低頻心理降噪的主觀聽音實驗

李卉，燕翔，陳剛，潘寧

（1.北京德尚靜潔科技發展有限公司，北京 100084；2.清華大學建筑聲學實驗室，北京 100084）

1 實驗背景

1.1 低頻聲擾民問題

近年來，隨著文化生活水平的提高，城市中的娛樂場所諸如KTV、舞廳、酒吧、臺球廳、影吧等逐漸增多，這些娛樂場所通常會使用擴聲系統以營造震撼的氛圍，但由此也引發了一系列的噪聲擾民問題。

擴聲系統擾民的問題主要體現在：1）聲級大，傳播遠，通過空氣傳聲危害周邊居民；2）低頻聲過高，易引起結構振動傳聲，嚴重影響建筑內或周邊噪聲敏感區域。

1.2 低頻隔聲困難

對于噪聲擾民問題，常規的建筑處理方法是通過建筑構件阻隔噪聲，但對阻隔低頻聲存在諸多困難。首先，依據質量定律R=20lgm+20lgf-48，頻率越低，隔聲越困難。一般建筑構件，如磚墻、砌塊墻、混凝土板等，隔絕低頻噪聲仍顯不足，隔絕低頻噪聲需要更厚、更重的建筑構件。在工程實踐中，增加建筑構件質量不僅會帶來較大的荷載問題，也會增加建筑的造價。其次，低頻聲聲波長、衰減慢、穿透力強，不僅可以通過空氣傳播，也會引起結構振動，通過建筑結構傳導到更大范圍，不易控制。采用房中房結構對低頻聲隔聲問題比較有效，但設計施工難度大，造價高。對于裝修完成后出現擾民問題的場所，更改房中房結構很難實施。

1.3 切除低頻信號對聽音效果不利

依據現有技術手段，可通過濾除低頻信號的方法解決低頻聲擾民問題，但由于低頻聲對于加強音樂的律動感及震撼力是必不可少的，切除低頻聲不利于聽音客觀效果，因此，對于大部分音樂使用者而言，低頻聲必不可少。此外，為了滿足音樂的刺激效果，往往需要較高的低頻聲級，這進一步增加了低頻聲隔絕的難度。

1.4 低頻聽音與隔聲的矛盾

既要聽到低頻的效果，又要簡單、方便、低成本地隔絕低頻聲成為一對矛盾。低頻聲污染成為擴聲系統擾民問題的主要根源，從建筑隔聲的角度進行處理存在諸多困難與障礙，難以達到良好的效果，且代價較高，因此，低頻隔聲問題成為隔聲難點，如何解決低頻隔聲問題是降低低頻聲擾民的關鍵。

2 低頻心理降噪

2.1 方法的提出

本研究針對低頻聲擾民問題，結合“基音缺失”相關心理聲學理論，提出了一種新型的利用心理聲學降噪的低頻聲處理方法—虛擬聲低頻心理降噪法。

該處理方法主要包含兩部分，首先將低頻信號從擴聲系統中消除，從而減輕低頻聲隔聲困難問題；其次通過心理聲學“基音缺失”現象，將消除的低頻信號倍頻移頻到高頻實現低音補償，保障在低頻聲缺失的情況下，仍能獲得與原聲音相一致的的主觀聽音感。

2.2 基音缺失現象

由于人耳聽覺系統的非線性特點，對于由一組倍頻調諧的頻率成分（f0、2f0、3f0、4f0……）合成的聲音，人耳感知的音調是其基頻決定的。如果把這個合成音的基頻分量（f0）去掉，人耳感知的音調是不變的，人耳似乎能自動補上這個缺失的基頻成分，這就是“基音缺失”的主觀聽音心理現象。

依據“基音缺失”的主觀聽音心理現象，設想是否可以通過虛擬心理聲學補償的方式，來解決低頻聲隔聲問題。如對于100Hz的低頻聲，從物理上將該低頻聲去除，通過生成其諧頻（200Hz、300Hz、400Hz、500Hz……）作為補償，在實現相同聽音感的同時，解決由其導致的低頻聲污染問題。

2.3 心理聲學的倍頻移頻法

在實際應用中，低頻聲污染并非由單一低頻導致，而是一段頻帶的低頻復合聲，因此，如何生成一段頻帶的虛擬心理聲學補償，既在物理上去除低頻聲，而聽感上影響較小，是成功利用心理聲學的關鍵。聲學實驗室采用了倍頻移頻法，將低頻聲轉移到高頻聲上去。

首先使用數字濾波器將低頻聲分離出來，并分割成幾毫秒到幾十毫秒的連續片段（經聽音判斷，實驗中采用了最佳的30ms片段）。對每個片段進行數字化倍速處理，例如2倍速處理就是將30ms的音頻片段提高2倍速度，片段因此縮短為15ms，再將倍速了的片段按倍數重復，如此又得到了30ms的片段。以此類推，可得到3倍頻、4倍頻、5倍頻……的倍頻聲音。將這些倍頻的聲音混音到已消除了低頻聲的原聲音上去，就得到了經低頻倍頻移頻的虛擬心理學補償的聲音。處理流程及硬件實現見圖1、圖2。

在具體的信號處理上，還需要考慮截取窗函數、混音幅度比例加權等實際問題[1～3]。

我們需要一個徹底的轉變!我們呼喚以警察為本的公安信息化!我們要技術服務于警務而不是相反!我們需要能與我們交流、為我們做事、獲得我們想要的信息、幫助我們與他人協作并適應我們個人需要的信息系統!［6］我們需要能夠合理分工、互相協作、共享知識、科學精準地體現警察勞動并且真正能夠提升警務工作效能的一整套科學的組織體制和情報主導警務機制。

圖1 倍頻移頻法算法圖

圖2 倍頻移頻法硬件實現圖

為了辨別心理學補償的低頻聲音的主觀聽音效果，在實驗室組織了對比聽音實驗，以驗證經虛擬心理聲學補償后的、消除了低頻成分的主流音樂歌曲曲目在主觀聽音上的相似性。

3 聽音實驗

3.1 實驗環境

為了保證聽音環境具有合適的安靜度和混響效果，實驗選擇在一間低噪聲隔聲室內進行，實驗房間長×寬×高=5m×5.4m×4m，平面面積為27m2，室內凈容積為108m3。其背景噪聲為15.4dB（A），中頻500Hz混響時間為0.66s，各頻帶中心頻率混響時間及背景噪聲見表1、表2。

表1 實驗室室內混響時間

表2 實驗室室內背景噪聲

3.2 聽音曲目的選取

實驗精選了KTV、酒吧等娛樂場所出現頻率較高的100首歌曲，歌曲樣本來源于三大云音樂平臺—QQ音樂、酷狗音樂、網易云音樂，歌曲樣本基本采用付費下載的無損音樂，音質的比特率最低不小于320kbps。

3.3 截取聽音樣本

因每首歌曲的平均時長約5分鐘，為了避免因聽音時間過長導致受試者在實驗比對時出現聽音記憶誤差或心理倦怠，保證受試者在可接受的時間段內能獲得精準的判斷，實驗對每首歌曲進行聽音樣本截取，作為實際實驗樣本。

聽音樣本一般選擇在歌曲的高潮部分，即音樂頻譜分量豐富，尤以低音強烈為目標，同時歌唱力度在此片斷也較響。截取時長約20s，但不低于20s，視歌曲關鍵片斷的長度不等，聽音樣本的剪輯采取無損操作方式，不對音質進行任何處理。

對截取的聽音樣本進行處理，制作wav音頻文件，用于播放器播放。每個聽音樣本的wav音頻文件共分為兩個版本，分別為未處理版本及低頻心理降噪版本（信號截斷頻率160Hz）。

3.4 受試者

3.5 測試方法

測試平面圖見圖3。

圖3 測試平面圖

聽音測試共分3組進行，每組10人，共30人。測試方法為聽音樣本播放的同時，受試者記錄相應的主觀聽音感受，測試同時記錄每類聽音樣本到達人耳的A聲級。

每對聽音樣本采用隨機的方式播放，即從100個聽音樣本中隨機選取其中的20個進行播放，每個聽音樣本均播放兩個版本。其中17個聽音樣本播放的版本不同，分別為未處理的和低頻心理降噪的版本，另外3個聽音樣本兩次播放的版本相同，均為未處理的版本，隨機插入到20個聽音樣本播放序列中，作為“間諜”聽音樣本以評判受試者主觀聽音水平的一致性。

受試者對每類聽音樣本的主觀評價包括整體感差異及低頻感差異兩類，差異的級別分為5個等級，分別為無差異、差異極小、有差異、差異較大、差異極大。受試者的等級評判完全由自己按個人理解或心理體驗給出，實驗中未對受試者進行任何評判方法、規則的指示或暗示，也未對受試者的評定做出統一規范化的要求。

4 主觀評價數據處理

4.1 尺度賦值

將受試者的主觀評分從“無差異”到“差異極大”5個等級，按照尺度賦值的方法，分別從1到5相對應計分，即“無差異”—“1”、“差異極小”—“2”、“有差異”—“3”、“差異較大”—“4”、“差異極大”—“5”。

4.2 聽音樣本比對的得分及平均分

理論上，由于每個聽音樣本均采用相同的心理聲學補償算法，在進行兩種版本的聽音實驗比對時，每個聽音樣本之間物理上的差別程度應是一致的，相應的主觀聽音評價也應是一致的。例如，對于“聽音樣本1”和“聽音樣本2”，若“聽音樣本1”聽覺上的差別程度為差異較小，則“聽音樣本2”聽覺上的差別程度也應為差異較小，且兩類聽音樣本的主觀聽音評價也應為差異較小。也就是說，對17類版本不同的聽音樣本主觀判定并尺度賦值轉換為分值的數值應是一樣的，該數值就是理論上的“得分真值”。

實際上，由于受試者聽音能力或聽音時段內聽感的隨機差別，可能會造成聽音判斷上的離散性。例如對于作為“間諜”的完全無物理差別的3類聽音樣本，理論上，其聽音比對評價應為“無差別”，即得1分，而實際情況是，受試者的主觀聽音評價大多得1分，但也有其中某一個聽音樣本得1分，另外的得2分、3分……。“間諜”樣本的得分離散性，說明了主觀判斷離散性的客觀存在。

考慮到實驗主觀比對的得分真值，以多個聽音樣本得分的平均值作為得分真值的近似值，從而降低主觀判斷離散性對求得的得分真值的影響。

因此，分別對17個版本不同的聽音樣本和3個“間諜”聽音樣本的聽音比對得分取平均值，得到每位受試者的兩項平均分。

4.3 “間諜”的權重

“間諜”聽音樣本的平均分反應了受試者自身聽力差別狀況。如果得1分，說明受試者聽力判斷準確無誤；如果得1點幾分，說明受試者聽力判斷存在誤差，比得1分的人聽力差；如果得3分及以上，說明受試者聽力判斷存在嚴重誤差（即聽任何兩個相同的聲音主觀上都會聽出差別），應排除此類受試者。

在本實驗中，以“間諜”聽音樣本作為17首聽音樣本平均分的計分權重，以降低因受試者自身聽力差別狀況導致的誤差。對“間諜”聽音樣本的權重計算如下：1）將“間諜”聽音樣本平均分得分3分以上的受試者數據去除；2）取剩余所有受試者“間諜”聽音樣本平均分的倒數作為權重的分子，取剩余所有受試者“間諜”聽音樣本平均分的倒數的總和作為權重的分母，兩者相除得到每位受試者聽力差異性的權重。

4.4 總評分

1）以17首經過處理的聽音樣本得分的平均值作為每位受試者的得分；2）以3類“間諜”聽音樣本得分求得每位受試者的權重；3）每位受試者的得分乘以其權重后，全體求和，得到最終評價值。

表3 實測數據表

5 實驗結論

實驗數據結果見表3，分別給出了整體聽音感覺的評價和低頻聽音感覺的評價。其中，“總得分”欄是受試者17個樣本評價的總分，“平均B”欄是總得分除以17的平均分，“間諜A”欄是受試者聽音完全相同版本（共3個“間諜”樣本）的評價平均分。

處理算法：1）將結果分為1～5分五個檔次；2）剔除“間諜”聽音得分超過2的數據（實驗中整體感覺評價超過2的有1人，低頻感覺評價超過2的有4人）；3）三組“間諜”樣本聽音平均分記為A；4）17個未處理與低頻心理降噪進行對比的評價平均分記為B；5）對所有的1/A求和得到總量Z=∑1/A，（1/A）/Z作為權數Y；6）對統計分求加權平均數C=∑(B×Y)=∑（B/AZ），C作為最后得分。

依據實驗數據處理結果，整體差異的最終評價值為1.9分，低頻差異的最終評價值為2.0分，屬于“差異極小”范圍。說明通過低頻心理降噪處理，可以實現低頻缺失下的歌曲主觀聽音相似性。由此，心理降噪的方法為擴聲系統的低頻隔聲處理提供了新的選擇。