基于脈沖響應的廳堂音質評價研究

【摘 要】 介紹一種基于脈沖響應的音質評價技術，并通過實驗測試，分析客觀測量和主觀評價之間的對應關系。該技術可以更直接地評價廳堂音質的優劣，從而快速發現廳堂可能存在的聲學問題。

【關鍵詞】 脈沖響應；傳遞函數；測量方法；音質評價

文章編號： 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

廳堂音質評價技術是一個十分重要的研究課題，對搞好廳堂音質設計，促進廳堂音質研究具有不可忽視的作用。由于廳堂的最終用途是為人們提供一個欣賞藝術的場所，使人們通過聲音及視覺在感官以至心靈上得到享受。所以，評價一所廳堂音質的優劣，除了作必要的客觀測量外，更主要的是聽眾的主觀反應?；诿}沖響應的音質評價技術正是要研究主觀心理量與客觀物理量之間的對應關系。而這個心理評價技術比只看物理參量更容易被人理解和接受?；诿}沖響應的音質評價技術將是未來建筑聲學模擬仿真技術的研究基礎。

2 脈沖響應

當房間被聲脈沖信號激勵后，某點聲壓隨時間變化的曲線是房間中該點的脈沖響應（見圖1）。同一房間同一位置，聲源到接收點的脈沖響應是唯一的。也就是說，一個脈沖響應圖可以對應廳堂中某一點的音質信息。通過分析脈沖響應圖和對應的聽聲效果（聲頻文件），可以更直接地獲得廳堂音質主觀評價以及更直觀地發現存在的聲學問題；期望獲得主觀聽聲評價術語與描述廳堂音質的物理量之間的對應關系。

2.1 脈沖（Impulse）

脈沖就是采用猝發聲作為信號源?，F實條件下，不存在寬度為零的理想脈沖聲，一般用瞬間聲音近似代替，如氣球破裂、電火花、發令槍等近似于理想的脈沖信號源。

脈沖函數（見圖2），一般用δ（t）來表示。其定義為：

2.1.1 脈沖信號作為激勵聲源的優點

為什么要選用Δt足夠小的脈沖信號作為激勵聲源，而不是用粉噪或者音樂作為聲源研究呢？人對聲音的感覺，有三大要素：聲音的大?。芰浚?、音調的高低（頻率）、音色的好壞（諧波）。

聲音是由正弦波疊加而成，每個頻率都有固有周期T。有研究顯示，當聽聲時間t小于幾個周期時人的頻率感丟失，即人耳無法分辨其頻率。這時這個極短的聲音對于人的聽感來說只代表一個能量團，與頻率無關。

當單個正弦波發聲的時候是沒有調性的，有足夠多的正弦波的時候才有調性。在不同頻率不同波長的時候，到達這個臨界點需要正弦波的個數（時值）是不一樣的。實驗表明音調對聲音持續時間遵循一定的規律：當一個聲音足夠長，就可以有音調的感覺；聲音足夠短時，就無音調的感覺了。持續時間足夠長時，音調似乎與持續時間沒有關系，在研究中播放了300 Hz、1 000 Hz和3 000 Hz三個頻率，持續時間遞增（分別是1、2、4、16、32、64、128個正弦波）的情況，聽聲者判斷持續到幾個正弦波時開始有音調感。結果是300 Hz的聲音時值到16個正弦波，1 000 Hz的聲音時值到32個正弦波，3 000 Hz的聲音時值到64個正弦波時開始有音調感。也就是說時值小于臨界點時，各頻段的聲音都沒有調性感了。

因此得出結論，只要用一個足夠短的脈沖作響應研究，就可解決頻率評價的問題，即只是對能量的研究。

2.2 響應（Response）

房間被聲脈沖信號激勵后，將測得的響應通過卷積相關運算變換成脈沖響應。同一房間，聲源到接收點的脈沖響應是唯一的，包涵了房間的音質信息。對脈沖響應聲壓的平方進行反向積分可以獲得聲能衰減曲線。

2.3 傳遞函數（Transfer Function）

傳遞函數是零初始條件下線性系統響應量的拉普拉斯變換與激勵量的拉普拉斯變換之比。傳遞函數是時間周期t、Δt的函數，也是位置的函數。反映不同位置不同的頻率特性。

當聲源發出δ脈沖，經壁面反射后形成反射脈沖，將直達脈沖到達測量點的時刻作為時間的起始點，測點先后接收到的直達脈沖與壁面反射脈沖序列稱為室內對δ脈沖的瞬態響應函數。把脈沖的響應函數在時域上從時間t至∞作能量積分：

用一個理論上的δ函數，用發令槍來實現，產生很窄的一個Δt，由時域轉換到頻率域用的是FFT傅里葉變換（卷積），這就是脈沖反向積分法的原理。

G（t）是廳堂固有函數（傳遞函數），（t）是理論上的激勵函數，T（t）是實際的激勵函數，F（t）是測量得到的響應函數。

理論上：

實測中：

當T（t）近似于函數時，，即：使用理想的脈沖聲源得到的響應函數近似等于廳堂固定位置的傳遞函數。

廳堂的傳遞函數反映該廳堂固有的聲學特性，本文的研究就是要得到這個傳遞函數并進行分析對比，對不同的廳堂進行評價，還可以卷積不同的T（t）函數，比如音樂等，即可模擬現場演奏的效果。這就是在可聽化模擬仿真技術中的應用。

2.4 測試中使用的設備

選用發令槍作為外部脈沖信號源，并通過計算機中的DIRAC軟件對脈沖響應數據進行處理（見圖3）。

3 與主觀評價相關的客觀物理指標

客觀音質評價即通過客觀物理量，對廳堂音質進行評價。

為了指導廳堂聲學設計，還必須尋找能與音質主觀評價良好相關的客觀物理指標。這些指標應該是可以用儀器測量獲得，或可以通過公式計算得到。

3.1 運用脈沖響應技術可測出的物理參量

（1）混響（Reverberation）

早期反射聲EDT（Early decay time）

混響時間T30（Reverberation time ）

低頻比BR（Bass ratio）

（2）聲壓級分布（Level）

脈沖響應信噪比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）語言清晰度（Speech intelligibility）

語言傳輸指數（女）STI female（Speech transmission index）

語言傳輸指數（男）STI male（Speech transmission index）

房間聲學語言傳輸指數RASTI（Room acoustics STI）

3.2 廳堂音質多項參量與主觀評價的獨立性和互動性

混響時間T30與豐滿度、活躍度以及清晰度等主觀音質感受有關。

而與增強豐滿度有關的兩個參數，第一個因素是T30的長度，特別是EDT的長度；第二個因素是混響聲能與早期聲能之比。

低頻反射聲豐富的音質稱為具有溫暖感，對應的物理參量BR，而把中、高頻反射聲豐富的音質稱為具有活躍度。

混響時間還影響語言的清晰度、音樂的明晰度。T30長則豐滿度增加而清晰度下降。

親切度主要取決于初始延時間隙ITDG，即直達聲與第一個反射聲的時間間隔。

4 脈沖響應的音質評價

4.1 測試方法

對6個不同的廳堂A、B、C、D、E、F進行測試（見圖4），并統一測試條件。聲源S位置均設在臺唇大幕線中點，并均用一把發令槍作為脈沖聲源。代表點均設在5～11排之間（見表1），即貴賓席中間位置（圖5）。

4.2 不同廳堂同一位置上（近似）脈沖響應圖（500 Hz）的對比分析

通過聽聲音獲得了評價語言（注：大量的評價語言的收集和整理工作還需后續課題繼續研究，在這里的評價語言僅為舉例），再分析評價語言與響應圖、物理量之間的對應關系。

分析見圖6，聽廳堂F的聲音時明顯發現有顫動回聲的現象，對于及時有效地發現廳堂存在的聲缺陷有重要意義。

混響時間T30（以500 Hz為例）根據賽賓公式推斷，包絡線的斜率越大，混響時間越短，反之越長，與圖7、圖8顯示的實測物理參量相符。

音樂明晰度C80定義是前80 ms聲能與80 ms后聲能的比值，因此從脈沖響應圖中可看出，80 ms前的能量越多，音樂明晰度C80值越大。廳堂D的C80值大，廳堂E的C80值小，與圖6顯示的實測物理參量相符。

看能量分布情況：廳堂E的脈沖響應圖中有一團團的能量團，是顫動回聲的表現（見圖7）。

4.3 分析某一廳堂代表點的脈沖響應圖發現聲場存在的問題

以廳堂E為例，并從脈沖響應圖和脈沖響應聲音中可以分析出，該聲場存在顫動回聲的聲缺陷，下面就把脈沖響應圖進一步展開分析，見圖9。

經分析發現，廳堂E的脈沖響應圖中只有在中頻500 Hz～1 000 Hz的聲音出現顫動回聲的現象，說明脈沖響應圖可以很直觀地反映聲場存在的問題，并可快速找到產生聲缺陷的頻段，為解決聲場問題提供可靠的理論依據。

5 結論

運用脈沖響應的音質評價技術，通過發射一個近似理想的脈沖信號，即可獲得該廳堂固有的傳遞函數，就掌握了該廳堂的聲學特性。通過分析響應圖和對應的聽聲音，可以更直接地評價廳堂音質的優劣，還能快速發現廳堂可能存在的聲學問題。獲得了廳堂的傳遞函數，還可以卷積不同的激勵函數 ，比如音樂等，即可模擬現場演奏的效果。在不久的將來，可應用于可聽化模擬仿真技術中。并對于廳堂音質設計起到一定的指導和改善作用。

總之，與傳統的截斷法測量相比，脈沖響應法有以下優點：（1）在傳統的截斷法測量中對聲場環境要求很嚴格，而脈沖響應法則對環境的要求相對較低；（2）方法便捷，具有信噪比高、速度快、精度高等優點；（3）規避了主觀音樂美學的影響。

參考文獻：

[1] 焦李成. 非線性傳遞函數理論與應用[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，1992.

[2] 孟子厚. 音質主觀評價的實驗心理學方法[M]. 北京：國防工業出版社，2008.

[3] 楊春花. 室內聲場脈沖響應的測量[M]. 北京：冶金工業出版社，2010.

作者簡介：

烏日樂，中國藝術科技研究所工程師，主要從事舞臺燈光、音響現場檢驗檢測方法的研究，以及相關標準的制修訂工作。

（編輯 王 芳）