采用三維聲場重現系統的汽車聲品質評價*

廖祥凝, 鄭四發, 李申廣,彭 博, 連小珉

(清華大學,汽車安全與節能國家重點實驗室,北京 100084)

2016121

采用三維聲場重現系統的汽車聲品質評價*

廖祥凝, 鄭四發, 李申廣,彭 博, 連小珉

(清華大學,汽車安全與節能國家重點實驗室,北京 100084)

鑒于目前聲品質評價采用的雙耳聲重放系統的存在聆聽區域狹窄、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，對車內噪聲聲品質進行評價，并與基于雙耳聲重放系統的聲品質評價結果進行比較。結果表明：與雙耳聲重放系統相比，基于三維聲場精確重放系統的聲品質主觀評價與客觀參量之間保持了更好的一致性，評價的準確性更高。

汽車；聲品質評價；三維聲場重現；耳機回放系統

前言

汽車車內聲品質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，對指導汽車零部件和整體設計具有重要意義，因此如何對一款汽車的聲品質做出科學、準確的評價，成為一個重要的研究課題。目前，汽車聲品質主觀評價主要采用雙耳采集—耳機回放系統[1-2]。該系統操作簡單，實驗可重復性高，但也存在某些固有缺陷：(1)聆聽區域狹窄，回放聲場為點聲場，不具備空間感，不能使人體頭部、軀干等部位產生真實噪聲環境下的生理、心理反應，從而不能得出與真實環境一致的評價結果，尤其是低頻聲評價結果[3]；(2)耳機重放效果與人工頭、評價者的生理結構和尺寸相近程度有關，導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誤差。以上因素均會影響到主觀評價準確性的判斷，繼而限制了對汽車產品聲學舒適性分析和后續產品的改進設計工作。

三維聲場重現技術[6-8]作為新興聲學技術，其基本思想是采用揚聲器陣列在空間區域重現目標聲場。重現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]進行三維聲場重現并驗證重現精度，為聲品質評價實驗提供研究手段。再參照國家標準，對采集的不同工況副駕位噪聲進行聲樣本采集及處理，基于成對比較法完成車內勻速噪聲偏好性實驗。最后，將三維聲場重現回放系統與耳機回放系統的評價結果進行分析對比。

1 三維聲場的精確重現

1.1 三維聲場重現采用的方法

基于最小二乘誤差的多點匹配法的時域系統模型，在某實驗室內，進行三維聲場的定量重現，系統結構如圖1所示。

圖1 三維聲場重現系統結構

傳聲器陣列采集的實際車內噪聲樣本為

聲場回放時揚聲器所需的激勵信號為

重現的噪聲聲壓為

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

G(t)=S(t)·Pd(t)

(1)

式中S(t)為實驗室中揚聲器陣列到傳聲器陣列傳遞函數逆矩陣的時域表達式。

1.2 聲場重現精度

基于1.1節中所示重現系統，采用圖2所示的傳聲器陣列進行目標聲場的采集，再基于圖3所示的揚聲器陣列，對一實際噪聲進行室內聲場重現。選擇雙耳兩個檢驗點的重現聲壓與目標聲壓作對比，結果如圖4和圖5所示。

圖2 采集目標聲場的傳聲器陣列

圖3 揚聲器陣列示意圖

圖4 檢驗點目標聲壓與重建聲壓時域聲壓級對比

圖5 檢驗點目標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。圖5為兩檢驗點選取1s對比頻譜信息。可以看出，重現信號與目標信號可以很好地吻合，驗證了使用三維聲場重現回放系統進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

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

2.2 主觀評價實驗流程

分別基于文中提出的三維重現聲場回放系統和已廣泛使用的Head Acoustics公司的耳機回放系統對表1的評價樣本進行聲品質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，并考慮到對數據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對J-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 評價結果分析

2.3.1 誤判檢驗

在進行主觀評價結果分析之前，須先對評價數據進行有效性檢驗，以判斷其評價的可靠性。因此，采用三角循環誤判方法[13]、相同樣本(I—I)檢驗和不同回放順序(I—J與J—I)檢驗進行計權一致性系數[14]ζw(n)的計算：

ζw(n)=1-Cw(n)

(2)

(3)

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

運用上述誤判檢驗方法，得到三維聲場重現回放系統和耳機回放系統的30組數據的計權一致性系數，如圖7和圖8所示。

圖7 三維聲場重建回放系統的計權一致性系數

圖8 雙耳回放系統的計權一致性系數

取ζw(n)≥0.8作為評價結果的可靠性評判標準，由圖7和圖8可知，三維聲場重現回放系統中，不合格的僅有第29號實驗員的評價數據，有效率高達96.7%；而基于雙耳回放系統的評價實驗結果，9組評價數據不合格，有效率為70%，并且基于三維聲場重現回放系統的主觀評價實驗中有11人完全沒有誤判，雙耳回放系統僅有2人沒有誤判。綜上所述，采用三維聲場重現回放系統作為聲品質研究手段的誤判率比耳機回放系統低。

2.3.2 數據分析

本文中針對兩種不同回放系統的實驗數據，采用Bradley-Terry模型[15]以及和積法對6個樣本進行偏好性權重排序，結果如圖9所示，排序值越高說明樣本聲品質偏好性越好。

圖9 兩種不同回放系統樣本的聲品質偏好性權重

為了研究車內噪聲品質偏好性主觀評價結果與心理聲學客觀參數之間的關系，對圖9中聲音樣本偏好性權重概率與表1計算得到的客觀心理聲學參數進行了線性相關性分析，結果如表2所示。可以看出，采用三維聲場重現回放系統的勻速噪聲聲品質偏好性評價結果與A計權聲壓級、響度存在強相關性，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聲品質偏好性的研究結果[5]，進一步說明三維聲場重現回放系統用于車內噪聲主觀評價的合理性。并且相比雙耳回放評價方式，采用聲場重現系統進行的主觀評價實驗結果與客觀參量之間保持了更好的一致性，評價的準確性更高。圖10和圖11直觀地描述了基于兩種評價系統的聲

表2 聲品質偏好性主觀評價結果與客觀參數的相關系數

品質偏好性主觀評價結果與響度、尖銳度的線性相關性。

圖10 響度與偏好性評價結果的相關性

圖11 尖銳度與偏好性評價結果的相關性

2.4 對比總結

采用三維聲場重現回放系統和雙耳回放系統對6個汽車勻速工況下車內噪聲樣本進行主觀評價實驗，并對兩種研究手段的評價效果進行了比較分析，結果如下。

(1) 數據有效性方面 基于三維聲場重現回放系統評價的計權一致性系數比耳機回放系統的高，無效評價樣本減少即誤判率減小。

(2) 評價準確性方面 相比耳機回放評價方式，基于三維聲場重現回放系統得到的主觀評價結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查顯示，96.7%的人認為三維聲場重現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，三維聲場重現回放評價方式在數據有效性、評價準確性以及評價舒適性方面均更有優勢。

3 結論

提出一種采用三維聲場重現回放系統進行聲品質主觀評價的方法。首先描述了三維聲場重現的原理和系統結構，并給出了回放聲樣本與采集聲樣本間的誤差指標。然后采集了電動車、內燃機汽車在不同車速下勻速行駛時的車內噪聲樣本，并設計了聲品質主觀實驗。通過對比三維聲場重現回放系統與雙耳回放系統對聲品質主觀評價結果，表明三維聲場重現回放系統的誤判率低，數據準確性高，具有更好的評價準確性和舒適性。

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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。