基于結構參數變化的封閉空間聲場聽覺感知變化性研究

李榮, 曾向陽, 王海濤, 李娜

(1．西北工業大學航海學院，陜西西安710072; 2．海洋聲學信息感知工業和信息化部重點實驗室( 西北工業大學) ，陜西西安710072; 3．深圳市騰訊計算機系統有限公司，廣東深圳518000)

人類聽覺系統能夠感受并處理與空間結構參數直接相關的聲音信息并以此為基礎評定空間聲場的聲品質。Sandvad[1]發現，聽音者可根據經由聲學設備回放的室內聲場雙耳信號從大量不同的房間圖片中準確辨識出聽到的聲音來自哪個房間。Mcgrath等人[2]發現，無論是視力正常(被蒙住雙眼)的聽音者還是盲人聽音者都能夠借助自己的說話聲和房間內的其他偶發聲判斷室內空間的大小；盲人聽音者則能夠更加快速、準確地完成聽音任務[3]。由此可見，深入開展因結構參數變化引發的封閉空間內部聲場聽覺感知研究，對探索人類空間聽覺機制，檢驗將聽覺虛擬仿真技術應用于空間聲場聽覺實驗研究的有效性等，均具有重要意義。

針對空間聲場的聽覺實驗研究必須輔之以恰當有效的測量方法。傳統的做法是開展現場聽音評價。然而，這種方法在實際中往往即低效又耗時。例如，為比較地處不同城市甚至不同國家的廳堂的音質，現場聽評要求聽音者輾轉于不同的“現場”，這是一個既費時又費力(人力和財力)的過程，不可避免會受到聽覺記憶時效性的影響。對于那些尚未建成的廳堂，則無法采用現場聽評法。倘若在廳堂建成后才發現內部聲場存在音質缺陷，改建的代價將更大[4]。因此，在廳堂設計階段極有必要引入音質設計和評價，以便及時發現問題、規避損失。

雙耳技術和數字信號處理技術的開發與應用，使得在復雜聽覺環境(如音樂廳)中開展心理聲學實驗研究變得容易。借助封閉空間聽覺場景模擬，不但可以輕松實現不同類型空間聲場間的迅速切換，更高效地完成聲信號采集和重放，而且能夠極大地降低對聽音者聽覺記憶能力的要求[3]。

鑒于以上考慮，本文通過對具有不同結構參數的封閉空間開展聽覺場景模擬，借助雙耳虛擬仿真技術，重點研究了因封閉空間結構參數的變化引發的內部聲場聽覺感知的變化性及其變化程度[5-8]。

1 基于ODEON的封閉空間聽覺場景模擬可行性研究

ODEON[9-10]是由丹麥科技大學研制的基于幾何聲學原理的建筑聲學模擬軟件。該軟件采用虛聲源法[11-12]與聲線跟蹤法[13-15]相結合的混合法[16]以及第二聲源法(次級聲源法)[17]，能夠實現對各類封閉空間進行內部聲場的計算并對擬采取的噪聲控制措施及其效果進行仿真模擬。國內外很多人[18-21]研究并證實了該軟件模擬室內聲場時的可信度。本文將借助聽音實驗，研究將ODEON 8.0用于封閉空間聽覺場景模擬的可行性。

首先，借助球形聲源和模擬人工頭等設備(詳見表1)，采集某真實房間內的雙耳信號。隨后，利用ODEON 8.0建立該房間的室內聲場模型、求取雙耳房間脈沖響應并借助虛擬聽覺生成技術實現雙耳可聽化。最后，設計并完成聽音實驗，比較在真實房間中錄制的實際雙耳信號與借助ODEON 8.0模擬室內聲場后得到的模擬雙耳信號在聽感上的一致性程度，檢驗將ODEON 8.0用于封閉空間聲場聽覺感知研究的可行性。

表1 實驗儀器

1.1 真實房間雙耳信號采集

在空間尺寸不同的2個普通房間(見圖1)內,以球形聲源播放原始干信號并配以人工頭進行雙耳信號采集。兩房間的結構參數見表2。其中,L,W,H分別表示封閉空間的長、寬、高,S表示內表面積,V表示容積。

表2 真實房間尺寸

選取房間底面短邊中點為坐標原點,建立笛卡爾坐標系。在此坐標系下,房間內窗戶的頂點坐標分別為:房間A(2.45,-3.25,1.00),(2.45,-3.25,2.40),(0.75,-3.25,2.40),(0.75,-3.25,1.00);房間B(5.70,0.50,1.00),(5.70,0.50,2.40),(5.70,-1.00,2.40),(5.70,-1.00,1.00)。

在房間A內,將球型聲源分別布放于位置不同的2處,記為:PA1(3.60,0,1.50)和PA2(1.60,-2.25,1.50),同時設置2處人工頭接收點RA1(1.60,1.55,1.13)和RA2(5.70,-1.55,1.13)。在房間B內,聲源及接收點的位置坐標為:PB1(2.00,0,1.50),PB2(4.00,-0.30,1.50);RB1(1.00,-1.00,1.13),RB2(5.00,1.00,1.13)。采集2個房間內4種聲源與接收點位置組合方式下的雙耳信號,分別記為PA1RA1,PA1RA2,PA2RA1,PA2RA2;PB1RB1,PB1RB2,PB2RB1,PB2RB2。聲信號采集過程中,房間窗戶始終保持關閉狀態。

圖1 真實房間內的雙耳信號采集

1.2 基于ODEON的虛擬房間雙耳聽覺模擬

利用ODEON 8.0,繪制長方體房間模型,設置吸聲系數(混凝土和玻璃),選取聲源與接收點(位置坐標與真實房間相同),采用聲線追蹤法(聲線數為5 000條),分別建立對應房間A和B的聲場模型(如圖2所示),計算上述虛擬房間內各接收點處的雙耳脈沖響應,共8個(響應時長均為1 s)。

圖2 房間A聲場ODEON 8.0模型

將1.1節中的原始干信號分別與8個虛擬房間雙耳脈沖響應中每一耳的脈沖響應做卷積。最后,將卷積后的左、右耳信號,采用經過適當均衡和調整的頭戴式耳機回放,產生與真實房間各接收點一一對應的“虛擬聽覺”。

1.3 真實與模擬雙耳信號聽覺感知一致性評價實驗

設計并進行聽覺實驗,組織20 位有經驗的聽音者,以Sennheiser HD280 Pro 頭戴式耳機成對(“真實的”與“模擬的”)回放雙耳信號。指導聽音者判斷每對聲音在聽覺感知上是否可區分。根據實驗結果,評價“真實的”與“模擬的”雙耳信號在聽覺感知上的一致性程度,驗證將ODEON 8.0用于室內聲場聽覺模擬研究的可行性與有效性。

1.4 實驗結果

分析處理全部聽音評價的結果,如圖3所示。圖中,氣泡越大表示聽音實驗中選擇該項的人數越多,以下氣泡圖中表示與此相同。

顯然,“真實的”與“模擬的”雙耳信號在聽覺感知上不具備明顯可分性,聽感一致性程度高。因此,借助ODEON 8.0能營造出具有高保真度的虛擬聽覺環境。在開展封閉空間聽覺模擬及其相關研究時,輔之以ODEON 8.0模擬室內聲場的做法是可行的。

圖3 真實與模擬雙耳信號的可分性

2 結構參數不同的封閉空間聲場聽覺感知研究

依據1.2節中所述方法,考慮封閉空間的容積、壁面吸聲系數與形狀3種結構參數,利用ODEON 8.0建立封閉空間模型并獲取模擬雙耳信號,用以定量研究結構參數不同的封閉空間內部聲場在聽覺感知上的變化性及其變化程度。

2.1 模擬雙耳信號的產生

利用ODEON 8.0建立具有不同結構參數的封閉空間模型。

建立容積分別為24,96,192 m3(具體尺寸見表4),壁面均為厚坑砂灰泥抹光磚墻(各頻率吸聲系數見表3)的3個長方體空間模型,記為:a,b,c。各空間內的聲源(1個)及接收點(4個)位置見表5。

表3 厚坑砂灰泥抹光磚墻壁面吸聲系數

表4 不同容積封閉空間模型尺寸

表5 不同容積封閉空間中聲源及接收點位置

針對壁面吸聲系數的影響,分別構建α=0.00(全反射),α=0.50,α=1.00(全吸聲)和壁面為厚坑砂灰泥抹光磚墻,容積為192 m3的4種長方體空間模型,記為:a,b,c和d。各空間內聲源及接收點位置同表5中空間c

針對空間形狀的影響,分別建立長方體、半圓柱體、半球體封閉空間模型,具體空間尺寸見表6。設定空間容積為96 m3、壁面均為厚坑砂灰泥抹光磚墻。各空間內的聲源及接收點位置見表7。

表6 不同形狀封閉空間模型尺寸

表7 不同形狀封閉空間中聲源及接收點位置

綜上所述,本次研究建立了具有不同容積、壁面吸聲系數和空間形狀的封閉空間模型共8個,用于研究其內部聲場在聽覺感知上的變化性及其變化程度。

選取研究型計算等級(聲線數最多,計算結果更精確),設定聲線數為5 000條,取雙耳脈沖響應時長為1 000 ms。隨后,計算前上8種封閉空間模型的室內雙耳脈沖響應并將原始干信號分別與之卷積,獲取不同模擬空間內部、不同位置處的雙耳信號,共計32個。

2.2 聽覺感知差異性及其程度評價

設計聽覺實驗,研究不同結構參數封閉空間的模擬雙耳信號在聽覺感知上的變化性及其變化程度。對于可區分的雙耳信號,重點評價信號間的區分難易程度,即“不明顯”、“有點明顯”、“比較明顯”、“非常明顯”、“極其明顯”[22]。實驗儀器同1.3。依據封閉空間的容積、壁面吸聲系數與形狀3種結構參數,將所有雙耳信號分類整理,并依據表8中的順序進行成對比較。

表8 模擬雙耳信號主觀實驗比較順序

表8雙耳信號名稱中,第一個字母表示空間模型編號,第二個數字表示接收點位置。如“a1”表示空間a中1號接收點位置的模擬雙耳信號。

聽音實驗中,要求每位聽音者完成2項任務:①判斷每對雙耳信號是否可區分;②以雙耳信號可區分為前提,判斷兩信號的區分難易程度。

2.3 封閉空間聲場參數變化對聽覺感知的影響規律

收集整理全部評價數據,進行以下分析。

1) 依據研究中確定的3種封閉空間結構參數,即容積、壁面吸聲系數、形狀,分類統計任務①的評價數據,剔除異常值。對有效數據的分析結果顯示:絕大多數聽音者都認為封閉空間結構參數的變化是可區分的,尤其是封閉空間壁面吸聲系數的變化。換句話說,封閉空間結構參數的變化能夠引發明顯的聲場聽感變化性。

圖4 不同結構參數封閉空間聲場聽感變化性

2) 剔除聽音任務②評價結果中的異常值,對有效數據進行分析,結果如圖5～圖8所示。

對于容積分別為24,96,192 m3,壁面均為厚坑砂灰泥抹光磚墻的3個長方體封閉空間,相應的空間容積絕對變化量分別為|a-b|72,|b-c|96,|a-c|168 m3,如圖5所示。

圖5 容積改變引發的空間聲場聽感變化程度(不同接收點處)

圖中,折線表示所有有效評價結果的平均值變化趨勢,點線表示平均值變化范圍,以下圖中表示均與此相同。由圖5可知:①封閉空間容積改變引發的室內聲場在聽覺感知上的變化性并不十分顯著。大多聽音者表示:此時的聽感可區分性程度為“不明顯”或“有點明顯”。②隨著空間容積差值的增加,室內不同接收點處的聽感可區分程度的變化規律并不一致。由此可知,變換接收點位置,能夠在一定程度上影響因容積改變引發的室內聲場聽感變化性。

計算壁面吸聲系數不同,容積、形狀均相同的4個封閉空間的吸聲量,分別為0,104,208,31.98 m2(其中,空間d的α按照GB-T 3947-1996計算),則相應的空間吸聲量絕對變化量分別為|a-d|31.98,|b-d|72.02,|c-d|176.02 m2,如圖6所示。

圖6 壁面吸聲系數改變引發的空間聲場聽感變化程度(不同接收點處)

由圖6可知:①即使封閉空間的容積、形狀一致,聲源與接收點位置保持不變,聽音者仍然可以明顯感受到室內聲場的變化,一致認為此時的聽感可區分性程度為“非常明顯”或“極其明顯”。②封閉空間a(α=0)與d(內部均為水泥抹光壁面)最容易區分。所有聽音者都表示二者間的聽感差異“極其明顯”。分析其原因:當α=0時,封閉空間內部混響強烈,聲能衰減十分緩慢,雙耳信號能量達到極大值。③除α=0的極端條件之外,當分別將封閉空間b(α=0.5)和c(α=1)與較接近普通房間的空間d內的聲場進行比較時發現,隨著室內吸聲量差值的逐漸增加,聽音者能夠更容易地感受到空間聲場的聽感變化性。可見,不同封閉空間之間,吸聲量的絕對變化越顯著,其空間聲場在聽感上越容易被區分。此外,隨著室內吸聲量差值的增大(如圖6中的|b-d|和|c-d|組數據),聽音者個人之間主觀評價結果的差異逐漸變小,對聲場聽感變化性的感受呈現出趨同性。④接收點位置的變化,對由壁面吸聲系數的改變引發的聲場聽感變化性,并未造成顯著影響。

圖7 形狀改變引發的空間聲場聽感變化程度(不同接收點處)

由圖7可知:①聽音者能夠比較明顯地感受到因空間形狀改變導致的聲場聽感變化。②比較發現,對于3種不同形狀的封閉空間,在空間聲場聽感上,最容易區分的是長方體和半球體形空間。究其原因:半球體封閉空間聲場中會出現聲聚焦現象。而建模過程中,并未刻意避免聲源及接收點位置與聲聚焦點的重合,這就可能導致聽音實驗中所用的模擬雙耳信號來源于聲聚焦位置。③接收點不同,空間聲場聽感可區分程度的變化規律不一致。顯然,改變接收點位置,能夠在一定程度上影響因空間形狀改變引發的聽感變化性。

圖8 封閉空間結構參數改變引發的聲場聽感變化程度

綜合所有聽音評價結果(不區分接收點位置)，如圖8所示。對于封閉空間的容積、壁面吸聲系數與形狀，這3種不同的結構參數而言，最容易引發室內聲場聽感變化的參數是壁面吸聲系數。另外，選取不同的接收點，能夠在一定程度上影響因結構參數(如空間形狀、空間容積)變化引發的空間聲場聽覺感知。可見，在開展有關空間聲場聽感設計或評價的研究中，不僅需要從空間結構(形狀、容積)的角度設計內部聲場音質，還需要從室內設計的角度出發，兼顧壁面性質以及接收點位置對聽感的影響。例如，電話會議中揚聲器的擺放位置及參會人員的落座位置；劇場中觀眾坐席及演奏者的位置等[23]。

3 結 論

本文以雙耳可聽化技術配合室內聲場測量，對具有不同結構參數的封閉空間開展聽覺場景模擬并借助雙耳虛擬仿真技術，重點研究了因封閉空間結構參數的變化引發的內部聲場聽覺感知的變化性及其變化程度。

研究發現：在開展有關封閉空間內部聲場的聽覺感知研究時，應考慮不同空間結構參數的差異性。封閉空間內表面的壁面吸聲系數是決定并影響內部空間聲場聽感變化性及其變化程度的重要因子，各種與之相關的結構參數(如形狀、容積)對室內聲場聽感的影響，究其根本原因，均是由于空間結構的變化改變了室內吸聲量進而影響空間聽覺。最后，開展聽音位置的設計研究也是獲取高品質室內音質的有效途徑。