音頻注入抑制噪聲煩惱感的標(biāo)準(zhǔn)樣本評價法

陳克安, 李豪, 鄧云云, 張珺, 劉健犇, 周兵

(1.電網(wǎng)環(huán)境保護國家重點實驗室, 湖北 武漢 430000; 2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072)

聲環(huán)境與人類的活動息息相關(guān)，在生理和心理以及行為習(xí)慣等方面都給人們帶來極大影響。噪聲污染會影響人們正常的工作、學(xué)習(xí)和生活，甚至?xí)ι硇慕】诞a(chǎn)生危害。噪聲污染治理已成為現(xiàn)代環(huán)境保護的核心問題之一。傳統(tǒng)的減法控制方式以降低聲能量為目標(biāo)，但站在聽覺感知的角度看，噪聲控制的最終目標(biāo)是降低噪聲引發(fā)的煩惱感。近年來，一種在原始噪聲中注入調(diào)控聲以降低其煩惱感的方法受到重視，該方法被稱為音頻注入法(audio injection,AI)。原始噪聲稱為目標(biāo)聲(target sound,TS)，加入的聲音稱為調(diào)控聲(controllable sound,CS)，混合后的聲音稱為疊加聲(combined noise,CN)。較之傳統(tǒng)的減法控制策略，音頻注入法具有實施簡單、成本低廉、易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點，逐漸成為噪聲控制領(lǐng)域的前沿和熱點課題。

人對聲音的主觀感覺不僅僅取決于響度，還與聲音的音調(diào)、音色和主觀持續(xù)時間有關(guān)[1]。變電站噪聲低頻成分較多，但A計權(quán)曲線對低頻段衰減較多，低頻噪聲的A聲級往往較低，因此傳統(tǒng)的以反映聲音響度為主的計權(quán)聲級不能完全表征人對噪聲的主觀感覺，這一點已成為絕大多數(shù)噪聲控制專家的共識，也被國內(nèi)外數(shù)篇學(xué)術(shù)論文所證實[2]。

研究發(fā)現(xiàn)，組合噪聲煩惱感的“相消效應(yīng)”和“相長效應(yīng)”源于噪聲的能量掩蔽和信息掩蔽機制，其中“相消效應(yīng)”在多個領(lǐng)域具有極強的應(yīng)用價值。在此基礎(chǔ)上，人們提出了各種基于聲音疊加提高聲環(huán)境舒適性的方法，先后用于抑制不同類型的噪聲污染(如道路交通噪聲[3]、風(fēng)力機組噪聲[4])、在開放式辦公室中提高聲音的舒適感及增強語音交流的私密性[5]，以及提升城市聲景觀品質(zhì)[6]。上述研究主要是以主觀評價實驗(如量值估計法、評分法)為基本手段，尋找使疊加聲煩惱度降低的調(diào)控聲。研究表明，自然聲中的流水聲、鳥鳴聲、風(fēng)聲等對舒適性的提高尤為顯著[7]。此外，人們還研究了加入調(diào)控聲實現(xiàn)聲音愉悅度控制的系統(tǒng)設(shè)計問題[8]。

在噪聲主觀評價研究中，國內(nèi)學(xué)者同樣進行了利用添加噪聲實現(xiàn)目標(biāo)噪聲煩惱度調(diào)控的嘗試。浙江大學(xué)[9-11]開展了基于聲調(diào)控法的不同類型噪聲主觀煩惱度降低實驗研究，先后選取不同強度的粉紅噪聲、調(diào)頻純音或流水聲，加入熱泵機組結(jié)構(gòu)傳聲、變電站噪聲、風(fēng)電機組噪聲，在實驗室內(nèi)采用評分法等手段研究聲樣本的主觀煩惱度，探索了疊加聲類型及其聲學(xué)參量改變對原始低頻聲主觀煩惱感的影響，也探索了改進后的Zwicker心理聲學(xué)煩惱度模型，使得模型更適用于有調(diào)噪聲煩惱度估計。

上述研究驗證了音頻注入法抑制噪聲煩惱感的可行性，但不能對其抑制效果進行定量分析。本文以變電站噪聲為目標(biāo)聲，首先進行目標(biāo)聲特性分析，選取合適的調(diào)控聲開展主觀評價實驗研究，然后分析不同調(diào)控聲對于變電站噪聲的煩惱感抑制效果。在此基礎(chǔ)上，提出了一種音頻注入抑制噪聲煩惱感的標(biāo)準(zhǔn)樣本評價法，得出噪聲煩惱度下降與等效聲壓級降低的關(guān)系，建立起加法控制與減法控制統(tǒng)一評價平臺，為音頻注入法研究提供理論支撐。

1 標(biāo)準(zhǔn)樣本法

通常情況下，在主觀評價實驗中利用參考評分法進行煩惱度評分時，參考聲樣本的選擇范圍是目標(biāo)聲、調(diào)控聲、疊加聲中煩惱度居中的聲樣本，但該方式不能定量分析加法控制與減法控制效應(yīng)，無法橫向?qū)Ρ韧徽{(diào)控聲對不同類型噪聲的煩惱感抑制效果，因此提出標(biāo)準(zhǔn)樣本法，進一步完善主觀評價實驗的評分效率及實驗準(zhǔn)確度。

標(biāo)準(zhǔn)樣本法選取1 kHz,70 dB純音樣本作為參考聲樣本。選取理由如下：根據(jù)我國《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3096-2008)的規(guī)定，2,3,4類聲環(huán)境功能區(qū)晝間限值分別為60,65和70 dB(A)；且我國《工作場所職業(yè)病危害作業(yè)分級第4部分：噪聲》(GBZT 229.4-2012)規(guī)定職業(yè)噪聲的下限為80 dB(A)。因此在確保不損傷被試聽力的前提下，選取聲壓級為70 dB(A)的聲音比較合適，且純音沒有音調(diào)特性等方面的干擾，同時考慮到變電站噪聲有調(diào)特性較為明顯，在100 Hz及其高次諧波頻率處含有明顯的音調(diào)分量，因此選取1 kHz,70 dB純音樣本作為參考聲樣本較為合適。

標(biāo)準(zhǔn)樣本法使用步驟如下：

1) 進行純音煩惱度評價實驗，獲得1 kHz純音煩惱度與其聲壓級關(guān)系曲線，實驗中以1 kHz,70 dB純音為參考聲樣本；

2) 將上述曲線中的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)分別換算為煩惱度下降值Ras與其等效聲壓級變化值Rps，由此得到Ras～Rps曲線；

(1)

式中，At和Ac分別是目標(biāo)聲和疊加聲的煩惱度。

3) 進行疊加聲煩惱度評價實驗，獲得注入不同調(diào)控聲時噪聲的煩惱度下降值，實驗中以1 kHz、70 dB純音為參考聲樣本；

4) 參考步驟2)計算出的Ras～Rps曲線，得到等效聲壓級變化值(Rps)。

2 聲樣本的獲取與分析

本文選取2種特性不同的變電站噪聲作為目標(biāo)聲，其中一種線譜比較明顯，另一種類似于寬帶噪聲。隨后選取7種調(diào)控聲，包括自然聲以及人工合成聲。目標(biāo)聲的總聲級對調(diào)控聲參數(shù)有重要影響，本文研究了音頻注入法對于變電站噪聲原始聲樣本以及降低10 dB后聲樣本的煩惱感抑制效果。

2.1 目標(biāo)聲獲取與分析

本文中的目標(biāo)聲樣本來自于電網(wǎng)環(huán)境保護國家重點實驗室。選擇高壓并聯(lián)電抗器C相隔聲罩內(nèi)聲樣本和變壓器附近巡視走道聲樣本為目標(biāo)聲。其中高壓并聯(lián)電抗器C相隔聲罩內(nèi)聲樣本具有低頻有調(diào)噪聲為主、中高頻寬帶噪聲為輔的特點。為了進一步研究聲壓級對煩惱感抑制效果的影響，將隔聲罩內(nèi)聲樣本的聲壓級降低至70 dB進行對比研究。變壓器附近巡視走道噪聲為低頻噪聲突出的寬頻帶噪聲，有調(diào)特性不太明顯,將其聲壓級降至70 dB進行研究。先前的研究表明，5 s時長的聲樣本可產(chǎn)生穩(wěn)定的感知印象，并避免了因時間過長而導(dǎo)致被試疲勞，這樣可保證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，截取穩(wěn)定狀態(tài)5 s的變電站噪聲進行實驗，采樣頻率為16 000 Hz。目標(biāo)聲的具體信息如表1所示，噪聲的頻譜特性如圖1所示。

噪聲中的線譜是人耳聽覺感知中不舒適的主要體現(xiàn)，會對噪聲煩惱感產(chǎn)生重要影響。3種目標(biāo)聲能量都主要集中在低頻部分。目標(biāo)聲1與目標(biāo)聲2線譜明顯，煩惱感抑制難度較大，只有聲壓級的差異；目標(biāo)聲3有調(diào)特性不太明顯，類似于寬帶噪聲。

表1 目標(biāo)聲編號與參數(shù)

圖1 不同位置目標(biāo)聲的頻域圖

2.2 調(diào)控聲獲取與分析

從專業(yè)聲效網(wǎng)站(www.freesound.com和www.sound-ideas.com)下載了蜜蜂嗡嗡聲、鳥鳴聲、風(fēng)吹樹葉聲、流水聲、海浪聲作為調(diào)控聲，采樣頻率從48 000 Hz降為16 000 Hz。并利用MATLAB合成粉紅噪聲、紅色噪聲等作為調(diào)控聲，經(jīng)過濾波處理，生成帶限粉紅噪聲和帶限紅色噪聲。聲樣本時長5 s，進行初步篩選后，調(diào)控聲具體信息如表2所示。

表2 調(diào)控聲類型與編號

變電站噪聲低頻成分較多，因此可以從頻譜均衡的角度進行調(diào)控聲選取。研究表明[9-13]，自然聲及色噪聲對聲環(huán)境舒適性改善有一定的效果。因此，本文選取上述調(diào)控聲，以不同信噪比與變電站噪聲進行疊加，開展主觀評價實驗，利用參考評分法，探究音頻注入煩惱感抑制效果。

2.3 調(diào)控聲參數(shù)設(shè)置

將調(diào)控聲視為信號，目標(biāo)聲視為噪聲，設(shè)置一系列不同的信噪比，2種聲音組合后得到不同的疊加聲。信噪比的定義如下：

(2)

式中,PS,PT分別為調(diào)控聲和目標(biāo)聲的信號功率。

將3種目標(biāo)聲和9種調(diào)控聲以不同信噪比混合得到疊加聲，用于后續(xù)主觀評價實驗。

3 主觀評價實驗

3.1 被試

本次實驗中，被試選擇要求為年齡在18～50歲、耳科狀況均正常。實驗期間無不適癥狀。并在實驗前對所有被試進行聽力測試，確保在100～8 000 Hz的頻率范圍內(nèi)所有被試的聽閾級都低于15 dB。

本次實驗共選取24名在校大學(xué)生以及研究生作為被試，男女比例1∶2。實驗分3組，每組8人，每次實驗耗時1.5 h。

3.2 實驗環(huán)境與設(shè)備

本次主觀評價實驗選擇在安靜的普通房間內(nèi)進行。房間舒適，燈光柔和，座椅和耳機體驗感舒適，避免被試注意力分散。房間內(nèi)光照均勻、通風(fēng)良好。

為保證所有被試在一致的條件下聽到同樣的聲音，通過頭戴式耳機進行主觀評價實驗，評價結(jié)果不受房間聲學(xué)特性或者被試位置的影響，而且可有效屏蔽外界噪聲干擾且信號失真小。利用MATLAB對聲樣本隨機排序后生成實驗聲樣本片段，由ArtemiS SUITE 11.6通過計算機傳至雙耳耳機均衡器(HEAD lab-compatible binaural headphone equalizers labP2)，然后經(jīng)動圈式高保真立體聲頭戴式耳機(SENNHEISER HD600)播放給被試?；胤胚^程中，控制聲樣本的播放時長、播放間隔和播放順序。這套雙耳聲音回放系統(tǒng)可避免背景噪聲的影響，最大限度保證理想的聽音效果。

3.3 實驗過程

為得到疊加聲煩惱度評分，本次實驗分為三部分：第一部分為預(yù)實驗，初步篩選出9種調(diào)控聲進行疊加聲煩惱度評分實驗。第二部分為純音煩惱度實驗，獲得1 kHz純音煩惱度與其聲壓級關(guān)系曲線，并計算出Ras～Rps曲線。第三部分是疊加聲煩惱度評價實驗，用于音頻注入效果定量分析。考慮到煩惱度5級評價尺度的實驗精度有限，本次實驗采用煩惱度9級評價尺度，具體見表3。

表3 煩惱度9級評價尺度

3.3.1 預(yù)實驗

為了初步篩選調(diào)控聲類型，設(shè)計了預(yù)實驗，選取有豐富主觀評價實驗經(jīng)驗的被試開展實驗，為后續(xù)實驗提供依據(jù)。在預(yù)實驗中，要求被試熟悉聲樣本列表，了解整體聲樣本，在主試的講解下選取一些聲樣本試聽，使被試熟悉聲樣本。以5 dB為步長疊加得到疊加聲。被試每聽完5 s的聲樣本有2 s的時間判斷是否能聽到調(diào)控聲或目標(biāo)聲。為防止被試疲勞導(dǎo)致實驗準(zhǔn)確度下降，每組評分控制在20 min左右，休息10 min后繼續(xù)實驗。直至序列播放完畢。初步篩選出的調(diào)控聲類型如表2所示。

3.3.2 純音煩惱度評價實驗

選取頻率為1 kHz，聲壓級為70 dB的純音作為標(biāo)準(zhǔn)參考聲樣本，將其聲壓級依次下降或上升3 dB，生成待測聲樣本，并進行主觀評價，得到煩惱度評分，以此為依據(jù)，得到1 kHz純音煩惱度與其聲壓級關(guān)系曲線，并計算出Ras～Rps曲線，把主觀評價實驗煩惱度下降值量化為標(biāo)準(zhǔn)參考樣本聲壓級的下降值(dB)。待測聲樣本聲壓級分別為：79,76,73,70,67,64,61,58,55,52,49,46,43 dB。評價方法選取參考評分法。為了進行一致性等檢驗，全部樣本隨機排序后播放，且每個聲樣本隨機出現(xiàn)2次，便于數(shù)據(jù)處理。

3.3.3 疊加聲煩惱度評價實驗

在閾值范圍內(nèi)，以3 dB為步長，疊加得到疊加聲并進行參考評分，聲樣本序列隨機播放。實驗安排與預(yù)實驗類似。

實驗期間被試每次聽到一對聲音，每對包含兩段5 s的聲樣本，中間間隔2 s。第一段聲音為參考樣本(頻率1 kHz,聲壓級70 dB的純音)，本文采用煩惱度9級評價尺度，因此選擇中間值，將參考樣本煩惱度評分設(shè)定為5分，第二段聲音為待評價樣本。在聽完每對聲音后，被試有5 s的時間打分。其中“9”、“5”和“1”分別表示待評價樣本相對參考樣本“非常煩惱”、“同樣煩惱”和“非常不煩惱”。被試聽完一對聲樣本后進行打分，直到聲樣本播放完畢，收集問卷結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析。為了進行一致性檢驗，約1/3的待評價聲樣本隨機出現(xiàn)2次。進行數(shù)據(jù)剔除后，選出被試打分的平均值作為每個疊加聲樣本的煩惱度評分。

3.4 數(shù)據(jù)有效性檢驗

為保證后續(xù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先對數(shù)據(jù)進行有效性檢驗。包括相關(guān)分析、誤判分析以及聚類分析，剔除無效數(shù)據(jù)。

純音煩惱度實驗數(shù)據(jù)有效性檢驗時，如果某個被試的誤判率大于0.2，即一致性系數(shù)低于0.8，則剔除該被試。進行相關(guān)分析時，所有被試對同一聲樣本的2次評價結(jié)果之間的相關(guān)性均大于0.7，說明被試在評價過程中評價尺度相對穩(wěn)定，因此不做數(shù)據(jù)剔除。進行聚類分析時，距離較遠的被試進行煩惱度評分時可能采用了不同的策略，予以剔除。綜上，共剔除6名被試的數(shù)據(jù)，剔除后被試的平均誤判率為0.05，平均相關(guān)系數(shù)為0.95。有效性檢驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 純音煩惱度實驗數(shù)據(jù)有效性檢驗

疊加聲煩惱度實驗數(shù)據(jù)有效性檢驗與純音煩惱度實驗數(shù)據(jù)有效性檢驗采取相同的策略。鑒于疊加聲煩惱度評價實驗采用標(biāo)準(zhǔn)樣本法，實驗中要比較疊加聲相對于1 kHz,70 dB純音的煩惱度，判斷難度高于純音實驗，因此將誤判率剔除的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為小于0.4，即一致性系數(shù)高于0.6。進行相關(guān)分析時，大部分被試對同一聲樣本的2次評價結(jié)果之間的相關(guān)性較高，部分被試的2次評價結(jié)果之間的相關(guān)性低于0.5，說明這些被試在評價過程中評價尺度一直處于一個不固定的狀態(tài)，因此予以剔除。進行聚類分析時，剔除距離較遠和無法與其他被試聚為一類的被試。綜上所述，共剔除8名被試的數(shù)據(jù)，剩余16名被試的數(shù)據(jù)做后續(xù)分析。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 純音煩惱度評價實驗結(jié)果及分析

根據(jù)主觀評價實驗結(jié)果可得1 kHz純音煩惱度與聲壓級關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 1 kHz純音煩惱度與聲壓級關(guān)系曲線

從圖3可以得出，隨著1 kHz純音聲壓級的逐漸增大，被試的煩惱度得分也在逐漸增加，整體呈正相關(guān)趨勢。為保證曲線準(zhǔn)確無誤，曲線的擬合范圍與測量值范圍保持一致，特此說明。

為使曲線更易理解，將上述曲線中的橫縱坐標(biāo)分別換算為煩惱度下降值(Ras)與等效聲壓級變化值(Rps)，由此得到Ras～Rps曲線，如圖4所示。

圖4 Ras～Rps曲線

從圖4中可以得出，當(dāng)煩惱度下降值為20%時，等效于將1 kHz,70 dB純音聲壓級降低5 dB，符合主觀認(rèn)知。為保證曲線準(zhǔn)確無誤，曲線的擬合范圍與測量值范圍保持一致，特此說明。利用此曲線，便可將聲壓級變化值與煩惱度變化值聯(lián)系起來，進行加法與減法控制煩惱感抑制效果評價與分析。

4.2 疊加聲煩惱度評價實驗結(jié)果及分析

對疊加聲煩惱度評價實驗數(shù)據(jù)進行處理，獲得不同調(diào)控聲對于噪聲的煩惱度下降值(Ras)如表4所示。根據(jù)Ras～Rps曲線及表4可得，對目標(biāo)聲1進行聲調(diào)控后，煩惱度下降11.8%，等效于將1 kHz,70 dB純音聲壓級降低2.5 dB，對目標(biāo)聲2進行聲調(diào)控后，煩惱度下降17.5%，等效于將1 kHz,70 dB純音聲壓級降低4 dB，對目標(biāo)聲3進行聲調(diào)控后，煩惱度下降12.4%，等效于將1 kHz,70 dB純音聲壓級降低2.7 dB。

根據(jù)實驗結(jié)果，疊加流水聲后，聲樣本有了更豐富的元素，且人類比較偏愛大自然的聲音，使得變電站噪聲煩惱度有了一定的降低；帶限粉紅噪聲頻譜能量每倍頻程下降3 dB，帶限紅色噪聲頻譜能量每倍頻程下降6 dB，紅色噪聲與變電站噪聲頻譜下降趨勢更為接近，再加上對頻譜范圍的調(diào)整，使得變電站噪聲煩惱度得以降低。

由此，便可將噪聲控制效果直觀化，得到一種音頻注入抑制噪聲煩惱感的標(biāo)準(zhǔn)樣本評價法?？梢钥闯?，通過音頻注入，變電站噪聲煩惱感得到一定的控制，使得變電站內(nèi)部及周邊地區(qū)聲環(huán)境得以提升。

表4 不同調(diào)控聲對變電站噪聲的調(diào)控效果

5 結(jié) 論

本文選取3個不同位置的變電站噪聲作為目標(biāo)聲，選取自然聲和人工合成聲作為調(diào)控聲，并基于標(biāo)準(zhǔn)樣本法開展主觀評價實驗，建立了等效聲壓級變化值與煩惱度變化值的關(guān)系曲線，完善了噪聲控制定量評價方式，也為變電站噪聲控制提供了新的解決方案。

研究發(fā)現(xiàn)：低頻成分較少，高頻成分較多的流水聲對于線譜較明顯的高聲壓級變電站噪聲的煩惱感抑制效果較好，是因為這種流水聲的加入，使得整體頻譜更加均衡；全頻帶頻率成分較為均衡的流水聲對于線譜不明顯且類似于寬帶噪聲的變電站噪聲的煩惱感抑制效果較好，是因為人類更加偏愛水流聲；帶限紅色噪聲對于線譜比較明顯的中等聲壓級變電站噪聲的煩惱感抑制效果較好，是因為帶限紅色噪聲頻譜的變化趨勢與變電站噪聲比較接近。通過使用標(biāo)準(zhǔn)樣本法所得到的Ras～Rps曲線，可以定量描述上述調(diào)控效果；經(jīng)聲調(diào)控后，流水聲1的煩惱感抑制效果等效于將1 kHz,70 dB純音聲壓級降低2.5 dB，帶限紅色噪聲的煩惱感抑制效果等效于將1 kHz,70 dB純音聲壓級降低4 dB，流水聲2的煩惱感抑制效果等效于將1 kHz,70 dB純音的聲壓級降低2.7 dB。

通過對比目標(biāo)聲1和目標(biāo)聲2的煩惱度下降值，可以發(fā)現(xiàn)聲壓級對于煩惱感抑制效果的影響。聲壓級降低，音頻注入法的調(diào)控效果有提升的趨勢，因此，對于聲壓級過高的噪聲，應(yīng)先降低其聲能量，之后采用音頻注入法降低煩惱感。

為進一步完善本文研究內(nèi)容，下一步工作將基于心理聲學(xué)參量，建立多元線性回歸模型，并著重研究不同參數(shù)的色噪聲和流水聲對于變電站噪聲的掩蔽效應(yīng)，在更完善的信噪比、頻帶范圍等參數(shù)設(shè)置下，優(yōu)化音頻注入法的煩惱感抑制效果。本文提出的標(biāo)準(zhǔn)樣本法將純音作為參考聲樣本，下一步也可將白噪聲作為參考聲樣本，探究不同參考聲樣本與不同目標(biāo)聲的關(guān)系，細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)樣本法的適用范圍。