基于脈沖響應(yīng)的廳堂音質(zhì)評價研究

【摘 要】 介紹一種基于脈沖響應(yīng)的音質(zhì)評價技術(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)測試，分析客觀測量和主觀評價之間的對應(yīng)關(guān)系。該技術(shù)可以更直接地評價廳堂音質(zhì)的優(yōu)劣，從而快速發(fā)現(xiàn)廳堂可能存在的聲學(xué)問題。

【關(guān)鍵詞】 脈沖響應(yīng)；傳遞函數(shù)；測量方法；音質(zhì)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(zhì)評價技術(shù)是一個十分重要的研究課題，對搞好廳堂音質(zhì)設(shè)計，促進(jìn)廳堂音質(zhì)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(shù)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(zhì)的優(yōu)劣，除了作必要的客觀測量外，更主要的是聽眾的主觀反應(yīng)?；诿}沖響應(yīng)的音質(zhì)評價技術(shù)正是要研究主觀心理量與客觀物理量之間的對應(yīng)關(guān)系。而這個心理評價技術(shù)比只看物理參量更容易被人理解和接受?；诿}沖響應(yīng)的音質(zhì)評價技術(shù)將是未來建筑聲學(xué)模擬仿真技術(shù)的研究基礎(chǔ)。

2 脈沖響應(yīng)

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

2.1 脈沖（Impulse）

脈沖就是采用猝發(fā)聲作為信號源?，F(xiàn)實(shí)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(fā)令槍等近似于理想的脈沖信號源。

脈沖函數(shù)（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(yōu)點(diǎn)

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(diào)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(dāng)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(tuán)，與頻率無關(guān)。

當(dāng)單個正弦波發(fā)聲的時候是沒有調(diào)性的，有足夠多的正弦波的時候才有調(diào)性。在不同頻率不同波長的時候，到達(dá)這個臨界點(diǎn)需要正弦波的個數(shù)（時值）是不一樣的。實(shí)驗(yàn)表明音調(diào)對聲音持續(xù)時間遵循一定的規(guī)律：當(dāng)一個聲音足夠長，就可以有音調(diào)的感覺；聲音足夠短時，就無音調(diào)的感覺了。持續(xù)時間足夠長時，音調(diào)似乎與持續(xù)時間沒有關(guān)系，在研究中播放了300 Hz、1 000 Hz和3 000 Hz三個頻率，持續(xù)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(xù)到幾個正弦波時開始有音調(diào)感。結(jié)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(diào)感。也就是說時值小于臨界點(diǎn)時，各頻段的聲音都沒有調(diào)性感了。

因此得出結(jié)論，只要用一個足夠短的脈沖作響應(yīng)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(yīng)（Response）

房間被聲脈沖信號激勵后，將測得的響應(yīng)通過卷積相關(guān)運(yùn)算變換成脈沖響應(yīng)。同一房間，聲源到接收點(diǎn)的脈沖響應(yīng)是唯一的，包涵了房間的音質(zhì)信息。對脈沖響應(yīng)聲壓的平方進(jìn)行反向積分可以獲得聲能衰減曲線。

2.3 傳遞函數(shù)（Transfer Function）

傳遞函數(shù)是零初始條件下線性系統(tǒng)響應(yīng)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(shù)是時間周期t、Δt的函數(shù)，也是位置的函數(shù)。反映不同位置不同的頻率特性。

當(dāng)聲源發(fā)出δ脈沖，經(jīng)壁面反射后形成反射脈沖，將直達(dá)脈沖到達(dá)測量點(diǎn)的時刻作為時間的起始點(diǎn)，測點(diǎn)先后接收到的直達(dá)脈沖與壁面反射脈沖序列稱為室內(nèi)對δ脈沖的瞬態(tài)響應(yīng)函數(shù)。把脈沖的響應(yīng)函數(shù)在時域上從時間t至∞作能量積分：

用一個理論上的δ函數(shù)，用發(fā)令槍來實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生很窄的一個Δt，由時域轉(zhuǎn)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(shù)（傳遞函數(shù)），（t）是理論上的激勵函數(shù)，T（t）是實(shí)際的激勵函數(shù)，F(xiàn)（t）是測量得到的響應(yīng)函數(shù)。

理論上：

實(shí)測中：

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

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

2.4 測試中使用的設(shè)備

選用發(fā)令槍作為外部脈沖信號源，并通過計算機(jī)中的DIRAC軟件對脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（見圖3）。

3 與主觀評價相關(guān)的客觀物理指標(biāo)

客觀音質(zhì)評價即通過客觀物理量，對廳堂音質(zhì)進(jìn)行評價。

為了指導(dǎo)廳堂聲學(xué)設(shè)計，還必須尋找能與音質(zhì)主觀評價良好相關(guān)的客觀物理指標(biāo)。這些指標(biāo)應(yīng)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(yùn)用脈沖響應(yīng)技術(shù)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(yīng)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(shù)（女）STI female（Speech transmission index）

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

房間聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI（Room acoustics STI）

3.2 廳堂音質(zhì)多項參量與主觀評價的獨(dú)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(zhì)感受有關(guān)。

而與增強(qiáng)豐滿度有關(guān)的兩個參數(shù)，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(zhì)稱為具有溫暖感，對應(yīng)的物理參量BR，而把中、高頻反射聲豐富的音質(zhì)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(dá)聲與第一個反射聲的時間間隔。

4 脈沖響應(yīng)的音質(zhì)評價

4.1 測試方法

對6個不同的廳堂A、B、C、D、E、F進(jìn)行測試（見圖4），并統(tǒng)一測試條件。聲源S位置均設(shè)在臺唇大幕線中點(diǎn)，并均用一把發(fā)令槍作為脈沖聲源。代表點(diǎn)均設(shè)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(yīng)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(xù)課題繼續(xù)研究，在這里的評價語言僅為舉例），再分析評價語言與響應(yīng)圖、物理量之間的對應(yīng)關(guān)系。

分析見圖6，聽廳堂F的聲音時明顯發(fā)現(xiàn)有顫動回聲的現(xiàn)象，對于及時有效地發(fā)現(xiàn)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(jù)賽賓公式推斷，包絡(luò)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(shí)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(yīng)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(shí)測物理參量相符。

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

4.3 分析某一廳堂代表點(diǎn)的脈沖響應(yīng)圖發(fā)現(xiàn)聲場存在的問題

以廳堂E為例，并從脈沖響應(yīng)圖和脈沖響應(yīng)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(yīng)圖進(jìn)一步展開分析，見圖9。

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

5 結(jié)論

運(yùn)用脈沖響應(yīng)的音質(zhì)評價技術(shù)，通過發(fā)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(shù)，就掌握了該廳堂的聲學(xué)特性。通過分析響應(yīng)圖和對應(yīng)的聽聲音，可以更直接地評價廳堂音質(zhì)的優(yōu)劣，還能快速發(fā)現(xiàn)廳堂可能存在的聲學(xué)問題。獲得了廳堂的傳遞函數(shù)，還可以卷積不同的激勵函數(shù) ，比如音樂等，即可模擬現(xiàn)場演奏的效果。在不久的將來，可應(yīng)用于可聽化模擬仿真技術(shù)中。并對于廳堂音質(zhì)設(shè)計起到一定的指導(dǎo)和改善作用。

總之，與傳統(tǒng)的截斷法測量相比，脈沖響應(yīng)法有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）在傳統(tǒng)的截斷法測量中對聲場環(huán)境要求很嚴(yán)格，而脈沖響應(yīng)法則對環(huán)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(yōu)點(diǎn)；（3）規(guī)避了主觀音樂美學(xué)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 焦李成. 非線性傳遞函數(shù)理論與應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1992.

[2] 孟子厚. 音質(zhì)主觀評價的實(shí)驗(yàn)心理學(xué)方法[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3] 楊春花. 室內(nèi)聲場脈沖響應(yīng)的測量[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

作者簡介：

烏日樂，中國藝術(shù)科技研究所工程師，主要從事舞臺燈光、音響現(xiàn)場檢驗(yàn)檢測方法的研究，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作。

（編輯 王 芳）