李云鶴，陳克安

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安710072）

隨著飛機(jī)逐漸成為大眾化的出行選擇，飛機(jī)噪聲越來越引起人們的關(guān)注。在飛機(jī)噪聲控制與評(píng)價(jià)研究中，常常需要大量的噪聲樣本，然而實(shí)際飛行測(cè)試人力物力耗費(fèi)巨大、時(shí)間周期長(zhǎng)，且受到各種條件限制。聲音合成技術(shù)是一種成本低、實(shí)現(xiàn)方便的方法，受到研究者們的重視。目前，聲音合成技術(shù)已廣泛應(yīng)用到汽車、飛機(jī)、艦船等各個(gè)領(lǐng)域的噪聲研究當(dāng)中，其中飛機(jī)噪聲合成主流方法有3 種：正弦+噪聲模型、雙耳正弦+噪聲模型、物理模型。

Berckmans 等[1]基于正弦+噪聲模型，將飛機(jī)飛越噪聲分為線譜、寬帶、多普勒頻移分量和地面效應(yīng)4 部分，合成了飛機(jī)飛越噪聲。Janssens 等[2]同樣基于正弦+噪聲模型，介紹了飛越噪聲和艙內(nèi)噪聲的合成方法，方法與Berckmans類似，并將該方法應(yīng)用在直升機(jī)噪聲[3]。Arntzen等[4]基于物理模型，建立了各個(gè)飛機(jī)噪聲源預(yù)測(cè)模型，疊加得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)合成聲，但精確度較差。Verron 等[5-6]提出了雙耳正弦+噪聲合成模型，在正弦+噪聲模型的基礎(chǔ)上加入了耳間相干性和耳間相位差2 個(gè)雙耳線索，合成了某種機(jī)型的飛機(jī)艙內(nèi)噪聲。國(guó)內(nèi)關(guān)于飛機(jī)噪聲合成的研究相對(duì)較少，盛曉偉等[7]使用短時(shí)傅里葉分析與合成技術(shù)以及線性預(yù)測(cè)分析與合成技術(shù)從飛機(jī)駕駛座艙的原始錄音提取聲源，并將之應(yīng)用到了飛行器音效模擬系統(tǒng)。

現(xiàn)有的飛機(jī)噪聲合成研究大多以飛機(jī)艙外噪聲即飛越噪聲為對(duì)象，主要為飛越噪聲的噪聲煩惱感研究提供樣本，艙內(nèi)噪聲合成研究相對(duì)較少。并且飛機(jī)噪聲合成方法大多以正弦+噪聲模型為基礎(chǔ)，分別合成線譜及基于1/3 倍頻程合成寬帶譜。聲音合成方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)大多為聲壓級(jí)、A 聲級(jí)等物理屬性，關(guān)于人耳實(shí)際聽覺感知方面的研究較少。

基于此，本文分別從理論和實(shí)測(cè)噪聲分析兩種角度研究飛機(jī)艙內(nèi)噪聲特性，選擇正弦+噪聲合成模型，在此基礎(chǔ)上介紹兩種飛機(jī)艙內(nèi)噪聲合成方法，檢測(cè)提取實(shí)測(cè)噪聲的峰值信息合成線譜，然后分別基于1/3倍頻程和聽覺臨界頻帶合成寬帶譜，疊加得到合成聲。以波音737、波音747、波音777 和空客321巡航狀態(tài)下的艙內(nèi)實(shí)測(cè)噪聲為原始噪聲，建立噪聲合成模型，合成各測(cè)點(diǎn)處艙內(nèi)噪聲，最后設(shè)計(jì)并開展主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，從聽覺感知的角度，評(píng)估合成聲的有效性。

1 飛機(jī)艙內(nèi)噪聲特性

目前飛機(jī)艙內(nèi)噪聲合成主流方法有正弦+噪聲模型、雙耳正弦+噪聲模型和物理模型3 種，研究飛機(jī)艙內(nèi)噪聲特性可知，飛機(jī)艙內(nèi)噪聲主要由中低頻線譜和連續(xù)寬帶譜構(gòu)成，與正弦+噪聲模型較為符合，并且建立各個(gè)噪聲源的物理模型精度較差，合成效果不理想，而雙耳正弦+噪聲模型偏重耳間相干性和耳間相位差合成，合成精度和正弦+噪聲模型基本一致，因此通過飛機(jī)艙內(nèi)噪聲特性理論與實(shí)測(cè)噪聲分析，選擇正弦+噪聲模型進(jìn)行艙內(nèi)噪聲合成。

1.1 飛機(jī)艙內(nèi)噪聲來源及特性

飛機(jī)艙內(nèi)噪聲由各種聲源和振源形成，并經(jīng)過空氣傳聲或結(jié)構(gòu)傳聲這兩種噪聲傳遞路徑進(jìn)入艙內(nèi)，噪聲包括駕駛艙、空勤艙、乘客艙、設(shè)備艙和貨艙等各個(gè)艙室內(nèi)的噪聲。影響飛機(jī)艙內(nèi)聲學(xué)環(huán)境的噪聲源很多，從聲源位置的角度主要分為兩類，外部噪聲源及內(nèi)部噪聲源。其中，外部噪聲源主要來自于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和湍流邊界層噪聲[8-9]，包括：

（1）飛機(jī)在飛行狀態(tài)下，氣流流過機(jī)體表面如機(jī)身、機(jī)翼等位置引起的氣流壓力擾動(dòng)產(chǎn)生的湍流邊界層噪聲，也叫機(jī)體噪聲；

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、渦輪等產(chǎn)生的噪聲；

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲；外部噪聲源示意圖見圖1。機(jī)艙內(nèi)部噪聲源主要包括環(huán)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、壓力安全閥以及電子機(jī)械設(shè)備等，但相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和湍流邊界層噪聲，艙內(nèi)噪聲源產(chǎn)生的噪聲往往被忽略。

圖1 飛機(jī)外部噪聲源分布示意圖

從頻譜組成的角度來看，飛機(jī)艙內(nèi)噪聲頻譜主要由線譜和寬帶譜組成，其中線譜的主要來源為發(fā)動(dòng)機(jī)中的風(fēng)扇、渦輪、壓氣機(jī)等產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。機(jī)械噪聲的基本頻率f1或葉片通過頻率BPF（Blade Passing Frequnecy，BPF）與轉(zhuǎn)速有關(guān)：

其中：BPF 是機(jī)械噪聲線譜部分的基本頻率，RPM（RPM，Revolutions Per Minute）是機(jī)械轉(zhuǎn)速（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）。基頻旁邊也會(huì)出現(xiàn)部分諧波分量：

其中：fN是第n次諧波，f1是基頻，N是諧波階數(shù)。

寬帶譜的主要來源是機(jī)身外部的湍流邊界層噪聲，湍流邊界層大多附著在機(jī)身表面上，但是在突出物附近和駕駛艙周圍可能存在一些分離的流動(dòng)區(qū)域。即使對(duì)于亞音速巡航，也可能存在一些帶有沖擊波的超音速流動(dòng)區(qū)域，尤其是在駕駛艙上方。外部湍流邊界層產(chǎn)生的艙室內(nèi)部噪聲通常在中高頻率范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位，它的主要特征是受飛行速度影響很大，噪聲強(qiáng)度隨飛機(jī)速度的增大而增大[10]。

1.2 實(shí)測(cè)噪聲分析

本文后續(xù)使用的實(shí)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)分為艙內(nèi)噪聲特性研究數(shù)據(jù)集和主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集兩種。兩種數(shù)據(jù)集的單個(gè)測(cè)點(diǎn)噪聲數(shù)據(jù)均為單通道采樣獲得，非雙耳采樣。

（1）艙內(nèi)噪聲特性研究數(shù)據(jù)集：通過與中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所合作，獲得波音737-800艙內(nèi)巡航狀態(tài)下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)飛機(jī)內(nèi)部配置齊全，座椅靠背為直立狀態(tài)，增壓和空調(diào)系統(tǒng)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，乘客和機(jī)組人員的空氣出口關(guān)閉，公共廣播系統(tǒng)關(guān)閉。測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)為23 個(gè)，位置如圖2 所示。其中1～16 號(hào)為座椅頭枕處測(cè)點(diǎn)，高度為坐姿時(shí)人耳高度，約為1.2 m；17～23 號(hào)為過道測(cè)點(diǎn)，高度為過道站立時(shí)人耳高度，約為1.7 m，采樣頻率為32 768 Hz，采樣時(shí)長(zhǎng)30 s。

圖2 波音737-800艙內(nèi)測(cè)點(diǎn)圖

（2）主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集：包括上述實(shí)測(cè)波音737-800 艙內(nèi)23 個(gè)測(cè)點(diǎn)噪聲數(shù)據(jù)，以及從Sound Ideas公司購買的波音747、波音777和空客321 3種機(jī)型巡航狀態(tài)下艙內(nèi)各4個(gè)測(cè)點(diǎn)共12個(gè)測(cè)點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)。

對(duì)波音737 艙內(nèi)23 個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)做FFT 分析，發(fā)現(xiàn)頻譜如前所述由線譜和寬帶譜構(gòu)成，線譜主要處在低頻區(qū)域，具有明顯的諧波特性。圖3 給出了測(cè)點(diǎn)1 的時(shí)域波形圖和頻譜圖，從時(shí)譜圖可以看出飛機(jī)艙內(nèi)噪聲信號(hào)基本平穩(wěn)，從頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)飛機(jī)艙內(nèi)噪聲能量主要集中在中低頻區(qū)，在65 Hz、194 Hz 和2 060 Hz 有明顯的線譜成分，其余測(cè)點(diǎn)頻譜在65 Hz 處同樣具有線譜成分，并伴有不定階數(shù)的諧波成分。

圖3 波音737-800艙內(nèi)測(cè)點(diǎn)時(shí)頻譜圖

2 艙內(nèi)噪聲合成模型

由前文可知，飛機(jī)艙內(nèi)噪聲可分為寬帶譜和線譜，其中寬帶譜是飛機(jī)艙內(nèi)噪聲聽覺感知屬性的基礎(chǔ)，如果寬帶譜不正確就不像飛機(jī)艙內(nèi)噪聲;線譜中包含有飛機(jī)艙內(nèi)狀態(tài)的重要信息，如果缺失線譜，人耳就無法辨別飛機(jī)的重要狀態(tài)信息。

因此，本文基于正弦+噪聲模型，使用線譜+寬帶譜的合成模型，將飛機(jī)艙內(nèi)噪聲分為線譜和寬帶譜兩部分分別合成。線譜成分通過對(duì)實(shí)測(cè)噪聲信號(hào)峰值檢測(cè)提取合成，寬帶譜通常在某一頻帶內(nèi)研究，常用頻帶為1/3 倍頻程，然而從心理聲學(xué)角度考慮，人耳聽覺系統(tǒng)具有帶通濾波器特性，1 Bark 臨界帶約等于沿耳蝸基底膜1.3 mm 長(zhǎng)的距離[11]，傳統(tǒng)的1/3倍頻帶沒有考慮到人耳的聽覺感知。因此，分別使用1/3 倍頻程和聽覺臨界頻帶兩種方法建模合成寬帶譜，然后疊加線譜和寬帶譜得到兩種合成聲，流程如圖4所示，步驟如下：

圖4 飛機(jī)艙內(nèi)噪聲合成模型

（1）峰值檢測(cè)：采集噪聲樣本，對(duì)該樣本進(jìn)行FFT變換，檢測(cè)提取其中的峰值信息；

（2）線譜合成：利用提取到的峰值信息，合成線譜成分；

（3）濾波器設(shè)計(jì)：從噪聲樣本中剔除線譜成分，對(duì)于剩下的寬帶譜分別基于1/3 倍頻程和聽覺臨界頻帶形式分析，提取相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)濾波器；

（4）寬帶譜合成：將高斯白噪聲通入濾波器后，調(diào)節(jié)幅值，合成寬帶譜；

（5）疊加合成：使用傅里葉合成法疊加線譜和寬帶譜成分，得到合成聲。

本文使用MATLAB 軟件對(duì)飛機(jī)艙內(nèi)噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、峰值檢測(cè)、濾波器設(shè)計(jì)，線譜和寬帶譜合成以及合成聲疊加等相關(guān)信號(hào)處理。

2.1 線譜合成

對(duì)艙內(nèi)噪聲信號(hào)做FFT 得到頻譜信息后，下一步就是要進(jìn)行峰值檢測(cè)，找到每個(gè)頻譜中顯著的峰值。峰值定義為在幅值頻譜|X(k) |中的局部最大值。如果ka是頻譜中的一個(gè)頻率索引，那么它只有滿足：

才是局部最大值。但并不是所有的峰值在頻譜中都同樣明顯，因此需要對(duì)峰值進(jìn)行一定的篩選，采用設(shè)置閾值搜索局部峰值的方法篩選峰值，峰值高度設(shè)為峰值和鄰近谷值的差值，計(jì)算如式(4)所示：

其中：h(ka)是峰值高度，|X(ka)|為檢測(cè)到的峰值，|X(kβ-) |和|X(kβ+) |則是|X(ka) |附近的谷值。從聽覺感知的角度考慮，通常將線性幅值|X(k) |轉(zhuǎn)換為分貝幅值XdB(k)：

因此重新定義峰值高度為：

在峰值檢測(cè)算法中設(shè)置一個(gè)閾值M，M就是設(shè)定的允許通過的最小峰值高度，即要求h(ka)>M。除了比較峰值高度外，還需要對(duì)峰值的幅度進(jìn)行篩選，設(shè)定N為最小峰值幅度，如果XdB(ka)≤N，則該峰值不能通過篩選。峰值檢測(cè)的步驟如下：

（1）峰值谷值檢測(cè)：檢測(cè)信號(hào)頻譜中所有的峰值和谷值，計(jì)算每一個(gè)峰值與其左右相鄰的谷值的差值h(ka)；

（2）閾值設(shè)定：設(shè)定閾值M，比較h(ka)和M，如果峰值高度大于閾值，繼續(xù)進(jìn)行篩選，如果峰值高度小于閾值，剔除該峰值；

（3）最小峰值幅度設(shè)定：設(shè)定最小峰值幅度N，比較N和XdB(ka)，如果XdB(ka)大于N，該峰值被提取出來，如果XdB(ka)小于等于N，剔除該峰值。

對(duì)于波音737-800 飛機(jī)，閾值M設(shè)定為5 dB，最小峰值幅度N設(shè)定為40 dB，然后進(jìn)行峰值檢測(cè)提取，測(cè)點(diǎn)1峰值檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 峰值提取結(jié)果

從圖中可知共篩選出了9 個(gè)峰值，分別是18 Hz、61 Hz、65 Hz、69 Hz、130 Hz、194 Hz、353 Hz、488 Hz 和2 060 Hz，并提取各個(gè)峰值頻率所對(duì)應(yīng)的幅值和相位。

檢測(cè)并提取了峰值的頻率、幅度和相位信息后，使用加法合成法來合成艙內(nèi)噪聲信號(hào)的線譜成分為：

其中：XP是合成的線譜成分，n是檢測(cè)到的峰值個(gè)數(shù)，Ai是第i個(gè)峰值的幅度，fi是第i個(gè)峰值的頻率，φi是第i個(gè)峰值的相位。圖6是測(cè)點(diǎn)1的線譜成分合成結(jié)果，共合成了9個(gè)線譜成分。

圖6 線譜合成結(jié)果

2.2 1/3倍頻程合成

在合成艙內(nèi)噪聲信號(hào)的線譜成分后，下一步就是要合成殘余的寬帶譜成分，本節(jié)介紹以1/3倍頻程的形式合成寬帶譜的方法。首先從原始噪聲信號(hào)的頻譜中去掉線譜成分，以1/3倍頻程的形式對(duì)殘余寬帶譜進(jìn)行分析，并對(duì)每個(gè)1/3 倍頻帶內(nèi)的幅值求平均，得到殘余寬帶譜在每個(gè)1/3 倍頻帶內(nèi)的幅值分布，圖7 是測(cè)點(diǎn)1 殘余寬帶譜在各個(gè)1/3 倍頻帶內(nèi)的幅值分布。

圖7 殘余寬帶譜1/3倍頻程幅值分布圖

根據(jù)獲得的殘余寬帶譜在每個(gè)1/3 倍頻帶的幅值分布確定各個(gè)1/3倍頻帶的權(quán)重系數(shù)，基于權(quán)重系數(shù)設(shè)計(jì)具有對(duì)應(yīng)頻響曲線的濾波器，圖8 是對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)1 的1/3 倍頻程幅值分布所設(shè)計(jì)的濾波器頻響曲線。

圖8 基于1/3倍頻程設(shè)計(jì)濾波器頻響曲線

將高斯白噪聲通過設(shè)計(jì)的濾波器，并經(jīng)過幅值調(diào)節(jié)得到合成的寬帶譜，測(cè)點(diǎn)1寬帶合成結(jié)果如圖9所示。

圖9 1/3倍頻程寬帶合成結(jié)果

2.3 聽覺臨界頻帶合成

研究人耳聽覺系統(tǒng)靈敏度和分辨率時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)的頻帶寬度可以明顯改變絕對(duì)閾值和辨別閾值。如果從一個(gè)很窄的帶寬開始逐漸增加寬度，在一定范圍內(nèi)，這種信號(hào)帶寬的增加并不影響絕對(duì)閾值，但是，當(dāng)帶寬超出某一臨界值時(shí)，繼續(xù)增加帶寬會(huì)使絕對(duì)閾值提高，該帶寬臨界值被稱為臨界帶寬，由Fletcher 提出，后Zwicker 給出了臨界帶寬的具體解析式，并將Bark作為臨界帶寬的度量單位[12-13]。

因此，結(jié)合聽覺感知原理，本節(jié)提出以聽覺臨界帶的形式進(jìn)行寬帶譜合成，主要考慮不同臨界帶內(nèi)聲音信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)差異，而忽略處于同一臨界帶內(nèi)的頻譜結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。同樣首先從原始噪聲信號(hào)的頻譜中去掉線譜成分，以聽覺臨界帶的形式對(duì)殘余寬帶譜進(jìn)行分析，并對(duì)每一Bark 的臨界帶幅值求平均，得到殘余寬帶譜在每Bark 臨界帶內(nèi)的幅值分布，圖10 給出了測(cè)點(diǎn)1 殘余寬帶譜在各個(gè)臨界帶內(nèi)的幅值分布。

圖10 殘余寬帶譜臨界帶幅值分布圖

根據(jù)獲得的殘余寬帶譜在每個(gè)臨界帶的幅值分布確定各個(gè)臨界頻帶的權(quán)重系數(shù)，基于權(quán)重系數(shù)設(shè)計(jì)具有對(duì)應(yīng)頻響曲線的濾波器，圖11 是對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)1臨界帶幅值分布所設(shè)計(jì)的濾波器頻響曲線。

圖11 基于聽覺臨界頻帶設(shè)計(jì)濾波器頻響曲線

將高斯白噪聲通過設(shè)計(jì)的濾波器，并經(jīng)過幅值調(diào)節(jié)得到合成的寬帶譜，測(cè)點(diǎn)1 基于臨界頻帶的寬帶合成結(jié)果如圖12所示

圖12 臨界帶寬帶合成結(jié)果

2.4 噪聲合成

分別合成艙內(nèi)噪聲信號(hào)的線譜和寬帶譜后，使用傅里葉合成法也稱作線譜迭加法疊加兩部分，得到艙內(nèi)噪聲合成聲，如式(8)所示：

其中：Hcs表示合成聲，C表示合成的寬帶譜成分，XP為合成的線譜成分。圖13是測(cè)點(diǎn)1實(shí)測(cè)噪聲和兩種合成聲的對(duì)比，從圖中可以看出兩種合成聲與實(shí)測(cè)噪聲的頻譜曲線基本一致，兩種方法都能取得比較好的合成效果。

圖13 實(shí)測(cè)噪聲和兩種合成聲的對(duì)比圖

3 主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

從頻譜的角度，兩種方法的合成聲與實(shí)測(cè)噪聲基本一致，下一步需要從聽覺感知的角度檢驗(yàn)合成聲的有效性。本節(jié)使用成對(duì)比較法，選取了16位被試，對(duì)4 種機(jī)型的艙內(nèi)實(shí)測(cè)噪聲樣本做了相似度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)際聽覺感知的角度對(duì)比艙內(nèi)實(shí)測(cè)噪聲與合成聲，驗(yàn)證了兩種方法的有效性。

3.1 聲樣本

實(shí)驗(yàn)樣本為主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集內(nèi)的4種機(jī)型共35 個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)噪聲以及使用兩種方法得到的70 個(gè)合成聲，共計(jì)105 個(gè)聲樣本。配對(duì)方式為每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)噪聲與實(shí)測(cè)噪聲組成一對(duì)，即實(shí)測(cè)噪聲的重復(fù)，共35對(duì)；每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)噪聲和1/3倍頻程合成聲組成一對(duì)，共35 對(duì)；每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)噪聲和臨界帶合成聲組成一對(duì)，共35對(duì)。通過上述配對(duì)方式，每個(gè)測(cè)點(diǎn)有3 對(duì)聲樣本，對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)噪聲重復(fù)、實(shí)測(cè)噪聲和1/3倍頻程合成聲對(duì)比、實(shí)測(cè)噪聲和臨界帶合成聲對(duì)比3種情況，35個(gè)測(cè)點(diǎn)3種情況共對(duì)應(yīng)105對(duì)聲樣本。

此外考慮到人耳聽覺中主觀感知的形成過程，發(fā)現(xiàn)聲樣本的時(shí)長(zhǎng)為5 s即可產(chǎn)生穩(wěn)定的感知印象，因此，將所有聲樣本統(tǒng)一截取為5 s長(zhǎng)的聲音片段。

3.2 被試

實(shí)驗(yàn)中，16 位被試的年齡均在18 歲～30 歲，所有被試聽覺正常，無耳病癥狀，耳道無耵聹堵塞，無過度噪聲暴露史或家族性聽力損失者。

3.3 回放設(shè)備

為確保每個(gè)被試在相同的條件下聽到相同的聲音，通過耳機(jī)回放進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)結(jié)果不受房間聲學(xué)特性或者被試位置的影響，而且可有效屏蔽外界噪聲干擾且信號(hào)失真小。實(shí)驗(yàn)使用儀器設(shè)備有一臺(tái)筆記本電腦，一臺(tái)16 通道的功率放大器（BEHRINGER HA4700）以及8 副動(dòng)圈式高保真監(jiān)聽級(jí)頭戴耳機(jī)（SENNHEISER HD280）。

3.4 實(shí)驗(yàn)流程

本次實(shí)驗(yàn)采用5級(jí)評(píng)價(jià)尺度，對(duì)105對(duì)聲樣本進(jìn)行相似度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)尺度如表1所示。得分從1～5對(duì)應(yīng)相似程度為非常不相似、比較不相似、有點(diǎn)相似、比較相似、完全相似。實(shí)驗(yàn)前，實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行講解并對(duì)被試進(jìn)行試聽訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)過程中，被試每次聽到一對(duì)聲音，第一個(gè)聲音播放后間隔2 s播放第二個(gè)聲音，每對(duì)聲音播放完后，被試將有5 s 的時(shí)間對(duì)聲音的相似度感知進(jìn)行評(píng)分。實(shí)驗(yàn)方法采用問卷調(diào)查的形式，問卷分兩部分，第一部分為被試基本信息，第二部分是105對(duì)聲樣本的相似度打分。

表1 相似度評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)回收了16 份問卷，其中有1 位被試的得分與其他被試的打分有明顯不同，剔除該份問卷。對(duì)于每個(gè)測(cè)點(diǎn)，取15 位被試對(duì)3 種情況下的相似度打分，分別對(duì)每種情況下的15 個(gè)得分做平均，對(duì)35 個(gè)測(cè)點(diǎn)均重復(fù)此操作，得到35個(gè)測(cè)點(diǎn)在每種情況下的相似度得分，如圖14所示。兩種合成聲的相似度得分整體低于實(shí)測(cè)噪聲的重復(fù)，但整體仍在4分左右，并且在部分測(cè)點(diǎn)合成聲與實(shí)測(cè)噪聲的相似度得分一致；臨界帶合成聲與1/3倍頻程合成聲整體得分基本一致，但在部分測(cè)點(diǎn)優(yōu)于1/3倍頻程合成聲。

圖14 35個(gè)測(cè)點(diǎn)的相似度得分

對(duì)于每位被試，分別在3 種情況下取35 個(gè)測(cè)點(diǎn)的相似度得分，并對(duì)每種情況分別求平均，對(duì)15 位被試均重復(fù)此操作，得到15位被試在每種情況下的相似度得分，如圖15所示。15位被試的相似度打分雖然不完全相同，但總體趨勢(shì)為兩種合成聲的相似度得分基本一致，且大都低于實(shí)測(cè)噪聲的重復(fù)，但差距較小，其中8 號(hào)和15 號(hào)被試臨界帶合成聲得分與實(shí)測(cè)噪聲重復(fù)基本相同。

圖15 15位被試的相似度得分

對(duì)3 種情況下的15 位被試對(duì)35 個(gè)測(cè)點(diǎn)的相似度打分總體進(jìn)行平均，結(jié)果如表2所示。1/3倍頻程合成聲與臨界帶合成聲得分低于實(shí)測(cè)噪聲重復(fù)，但差距較小，臨界帶合成聲得分稍優(yōu)于1/3倍頻程合成聲。因此，從聽覺感知的角度，兩種合成方法均能有效合成艙內(nèi)噪聲，其中臨界帶合成方法稍優(yōu)于1/3倍頻程合成聲。

表2 3種情況下相似度平均得分

4 結(jié)論及展望

本文基于正弦+噪聲模型介紹了兩種飛機(jī)艙內(nèi)噪聲合成方法，線譜部分通過峰值檢測(cè)提取合成，寬帶部分分別基于1/3 倍頻程和臨界帶兩種方法進(jìn)行合成，最后疊加得到合成聲。并以波音737、747、777和空客321共4種機(jī)型巡航狀態(tài)下共計(jì)35個(gè)測(cè)點(diǎn)的艙內(nèi)噪聲為參考噪聲，使用兩種合成方法進(jìn)行了噪聲合成。從人耳聽覺感知角度考慮，使用成對(duì)比較法，選取了16 位被試進(jìn)行了相似度評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明從聽覺感知角度，兩種合成方法均能有效合成艙內(nèi)實(shí)測(cè)噪聲，其中臨界帶合成聲稍優(yōu)于1/3倍頻程合成聲。

飛機(jī)噪聲特性研究表明艙內(nèi)噪聲線譜成分與發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪、風(fēng)扇等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的物理特性有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，合成方法中的線譜合成由于無法獲得巡航狀態(tài)下各種機(jī)械的相關(guān)參數(shù)，只能通過對(duì)實(shí)測(cè)噪聲的峰值檢測(cè)提取合成，在以后的研究中需建立兩者之間的聯(lián)系，通過各種機(jī)械的物理參數(shù)合成線譜成分，從而合成不同工況下的飛機(jī)艙內(nèi)噪聲。

致謝：

在此特別感謝中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所提供波音737-800巡航狀態(tài)下艙內(nèi)實(shí)測(cè)噪聲數(shù)據(jù)。