音頻注入下的飛機艙內噪聲煩惱感抑制與評價

葉 睿，陳克安，閆 靚，田旭華

（西北工業大學 航海學院，西安 710072）

飛機艙內噪聲是影響乘客舒適感的重要因素。眾多研究表明，過量的艙內噪聲會影響乘客與飛行員的舒適感，嚴重的有可能使他們出現疲勞、心跳加快、血壓升高等癥狀，并且飛機內部的設備儀器也會因艙內噪聲與振動產生失穩和靈敏度減弱等現象[1－3]。一直以來，對飛機噪聲控制的研究都是從噪聲源、傳遞路徑和艙內降噪等3個方面進行，主要采取無源降噪（Passive noise control）和有源降噪（Active noise control）兩種方法。

無源降噪一方面可以采用降低噪聲源聲輻射的方法，從根本上降低噪聲，另一方面可以優化噪聲傳遞路徑，增大噪聲傳遞的聲損失，從而減少傳遞到艙內的噪聲。然而無源降噪存在的問題是，該方法需要修改機身結構，在飛機限重的條件下，降噪效果有限，尤其是對于低頻噪聲的降低效果欠佳。有源降噪是通過設置次級聲源或振源，使之產生與噪聲源聲模態相位相反、幅值相等的聲振信號來抵消艙內噪聲的聲模態，從而消除噪聲源產生的聲模態。與無源降噪相比，有源控制的方法不需要改善飛機結構，是一種有效的方法。然而，有源控制作用的頻帶較窄。雖然該技術對低頻噪聲降噪效果較好，但控制后的高頻聲因此變得相對突出，因此盡管有源降噪有一定的成效，但乘客的舒適感未必一定會降低。

為了降低噪聲的煩惱感，提高聲舒適度，研究者們轉而從噪聲的聲品質入手。國外的學者們進行了聲掩蔽效應（Sound masking）相關的研究，Schlittmeier 和Hellbrück 探討了背景音樂是否可以降低噪聲帶來的主觀干擾[4]。Coensel等[5]將自然聲中的噴泉聲和鳥鳴聲與道路交通噪聲構成聲景觀，掩蔽道路交通噪聲帶來的煩惱感。Vassie[6]進行了掩蔽聲對開放式辦公室工作人員注意力影響的研究，發現掩蔽聲可以降低辦公室噪聲的煩惱感，同時增加私密性。2012 年李爭光[7]提出，在降低噪聲聲級以外，可以通過改變聲音頻譜結構、聲品質以及聲音與周圍環境構成的聲景觀來達到改善聲環境的目的，并且選用粉紅噪聲來掩蔽變電站噪聲。陳勇勇等[8]也進行了變電站噪聲的煩惱度評價研究。曹景攀等[9]在2016年報告了掩蔽效應在車內聲品質研究中的應用，并建立基于掩蔽效應的煩惱度評價模型。

研究表明，利用聲掩蔽效應降低噪聲的煩惱感是一種可行的方法。然而，針對飛機艙內噪聲的煩惱感抑制，國內外并無相關研究。本文在上述研究成果的基礎上，選用一種聲音來掩蔽和調節飛機艙內噪聲，并對該聲音的參數進行優化，尋找調節效果顯著的調控聲。

1 研究思路與方法

本文將聲掩蔽效應運用于飛機艙內噪聲上，通過向艙內噪聲中注入音頻聲，使噪聲的煩惱感降低，該方法稱做音頻注入法（Audio injection approach）。

1.1 概念與術語

音頻注入法也稱音頻調控法，是通過加入人工可調節的音頻（可聽）聲，達到使原始聲（目標聲，Target sound）煩惱感降低的一種噪聲控制方法，屬于噪聲控制中基于感知的“加法”策略。用于降低目標聲煩惱感的可聽聲為調控聲（Adjustable sound），又稱次級聲。目標聲和調控聲疊加的聲音，即改變后的目標聲為疊加聲（Combined sound）。聲音疊加之后，疊加聲的聲能量會有不同程度的增加，但是其煩惱感可能降低也可能增加。疊加聲煩惱感有所降低的效應為相消效應（Inhibition effect），相反，疊加聲煩惱感增加即為相長效應（Synergistic effect）。

1.2 研究思路

本文中的目標聲選為波音737-800 艙內噪聲。對于調控聲，Valtteri 和David 等在關于開放式辦公噪聲掩蔽的研究中指出，在公共場所，可以使用至少3種聲音為調控聲：

（1）由白噪聲經過不同濾波器產生的人工掩蔽聲，如粉紅噪聲、棕色噪聲等；

（2）通風聲、鳥鳴聲和水流聲等自然聲；

（3）不會對工作產生影響的音樂聲[10]。本文首先將上述種類的可聽聲作為備選注入目標聲，進行煩惱感評分實驗，選取能夠降低煩惱感的可聽聲作為調控聲。確定調控聲類型后，進行疊加聲信噪比的研究，確定一個合適的信噪比。下一步改變調控聲參數，形成不同參數的調控聲，將其以合適的信噪比注入目標聲，進行疊加聲煩惱感主觀評價試驗，得到煩惱度評分最低的疊加聲，對應的調控聲參數即為最優，研究思路如圖1所示。

圖1 研究思路流程圖

1.3 目標聲樣本

本文的研究對象為波音737-800 的飛機艙內噪聲，一共布置23個測點，對應位置如圖2所示。

圖2 艙內噪聲測點布置圖

噪聲采集在機艙內進行，數據采集設備為丹麥B&K 公司的PULSE 測量系統。采樣頻率設置為32 768 Hz，采樣時長為20 s。5 s時長的聲樣本可以產生穩定的感知印象，也可避免時間過長導致被試疲勞，降低評價結果的信度。因此，數據采集完畢后，選取平穩的信號段，截取為時長5 s的聲樣本，用作主觀實驗。

1.4 備選調控聲

Hongisto 等[10]在關于開放式辦公噪聲掩蔽的研究中指出，在公共場所，可以使用至少3種聲音為調控聲。考慮到樂聲可能會影響乘客休息，轉移注意力，因此不選取樂聲作為調控聲。考慮到自然聲中的流水聲和鳥鳴聲與飛機艙內環境不協調，易造成乘客困惑，為此在https:// findsounds. com 網站上下載5 種不同的風聲，構成自然調控聲樣本集。由于網站上并未說明風聲的詳細信息，風速數值尚不明確，所以僅從聽感上將風聲進行分類。利用MATLAB軟件生成高斯白噪聲，再將白噪聲經過濾波生成4 種有色噪聲，構成人工調控聲樣本集。最終，調控聲備選類型包括10種可聽聲（表1）。

表1 調控聲備選類型

2 調控聲設計

確定目標聲樣本集和調控聲類型后，首先需要選取能夠掩蔽艙內噪聲的調控聲類型，其次調整調控聲參數，進而確定最優的調控聲參數。

2.1 閾限實驗

音頻注入通過聲音疊加實現，在目標聲樣本集和調控聲備選類型范圍內，邀請有經驗的專家試聽調控聲和目標聲，選出這5 種人工調控聲、5 種自然調控聲（風聲）以及23個目標聲的參考聲，將參考目標聲作為信號，參考調控聲作為噪聲進行疊加，用于確定疊加聲的信噪比范圍。

信噪比范圍由上下閾值規定，下閾值TL（Lower threshold）是指在疊加聲中剛好聽不到目標聲時的信噪比，上閾值TU（Upper threshold）是指在疊加聲中剛好聽不到調控聲時的信噪比。疊加聲的信噪比應在上下閾值之間變化。

經過初步的聽音感受，發現注入人工調控聲后的目標聲煩惱感無明顯降低，因此排除人工調控聲。將自然調控聲注入目標聲進行試聽，大致確定TL=-20 dB、TU=+25 dB，即疊加聲信噪比在-20 dB～+25 dB之間。閾限確定之后，將參考調控聲與參考目標聲疊加，信噪比以步長5 dB 變化，得到10 個疊加聲。邀請5～6 個西北工業大學航海學院環境工程和聲學專業的學生作為被試，他們都擁有主觀評價實驗的經驗。被試根據要求選出上下閾限的值，涵蓋所有人的選擇范圍，得到上下閾限的取值范圍。在取值范圍內進一步縮小信噪比步長為1 dB，再次進行試聽，將所有人的均值作為絕對閾限值，最終得到TL=-7 dB、TU=+14 dB，即疊加聲信噪比在-7 dB～+14 dB之間。

2.2 調控聲類型選擇

在閾限范圍內，將5 種自然調控聲分別與參考目標聲以相同的信噪比疊加，得到5個疊加聲，通過自身試聽篩選出疊加7號、9號和10號調控聲后，煩惱度有所改善。分別邀請7 個聲學和7 個非聲學專業的人通過試聽篩選出的疊加聲，最終選出煩惱度改善效果明顯的10 號調控聲。10 號調控聲頻帶范圍為0 Hz～11 kHz，頻譜圖如圖3所示。

圖3 10號調控聲頻譜圖

2.3 疊加聲信噪比

通過閾值實驗最終得到TL=-7 dB、TU=+14 dB，即疊加聲信噪比在-7 dB～+14 dB 之間。將參考目標聲和10號調控聲以不同的信噪比疊加，將信噪比以1 dB為步長進行變化，得到22個待評價疊加聲樣本。

2.4 調控聲參數設計

上述預實驗已經證明了音頻注入法降低噪聲煩惱感的可行性。本文重點研究能夠改善目標聲煩惱感的調控聲特性，在確定10 號調控聲的基礎上，將其經過不同的處理，形成多種人工可調節聲，進一步找出可改善目標聲煩惱感的調控聲特性。

將10號調控聲按兩種方式進行處理，第一種是經過不同通過頻率的低通濾波器，濾掉不同比例的高頻部分；第二種是改變10 號調控聲的功率譜斜率。通過這兩種調節方式產生不同的調控聲，再經過主觀實驗選出最合適的調控聲特性。

2.4.1 帶寬重疊

目標聲和調控聲頻譜圖如圖4所示，4 kHz以內是聲壓級的主要貢獻，所以第一種調控聲處理方式采取濾掉調控聲高頻部分、保留中低頻部分的方法。

圖4 目標聲與調控聲的帶寬重疊

將濾掉的高頻部分量化，用頻譜重疊程度來衡量，定義頻譜的重疊程度為帶寬重疊率δ，指目標聲與調控聲帶寬重疊的程度，用式（1）表示：

其中：f1、f2為目標聲和疊加聲頻譜重疊部分的頻率上下限；fT1、fT2為目標聲能量集中部分的頻率上下限；fA1、fA2為調控聲能量集中部分的頻率上下限。

則有原始調控聲與目標聲的帶寬重疊率δ=0.67。將δ分成4份，取對應低通濾波器的通過頻率分別為2.8 kHz、5.6 kHz和8.4 kHz，濾波器衰減斜率kF都 為-200 dB/octave，則分別對應δ=0.17、δ=0.34、δ=0.51，頻譜圖如圖5 所示。將4 種δ不同的調控聲與目標聲疊加，則每個目標聲對應4個δ不同的疊加聲。

圖5 不同帶寬重疊率

2.4.2 功率譜斜率

第二種方法是改變調控聲的功率譜斜率，將10號調控聲進行功率譜斜率kP的變化，在10號調控聲的基礎上，將其功率譜斜率改為每倍頻程增加3 dB、6 dB（kP=+3dB/倍頻程、+6 dB/倍頻程)和每倍頻程下降3 dB、6 dB（kP=-3 dB/倍頻程、-6 dB/倍頻程)，但是改變功率譜后，原本風聲中沒有能量的高頻部分增加了一些能量（頻譜圖如圖6）。

圖6 改變功率譜斜率后的調控聲

為了保證同樣的帶寬重疊率δ=0.67，將改變功率譜的風聲通過衰減斜率kF=-200 dB/倍頻程、通過頻率為11 kHz 的低通濾波器，濾掉增加的高頻能量，這樣就保證了δ的一致，頻譜圖如圖7 所示。改變功率譜斜率后產生了4 個改變功率譜調控聲，相應的每個目標聲增加了對應的4個改變功率譜斜率疊加聲。

圖7 濾波后的改變功率譜斜率調控聲

通過試聽，kP=+6 dB/倍頻程的調控聲疊加到目標聲上，煩惱度顯著增加，因此在主觀實驗中剔除這個疊加聲，即改變功率譜斜率后，每個目標聲只對應3個疊加聲。

經過兩種方式處理，10 號調控聲對應6 種調整參數的調控聲，加上原始10號調控聲，將這7種調控聲分別與目標聲疊加，形成疊加聲，用作主觀實驗的聲樣本。

表2 10號調控聲參數設計

3 主觀評價實驗及數據處理

經過2種調控聲方法處理，每個目標聲對應7種疊加聲，加上目標聲本身也需要進行煩惱度評分，每個聲樣本重復評價2 次，共計368 個待評分聲樣本。考慮到被試疲勞會導致實驗結果不準確，實驗分兩次進行。

3.1 主觀評價實驗

主觀實驗的聲樣本隨機排序，由Windows media player 音頻播放軟件播放，通過一個24 位的聲卡傳至 16 通道耳機放大器（BEHRINGERHA4700），再經動態、開放式高保真監聽級頭戴耳機（SENNHEISER HD600）進行播放。

實驗中采用參考評分法[12]，通過邀請專家試聽，選取10 號目標聲作為參考聲樣本。參考聲樣本播放5 秒，中間停頓2 秒，接著播放需要評價的5 秒聲樣本。實驗過程中每30 分鐘休息一次，一次實驗共耗時約1 小時20 分鐘。大量研究表明，7±2 級評分尺度是最佳的范疇數值[13]，實驗中采用7級評分尺度（見表3），煩惱度問卷如圖8所示。招募24名聽力正常的被試，年齡在18～40歲之間，男女比例為1.4:1，實驗結束后給予一定的酬勞。

表3 7級煩惱度評分量表

圖8 煩惱度問卷

3.2 數據分析

主觀實驗結束后，得到24名被試關于疊加聲的煩惱度評分。利用SPSS 軟件對被試的數據進行聚類分析（圖9），19號被試與其他被試的距離較遠，剔除19號被試數據。

圖9 聚類分析

采用參考評分法，若被試對參考聲樣本的評分不為4，則認為被試存在i－i誤判；所有被試對疊加聲樣本進行2次重復評價，2次j－i評價之間的差值應不大于2，否則認為被試存在j－i誤判。計算每位被試的誤判率，誤判率大于0.4，即一致性系數低于0.6，則剔除該被試。分析2次評價的線性相關性，若某被試線性相關系數低于0.6，說明2 次評價線性關系弱，剔除該被試。

最終剔除19、18、4、14、17、20、21和24號被試的數據（見圖10、圖11），求出剩余16 名被試的煩惱度評分均值，即為最終的煩惱度評分。

圖10 誤判分析

圖11 線性相關分析

3.3 評價結果

3.3.1 疊加聲信噪比

以不同信噪比進行疊加時，疊加聲的煩惱度評分如圖12 所示。虛線為參考目標聲評分，采用7 級評分尺度時煩惱度得分為4。信噪比小于0時，10號調控聲占主導，疊加聲煩惱度遠高于目標聲。雖然10號調控聲為自然聲，煩惱度理論上應較小，但疊加聲頻譜結構發生變化，與10 號調控聲并不完全一致，使得煩惱度明顯增加。隨著信噪比增大，疊加聲煩惱度呈降低趨勢，+9 dB為最合適信噪比，改變調控聲參數后，均以+9 dB的信噪比進行疊加。

圖12 信噪比不同的疊加聲煩惱度

3.3.2 帶寬重疊

帶寬重疊率δ不同的聲樣本最終評分如圖13(a)至圖13(d)所示。原始調控聲（10 號）與目標聲帶寬重疊率δ=0.67，將風聲注入目標聲可以在一定程度上降低目標聲的煩惱度。改變目標聲與調控聲的重疊程度得到不同δ的疊加聲，疊加聲的煩惱度都在一定程度上低于目標聲，但是改變δ前后，疊加聲的煩惱度變化不大，改變δ不能顯著改善調控聲對目標聲的調節能力。

3.3.3 功率譜斜率

采用同樣的數據分析方法，得到被試對改變功率譜斜率疊加聲的煩惱度評分，結果如圖14(a)至圖14(d)所示，圖14(a)與圖13(a)都是原始10 號調控聲和目標聲疊加的疊加聲煩惱度評分。

圖13 帶寬重疊率δ不同的疊加聲煩惱度

圖14 改變功率譜斜率疊加聲煩惱度評分

功率譜斜率kP=+3dB/倍頻程 和kP=-6 dB/倍頻程時，調控聲對目標聲都有一定的調節效果，但是調節效果與10 號調控聲差別不大；kP=-3 dB/倍頻程時，改變功率譜疊加聲的煩惱度明顯低于目標聲，相對于10號調控聲來說，調節效果顯著，即在10 號調控聲的基礎上，將功率譜斜率改為kP=-3 dB/倍頻程時，調控聲具備較好的調節效果。

4 結語

本文以波音737-800 型飛機艙內噪聲為研究對象，較為系統地研究了采用音頻注入法改善飛機艙內噪聲的可行性以及用于改善艙內噪聲煩惱度的調控聲特性。結果表明：

(1)注入音頻條件下，自然聲中的風聲可以改善飛機艙內噪聲的煩惱度，疊加聲最合適的信噪比為+9 dB。

(2)改變調控聲與目標聲的帶寬重疊率δ不能得到更好的調節效果，不能起到改善艙內噪聲煩惱度的效果。

(3)改變調控聲的功率譜斜率對疊加聲的煩惱度既有積極影響也有消極影響，功率譜斜率為kP=-3 dB/倍頻程時，改變功率譜斜率對調控聲的調節效果有積極作用。

本文選取的自然調控聲均來自于網站下載，依據聽感將風聲分類，風速的數值尚不明確，下一步工作中可使用實測的風聲，探究不同風速的調控聲對目標聲的煩惱感調節作用，尋找調節效果最佳的風速。進一步還可建立目標聲和疊加聲的煩惱度模型，用于預測加入不同調控聲后疊加聲的煩惱度，也可用于解釋音頻注入的物理機制。