反射聲對室內(nèi)聲景主觀評價的影響初探

黃永超，古林強

(廣州大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

聲景觀是“群體或個人在聲境中感知、體驗或理解的聲環(huán)境”[1]。據(jù)此定義，聲景觀的基礎(chǔ)研究框架對于室內(nèi)外聲環(huán)境都是適用的，但室內(nèi)外聲場存在著明顯差異，封閉空間的特征是一個混響聲場，可以放大聲音[2]，因此室內(nèi)聲景觀的研究應(yīng)該基于室內(nèi)聲場的客觀特征，結(jié)合室內(nèi)聲景觀的研究框架進行。

密集的早期反射聲是導(dǎo)致室內(nèi)聲場區(qū)別于室外聲場的最主要因素，本文回顧了室內(nèi)反射聲以及室內(nèi)聲景觀的研究進展，通過基于反射聲感知的聲學(xué)可聽化實驗，運用實驗心理學(xué)的方法，考察了房間里人耳對于不同聲源信號反射聲的A計權(quán)聲壓級的絕對感覺閾，并結(jié)合室內(nèi)聲景觀的研究框架和方法，研究了反射聲對于室內(nèi)聲景的主觀評價影響。

1 反射聲相關(guān)研究

1.1 20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初

Borenius等[3]率先提出主觀聽力測試對于室內(nèi)場所聲學(xué)實驗的重要性，小型聲學(xué)場所的研究不應(yīng)該僅僅局限于各項聲學(xué)參數(shù)的指標(biāo)。隨后Bech等通過實驗研究了反射聲對于音色的影響，以及反射聲對于差別閾限(Just Noticed Difference,JND)和絕對感覺閾(Threshold Detection,TD)的影響[4-5]。Toole等認(rèn)為，人們對縱向反射聲的察覺力不亞于橫向反射聲，前者主要會影響音色，而后者則是對空間感有著更多的貢獻[6]。

1.2 21世紀(jì)初至今

隨著室內(nèi)聲場計算機數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展，空間聲技術(shù)成為近年來聲學(xué)領(lǐng)域的前沿課題?？臻g聲主要基于三種原理和方法，分別是物理聲場的精確重構(gòu)方法、心理聲學(xué)與物理聲場的近似重放方法與雙耳聲信號的精確重放方法[7]，比較常見的是通過軟件模擬或測量技術(shù)獲得聲場脈沖響應(yīng)(Impulse Response,IR)和頭相關(guān)脈沖響應(yīng)(Head-Related Impulse Response,HRIR)，兩者結(jié)合即構(gòu)成雙耳房間脈沖響應(yīng)(Binaural Room Impulse Response,BRIR)，再與聲源信號進行卷積，得到立體聲信號[8-9]。

Imamura等[10]將9種不同的房間信號響應(yīng)與3種音樂卷積，形成27種刺激信號，使用對偶比較法(7階)，讓受試者對兩個信號進行比對，聚焦于直達聲和早期反射聲的干涉圖像，并且調(diào)查了多類早期反射聲是如何影響受試者的主觀聽力表現(xiàn)。目前，采用可聽化實驗來進行聲學(xué)現(xiàn)象與主觀評價的研究成為學(xué)界主流。

2 室內(nèi)聲景觀相關(guān)研究

室內(nèi)外聲景存在著明顯的區(qū)別，因此有必要用不同的方法研究室內(nèi)聲場，并根據(jù)室內(nèi)聲景觀和室內(nèi)噪聲控制的閾值界限，決定采取噪聲控制的方法還是聲景觀的方法來改善室內(nèi)聲環(huán)境[2]。在進行室內(nèi)聲景觀的主觀評價時，評價模型應(yīng)該根據(jù)主成分分析選取適當(dāng)?shù)木S度，Torresin等[11]通過實驗，確定了居住區(qū)室內(nèi)聲景觀評價的三個主成分，分別是舒適度、活潑度、熟悉度，主觀評價應(yīng)圍繞這三個維度來設(shè)計問卷。

3 可聽化實驗

3.1 實驗背景

為考察反射聲對室內(nèi)聲景觀主觀評價的影響，本文設(shè)置了三個實驗：(1)讓實驗人員比較純音、語音以及音樂信號在有無反射聲參與情況下的差異，并做出偏好度評價。(2)在實驗1的前提下，選出人耳能夠聽出顯著差異的信號，根據(jù)實際房間進行軟件建模，進行聲壓級絕對感覺閾的測量，目的是探究在實際情況中人耳能夠察覺到反射聲參與的最小聲壓級。(3)是基于室內(nèi)聲景觀主觀評價框架以及GB/T 16463—1996《廣播節(jié)目聲音質(zhì)量主觀評價方法和技術(shù)指標(biāo)要求》[12]進行室內(nèi)聲景觀在有無反射聲參與兩種情況下的主觀評價。

3.2 實驗1

3.2.1 實驗素材與實驗方法

為了模擬日常的情景，采用了三種音頻信號作為實驗素材，分別是語音、音樂聲以及1 000 Hz純音。

將實驗房間模型(尺寸為：4 665 mm×7 725 mm×4 356 mm)導(dǎo)入Odeon軟件，如圖1所示。音源位置位于實驗室中間貼近一側(cè)墻壁，距離地面高1700mm的位置，坐標(biāo)為P2(0，2 333，1 700)mm，接收點位于音源正前方4 m的位置，坐標(biāo)為P2(4 000，2 333，1 700)mm。在材料的選擇方面，首先使用全吸收材料模擬自由場環(huán)境，使用Odeon軟件進行實驗房間脈沖響應(yīng)的運算分析并得到雙耳房間脈沖響應(yīng)(BRIR)，然后將材料更換為全反射材料，再次進行同樣的運算，得到有反射聲參與的聲場環(huán)境下的BRIR如圖2所示；然后將之前的三個音頻信號與脈沖響應(yīng)進行卷積運算得到實驗用的三組實驗素材。

圖1 Odeon軟件中的實驗房間模型Fig.1 The model of experimental room in Odeon software

圖2 有反射聲參與的聲場環(huán)境下的BRIR函數(shù)Fig.2 BRIR function in sound field environment with reflection

在實驗方法上，本次實驗使用強制選擇法，將經(jīng)過不同響應(yīng)處理的同一素材配對后進行區(qū)分度的判讀，設(shè)定了“喜歡1”“喜歡2”以及“沒有區(qū)別”三個選項，要求受試者在對比聽完一組信號后，選擇上述選項中的一個。此次試驗受試者的年齡范圍在22～41歲之間，共23位，其中男性14位，女性9位，均為高校的在讀學(xué)生及教師。在實驗前對受試者進行了統(tǒng)一的實驗控件操作培訓(xùn)。

3.2.2 實驗結(jié)果及分析

在區(qū)分三種信號有無地面反射的實驗結(jié)果中，對于語音及音樂信號，受試者能夠以較大的概率區(qū)分出有無反射聲所帶來的差異，語音信號的概率為95.0%，音樂信號為87.5%；而對于1 000 Hz的純音信號，受試者能夠區(qū)分出的概率下降至37.5%，在女性受試者中這一數(shù)據(jù)甚至更低，僅有12.5%。在能夠區(qū)別顯著差異的基礎(chǔ)上進行有無反射聲的偏愛度分析后，對于語音和音樂，受試者的偏愛度分布相對均勻，分別有55.3%和51.4%的受試者偏愛無反射聲的信號。但在1 000 Hz純音信號中，受試者更加偏愛有反射聲參與的純音信號，有80%的受試者偏愛有反射聲的信號。原因可能是由于自然界中極少存在純音信號，經(jīng)反射聲處理后，產(chǎn)生了近似室內(nèi)的聽音效果。人們對于不熟悉的聲音傾向于有反射聲的參與以加強熟悉度，這點將在后續(xù)的實驗中予以驗證。

表1 對三種信號區(qū)分有無地面反射的實驗結(jié)果Table 1 Experimental results of distinguishing the three signals with or without ground reflection

3.3 實驗2

3.3.1 實驗素材與實驗方法

根據(jù)實驗1的結(jié)果，人耳并不能明顯區(qū)分純音信號在有無反射聲參與下所帶來的差異，因此在進行絕對感覺閾的測量時，選取了語音、音樂和室內(nèi)聲景觀常用的水流聲作為實驗信號。為模擬實際聽音環(huán)境，以文獻[13]中1～4號房間的實際測量情況進行Odeon軟件建模，并將界面處理成與實際情況相同以及全吸收(全反射)兩種工況，得到每間房間的兩組有無反射聲參與的脈沖響應(yīng)，再與三種音頻信號進行卷積。

為確定人耳能察覺到反射聲差異的聲壓級閾限值，采用實驗心理學(xué)中測量絕對閾限的階梯法[14]。將同一聲壓級的有無反射聲參與的兩組信號進行配對，供被試者進行聽音，若被試者能夠(不能夠)聽出這對信號的區(qū)別，下一組信號則以1 dB(A)的強度遞減(遞增)，直至完成30次，并計算轉(zhuǎn)折點平均聲壓級，即為此次試驗測得的絕對感覺閾?？紤]到實驗室本底噪聲為25 dB(A)，為排除本底噪聲的影響，本次實驗的最小聲壓級設(shè)為35 dB(A)[15]，考慮到正常交談聲的范圍，同時為了保證實驗人員聽力不受損，最終確定本次聲壓級的范圍為35～64 dB(A)。此次試驗受試者的年齡范圍在20～28歲之間，共20位，其中男性11位，女性9位，均為高校的在讀學(xué)生，每個房間對應(yīng)5位受試者。

3.3.2 實驗結(jié)果及分析

人耳對反射聲的絕對感覺閾結(jié)果如表2所示?？梢钥闯鰧τ?號、2號以及4號房間，語音信號的反射聲絕對感覺閾最低，用小于水流聲和音樂聲信號，這與之前的實驗結(jié)論一致，即對于越是熟悉的聲音，人耳越是能敏銳地捕捉到室內(nèi)反射聲帶來的差異。此外，3號房間的數(shù)據(jù)與之前的結(jié)論完全相反，在這里語音信號的反射聲絕對感覺閾最高，其次是音樂，水流聲最低，這意味著在某些特殊形體的房間里(如3號房間形狀不規(guī)則，且層高較高)，對于越是熟悉的聲音，人耳反倒不容易察覺出反射聲帶來的差異。

表2 人耳對于反射聲的絕對感覺閾(dB(A))Table 2 The absolute sensation thresholds of the human ear to the floor reflected sound(dB(A))

值得一提的是，此次試驗過程中，語音的出現(xiàn)最小聲壓級的概率為37.5%，即可聽閾即為反射聲的絕對感覺閾，而這一現(xiàn)象在音樂信號中為12.5%，水流信號中的概率是25%；此外，后兩者與語音信號相比，均出現(xiàn)過最大聲壓級的情況，且出現(xiàn)概率均為12.5%，這種情況表明受試者始終無法辨別出反射聲帶來的差異。以上兩種情況的出現(xiàn)，驗證了前文觀點的同時，也表明人耳對于反射聲的絕對感覺閾受到房間尺寸、房間反射面聲學(xué)參數(shù)以及聽者個體差異的影響較大，甚至同一個體在不同房間的絕對感覺閾會出現(xiàn)偏移。

3.4 實驗3

3.4.1 實驗素材與實驗方法

上述實驗已經(jīng)初步考察了人耳對于反射聲的感知程度，接下來將針對三種信號聲源(語音、音樂、水流聲)，在有無反射聲參與的兩種情況下進行主觀評價。主觀評價的第一部分為文獻[12]中室內(nèi)聲景觀的評價標(biāo)準(zhǔn)，一共有5個互為正交的聲感知維度，按照規(guī)范要求使用7階語義細(xì)分量表供被試在聽音時打分[16]。第二部分是《廣播節(jié)目聲音質(zhì)量主觀評價方法和技術(shù)指標(biāo)要求》中對于錄音制品的評價[12]。

此次試驗受試者的年齡范圍在20～28歲之間，共46位，其中男性20位，女性26位，均為高校的在讀學(xué)生。在實驗前進行統(tǒng)一的實驗培訓(xùn)，并統(tǒng)一進行實驗，最終回收有效問卷43份。

3.4.2 實驗結(jié)果及分析

GB/T 16463—1996框架下的聲音質(zhì)量主觀評價結(jié)果如圖3～5所示，圖中縱坐標(biāo)為占總?cè)藬?shù)的占比。

圖3 按照GB/T 16463—1996要求的語音信號主觀評價結(jié)果Fig.3 Subjective evaluation results of human voice signals in accordance with GB/T 16463—1996

圖4 按照GB/T 16463—1996要求的音樂信號主觀評價結(jié)果Fig.4 Subjective evaluation results of music signals in accordance with GB/T 16463—1996

圖5 按照GB/T 16463—1996要求的水流信號主觀評價結(jié)果Fig.5 Subjective evaluation results of stream sound signal in accordance with GB/T 16463—1996

室內(nèi)聲景框架下的主觀評價結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 按照室內(nèi)聲景評價的語音信號主觀評價結(jié)果Fig.6 Subjective evaluation results of human voice signals in accordance with indoor soundscape evaluation

圖7 按照室內(nèi)聲景評價的音樂信號主觀評價結(jié)果Fig.7 Subjective evaluation results of music signals in accordance with indoor soundscape evaluation

圖8 按照室內(nèi)聲景評價的水流信號主觀評價結(jié)果Fig.8 Subjective evaluation results of stream sound signal in accordance with indoor soundscape evaluation

在《廣播節(jié)目聲音質(zhì)量主觀評價方法和技術(shù)指標(biāo)要求》評價標(biāo)準(zhǔn)下，對于語音和音樂聲信號而言，反射聲能夠顯著加強混響感，語音信號混響感評價提升了16.13個百分點；音樂聲信號混響感評價提升了64.51個百分點；而對于水流信號，反射聲會小幅降低混響感，降幅為6.25個百分點。對于平衡感，反射聲的介入會使語音和水流信號的平衡感分別降低41.93個百分點和21.87個百分點；但會使音樂聲信號的平衡感提高45.15個百分點。此外，無論是哪種聲音信號，反射聲會降低清晰度，語音信號受影響最大，清晰度降幅為64.51個百分點，音樂和水流信號受影響相對較少，降幅分別為19.36個百分點和18.74個百分點。但對總體音質(zhì)的貢獻不相同，對語音和水流來說，反射聲會降低總體音質(zhì)，降幅分別為32.26個百分點和12.5個百分點；而對音樂來說，反射聲則會提高25.81個百分點的總體音質(zhì)。最后，反射聲都能夠提升距離感，客觀上造成親切感的降低，語音信號親切感降低了73.74個百分點；音樂聲信號親切感降低了67.73個百分點；水流聲信號親切感降低了31.25個百分點。不過親切感的偏好是十分主觀的，有些被試表現(xiàn)出喜歡較遠(yuǎn)的音樂聲以及較近的語音。

在室內(nèi)聲景觀的評價框架下，反射聲會降低人們對語音信號的舒適度(20.93個百分點)；同時也會小幅降低人們對語音信號的熟悉程度(9.3個百分點)。反射聲還會影響到私密性，使聲音變得不可控(降低23.26個百分點)；并且語音信號的活潑程度和迷人程度也都會降低13.95個百分點和25.59個百分點。對于音樂信號，人們更熟悉有反射聲參加的情況，熟悉度會提高18.6個百分點；且反射聲的參與會顯著提高舒適度(32.55個百分點)、活潑度(27.9個百分點)以及有趣程度(41.86個百分點)，反之人們會覺得音樂聲有些失控。對于水流聲而言，人們更熟悉沒有反射聲參與的情況，反射聲會降低熟悉度(41.86個百分點)，這與我們的生活經(jīng)驗是相符的，因為水流聲往往在戶外，周圍缺乏反射聲，一旦有了反射聲的參與，水流聲會變得入侵且失控(34.89個百分點)，繼而降低舒適度(30.24個百分點)、活潑感和(20.93個百分點)迷人感(30.24個百分點)，聽眾的體驗會變得很差。

4 結(jié)果與討論

本文的研究首先通過實驗1初步驗證了不同音頻信號加入反射聲對于人耳主觀聽覺的影響，對于人們越是熟悉的聲音，這種影響越能夠被分辨出來。

實驗2結(jié)合實際房間的吸聲材料布置與構(gòu)造，通過階梯法測得了三種聲音信號有無反射聲參與的最小絕對感覺閾，其中除特殊構(gòu)造的房間外，其余房間的語音信號絕對感覺閾最低，高于本底噪聲10 dB(A)左右即可被察覺，對于敏感人群甚至更低，絕對感覺閾等于可聽閾。水流聲及音樂信號，對于大部分人而言，高于本底噪聲17 dB(A)才開始察覺到反射聲的貢獻，這進一步定量地闡釋了實驗1的結(jié)論。

最后通過兩種不同研究框架下的主觀評價，給出了反射聲應(yīng)當(dāng)被處理的場景——即盡量使之符合人們的過往聽覺經(jīng)驗及聽覺預(yù)期來提高主觀熟悉度。如在室內(nèi)聲景普遍是水流等自然聲音時，應(yīng)當(dāng)給予反射聲一定的吸聲處理，來模擬人們在戶外聽到的自然的聲音，以加強聽眾對于此類聲景觀的熟悉程度，進而加強其他正向的主觀感受。對于室內(nèi)聲環(huán)境普遍是音樂的場景下，適當(dāng)?shù)姆瓷渎暱梢约訌娨魳返囊糍|(zhì)，符合人們的主觀經(jīng)驗以及期待。而對于聲環(huán)境主要是人與人交談的場合時，反射聲會降低私密性并損傷熟悉度，但具體的取舍要根據(jù)實際的用途來進行判定，如語言類演藝場所可以不用考慮處理反射聲，而人們習(xí)慣低語的臥室、辦公室應(yīng)當(dāng)給予一定的處理來保證舒適度。

本文的研究仍有值得進一步深入的地方。首先，研究中所采用的可聽化實驗方法是有一定局限性的，盡管軟件模擬了反射聲帶來的影響，但是在用耳機回放時，所有的聲音都是通過耳機的膜片進行一維的徑向振動向外輻射的，丟失了空間信息，會出現(xiàn)重放聲像的位置畸變、頭中定位等問題。

其次，本實驗旨在考慮僅有反射聲參與的情況下對室內(nèi)聲場及人耳主觀感受的影響，因此房間模型均為空場條件，在實際的生活中，室內(nèi)物體對反射聲也有很大的影響，在以后的研究中應(yīng)予以考慮。