IH飯煲聲品質客觀評價方法研究

何志超 陳明明 李 彬,2,3 顧然升 王 領

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；2.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 珠海 519070；3.廣東省制冷設備節能環保技術企業重點實驗室 珠海 519070）

引言

隨著生活質量的普遍提高，人們對IH飯煲的要求也逐步提升，特別是對于噪聲的關注不再停留在聲音大小層面，而是更加注重聽覺舒適度——聲品質[1]。基于聲品質的概念對噪音進行評價，可以更好的反應人對聲音的主觀印象。因此，傳統意義上的A 計權聲壓級評價標準已經不能滿足現階段IH飯煲噪聲信號特征的評價要求[2]。

近年來國內外有大量將聲品質應用于產品設計和制造的實例，前期以汽車業為主，Kang等人[3]研究了汽車喇叭的聲品質，并提出了汽車喇叭的聲品質評價模型。目前，聲品質評價在家電領域也逐漸得到應用，2007年，尤晉閩等人[4]通過對空調壓縮機噪聲聲品質的主觀評價結果進行回歸分析后，提出了一種噪聲聲品質主觀偏好性值的預估模型，優化了傳統的聲品質主觀評價方式。2016年，陳風梅等人[5]對空調的聲品質評判方法也進行了研究，并通過大量的數據分析，確定了聲品質評價參數指標與人的主觀感受之間的聯系，提出了一種聲品質模態方程。2019年，胡佳偉等人[6]通過建立新的線性回歸模型對空調室外機的拍振噪聲聲品質進行了客觀評價，評價方法快速準確，大大縮短了噪聲評價時間。此外，聲品質在火車[7]、吸油煙機[8]等領域也有廣泛的應用。

目前IH飯煲的聲品質都是以人耳的主觀感受去評價音質的好壞，由于個體差異導致評價結果有很大的爭議。本文主要以多款IH飯煲為例，從聲品質的角度對IH飯煲的噪聲音質進行探究，利用人耳系統采集大量的聲品質客觀參數，并結合主觀評價結果進行線性回歸分析，提出了一套IH飯煲聲品質評價方法，優化了傳統的IH飯煲聲品質評價方法。

1 聲品質評價參數

在生活電器領域，聲品質為用戶對產品噪聲特性的主觀感受。聲品質的影響因素較多，對于IH飯煲產品而言，聲品質的主要評價參數[9]有：響度、尖銳度、抖動度、粗糙度、A計權聲壓級等。

1.1 響度

響度（loudness）是表征聲音品質的一個重要特征，聲音的響度是人耳對于聲音能量的主觀反映，表示聲音能量的強弱程度。響度的單位是宋（Sone），定義1 kHz、40 dB的純音的響度為1宋，響度與A計權相似，但是比A聲級更為準確地反映人耳所感受到聲音信號的響亮程度。

1.2 尖銳度

尖銳度（sharpness）是描述聲音的高頻成分在頻譜中所占比例的物理量。反應了人對高頻噪聲的主觀感受，同時也客觀反應了聲音的刺耳程度和音色特征；尖銳度的單位是acum，定義中心頻率為1 kHz、帶寬為160 Hz的60 dB窄帶噪聲的尖銳度為1 acum，并且尖銳度隨聲音高頻成分的增加而逐漸增加，隨低頻成分的增加而逐漸減小。

1.3 抖動度

抖動度（Fluctuation Strength，又稱波動度）是描述聲音的瞬時變化造成聲音的起伏感，主要用于聲音低頻區域。抖動度的單位是vacil，定義聲壓級為60 dB，1 KHz的純音在調制頻率為4 Hz的聲信號100 %調幅時產生的抖動度為1 vacil。

1.4 粗糙度

粗糙度（Roughness）是表征人對聲音信號被快速的15～300 Hz幅度調制后給人帶來的聽覺感受，此時感覺到的聲音是穩定的，同時也是粗糙的、令人厭惡的。與抖動度相類似，粗糙度也是表征聲音的時域變化現象，不同之處為抖動度表征的是聲音信號的低頻變化，而粗糙度表征的是聲音的高頻變化。粗糙度符號為R，單位是asper，定義60 dB的1 kHz純音在調制頻率為70 Hz的100 %調幅作用下產生的粗糙度為1 asper。一般而言，當調制頻率低于20 Hz時（參考頻率為4 Hz）為抖動度特性，高于20 Hz時（參考頻率為70 Hz）為粗糙度特性。

1.5 A計權聲壓級

A計權（A Weighting）為四種頻率計權方式的一種，人耳對不同頻率聲音的感受程度是不一樣的，同樣強度的聲音，若其頻率不同，則人耳的感受也不同。聲音通過A計權后得到的結果和人耳感覺十分接近，因此通過A計權能夠反映人們對聲音的主觀感受。

2 聲品質試驗及樣本采集

2.1 人頭測試系統

噪聲樣本采集基于某品牌IH飯煲噪聲實驗室開展，該噪聲室引進了丹麥B&K公司生產的4100-D仿真人工頭和3050-A-060六通道測試系統用于聲品質測試的聲音采集，人工頭對人外耳的所有聲學相關部分進行了有效模擬[10]，其外形也參照了人體的幾何尺寸設計，可以非常準確地實時完成聲音的雙耳記錄，為使聲音樣本能清晰地回放，采用Sennheiser的高保真HD650耳機及專業聲卡。

2.2 聲品質測試方法

本次聲品質測試的樣機為五款IH飯煲，每款電飯煲有兩種系列，分別編號為1-1/1-2、2-1/2-2、3-1/3-2、4-1/4-2、5-1/5-2。聲品質試驗的測試方法如圖所示，樣機位于5～10 mm的彈性膠墊上，同時處于噪音室的正中間，噪聲采集點如圖1所示，分布在樣機前后左右四個方向，距離樣機水平距離1 m的，高度為樣機高加一米除以二。

圖1 樣機噪聲采集點布置圖

2.3 樣本數據的采集

利用上述噪聲采集方法分別對五款機型進行噪聲聲品質參數采集，共采集樣本10個。隨機選取10位某公司生活電器行業工程師，工程師聽力正常，具有豐富的生活電器噪聲主觀評價經驗。根據對IH飯煲的聲源分析，其主要存在排氣扇旋轉噪聲和電磁噪聲，故本次主觀評價主要針對IH飯煲噪聲的“聲音大小”以及“聲音音調”進行評分，因此，工程師通過上述回放系統分別對樣機噪聲的大小和音調進行主觀評價，并且按照表1要求進行評分，得分越低，表明聲品質越差[11]。

表1 樣本噪聲主觀評價評分表

評分完成后，通過計算，得到每個樣本的平均得分，即樣本主觀評價分數，結果如表2所示。

表2 噪聲樣本主觀評價（平均分）

通過計算對IH飯煲整個過程的采集數據，并進行分析，得到10組電飯煲的聲品質參數，如表3所示。

表3 噪聲各樣本客觀聲品質參數

3 主客觀評價相關性分析

為尋找工程師主觀評價結果和產品噪聲聲品質參數的內在聯系，將客觀采集的樣本數據與主客觀評價結果進行相關性分析，分析結果如圖2所示。

圖2 主觀評價與客觀參數相關性分析結果圖

從圖2中分析結果可知，聲音的大小與A計權聲壓級的相關系數為0.631，與抖動度的相關系數為0.614，與響度的相關系數為0.988，與粗糙度的相關系數為0.522，與尖銳度的相關系數為-0.439；因此，聲音大小與A計權聲壓級、抖動度、響度、粗糙度分別呈正相關，并且與響度的正相關性較強；聲音大小與尖銳度呈偏好性負相關，且相關系數不超過0.5。聲音的音調與A計權聲

壓級的相關系數為-0.352，與抖動度的相關系數為-0.002，與響度的相關系數為-0.264，與粗糙度的相關系數為0.243，與尖銳度的相關系數為0.968；因此，聲音音調與A計權聲壓級、抖動度、響度、成呈負相關，并且相關性均不高；聲音音調與粗糙度呈偏好性正相關，相關系數為0.243，與尖銳度呈正相關，相關系數為0.968；因此，聲音音調與尖銳度呈正相關，且相關性較高。

綜合以上分析，IH飯煲聲品質可以分別利用聲品質參數響度和尖銳度進行綜合評價。該試驗結果同時證明，用傳統以A計權聲壓級評價方法評價IH飯煲的聲品質時，會低估人的主觀感受，評價結果有偏差。

4 客觀評價模型的建立

明確主觀評價與客觀參數的相關性后，后續為進一步量化兩者之間的相關性，需要建立多元線性回歸模型，本文以主觀評價聲音大小和音調為因變量，以客觀評價參數為自變量，并根據所選因變量和自變量數量不同，分別建立一元、二元、三元等多元線性回歸模型用于噪聲評價。

4.1 聲音大小一元線性回歸模型

以主觀評價聲音大小為因變量，與之相關性最好的響度為自變量，建立一元線性回歸模型：

式中：

SQ1—聲音大小主觀評價值；

a—待定常數；

b—回歸系數；

L—響度。

利用最小二乘法可求得待定常數和回歸系數，并代入式（1）中，得到一元線性回歸模型：

SQ1=-0.797+0.988·L

經計算該模型的復相關系數為0.986，具有較高的擬合度。

4.2 聲音大小二元線性回歸模型

以主觀評價聲音大小為因變量，響度和A計權聲壓級為自變量，建立二元線性回歸模型：

式中：

c—回歸系數；

A—計權聲壓級。

利用最小二乘法可求得待定常數和回歸系數，并代入式（2）中，得到二元線性回歸模型：

SQ1=-1.735+0.861·L +0.031·A

經計算該模型的復相關系數為0.992，具有較高的擬合度。

4.3 聲音大小三元線性回歸模型

以主觀評價聲音大小為因變量，響度、A計權聲壓級、抖動度為自變量，建立三元線性回歸模型：

式中：

d—回歸系數；

F—抖動度。

利用最小二乘法可求得待定常數和回歸系數，并代入式 （3）中，得到三元線性回歸模型：

SQ1=-2.127+0.893·L +0.041·A-0.256·F

經計算該模型的復相關系數為0.993，具有較高的擬合度。

4.4 聲音音調一元線性回歸模型

聲音音調與尖銳度的相關性較高，而與A計權聲壓級、抖動度、響度、粗糙度的相關性較低，且相關系數均為超過0.5，因此聲音音調主要以尖銳度來進行評價，本文中以主觀評價聲音音調為因變量，尖銳度為自變量，建立一元線性回歸模型：

式中：

SQ2—聲音音調主觀評價值；

a—待定常數；

b—回歸系數；

S—尖銳度。

利用最小二乘法可求得待定常數和回歸系數，并代入式（4）中，得到一元線性回歸模型：

SQ2=-2.903+3.161·S

經計算該模型的復相關系數為0.964，具有較高的擬合度。

比較聲音大小的客觀評價模型，發現三元模型的復相關系數最大，因此，可選用三元模型來對聲音大小進行客觀評價；聲音音調可以用一元線性評價模型進行預估。

5 模型可靠性驗證

為驗證上述選用模型的可靠性，按上述方法繼續采集5款電飯煲的噪聲樣本數據，同時請工程師進行主觀評分判定。利用上述選用的兩種線性回歸模型預估主觀評價值，預估結果如下表4所示。通過表中數據得出所選用模型的預估值與主觀評價值相差不大，且誤差率均在10%以內，因此，本文所選用的預估評價模型可用于IH飯煲的聲品質評價。

表4 模型預估評價表

6 結論

在生活電器領域，傳統評價方法是以A計權聲壓級作為產品聲品質的主要評價參數，目前，此領域中也一直缺少聲品質的評價方法和判定聲品質好壞的標準評價模型。本文以IH飯煲為例，通過系統采集數據，結合主觀評價結果，以及線性分析后發現，聲音大小與響度的相關性較大，與A計權聲壓級和抖動度相關性次之；聲音音調與尖銳度的相關性較好；提出了IH飯煲聲品質的多元回歸模型評價方法，并且驗證了該評價方法的準確性，發現該多元回歸模型評價方法的誤差率不超過10 %，因此，回歸模型預估值比較精確，評價結論可用于評價體系中，優化了傳統IH飯煲評價方法。