基于脉冲响应的厅堂音质评价研究

【摘 要】 介绍一种基于脉冲响应的音质评价技术，并通过实验测试，分析客观测量和主观评价之间的对应关系。该技术可以更直接地评价厅堂音质的优劣，从而快速发现厅堂可能存在的声学问题。

【关键词】 脉冲响应；传递函数；测量方法；音质评价

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.11.005

【Abstract】This paper introduces a technology based on impulse response of sound quality evaluation， and through the experimental test， analyze the corresponding relationship between objective measurement and subjective evaluation. The technology can more directly evaluate auditorium acoustic quality， thus might quickly finding auditorium acoustic problems.

【Key Words】impulse response； transfer function； measuring method； acoustical evaluation

1 概述

厅堂音质评价技术是一个十分重要的研究课题，对搞好厅堂音质设计，促进厅堂音质研究具有不可忽视的作用。由于厅堂的最终用途是为人们提供一个欣赏艺术的场所，使人们通过声音及视觉在感官以至心灵上得到享受。所以，评价一所厅堂音质的优劣，除了作必要的客观测量外，更主要的是听众的主观反应。基于脉冲响应的音质评价技术正是要研究主观心理量与客观物理量之间的对应关系。而这个心理评价技术比只看物理参量更容易被人理解和接受。基于脉冲响应的音质评价技术将是未来建筑声学模拟仿真技术的研究基础。

2 脉冲响应

当房间被声脉冲信号激励后，某点声压随时间变化的曲线是房间中该点的脉冲响应（见图1）。同一房间同一位置，声源到接收点的脉冲响应是唯一的。也就是说，一个脉冲响应图可以对应厅堂中某一点的音质信息。通过分析脉冲响应图和对应的听声效果（声频文件），可以更直接地获得厅堂音质主观评价以及更直观地发现存在的声学问题；期望获得主观听声评价术语与描述厅堂音质的物理量之间的对应关系。

2.1 脉冲（Impulse）

脉冲就是采用猝发声作为信号源。现实条件下，不存在宽度为零的理想脉冲声，一般用瞬间声音近似代替，如气球破裂、电火花、发令枪等近似于理想的脉冲信号源。

脉冲函数（见图2），一般用δ（t）来表示。其定义为：

2.1.1 脉冲信号作为激励声源的优点

为什么要选用Δt足够小的脉冲信号作为激励声源，而不是用粉噪或者音乐作为声源研究呢？人对声音的感觉，有三大要素：声音的大小（能量）、音调的高低（频率）、音色的好坏（谐波）。

声音是由正弦波叠加而成，每个频率都有固有周期T。有研究显示，当听声时间t小于几个周期时人的频率感丢失，即人耳无法分辨其频率。这时这个极短的声音对于人的听感来说只代表一个能量团，与频率无关。

当单个正弦波发声的时候是没有调性的，有足够多的正弦波的时候才有调性。在不同频率不同波长的时候，到达这个临界点需要正弦波的个数（时值）是不一样的。实验表明音调对声音持续时间遵循一定的规律：当一个声音足够长，就可以有音调的感觉；声音足够短时，就无音调的感觉了。持续时间足够长时，音调似乎与持续时间没有关系，在研究中播放了300 Hz、1 000 Hz和3 000 Hz三个频率，持续时间递增（分别是1、2、4、16、32、64、128个正弦波）的情况，听声者判断持续到几个正弦波时开始有音调感。结果是300 Hz的声音时值到16个正弦波，1 000 Hz的声音时值到32个正弦波，3 000 Hz的声音时值到64个正弦波时开始有音调感。也就是说时值小于临界点时，各频段的声音都没有调性感了。

因此得出结论，只要用一个足够短的脉冲作响应研究，就可解决频率评价的问题，即只是对能量的研究。

2.2 响应（Response）

房间被声脉冲信号激励后，将测得的响应通过卷积相关运算变换成脉冲响应。同一房间，声源到接收点的脉冲响应是唯一的，包涵了房间的音质信息。对脉冲响应声压的平方进行反向积分可以获得声能衰减曲线。

2.3 传递函数（Transfer Function）

传递函数是零初始条件下线性系统响应量的拉普拉斯变换与激励量的拉普拉斯变换之比。传递函数是时间周期t、Δt的函数，也是位置的函数。反映不同位置不同的频率特性。

当声源发出δ脉冲，经壁面反射后形成反射脉冲，将直达脉冲到达测量点的时刻作为时间的起始点，测点先后接收到的直达脉冲与壁面反射脉冲序列称为室内对δ脉冲的瞬态响应函数。把脉冲的响应函数在时域上从时间t至∞作能量积分：

用一个理论上的δ函数，用发令枪来实现，产生很窄的一个Δt，由时域转换到频率域用的是FFT傅里叶变换（卷积），这就是脉冲反向积分法的原理。

G（t）是厅堂固有函数（传递函数），（t）是理论上的激励函数，T（t）是实际的激励函数，F（t）是测量得到的响应函数。

理论上：

实测中：

当T（t）近似于函数时，，即：使用理想的脉冲声源得到的响应函数近似等于厅堂固定位置的传递函数。

厅堂的传递函数反映该厅堂固有的声学特性，本文的研究就是要得到这个传递函数并进行分析对比，对不同的厅堂进行评价，还可以卷积不同的T（t）函数，比如音乐等，即可模拟现场演奏的效果。这就是在可听化模拟仿真技术中的应用。

2.4 测试中使用的设备

选用发令枪作为外部脉冲信号源，并通过计算机中的DIRAC软件对脉冲响应数据进行处理（见图3）。

3 与主观评价相关的客观物理指标

客观音质评价即通过客观物理量，对厅堂音质进行评价。

为了指导厅堂声学设计，还必须寻找能与音质主观评价良好相关的客观物理指标。这些指标应该是可以用仪器测量获得，或可以通过公式计算得到。

3.1 运用脉冲响应技术可测出的物理参量

（1）混响（Reverberation）

早期反射声EDT（Early decay time）

混响时间T30（Reverberation time ）

低频比BR（Bass ratio）

（2）声压级分布（Level）

脉冲响应信噪比INR（Impulse response to noise ratio）

信噪比SNR（Signal to noise ratio）

（3）能量比（Energy ratios）

明晰度C80（Clarity）

清晰度D50（Definition）

（4）语言清晰度（Speech intelligibility）

语言传输指数（女）STI female（Speech transmission index）

语言传输指数（男）STI male（Speech transmission index）

房间声学语言传输指数RASTI（Room acoustics STI）

3.2 厅堂音质多项参量与主观评价的独立性和互动性

混响时间T30与丰满度、活跃度以及清晰度等主观音质感受有关。

而与增强丰满度有关的两个参数，第一个因素是T30的长度，特别是EDT的长度；第二个因素是混响声能与早期声能之比。

低频反射声丰富的音质称为具有温暖感，对应的物理参量BR，而把中、高频反射声丰富的音质称为具有活跃度。

混响时间还影响语言的清晰度、音乐的明晰度。T30长则丰满度增加而清晰度下降。

亲切度主要取决于初始延时间隙ITDG，即直达声与第一个反射声的时间间隔。

4 脉冲响应的音质评价

4.1 测试方法

对6个不同的厅堂A、B、C、D、E、F进行测试（见图4），并统一测试条件。声源S位置均设在台唇大幕线中点，并均用一把发令枪作为脉冲声源。代表点均设在5～11排之间（见表1），即贵宾席中间位置（图5）。

4.2 不同厅堂同一位置上（近似）脉冲响应图（500 Hz）的对比分析

通过听声音获得了评价语言（注：大量的评价语言的收集和整理工作还需后续课题继续研究，在这里的评价语言仅为举例），再分析评价语言与响应图、物理量之间的对应关系。

分析见图6，听厅堂F的声音时明显发现有颤动回声的现象，对于及时有效地发现厅堂存在的声缺陷有重要意义。

混响时间T30（以500 Hz为例）根据赛宾公式推断，包络线的斜率越大，混响时间越短，反之越长，与图7、图8显示的实测物理参量相符。

音乐明晰度C80定义是前80 ms声能与80 ms后声能的比值，因此从脉冲响应图中可看出，80 ms前的能量越多，音乐明晰度C80值越大。厅堂D的C80值大，厅堂E的C80值小，与图6显示的实测物理参量相符。

看能量分布情况：厅堂E的脉冲响应图中有一团团的能量团，是颤动回声的表现（见图7）。

4.3 分析某一厅堂代表点的脉冲响应图发现声场存在的问题

以厅堂E为例，并从脉冲响应图和脉冲响应声音中可以分析出，该声场存在颤动回声的声缺陷，下面就把脉冲响应图进一步展开分析，见图9。

经分析发现，厅堂E的脉冲响应图中只有在中频500 Hz～1 000 Hz的声音出现颤动回声的现象，说明脉冲响应图可以很直观地反映声场存在的问题，并可快速找到产生声缺陷的频段，为解决声场问题提供可靠的理论依据。

5 结论

运用脉冲响应的音质评价技术，通过发射一个近似理想的脉冲信号，即可获得该厅堂固有的传递函数，就掌握了该厅堂的声学特性。通过分析响应图和对应的听声音，可以更直接地评价厅堂音质的优劣，还能快速发现厅堂可能存在的声学问题。获得了厅堂的传递函数，还可以卷积不同的激励函数 ，比如音乐等，即可模拟现场演奏的效果。在不久的将来，可应用于可听化模拟仿真技术中。并对于厅堂音质设计起到一定的指导和改善作用。

总之，与传统的截断法测量相比，脉冲响应法有以下优点：（1）在传统的截断法测量中对声场环境要求很严格，而脉冲响应法则对环境的要求相对较低；（2）方法便捷，具有信噪比高、速度快、精度高等优点；（3）规避了主观音乐美学的影响。

参考文献：

[1] 焦李成. 非线性传递函数理论与应用[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，1992.

[2] 孟子厚. 音质主观评价的实验心理学方法[M]. 北京：国防工业出版社，2008.

[3] 杨春花. 室内声场脉冲响应的测量[M]. 北京：冶金工业出版社，2010.

作者简介：

乌日乐，中国艺术科技研究所工程师，主要从事舞台灯光、音响现场检验检测方法的研究，以及相关标准的制修订工作。

（编辑 王 芳）