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          聲品質分析之基本評價量

          來源:漢航(北京)技術有限公司   2024年04月08日 11:18  

          引言

          當人們對噪聲特性獲得一定認知度后,聽覺系統(tǒng)就會在噪聲物理特性和發(fā)聲體的功能與品質等方面形成特定的感知聯(lián)系,并形成特定的心理感知需求和期望。人們對這種現(xiàn)象的關注是噪聲研究由聲級聲學(物理方面)向聲品質(心理方面)發(fā)展的直接源動力,反映了科學研究由客觀參量走向主觀參量,由唯物的研究進入“以人為本”的研究的發(fā)展趨向。自上世紀九十年代以來,聲品質的概念被創(chuàng)造和定義,并成為國際性的新興研究領域和研究熱點。

          被國際學術界廣泛認同的完整的聲品質定義首先由Blauert給出:“聲品質是在特定的技術目標或任務內涵中聲音的適宜性”。聲品質定義中的“聲”并不是單純指聲波這樣一個物理事件,而是指人耳的聽覺感知,“品質”指由人耳對聲音事件的聽覺感知過程并最終做出的主觀判斷。Blauert的定義給出了聲品質概念的三方面內涵。首先是稱作“聲品質元素”的發(fā)聲部件,例如剃須刀中的馬達、刀片、支架、腔體;其次是聽覺感知,使用者暴露于機器發(fā)射的可聽頻率聲波的聲場中,并聽到聲音,開始其聽覺感知的過程,這一過程構成了聲品質概念中的“聽覺事件”;最后是使用者根據(jù)對某種機器(發(fā)聲體)的心理期望,判斷機器發(fā)射聲音的優(yōu)劣,在這一過程中加入了使用者的認知和心情等主觀因素。主觀判斷的前提是使用者或心理聲學中的受試者(統(tǒng)稱為評價者或評價主體)對機器的噪聲發(fā)射有先驗的了解或知識,并具有明確的對噪聲特征的心理期望,這樣受試者才能將聽覺事件與噪聲的心理期望特征進行比較,從而做出聲品質優(yōu)劣的判斷。聲品質的形成過程可以用圖1表示。

                                                       

          圖片1.png

          1 聲品質形成過程


          從聲品質的定義中可以看出,聲品質并不是一種發(fā)聲體或機器內在的量。因而,聲品質不能簡單地描述為物理量,而必須通過人參與到聽覺事件中,并根據(jù)主觀心理期望進行判斷,才能產生聲品質。所以,聲品質研究必須注重人類聽覺的心理學特征和過程。

          從心理學的角度來看,聲品質具有以下三方面的特征:

          1)激勵響應相適性,即聲音的刺激與人耳聽到聲音后所做出的反應及行為要一致;

          2)聲音的舒適性,即聲音要給人帶來滿意、愉快以及輕松的享受;

          3)聲或聲源的可識別性,即賦予聲音的涵義能被正確辨別和詮釋。

          1. 聲品質基本評價量

          在聲品質評價中,有一系列基本特性量被認為適宜于描述聽覺事件,主要包括:響度、尖銳度、粗糙度、波動度和音調度等。

          1.1 響度(Loudness

          響度是對聲音強度的一種感受,是人們對聲音感知影響的一個參考量。聲音的響度不僅與聲壓級相關,還與聲音的頻率相關。下圖為弗萊徹-蒙森曲線(FletcherMunson curves),即等響曲線。等響曲線的橫坐標為頻率,縱坐標為聲壓級。在同一條曲線之上,所有頻率和聲壓的組合,都有著一樣的響度。最下方的曲線表示人類能聽到的最小的聲音響度,即聽閾。等響曲線反映了響度聽覺如下特點:

          l  聲壓級愈高,響度一般也愈高;

          l  響度與頻率有關,相同聲壓級的純音,頻率不同,響度也不同;

          l  對于不同頻率的純音,提高聲壓級而引起的響度增長,也有所不同。

          圖片2-2.jpg

          2  等響曲線

          通過對響度及其依賴關系以及掩蔽效應的研究發(fā)現(xiàn),對于兩個頻率不同的純音AB,將其疊加成復合音C,C的響度與A、B之間的頻率間隔存在直接關系。如果純音A、B在同一臨界帶內,則兩者的頻率間隔越大,復合音C的響度越大;當A、B的頻率間隔超過臨界帶寬時, C的響度將等于AB響度之和,此時兩純音之間不再相互影響。因此在構造響度模型時,把激勵聲級對臨界帶率模式作為基礎。將總響度L看成是特征響度L'對臨界帶率的積分,即:

          公式1.png

                                                               

          1.2 粗糙度(Roughness

          當聲音的調制頻率在15~300Hz范圍內即可產生粗糙感,并非要周期性調制,這是大多窄帶噪聲即使沒有包絡和頻率的周期性變化,也能產生粗糙感的原因。將調制頻率為70Hz,調制幅度為1,聲級為60dB1kHz純音粗糙度定義為1 asper。

          頻率分辨率和時間分辨率是影響粗糙度的兩個主要因素。頻率分辨率由激勵模式或特征響度隨臨界帶的關系決定。當調制幅度為25%時,粗糙度達到其**值0.1 asper,調制幅度每增加10%,相應粗糙度增加17%,因此將可聽粗糙度劃分為20個級別。當粗糙度變化1.56倍時,我們即可察覺到粗糙度的差異。

          粗糙度是由激勵模式隨時間變化引起的,非常緩慢的變化不會產生粗糙度的感受,可見粗糙度正比于變化速度,即調制頻率。此外,通過掩蔽分析可知,粗糙度與掩蔽深度成正比關系。

          1.3 尖銳度(Sharpness

          尖銳度是描述高頻成分在聲音頻譜中所占比例的物理量,它反映了人們主觀上對高頻段聲音的感覺,反映了聲音信號的刺耳程度。聲音的頻譜成分、中心頻率和聲音的帶寬都會對聲音的尖銳度產生影響,而聲音的頻譜包絡對尖銳度的影響顯著,相比之下頻譜細部結構對尖銳度的影響則不那么明顯。在一個臨界帶寬內帶寬的變化與尖銳度無關。

          從心理聲學的角度來看,頻譜包絡表示激勵聲級與特征頻帶率的關系模式,或稱為特性響度與特征頻帶率的關系模式。根據(jù)窄帶噪聲的尖銳度隨特征頻帶的變化關系,以及低頻成分的增加可降低尖銳度的特點,可以采用沖量因子g來構造尖銳度模型,在16Bark以下的頻帶g1,而在16Bark以上的頻帶g大于1。采用特性響度與特征頻帶率的關系模式作為分布函數(shù),可以構造出如下的關系式:

          公式2.png


          式中,L'(z)為臨界頻帶(Critical BandCB)內響度密度的積分,比例常數(shù)C=0.11,根據(jù)1kHz聲壓級為60dB時,尖銳度為1 acum來確定。

          1.4 波動度(Fluctuation Strength

          聽覺系統(tǒng)對經(jīng)過調制的聲音有兩種不同的感覺:當調制頻率在20Hz以下感知為波動度,而在高頻則感知為粗糙度。在20Hz附近是聽覺感知的平穩(wěn)過渡區(qū)域。將60dB頻率為1kHz的純音,以4Hz純音進行幅值調制,調制度為1聲音的波動度定義為1 vacil。波動度呈調制頻率的帶通特性,**在調制頻率為4Hz處,即4Hz的調制頻率將產生較大的波動度。人耳聽覺系統(tǒng)的頻率分辨率為4Hz,流利語音的正常速率為4音節(jié)/秒。

          1.5 音調度(Tonality

          音調度是一種心理聲學指標,表示音調分量在其周圍頻率成分中的相對比重,從而確定其對聲音感知的貢獻。量化音調度意味著將人耳對聲音的“音調”感知轉化為客觀指標。聲源的音調度是提高產品聲音品質的主要指標之一,在汽車、航空、鐵路或消費品等工業(yè)領域中被廣泛使用。

          1  音調度指標

          表1.png

          總結

          隨著現(xiàn)代科技的進步,人們愈加注重生活品質,聲品質測試的應用在各個行業(yè)中也愈加廣泛。當新產品面臨上市時,需要對其進行聲品質測試,以確保其有較強的競爭力。NTS.LAB聲品質分析模塊具有強大且全面的信號處理能力,該模塊不僅包含上述基礎聲品質分析功能,針對不同的參數(shù)還具有多個可選的計算標準,包括國標、ISO標準、ECMA標準、美標、德標等。同時NTS.LAB還提供了其他豐富的聲品質計算功能,例如高分辨率譜分析(HSA)、聽覺模型譜分析(HMS)、語音清晰度指數(shù)(AI)、語言可懂度指數(shù)(SII)等,能夠從多個角度、多個方向對產品進行聲品質分析,從而了解產品各指標的特點,并充分考慮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,從而對其聲品質進行改善。


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