IH饭煲声品质客观评价方法研究

何志超 陈明明 李 彬,2,3 顾然升 王 领

（1.珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070；2.空调设备及系统运行节能国家重点实验室 珠海 519070；3.广东省制冷设备节能环保技术企业重点实验室 珠海 519070）

引言

随着生活质量的普遍提高，人们对IH饭煲的要求也逐步提升，特别是对于噪声的关注不再停留在声音大小层面，而是更加注重听觉舒适度——声品质[1]。基于声品质的概念对噪音进行评价，可以更好的反应人对声音的主观印象。因此，传统意义上的A 计权声压级评价标准已经不能满足现阶段IH饭煲噪声信号特征的评价要求[2]。

近年来国内外有大量将声品质应用于产品设计和制造的实例，前期以汽车业为主，Kang等人[3]研究了汽车喇叭的声品质，并提出了汽车喇叭的声品质评价模型。目前，声品质评价在家电领域也逐渐得到应用，2007年，尤晋闽等人[4]通过对空调压缩机噪声声品质的主观评价结果进行回归分析后，提出了一种噪声声品质主观偏好性值的预估模型，优化了传统的声品质主观评价方式。2016年，陈风梅等人[5]对空调的声品质评判方法也进行了研究，并通过大量的数据分析，确定了声品质评价参数指标与人的主观感受之间的联系，提出了一种声品质模态方程。2019年，胡佳伟等人[6]通过建立新的线性回归模型对空调室外机的拍振噪声声品质进行了客观评价，评价方法快速准确，大大缩短了噪声评价时间。此外，声品质在火车[7]、吸油烟机[8]等领域也有广泛的应用。

目前IH饭煲的声品质都是以人耳的主观感受去评价音质的好坏，由于个体差异导致评价结果有很大的争议。本文主要以多款IH饭煲为例，从声品质的角度对IH饭煲的噪声音质进行探究，利用人耳系统采集大量的声品质客观参数，并结合主观评价结果进行线性回归分析，提出了一套IH饭煲声品质评价方法，优化了传统的IH饭煲声品质评价方法。

1 声品质评价参数

在生活电器领域，声品质为用户对产品噪声特性的主观感受。声品质的影响因素较多，对于IH饭煲产品而言，声品质的主要评价参数[9]有：响度、尖锐度、抖动度、粗糙度、A计权声压级等。

1.1 响度

响度（loudness）是表征声音品质的一个重要特征，声音的响度是人耳对于声音能量的主观反映，表示声音能量的强弱程度。响度的单位是宋（Sone），定义1 kHz、40 dB的纯音的响度为1宋，响度与A计权相似，但是比A声级更为准确地反映人耳所感受到声音信号的响亮程度。

1.2 尖锐度

尖锐度（sharpness）是描述声音的高频成分在频谱中所占比例的物理量。反应了人对高频噪声的主观感受，同时也客观反应了声音的刺耳程度和音色特征；尖锐度的单位是acum，定义中心频率为1 kHz、带宽为160 Hz的60 dB窄带噪声的尖锐度为1 acum，并且尖锐度随声音高频成分的增加而逐渐增加，随低频成分的增加而逐渐减小。

1.3 抖动度

抖动度（Fluctuation Strength，又称波动度）是描述声音的瞬时变化造成声音的起伏感，主要用于声音低频区域。抖动度的单位是vacil，定义声压级为60 dB，1 KHz的纯音在调制频率为4 Hz的声信号100 %调幅时产生的抖动度为1 vacil。

1.4 粗糙度

粗糙度（Roughness）是表征人对声音信号被快速的15～300 Hz幅度调制后给人带来的听觉感受，此时感觉到的声音是稳定的，同时也是粗糙的、令人厌恶的。与抖动度相类似，粗糙度也是表征声音的时域变化现象，不同之处为抖动度表征的是声音信号的低频变化，而粗糙度表征的是声音的高频变化。粗糙度符号为R，单位是asper，定义60 dB的1 kHz纯音在调制频率为70 Hz的100 %调幅作用下产生的粗糙度为1 asper。一般而言，当调制频率低于20 Hz时（参考频率为4 Hz）为抖动度特性，高于20 Hz时（参考频率为70 Hz）为粗糙度特性。

1.5 A计权声压级

A计权（A Weighting）为四种频率计权方式的一种，人耳对不同频率声音的感受程度是不一样的，同样强度的声音，若其频率不同，则人耳的感受也不同。声音通过A计权后得到的结果和人耳感觉十分接近，因此通过A计权能够反映人们对声音的主观感受。

2 声品质试验及样本采集

2.1 人头测试系统

噪声样本采集基于某品牌IH饭煲噪声实验室开展，该噪声室引进了丹麦B&K公司生产的4100-D仿真人工头和3050-A-060六通道测试系统用于声品质测试的声音采集，人工头对人外耳的所有声学相关部分进行了有效模拟[10]，其外形也参照了人体的几何尺寸设计，可以非常准确地实时完成声音的双耳记录，为使声音样本能清晰地回放，采用Sennheiser的高保真HD650耳机及专业声卡。

2.2 声品质测试方法

本次声品质测试的样机为五款IH饭煲，每款电饭煲有两种系列，分别编号为1-1/1-2、2-1/2-2、3-1/3-2、4-1/4-2、5-1/5-2。声品质试验的测试方法如图所示，样机位于5～10 mm的弹性胶垫上，同时处于噪音室的正中间，噪声采集点如图1所示，分布在样机前后左右四个方向，距离样机水平距离1 m的，高度为样机高加一米除以二。

图1 样机噪声采集点布置图

2.3 样本数据的采集

利用上述噪声采集方法分别对五款机型进行噪声声品质参数采集，共采集样本10个。随机选取10位某公司生活电器行业工程师，工程师听力正常，具有丰富的生活电器噪声主观评价经验。根据对IH饭煲的声源分析，其主要存在排气扇旋转噪声和电磁噪声，故本次主观评价主要针对IH饭煲噪声的“声音大小”以及“声音音调”进行评分，因此，工程师通过上述回放系统分别对样机噪声的大小和音调进行主观评价，并且按照表1要求进行评分，得分越低，表明声品质越差[11]。

表1 样本噪声主观评价评分表

评分完成后，通过计算，得到每个样本的平均得分，即样本主观评价分数，结果如表2所示。

表2 噪声样本主观评价（平均分）

通过计算对IH饭煲整个过程的采集数据，并进行分析，得到10组电饭煲的声品质参数，如表3所示。

表3 噪声各样本客观声品质参数

3 主客观评价相关性分析

为寻找工程师主观评价结果和产品噪声声品质参数的内在联系，将客观采集的样本数据与主客观评价结果进行相关性分析，分析结果如图2所示。

图2 主观评价与客观参数相关性分析结果图

从图2中分析结果可知，声音的大小与A计权声压级的相关系数为0.631，与抖动度的相关系数为0.614，与响度的相关系数为0.988，与粗糙度的相关系数为0.522，与尖锐度的相关系数为-0.439；因此，声音大小与A计权声压级、抖动度、响度、粗糙度分别呈正相关，并且与响度的正相关性较强；声音大小与尖锐度呈偏好性负相关，且相关系数不超过0.5。声音的音调与A计权声

压级的相关系数为-0.352，与抖动度的相关系数为-0.002，与响度的相关系数为-0.264，与粗糙度的相关系数为0.243，与尖锐度的相关系数为0.968；因此，声音音调与A计权声压级、抖动度、响度、成呈负相关，并且相关性均不高；声音音调与粗糙度呈偏好性正相关，相关系数为0.243，与尖锐度呈正相关，相关系数为0.968；因此，声音音调与尖锐度呈正相关，且相关性较高。

综合以上分析，IH饭煲声品质可以分别利用声品质参数响度和尖锐度进行综合评价。该试验结果同时证明，用传统以A计权声压级评价方法评价IH饭煲的声品质时，会低估人的主观感受，评价结果有偏差。

4 客观评价模型的建立

明确主观评价与客观参数的相关性后，后续为进一步量化两者之间的相关性，需要建立多元线性回归模型，本文以主观评价声音大小和音调为因变量，以客观评价参数为自变量，并根据所选因变量和自变量数量不同，分别建立一元、二元、三元等多元线性回归模型用于噪声评价。

4.1 声音大小一元线性回归模型

以主观评价声音大小为因变量，与之相关性最好的响度为自变量，建立一元线性回归模型：

式中：

SQ1—声音大小主观评价值；

a—待定常数；

b—回归系数；

L—响度。

利用最小二乘法可求得待定常数和回归系数，并代入式（1）中，得到一元线性回归模型：

SQ1=-0.797+0.988·L

经计算该模型的复相关系数为0.986，具有较高的拟合度。

4.2 声音大小二元线性回归模型

以主观评价声音大小为因变量，响度和A计权声压级为自变量，建立二元线性回归模型：

式中：

c—回归系数；

A—计权声压级。

利用最小二乘法可求得待定常数和回归系数，并代入式（2）中，得到二元线性回归模型：

SQ1=-1.735+0.861·L +0.031·A

经计算该模型的复相关系数为0.992，具有较高的拟合度。

4.3 声音大小三元线性回归模型

以主观评价声音大小为因变量，响度、A计权声压级、抖动度为自变量，建立三元线性回归模型：

式中：

d—回归系数；

F—抖动度。

利用最小二乘法可求得待定常数和回归系数，并代入式 （3）中，得到三元线性回归模型：

SQ1=-2.127+0.893·L +0.041·A-0.256·F

经计算该模型的复相关系数为0.993，具有较高的拟合度。

4.4 声音音调一元线性回归模型

声音音调与尖锐度的相关性较高，而与A计权声压级、抖动度、响度、粗糙度的相关性较低，且相关系数均为超过0.5，因此声音音调主要以尖锐度来进行评价，本文中以主观评价声音音调为因变量，尖锐度为自变量，建立一元线性回归模型：

式中：

SQ2—声音音调主观评价值；

a—待定常数；

b—回归系数；

S—尖锐度。

利用最小二乘法可求得待定常数和回归系数，并代入式（4）中，得到一元线性回归模型：

SQ2=-2.903+3.161·S

经计算该模型的复相关系数为0.964，具有较高的拟合度。

比较声音大小的客观评价模型，发现三元模型的复相关系数最大，因此，可选用三元模型来对声音大小进行客观评价；声音音调可以用一元线性评价模型进行预估。

5 模型可靠性验证

为验证上述选用模型的可靠性，按上述方法继续采集5款电饭煲的噪声样本数据，同时请工程师进行主观评分判定。利用上述选用的两种线性回归模型预估主观评价值，预估结果如下表4所示。通过表中数据得出所选用模型的预估值与主观评价值相差不大，且误差率均在10%以内，因此，本文所选用的预估评价模型可用于IH饭煲的声品质评价。

表4 模型预估评价表

6 结论

在生活电器领域，传统评价方法是以A计权声压级作为产品声品质的主要评价参数，目前，此领域中也一直缺少声品质的评价方法和判定声品质好坏的标准评价模型。本文以IH饭煲为例，通过系统采集数据，结合主观评价结果，以及线性分析后发现，声音大小与响度的相关性较大，与A计权声压级和抖动度相关性次之；声音音调与尖锐度的相关性较好；提出了IH饭煲声品质的多元回归模型评价方法，并且验证了该评价方法的准确性，发现该多元回归模型评价方法的误差率不超过10 %，因此，回归模型预估值比较精确，评价结论可用于评价体系中，优化了传统IH饭煲评价方法。