噪聲主觀評價中的白噪聲標準樣本法及其應用

鄧云云, 陳克安, 李豪, 黨博, 劉健犇

(1.西北工業大學 航海學院, 陜西 西安 710072; 2.電網環境保護國家重點實驗室, 湖北 武漢 430000)

過量的噪聲會對聽覺和非聽覺健康產生不同程度的負面影響。主觀評價實驗是定量評價噪聲煩惱感的基本手段,評分法是常用方法之一[1-3]。研究表明[4-6],在對噪聲進行評分時,選取確定的聲樣本作為參考聲樣本能得到一致性更高的結果,因此人們更多地采用參考評分法[7-9]。使用該方法時,一般會在全體待評價聲樣本中選取感知特性適中的待評價樣本作為參考聲樣本,因而被稱為待測樣本法。在評價過程中,如果參考樣本與待評價樣本類型相同,可比性強,則被試評分一致性高,可得到準確的評價值。但不同實驗中選取的參考樣本往往不同,使得實驗結果之間不具可比性。

為此,Nilsson[10]提出將每個實驗聲樣本的煩惱度表示為粉紅噪聲等效聲級,即用具有相同煩惱程度的粉色噪聲的聲級來表征實驗聲樣本的煩惱度,從而使不同實驗樣本組的煩惱感結果可進行組間比較,但該方法不能直接顯示噪聲樣本的煩惱度。陳興旺、翟國慶等[11-12]針對不同實驗樣本組主觀評價數據的修正和校準做了研究,在實驗樣本組中添加若干粉紅噪聲作為參考樣本,借鑒master scaling法對噪聲感知煩惱等級評分結果進行組內校準,使不同實驗樣本組間感知煩惱度的可比性得到了明顯提升。

基于參考樣本法,陳克安等[13]提出了純音標準樣本法,選取1 kHz-70 dB純音作為標準參考樣本,進行了純音和疊加聲煩惱度主觀評價實驗,用標準樣本的等效聲壓級變化值表征音頻注入法的煩惱感抑制效果,不僅提高了不同實驗樣本組結果之間的可比性,也構建了不同噪聲控制策略中控制效果評價相互溝通的橋梁。然而,標準樣本法中純音與實際噪聲中的多頻噪聲引起的煩惱感存在差異,在有些類型噪聲評價過程中會存在樣本可比性弱、評價結果一致性降低的問題。為此,本文提出了一種白噪聲標準樣本法,對3組頻譜特性不同的相似噪聲組合與不相似噪聲組合煩惱度進行了主觀評價；以待測樣本法評價結果為基準,進行了2種標準樣本法的性能對比研究,分析了2種標準樣本法的適用性,驗證了白噪聲標準樣本法的可行性和白噪聲標準樣本的選取條件,為標準樣本法的應用提供了理論依據。

1 參考聲樣本的選取

1.1 白噪聲標準樣本法

陳克安等人提出的純音標準樣本法[13],以1 kHz-70 dB純音作為參考樣本,實驗過程中,在評價音調感明顯的噪聲時,被試誤判率低,結果相關性高,然而在評價音調感不強的噪聲時,參考樣本與待評價樣本煩惱感的可比性弱,被試誤判率變大,評價結果相關性明顯降低。為此,本文提出白噪聲標準樣本法,與純音標準樣本法的適用性進行對比,以擴大標準樣本法的適用范圍。白噪聲標準樣本法中,以70 dB(A)白噪聲作為參考樣本,采用參考評分法對噪聲樣本進行煩惱度評價。每次實驗向被試播放一對聲樣本(5 s 70 dB(A)白噪聲+2 s空白音+5 s待評價噪聲樣本),被試根據待評價噪聲樣本相對于70 dB(A)白噪聲的煩惱感程度,對其進行打分。更詳細的使用步驟可參閱文獻[13]中標準樣本法的使用步驟,本文不再贅述。

1.2 不同參考聲樣本的選取步驟

1) 待測樣本法

根據已有研究[8-9],待測樣本法中參考聲樣本的煩惱感應在全體聲樣本中處于中等位置附近。目前廣泛使用的表征噪聲煩惱感屬性的心理聲學參量包括響度、粗糙度、波動強度、尖銳度、音調度[12,14],故本研究待測樣本法中選取參考聲樣本的步驟如下:

(1) 計算待評價噪聲樣本組的心理聲學參量(響度、尖銳度、粗糙度、波動強度、音調度),按各個參量分別將該組聲樣本排序,確定中間5%～10%的聲樣本;

(2) 選擇2～3個有經驗的評價人員對這5%～10%的樣本進行評價,從中選出一個煩惱感處于中間的樣本作為該噪聲樣本組的參考聲樣本。

2) 純音標準樣本法

文獻[13]中已根據我國相關標準的規定,在確保不損傷被試聽力的前提下選取了1 kHz-70 dB純音樣本作為標準樣本,本研究中利用ArtemiS SUITE 11.6軟件生成1 kHz純音樣本,在不改變頻譜特征的前提下將1 kHz純音樣本的聲壓級調整為70 dB,生成純音標準樣本。

3) 白噪聲標準樣本法

參閱純音標準樣本法中參考樣本的選取依據,根據我國《聲環境質量標準》、《工作場所職業病危害作業分級第 4部分:噪聲》中的相關規定,選取70 dB(A)白噪聲作為標準樣本。用ArtemiS SUITE 11.6軟件生成白噪聲樣本,將其聲壓級調整為70 dB(A),生成白噪聲標準樣本。

2 不同參考樣本法的性能實驗與對比

2.1 待評價樣本的選取

人群所處的聲環境一般是在多種噪聲源共同作用下形成的,該環境中的噪聲往往是各種單一噪聲組分自然混合的結果。根據混合噪聲中各單一噪聲組分的差異程度,可將噪聲的評價分為相似噪聲組合的評價和不相似噪聲組合的評價。相似噪聲組合中各單一噪聲組分感知特性相似,如多種類型汽車噪聲混合的交通噪聲。不相似噪聲組合中各單一噪聲組分感知特性差異較大,例如音頻注入法中常使用自然聲、音樂聲作為調控聲與目標聲疊加,它們與目標聲的頻譜、感知特性明顯不同[11,13,15]。因此,本文分別選取了3組相似噪聲組合與3組不相似噪聲組合進行煩惱感評價。

2.1.1 相似噪聲組合的評價

在評價音調感明顯的噪聲時,純音標準樣本法的結果一致性高;在評價音調感不強的噪聲時,其評價結果的一致性與相關性明顯降低[13],本文提出的白噪聲標準樣本法旨在彌補這一缺點。為了驗證白噪聲標準樣本法的可行性,并對純音標準樣本法與白噪聲標準樣本法的適用性進行對比研究,本文選取了3組頻譜特性與音調感知特性明顯不同的實測噪聲,各18個。樣本組1為變電站高壓并聯電抗器C相隔聲罩內噪聲樣本,樣本組2為變電站變壓器附近巡視走道聲樣本,樣本組3為吸油煙機噪聲樣本,它們的聲級范圍、頻譜與感知特性見表1。圖1為噪聲樣本組1～3中部分樣本的頻譜圖。分別采用待測樣本法、純音標準樣本法和白噪聲標準樣本法,對噪聲樣本組1～3的煩惱度進行評價。

表1 待評價樣本組的頻譜與感知特性

圖1 噪聲樣本組1～3的頻譜圖

2.1.2 不相似噪聲組合的評價

本文以音頻注入法為例,進行不相似噪聲組合的評價。音頻注入法是一種通過向原始噪聲(目標聲)中添加聲音(調控聲),使人對混合后的聲音(疊加聲)主觀感受上出現相消效應,從聽覺感知的角度降低原始噪聲煩惱度的一種方法。為了與相似噪聲組合中的音調感差異相對應,分別在噪聲樣本組1～3中選取一個聲樣本作為目標聲,取一種流水聲作為調控聲,將目標聲與調控聲以多種信噪比進行疊加,生成樣本組4～6,其主觀感知特性見表1。分別采用待測樣本法、純音標準樣本法和白噪聲標準樣本法對樣本組4～6進行煩惱度評價。

為了便于后續進行數據的有效性檢驗,在每個噪聲樣本組評價實驗中,隨機選取1/3的待評價樣本進行二次評價,將這1/3的待評價樣本與該組中所有聲樣本隨機排序生成待評價樣本序列。

2.2 主觀實驗設計

2.2.1 實驗條件

本次主觀評價實驗在普通房間內進行,回放系統包括ArtemiS SUITE 11.6(HEAD acoustics)、雙耳耳機均衡器(HEAD acoustics labP2)和高保真立體聲頭戴式耳機(Sennheiser HD 600)。

2.2.2 實驗流程

本次實驗中共有償招募了31名聽力正常的在校大學生作為實驗被試,男生15人，女生16人,所有被試實驗期間無不適癥狀。實驗分4組進行,前3組每組8人,第四組7人。

采用參考評分法分別對噪聲樣本組1～6進行煩惱度評價。實驗開始前,由主試向被試講解實驗流程及注意事項,要求被試掃描問卷二維碼進入實驗問卷,并選取一些聲樣本進行試聽訓練,使被試對整體聲樣本的范圍、參考聲樣本及評分方式有一個全面的了解。

實驗過程中被試首先會聽到第一段5 s的聲音,即參考樣本,其煩惱度默認為5。緊接著2 s空白后,被試會聽到第二段5 s的聲音為待評價樣本。在聽完第二段聲音后,被試有5 s的時間評價第二段噪聲相對于第一段聲樣本的煩惱感,評價時采用9級數字量表,精度為0.5分,其中“9”表示待評價樣本相對參考樣本“非常/極其煩惱”、“5”表示待評價樣本與參考樣本“同樣煩惱”、“1”表示待評價樣本相對參考樣本“非常不煩惱”。

每組實驗的整體時長(包括空白間隔)控制在20 min以內,休息10 min后繼續實驗,以免被試疲勞導致實驗準確度下降。

2.2.3 數據剔除

統計實驗數據時,首先對實驗數據進行誤判分析,從中剔除誤判率較高的被試數據,確保后續分析結果的準確性。在2次重復評價結果中,借鑒成對比較法的i-i誤判和i-j誤判分析,當參考樣本與待評價樣本為同一個時,若評分不為5,則認為出現誤判;當參考樣本與待評價樣本不同時,2次評價值差值在2以上則認為出現誤判。實際數據處理中,如果某個被試的誤判率大于0.4,則剔除該被試數據。此外,還對數據進行了相關分析、聚類分析,剔除了相關性低于0.5,不能與其他被試聚為一類的被試數據。所有實驗樣本組分別剔除的被試人數見表2。

表2 各實驗樣本組剔除的被試人數

對于每個聲樣本的剩余有效評分,計算平均值作為該樣本的煩惱度評價值。

2.3 實驗結果與分析

通過主觀評價實驗、數據剔除后,得到了噪聲樣本組1～6分別在待測樣本法、純音標準樣本法、白噪聲標準樣本法下獲得的噪聲煩惱度評價結果,分別對2種標準樣本法的評價結果與待測樣本法的評價結果進行相關性分析。以每一個噪聲樣本組在待測樣本法中的評價值為基準值A0,分別計算樣本組在純音標準法的評價值Ap、白噪聲標準法的評價值Aw與A0之間的皮爾遜相關系數,判斷2種標準樣本法的實驗結果與待測樣本法的評價結果之間的吻合程度。

2.3.1 相似噪聲組合的評價結果

圖2為噪聲樣本組1～3分別在待測樣本法、純音標準樣本法、白噪聲標準樣本法下獲得的噪聲煩惱度評分。從圖中可以看出樣本組1～3在3種參考樣本法下得到的噪聲煩惱度評分的變化趨勢比較吻合,計算2種標準樣本法的評價結果與待測樣本法評價結果的相關性,見表3。

圖2 噪聲樣本組1～3的噪聲煩惱度評分

表3 不同參考樣本法的相似噪聲組合煩惱度評分之間的相關性

根據表3可知,使用純音標準樣本法和白噪聲標準樣本法都能較好地評價樣本組1～3的噪聲煩惱度;但對于噪聲樣本組1,純音標準樣本法的主觀評價數據與待測樣本法的相關系數為0.987 1,略高于白噪聲標準樣本法與待測樣本法的相關性,因此使用純音標準樣本法更合適;而對于樣本組2和樣本組3,白噪聲標準樣本法評價結果與待測樣本法的相關系數更高,分別為0.990 3，0.986 5,因此更適合選用白噪聲標準樣本法。

2.3.2 不相似噪聲組合的評價結果

圖3為噪聲樣本組4～6分別在待測樣本法、純音標準樣本法、白噪聲標準樣本法下獲得的煩惱度評價結果。分析樣本組4～6在3種參考樣本法下的評價結果之間的相關性，見表4。

圖3 噪聲樣本組4～6的噪聲煩惱度評分

表4 不同參考樣本法的不相似噪聲組合煩惱度評分之間的相關性

分析可知:使用不同參考樣本對不相似噪聲組合評價結果的影響規律與相似噪聲組合評價中的規律一致。對于樣本組4,純音標準樣本法的實驗結果與待測樣本法的相關系數為0.948 1,明顯高于白噪聲標準樣本法與待測樣本法的相關性,適合采用純音標準樣本法;而對于樣本組5,白噪聲標準樣本法與待測法的相關系數為0.902 6,實驗數據較純音標準樣本法時更好,適合采用白噪聲標準樣本法。樣本組6在純音標準樣本法、白噪聲標準樣本法中的數據與待測樣本法的數據相關性均不高,原因在于標準樣本的聲級較樣本組6中全體樣本來說偏高,從該樣本組的主觀實驗評分分布來看,整個樣本組的煩惱感與標準參考樣本相比,都處于不煩惱的一側,導致主觀評價達不到所預期的評價精度,但也能看出白噪聲標準樣本法的結果與待測樣本法結果之間的相關性略高。

為了驗證標準樣本的聲級對主觀評價結果的影>響,分別以1 kHz-60 dB純音、55 dB(A)、60 dB(A)白噪聲作為標準參考聲樣本,對樣本組6進行第二次主觀評價,結果如圖4所示。

圖4 樣本組6第二次實驗中的噪聲煩惱度評分

表5為樣本組6在不同參考樣本下的結果與待測樣本法的相關性分析結果,在對樣本組6進行評價時,選取60 dB(A)白噪聲作為標準參考樣本得到的實驗數據比使用其他標準參考樣本時更準確。分析原因在于兩點:①從頻譜分析及主觀感知特性來看,樣本組6屬于寬帶譜噪聲,因此更適合選取白噪聲標準樣本法進行評價;②樣本組6中所有聲樣本的A聲級平均值(average)為62.8 dB(A),中位數(median)為61.0 dB(A)。中位數又稱中值,是按順序排列的一組數據中居于中間位置的數,它不受偏大或偏小數據的影響,用它來代表樣本組6的一般聲級水平最合適。從樣本組6的第二次實驗數據分析可以看出,當標準白噪聲的A聲級更接近樣本組6中樣本A聲級的中位數時,實驗結果更準確。

表5 樣本組6在不同參考樣本下的噪聲煩惱度評分之間的相關性

3 白噪聲標準樣本法的應用

在實際研究過程中,由于研究目的、實驗任務等對實驗結果的要求不同,一般主觀實驗得到的是不同參考樣本下的評價結果,若要進行不同實驗組結果之間的對比,則需要將待比較的全體樣本混合,選取合適參考樣本重新進行實驗,樣本數量過大,工作量劇增。若將不同參考樣本下的評價結果進行轉化,得到同一參考樣本下的評價值,即可進行橫向比較,避免重復實驗,極大地減少工作量。

3.1 數據轉化

對于不同樣本組的數據校準與轉化,陳興旺等[11]已經提出了分段內插值法,將每個樣本組按照評價值分為兩段,對所有樣本組端點處樣本隨機混合后進行評價,以端點樣本原始數據為x值,再次實驗得到的數據為y值,分段采用內插值法修正各樣本的評價值。本文借鑒自適應分組成對比較法中各組間數據建立聯系的思想[16],對已有的待測樣本法實驗結果進行轉化。選取3個關聯樣本建立待測樣本法數據組與白噪聲標準樣本法數據組之間的聯系,即可將不同實驗組的待測樣本法評價值轉化為白噪聲標準樣本法的評價值。

A′=aA+b

(1)

利用(1)式即可將待測樣本法數據轉化，得到該樣本組在白噪聲標準樣本法下的結果。

本文以2.3節中得到的樣本組1～3評價結果為例,利用上述關聯函數法將各樣本組的待測樣本法數據轉化為白噪聲標準樣本法下的數據,具體步驟如下:

1) 從樣本組1～3中分別選取煩惱度最大、最小的樣本及參考樣本,將3組關聯樣本隨機排序2次生成待評價樣本序列,以70 dB(A)白噪聲為參考樣本,對該實驗樣本序列進行煩惱度評分,各樣本的煩惱度評價值見表6。其中A為各關聯樣本在待測樣本法中的煩惱度評價值,A′為各關聯樣本在白噪聲標準樣本法中的煩惱度評價值。

表6 樣本組1～3中關聯樣本的煩惱度評價值

(2)

3) 利用(2)式對樣本組i(i=1,2,3)中全體樣本的煩惱度評價值進行轉化,得到樣本組1～3在白噪聲標準樣本法中的煩惱度評價結果。分析各樣本組轉化值與實驗值之間的均方誤差,并與采用分段內插值法校準的均方誤差對比,結果見表7。結果表明采用關聯函數法能更好地進行不同參考樣本法數據之間轉化,實現不同樣本組數據之間的對比。

表7 各樣本組白噪聲標準樣本法轉化的均方誤差

3.2 參考樣本的等效聲壓級變化值

通過3.1節中提到的轉化方法,可進行白噪聲標準樣本法評價結果與待測樣本法結果之間的互相轉化,由此更好地構建噪聲控制策略中加法控制與減法控制效果評價相互溝通的橋梁。

1) 將不同實驗組的待測樣本法實驗結果轉化為白噪聲標準樣本法的評價值,便于進行不同樣本組間的對比,以便選取最優的調控聲,并定量表達煩惱感抑制程度。例如在音頻注入法中,通過(3)式計算得到目標噪聲的煩惱度下降值Ras[13]

(3)

該值表示在注入調控聲前后目標聲煩惱度的變化值相對于目標聲原本煩惱度的大小,其中At表示目標聲的煩惱度評分,Ac表示某一信噪比疊加聲的煩惱度評分。標準樣本法獲得的Ras值標示為Rass,待測樣本法獲得Ras值標示為Rast。根據文獻[13]中建立的標準樣本煩惱度下降值(Rass)與等效聲壓級變化值(Rps)的思想,可將目標聲的煩惱度下降值Ras等效為標準樣本的等效聲壓級變化值Rps,定量表達音頻注入法中調控聲對目標聲的煩惱感抑制程度。此外,還便于進行煩惱感相消效應的特性研究。

2) 同時,也可以將音頻注入法中標準樣本下的評價結果轉化到待測樣本法下,用目標聲的聲壓級變化值(Rpst)表示調控聲的煩惱感抑制效果,具體步驟見圖5。首先,在對關聯樣本進行待測樣本法的評價時,選取目標聲為參考樣本,將標準樣本法的評價結果轉化到待測樣本法下,計算目標聲的煩惱感下降值。其次,建立目標聲樣本Rast與Rpst的函數關系,通過該函數關系計算主觀評價實驗中目標聲的Rast值對應的目標聲的Rpst(dB),即可得到與該最優調控聲的煩惱感抑制效果相對應的目標聲等效聲壓級變化值。

圖5 標準樣本法評價結果轉化流程圖

4 結 論

本文提出了一種基于白噪聲的標準樣本法,對頻譜特性與感知特性明顯不同的3組不同相似噪聲組合與不相似噪聲組合進行煩惱度評價,以待測樣本法主觀評價結果為基準,進行了白噪聲標準樣本法和純音標準樣本法的性能實驗對比研究。分析不同參考樣本法下對相似噪聲組合與不相似噪聲組合的評價結果,驗證了白噪聲標準樣本法的可行性,并得到了以下結論:

1) 使用純音標準樣本法和白噪聲標準樣本法都可以有效地對噪聲煩惱感進行評價,在評價頻譜特性和感知特性明顯不同的待評價樣本時,2種標準樣本法各有優勢。

2) 純音標準樣本法更合適評價具有明顯的音調感,且以有調噪聲為主的待評價噪聲。而白噪聲標準樣本法更適合評價以寬帶噪聲為主或幾乎沒有音調感的噪聲。

3) 標準樣本的聲級對主觀評價的結果有很大的影響,當白噪聲標準樣本的A聲級更接近待評價樣本組中全體樣本的A聲級中位數時,實驗結果更準確。

4) 利用關聯函數法,可以將不同參考樣本法中的主觀評價結果進行互相轉化,以滿足研究的目的與需求。不同樣本組適用的標準樣本的聲級會有所不同,可以利用該轉化方法進行不同聲級標準樣本實驗結果間的轉化。

根據本研究的結論,純音標準樣本法更合適音調感明顯的噪聲,白噪聲標準樣本法更合適音調感不強的寬帶噪聲,下一步的工作將對2種標準樣本法適用范圍之間的明確界限進行研究。