采用三维声场重现系统的汽车声品质评价*

廖祥凝, 郑四发, 李申广,彭 博, 连小珉

(清华大学,汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084)

2016121

采用三维声场重现系统的汽车声品质评价*

廖祥凝, 郑四发, 李申广,彭 博, 连小珉

(清华大学,汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084)

鉴于目前声品质评价采用的双耳声重放系统的存在聆听区域狭窄、重放效果因人而异和丢失立体声场信息等缺陷，文中采用了三维声场精确重放系统，对车内噪声声品质进行评价，并与基于双耳声重放系统的声品质评价结果进行比较。结果表明：与双耳声重放系统相比，基于三维声场精确重放系统的声品质主观评价与客观参量之间保持了更好的一致性，评价的准确性更高。

汽车；声品质评价；三维声场重现；耳机回放系统

前言

汽车车内声品质直接反映了人对噪声的主观感受，是影响顾客购买心理的重要指标，对指导汽车零部件和整体设计具有重要意义，因此如何对一款汽车的声品质做出科学、准确的评价，成为一个重要的研究课题。目前，汽车声品质主观评价主要采用双耳采集—耳机回放系统[1-2]。该系统操作简单，实验可重复性高，但也存在某些固有缺陷：(1)聆听区域狭窄，回放声场为点声场，不具备空间感，不能使人体头部、躯干等部位产生真实噪声环境下的生理、心理反应，从而不能得出与真实环境一致的评价结果，尤其是低频声评价结果[3]；(2)耳机重放效果与人工头、评价者的生理结构和尺寸相近程度有关，导致回放误差因人而异[4]。目前广泛使用的人工头如B&K4128[5]等均以欧洲人体为模型，我国受试者实验中采用这些人工头可能会引入系统误差。以上因素均会影响到主观评价准确性的判断，继而限制了对汽车产品声学舒适性分析和后续产品的改进设计工作。

三维声场重现技术[6-8]作为新兴声学技术，其基本思想是采用扬声器阵列在空间区域重现目标声场。重现声场具有立体空间感，使实验人员具有更自然的评价体验，不仅在双耳处感知原始声场的信息，人体的其他感觉器官(如脸部皮肤、四肢等)也能感知到相应的声场信息(如极微小的振动)，这些信息的还原对评价的真实性也有重要影响。

本文中基于最小二乘误差的多点声压匹配法[9]进行三维声场重现并验证重现精度，为声品质评价实验提供研究手段。再参照国家标准，对采集的不同工况副驾位噪声进行声样本采集及处理，基于成对比较法完成车内匀速噪声偏好性实验。最后，将三维声场重现回放系统与耳机回放系统的评价结果进行分析对比。

1 三维声场的精确重现

1.1 三维声场重现采用的方法

基于最小二乘误差的多点匹配法的时域系统模型，在某实验室内，进行三维声场的定量重现，系统结构如图1所示。

图1 三维声场重现系统结构

传声器阵列采集的实际车内噪声样本为

声场回放时扬声器所需的激励信号为

重现的噪声声压为

为实现Pd(t)=Pr(t)，基于最小二乘误差原理及Tikhonov正则化方法[10-11]，设计滤波器S(t)，求得所需的扬声器驱动信号：

G(t)=S(t)·Pd(t)

(1)

式中S(t)为实验室中扬声器阵列到传声器阵列传递函数逆矩阵的时域表达式。

1.2 声场重现精度

基于1.1节中所示重现系统，采用图2所示的传声器阵列进行目标声场的采集，再基于图3所示的扬声器阵列，对一实际噪声进行室内声场重现。选择双耳两个检验点的重现声压与目标声压作对比，结果如图4和图5所示。

图2 采集目标声场的传声器阵列

图3 扬声器阵列示意图

图4 检验点目标声压与重建声压时域声压级对比

图5 检验点目标声压与重建声压频谱对比

图4为时域声压级对比图，检测点1的平均时域声压级误差值为0.29dB，检测点2的平均时域声压级误差值为0.32dB，均在人耳无法分辨的声压级差0.5dB[12]以内。图5为两检验点选取1s对比频谱信息。可以看出，重现信号与目标信号可以很好地吻合，验证了使用三维声场重现回放系统进行主观评价实验的可行性。

2 主观评价实验

2.1 评价样本采集

采集了内燃机驱动的汽车A和纯电动汽车B两种类型车在匀速20，40，60km/h行驶时车内副驾驶位噪声作为声品质评价的声信号样本，如表1所示，并列出对应的A计权声压级、响度、尖锐度、粗糙度4个客观参量的数值。采集声音样本的同时采集前方场景视频信息，达到声品质评价实验室内尽可能还原车内场景信息的目的。

2.2 主观评价实验流程

分别基于文中提出的三维重现声场回放系统和已广泛使用的Head Acoustics公司的耳机回放系统对表1的评价样本进行声品质偏好性的主观评价实验，示意图如图6所示。采用成对比较法两两对比，并考虑到对数据可靠性和有效性检验的要求，评价样本对中增加一对不同回放顺序对J-I和一对相同样本I-I评价对，共计17组评价比较对。

表1 评价样本

评价实验共有30名评价者参与，均为在校学生，包括11名女性和19名男性，年龄从19～30岁不等，所有评价人员听力均正常。

图6 主观评价实验示意图

2.3 评价结果分析

2.3.1 误判检验

在进行主观评价结果分析之前，须先对评价数据进行有效性检验，以判断其评价的可靠性。因此，采用三角循环误判方法[13]、相同样本(I—I)检验和不同回放顺序(I—J与J—I)检验进行计权一致性系数[14]ζw(n)的计算：

ζw(n)=1-Cw(n)

(2)

(3)

式中：Cw(n)为计权误判率；Ci(n)为第i种误判率；Ei(n)为第i种误判可能产生的总次数。

运用上述误判检验方法，得到三维声场重现回放系统和耳机回放系统的30组数据的计权一致性系数，如图7和图8所示。

图7 三维声场重建回放系统的计权一致性系数

图8 双耳回放系统的计权一致性系数

取ζw(n)≥0.8作为评价结果的可靠性评判标准，由图7和图8可知，三维声场重现回放系统中，不合格的仅有第29号实验员的评价数据，有效率高达96.7%；而基于双耳回放系统的评价实验结果，9组评价数据不合格，有效率为70%，并且基于三维声场重现回放系统的主观评价实验中有11人完全没有误判，双耳回放系统仅有2人没有误判。综上所述，采用三维声场重现回放系统作为声品质研究手段的误判率比耳机回放系统低。

2.3.2 数据分析

本文中针对两种不同回放系统的实验数据，采用Bradley-Terry模型[15]以及和积法对6个样本进行偏好性权重排序，结果如图9所示，排序值越高说明样本声品质偏好性越好。

图9 两种不同回放系统样本的声品质偏好性权重

为了研究车内噪声品质偏好性主观评价结果与心理声学客观参数之间的关系，对图9中声音样本偏好性权重概率与表1计算得到的客观心理声学参数进行了线性相关性分析，结果如表2所示。可以看出，采用三维声场重现回放系统的匀速噪声声品质偏好性评价结果与A计权声压级、响度存在强相关性，尖锐度对偏好性的影响比粗糙度更显著，这符合目前匀速噪声车内声品质偏好性的研究结果[5]，进一步说明三维声场重现回放系统用于车内噪声主观评价的合理性。并且相比双耳回放评价方式，采用声场重现系统进行的主观评价实验结果与客观参量之间保持了更好的一致性，评价的准确性更高。图10和图11直观地描述了基于两种评价系统的声

表2 声品质偏好性主观评价结果与客观参数的相关系数

品质偏好性主观评价结果与响度、尖锐度的线性相关性。

图10 响度与偏好性评价结果的相关性

图11 尖锐度与偏好性评价结果的相关性

2.4 对比总结

采用三维声场重现回放系统和双耳回放系统对6个汽车匀速工况下车内噪声样本进行主观评价实验，并对两种研究手段的评价效果进行了比较分析，结果如下。

(1) 数据有效性方面 基于三维声场重现回放系统评价的计权一致性系数比耳机回放系统的高，无效评价样本减少即误判率减小。

(2) 评价准确性方面 相比耳机回放评价方式，基于三维声场重现回放系统得到的主观评价结果与客观参量之间保持了更好的一致性。

(3) 评价舒适性方面 通过问卷对于两种回放方式舒适性的调查显示，96.7%的人认为三维声场重现回放方式具有更好的评价舒适性。

综上所述，相比双耳回放评价方式，三维声场重现回放评价方式在数据有效性、评价准确性以及评价舒适性方面均更有优势。

3 结论

提出一种采用三维声场重现回放系统进行声品质主观评价的方法。首先描述了三维声场重现的原理和系统结构，并给出了回放声样本与采集声样本间的误差指标。然后采集了电动车、内燃机汽车在不同车速下匀速行驶时的车内噪声样本，并设计了声品质主观实验。通过对比三维声场重现回放系统与双耳回放系统对声品质主观评价结果，表明三维声场重现回放系统的误判率低，数据准确性高，具有更好的评价准确性和舒适性。

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Vehicle Sound Quality Evaluation by Using Three Dimensional Sound-field Reproduction System

Liao Xiangning, Zheng Sifa, Li Shenguang, Peng Bo & Lian Xiaomin

TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

In view of the defects of binaural sound reproduction system currently adopted for sound quality evaluation, such as the narrowness of listening bandwidth, the person-dependency of playback effects and the losses of stereo sound-field information, an accurate three-dimensional sound-field reproduction system is adopted to evaluate the sound quality of in-car noise, which is then compared with that using binaural sound reproduction system. The results show that compared with binaural sound reproduction system, the three-dimensional sound-field reproduction system can maintain a better consistency between the subjective evaluation and objective parameters of sound quality and a higher accuracy of evaluation.

vehicle；sound quality evaluation；three dimensional sound-field reproduction；binaural sound reproduction system

*国家自然科学基金(51275262)资助。

原稿收到日期为2015年3月11日，修改稿收到日期为2015年7月28日。