)聲音足夠長(zhǎng)，就可以有音調(diào)的感覺(jué)；聲音足夠短時(shí)，就無(wú)音調(diào)的感覺(jué)了。持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，音調(diào)似乎與持續(xù)時(shí)間沒(méi)有關(guān)系，在研究中播放了300 Hz、1 000 Hz和3 000 Hz三個(gè)頻率，持續(xù)時(shí)間遞增（分別是1、2、4、16、32、64、128個(gè)正弦波）的情況，聽(tīng)聲者判斷持續(xù)到幾個(gè)正弦波時(shí)開(kāi)始有音調(diào)感。結(jié)果是300 Hz的聲音時(shí)值到16個(gè)正弦波，1 000 Hz的聲音時(shí)值到32個(gè)正弦波，3 000 Hz的聲音時(shí)值到64個(gè)正弦波時(shí)開(kāi)始有音調(diào)感。也就是說(shuō)時(shí)值小于臨界點(diǎn)時(shí)，各頻段的聲音都沒(méi)有調(diào)性感了。

因此得出結(jié)論，只要用一個(gè)足夠短的脈沖作響應(yīng)研究，就可解決頻率評(píng)價(jià)的問(wèn)題，即只是對(duì)能量的研究。

2.2 響應(yīng)（Response）

房間被聲脈沖信號(hào)激勵(lì)后，將測(cè)得的響應(yīng)通過(guò)卷積相關(guān)運(yùn)算變換成脈沖響應(yīng)。同一房間，聲源到接收點(diǎn)的脈沖響應(yīng)是唯一的，包涵了房間的音質(zhì)信息。對(duì)脈沖響應(yīng)聲壓的平方進(jìn)行反向積分可以獲得聲能衰減曲線。

2.3 傳遞函數(shù)（Transfer Function）

傳遞函數(shù)是零初始條件下線性系統(tǒng)響應(yīng)量的拉普拉斯變換與激勵(lì)量的拉普拉斯變換之比。傳遞函數(shù)是時(shí)間周期t、Δt的函數(shù)，也是位置的函數(shù)。反映不同位置不同的頻率特性。

當(dāng)聲源發(fā)出δ脈沖，經(jīng)壁面反射后形成反射脈沖，將直達(dá)脈沖到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)刻作為時(shí)間的起始點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)先后接收到的直達(dá)脈沖與壁面反射脈沖序列稱為室內(nèi)對(duì)δ脈沖的瞬態(tài)響應(yīng)函數(shù)。把脈沖的響應(yīng)函數(shù)在時(shí)域上從時(shí)間t至∞作能量積分：

用一個(gè)理論上的δ函數(shù)，用發(fā)令槍來(lái)實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生很窄的一個(gè)Δt，由時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻率域用的是FFT傅里葉變換（卷積），這就是脈沖反向積分法的原理。

G（t）是廳堂固有函數(shù)（傳遞函數(shù)），（t）是理論上的激勵(lì)函數(shù)，T（t）是實(shí)際的激勵(lì)函數(shù)，F(xiàn)（t）是測(cè)量得到的響應(yīng)函數(shù)。

理論上：

實(shí)測(cè)中：

當(dāng)T（t）近似于函數(shù)時(shí)，，即：使用理想的脈沖聲源得到的響應(yīng)函數(shù)近似等于廳堂固定位置的傳遞函數(shù)。

廳堂的傳遞函數(shù)反映該廳堂固有的聲學(xué)特性，本文的研究就是要得到這個(gè)傳遞函數(shù)并進(jìn)行分析對(duì)比，對(duì)不同的廳堂進(jìn)行評(píng)價(jià)，還可以卷積不同的T（t）函數(shù)，比如音樂(lè)等，即可模擬現(xiàn)場(chǎng)演奏的效果。這就是在可聽(tīng)化模擬仿真技術(shù)中的應(yīng)用。

2.4 測(cè)試中使用的設(shè)備

選用發(fā)令槍作為外部脈沖信號(hào)源，并通過(guò)計(jì)算機(jī)中的DIRAC軟件對(duì)脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（見(jiàn)圖3）。

3 與主觀評(píng)價(jià)相關(guān)的客觀物理指標(biāo)

客觀音質(zhì)評(píng)價(jià)即通過(guò)客觀物理量，對(duì)廳堂音質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

為了指導(dǎo)廳堂聲學(xué)設(shè)計(jì)，還必須尋找能與音質(zhì)主觀評(píng)價(jià)良好相關(guān)的客觀物理指標(biāo)。這些指標(biāo)應(yīng)該是可以用儀器測(cè)量獲得，或可以通過(guò)公式計(jì)算得到。

3.1 運(yùn)用脈沖響應(yīng)技術(shù)可測(cè)出的物理參量

（1）混響（Reverberation）

早期反射聲EDT（Early decay time）

混響時(shí)間T30（Reverberation time ）

低頻比BR（Bass ratio）

（2）聲壓級(jí)分布（Level）

脈沖響應(yīng)信噪比INR（Impulse response to noise ratio）

信噪比SNR（Signal to noise ratio）

（3）能量比（Energy ratios）

明晰度C80（Clarity）

清晰度D50（Definition）

（4）語(yǔ)言清晰度（Speech intelligibility）

語(yǔ)言傳輸指數(shù)（女）STI female（Speech transmission index）

語(yǔ)言傳輸指數(shù)（男）STI male（Speech transmission index）

房間聲學(xué)語(yǔ)言傳輸指數(shù)RASTI（Room acoustics STI）

3.2 廳堂音質(zhì)多項(xiàng)參量與主觀評(píng)價(jià)的獨(dú)立性和互動(dòng)性

混響時(shí)間T30與豐滿度、活躍度以及清晰度等主觀音質(zhì)感受有關(guān)。

而與增強(qiáng)豐滿度有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)，第一個(gè)因素是T30的長(zhǎng)度，特別是EDT的長(zhǎng)度；第二個(gè)因素是混響聲能與早期聲能之比。

低頻反射聲豐富的音質(zhì)稱為具有溫暖感，對(duì)應(yīng)的物理參量BR，而把中、高頻反射聲豐富的音質(zhì)稱為具有活躍度。

混響時(shí)間還影響語(yǔ)言的清晰度、音樂(lè)的明晰度。T30長(zhǎng)則豐滿度增加而清晰度下降。

親切度主要取決于初始延時(shí)間隙ITDG，即直達(dá)聲與第一個(gè)反射聲的時(shí)間間隔。

4 脈沖響應(yīng)的音質(zhì)評(píng)價(jià)

4.1 測(cè)試方法

對(duì)6個(gè)不同的廳堂A、B、C、D、E、F進(jìn)行測(cè)試（見(jiàn)圖4），并統(tǒng)一測(cè)試條件。聲源S位置均設(shè)在臺(tái)唇大幕線中點(diǎn)，并均用一把發(fā)令槍作為脈沖聲源。代表點(diǎn)均設(shè)在5～11排之間（見(jiàn)表1），即貴賓席中間位置（圖5）。

4.2 不同廳堂同一位置上（近似）脈沖響應(yīng)圖（500 Hz）的對(duì)比分析

通過(guò)聽(tīng)聲音獲得了評(píng)價(jià)語(yǔ)言（注：大量的評(píng)價(jià)語(yǔ)言的收集和整理工作還需后續(xù)課題繼續(xù)研究，在這里的評(píng)價(jià)語(yǔ)言僅為舉例），再分析評(píng)價(jià)語(yǔ)言與響應(yīng)圖、物理量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

分析見(jiàn)圖6，聽(tīng)廳堂F的聲音時(shí)明顯發(fā)現(xiàn)有顫動(dòng)回聲的現(xiàn)象，對(duì)于及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)廳堂存在的聲缺陷有重要意義。

混響時(shí)間T30（以500 Hz為例）根據(jù)賽賓公式推斷，包絡(luò)線的斜率越大，混響時(shí)間越短，反之越長(zhǎng)，與圖7、圖8顯示的實(shí)測(cè)物理參量相符。

音樂(lè)明晰度C80定義是前80 ms聲能與80 ms后聲能的比值，因此從脈沖響應(yīng)圖中可看出，80 ms前的能量越多，音樂(lè)明晰度C80值越大。廳堂D的C80值大，廳堂E的C80值小，與圖6顯示的實(shí)測(cè)物理參量相符。

看能量分布情況：廳堂E的脈沖響應(yīng)圖中有一團(tuán)團(tuán)的能量團(tuán)，是顫動(dòng)回聲的表現(xiàn)（見(jiàn)圖7）。

4.3 分析某一廳堂代表點(diǎn)的脈沖響應(yīng)圖發(fā)現(xiàn)聲場(chǎng)存在的問(wèn)題

以廳堂E為例，并從脈沖響應(yīng)圖和脈沖響應(yīng)聲音中可以分析出，該聲場(chǎng)存在顫動(dòng)回聲的聲缺陷，下面就把脈沖響應(yīng)圖進(jìn)一步展開(kāi)分析，見(jiàn)圖9。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，廳堂E的脈沖響應(yīng)圖中只有在中頻500 Hz～1 000 Hz的聲音出現(xiàn)顫動(dòng)回聲的現(xiàn)象，說(shuō)明脈沖響應(yīng)圖可以很直觀地反映聲場(chǎng)存在的問(wèn)題，并可快速找到產(chǎn)生聲缺陷的頻段，為解決聲場(chǎng)問(wèn)題提供可靠的理論依據(jù)。

5 結(jié)論

運(yùn)用脈沖響應(yīng)的音質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)，通過(guò)發(fā)射一個(gè)近似理想的脈沖信號(hào)，即可獲得該廳堂固有的傳遞函數(shù)，就掌握了該廳堂的聲學(xué)特性。通過(guò)分析響應(yīng)圖和對(duì)應(yīng)的聽(tīng)聲音，可以更直接地評(píng)價(jià)廳堂音質(zhì)的優(yōu)劣，還能快速發(fā)現(xiàn)廳堂可能存在的聲學(xué)問(wèn)題。獲得了廳堂的傳遞函數(shù)，還可以卷積不同的激勵(lì)函數(shù) ，比如音樂(lè)等，即可模擬現(xiàn)場(chǎng)演奏的效果。在不久的將來(lái)，可應(yīng)用于可聽(tīng)化模擬仿真技術(shù)中。并對(duì)于廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)和改善作用。

總之，與傳統(tǒng)的截?cái)喾y(cè)量相比，脈沖響應(yīng)法有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）在傳統(tǒng)的截?cái)喾y(cè)量中對(duì)聲場(chǎng)環(huán)境要求很嚴(yán)格，而脈沖響應(yīng)法則對(duì)環(huán)境的要求相對(duì)較低；（2）方法便捷，具有信噪比高、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)；（3）規(guī)避了主觀音樂(lè)美學(xué)的影響。

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作者簡(jiǎn)介：

烏日樂(lè)，中國(guó)藝術(shù)科技研究所工程師，主要從事舞臺(tái)燈光、音響現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)檢測(cè)方法的研究，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作。

（編輯 王 芳）