低頻心理降噪的主觀聽音實(shí)驗(yàn)

李卉，燕翔，陳剛，潘寧

（1.北京德尚靜潔科技發(fā)展有限公司，北京 100084；2.清華大學(xué)建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 實(shí)驗(yàn)背景

1.1 低頻聲擾民問題

近年來，隨著文化生活水平的提高，城市中的娛樂場所諸如KTV、舞廳、酒吧、臺(tái)球廳、影吧等逐漸增多，這些娛樂場所通常會(huì)使用擴(kuò)聲系統(tǒng)以營造震撼的氛圍，但由此也引發(fā)了一系列的噪聲擾民問題。

擴(kuò)聲系統(tǒng)擾民的問題主要體現(xiàn)在：1）聲級(jí)大，傳播遠(yuǎn)，通過空氣傳聲危害周邊居民；2）低頻聲過高，易引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳聲，嚴(yán)重影響建筑內(nèi)或周邊噪聲敏感區(qū)域。

1.2 低頻隔聲困難

對(duì)于噪聲擾民問題，常規(guī)的建筑處理方法是通過建筑構(gòu)件阻隔噪聲，但對(duì)阻隔低頻聲存在諸多困難。首先，依據(jù)質(zhì)量定律R=20lgm+20lgf-48，頻率越低，隔聲越困難。一般建筑構(gòu)件，如磚墻、砌塊墻、混凝土板等，隔絕低頻噪聲仍顯不足，隔絕低頻噪聲需要更厚、更重的建筑構(gòu)件。在工程實(shí)踐中，增加建筑構(gòu)件質(zhì)量不僅會(huì)帶來較大的荷載問題，也會(huì)增加建筑的造價(jià)。其次，低頻聲聲波長、衰減慢、穿透力強(qiáng)，不僅可以通過空氣傳播，也會(huì)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，通過建筑結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到更大范圍，不易控制。采用房中房結(jié)構(gòu)對(duì)低頻聲隔聲問題比較有效，但設(shè)計(jì)施工難度大，造價(jià)高。對(duì)于裝修完成后出現(xiàn)擾民問題的場所，更改房中房結(jié)構(gòu)很難實(shí)施。

1.3 切除低頻信號(hào)對(duì)聽音效果不利

依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)手段，可通過濾除低頻信號(hào)的方法解決低頻聲擾民問題，但由于低頻聲對(duì)于加強(qiáng)音樂的律動(dòng)感及震撼力是必不可少的，切除低頻聲不利于聽音客觀效果，因此，對(duì)于大部分音樂使用者而言，低頻聲必不可少。此外，為了滿足音樂的刺激效果，往往需要較高的低頻聲級(jí)，這進(jìn)一步增加了低頻聲隔絕的難度。

1.4 低頻聽音與隔聲的矛盾

既要聽到低頻的效果，又要簡單、方便、低成本地隔絕低頻聲成為一對(duì)矛盾。低頻聲污染成為擴(kuò)聲系統(tǒng)擾民問題的主要根源，從建筑隔聲的角度進(jìn)行處理存在諸多困難與障礙，難以達(dá)到良好的效果，且代價(jià)較高，因此，低頻隔聲問題成為隔聲難點(diǎn)，如何解決低頻隔聲問題是降低低頻聲擾民的關(guān)鍵。

2 低頻心理降噪

2.1 方法的提出

本研究針對(duì)低頻聲擾民問題，結(jié)合“基音缺失”相關(guān)心理聲學(xué)理論，提出了一種新型的利用心理聲學(xué)降噪的低頻聲處理方法—虛擬聲低頻心理降噪法。

該處理方法主要包含兩部分，首先將低頻信號(hào)從擴(kuò)聲系統(tǒng)中消除，從而減輕低頻聲隔聲困難問題；其次通過心理聲學(xué)“基音缺失”現(xiàn)象，將消除的低頻信號(hào)倍頻移頻到高頻實(shí)現(xiàn)低音補(bǔ)償，保障在低頻聲缺失的情況下，仍能獲得與原聲音相一致的的主觀聽音感。

2.2 基音缺失現(xiàn)象

由于人耳聽覺系統(tǒng)的非線性特點(diǎn)，對(duì)于由一組倍頻調(diào)諧的頻率成分（f0、2f0、3f0、4f0……）合成的聲音，人耳感知的音調(diào)是其基頻決定的。如果把這個(gè)合成音的基頻分量（f0）去掉，人耳感知的音調(diào)是不變的，人耳似乎能自動(dòng)補(bǔ)上這個(gè)缺失的基頻成分，這就是“基音缺失”的主觀聽音心理現(xiàn)象。

依據(jù)“基音缺失”的主觀聽音心理現(xiàn)象，設(shè)想是否可以通過虛擬心理聲學(xué)補(bǔ)償?shù)姆绞?，來解決低頻聲隔聲問題。如對(duì)于100Hz的低頻聲，從物理上將該低頻聲去除，通過生成其諧頻（200Hz、300Hz、400Hz、500Hz……）作為補(bǔ)償，在實(shí)現(xiàn)相同聽音感的同時(shí)，解決由其導(dǎo)致的低頻聲污染問題。

2.3 心理聲學(xué)的倍頻移頻法

在實(shí)際應(yīng)用中，低頻聲污染并非由單一低頻導(dǎo)致，而是一段頻帶的低頻復(fù)合聲，因此，如何生成一段頻帶的虛擬心理聲學(xué)補(bǔ)償，既在物理上去除低頻聲，而聽感上影響較小，是成功利用心理聲學(xué)的關(guān)鍵。聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室采用了倍頻移頻法，將低頻聲轉(zhuǎn)移到高頻聲上去。

首先使用數(shù)字濾波器將低頻聲分離出來，并分割成幾毫秒到幾十毫秒的連續(xù)片段（經(jīng)聽音判斷，實(shí)驗(yàn)中采用了最佳的30ms片段）。對(duì)每個(gè)片段進(jìn)行數(shù)字化倍速處理，例如2倍速處理就是將30ms的音頻片段提高2倍速度，片段因此縮短為15ms，再將倍速了的片段按倍數(shù)重復(fù)，如此又得到了30ms的片段。以此類推，可得到3倍頻、4倍頻、5倍頻……的倍頻聲音。將這些倍頻的聲音混音到已消除了低頻聲的原聲音上去，就得到了經(jīng)低頻倍頻移頻的虛擬心理學(xué)補(bǔ)償?shù)穆曇?。處理流程及硬件?shí)現(xiàn)見圖1、圖2。

在具體的信號(hào)處理上，還需要考慮截取窗函數(shù)、混音幅度比例加權(quán)等實(shí)際問題[1～3]。

我們需要一個(gè)徹底的轉(zhuǎn)變!我們呼喚以警察為本的公安信息化!我們要技術(shù)服務(wù)于警務(wù)而不是相反!我們需要能與我們交流、為我們做事、獲得我們想要的信息、幫助我們與他人協(xié)作并適應(yīng)我們個(gè)人需要的信息系統(tǒng)!［6］我們需要能夠合理分工、互相協(xié)作、共享知識(shí)、科學(xué)精準(zhǔn)地體現(xiàn)警察勞動(dòng)并且真正能夠提升警務(wù)工作效能的一整套科學(xué)的組織體制和情報(bào)主導(dǎo)警務(wù)機(jī)制。

圖1 倍頻移頻法算法圖

圖2 倍頻移頻法硬件實(shí)現(xiàn)圖

為了辨別心理學(xué)補(bǔ)償?shù)牡皖l聲音的主觀聽音效果，在實(shí)驗(yàn)室組織了對(duì)比聽音實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證經(jīng)虛擬心理聲學(xué)補(bǔ)償后的、消除了低頻成分的主流音樂歌曲曲目在主觀聽音上的相似性。

3 聽音實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了保證聽音環(huán)境具有合適的安靜度和混響效果，實(shí)驗(yàn)選擇在一間低噪聲隔聲室內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)房間長×寬×高=5m×5.4m×4m，平面面積為27m2，室內(nèi)凈容積為108m3。其背景噪聲為15.4dB（A），中頻500Hz混響時(shí)間為0.66s，各頻帶中心頻率混響時(shí)間及背景噪聲見表1、表2。

表1 實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)混響時(shí)間

表2 實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)背景噪聲

3.2 聽音曲目的選取

實(shí)驗(yàn)精選了KTV、酒吧等娛樂場所出現(xiàn)頻率較高的100首歌曲，歌曲樣本來源于三大云音樂平臺(tái)—QQ音樂、酷狗音樂、網(wǎng)易云音樂，歌曲樣本基本采用付費(fèi)下載的無損音樂，音質(zhì)的比特率最低不小于320kbps。

3.3 截取聽音樣本

因每首歌曲的平均時(shí)長約5分鐘，為了避免因聽音時(shí)間過長導(dǎo)致受試者在實(shí)驗(yàn)比對(duì)時(shí)出現(xiàn)聽音記憶誤差或心理倦怠，保證受試者在可接受的時(shí)間段內(nèi)能獲得精準(zhǔn)的判斷，實(shí)驗(yàn)對(duì)每首歌曲進(jìn)行聽音樣本截取，作為實(shí)際實(shí)驗(yàn)樣本。

聽音樣本一般選擇在歌曲的高潮部分，即音樂頻譜分量豐富，尤以低音強(qiáng)烈為目標(biāo)，同時(shí)歌唱力度在此片斷也較響。截取時(shí)長約20s，但不低于20s，視歌曲關(guān)鍵片斷的長度不等，聽音樣本的剪輯采取無損操作方式，不對(duì)音質(zhì)進(jìn)行任何處理。

對(duì)截取的聽音樣本進(jìn)行處理，制作wav音頻文件，用于播放器播放。每個(gè)聽音樣本的wav音頻文件共分為兩個(gè)版本，分別為未處理版本及低頻心理降噪版本（信號(hào)截?cái)囝l率160Hz）。

3.4 受試者

3.5 測試方法

測試平面圖見圖3。

圖3 測試平面圖

聽音測試共分3組進(jìn)行，每組10人，共30人。測試方法為聽音樣本播放的同時(shí)，受試者記錄相應(yīng)的主觀聽音感受，測試同時(shí)記錄每類聽音樣本到達(dá)人耳的A聲級(jí)。

每對(duì)聽音樣本采用隨機(jī)的方式播放，即從100個(gè)聽音樣本中隨機(jī)選取其中的20個(gè)進(jìn)行播放，每個(gè)聽音樣本均播放兩個(gè)版本。其中17個(gè)聽音樣本播放的版本不同，分別為未處理的和低頻心理降噪的版本，另外3個(gè)聽音樣本兩次播放的版本相同，均為未處理的版本，隨機(jī)插入到20個(gè)聽音樣本播放序列中，作為“間諜”聽音樣本以評(píng)判受試者主觀聽音水平的一致性。

受試者對(duì)每類聽音樣本的主觀評(píng)價(jià)包括整體感差異及低頻感差異兩類，差異的級(jí)別分為5個(gè)等級(jí)，分別為無差異、差異極小、有差異、差異較大、差異極大。受試者的等級(jí)評(píng)判完全由自己按個(gè)人理解或心理體驗(yàn)給出，實(shí)驗(yàn)中未對(duì)受試者進(jìn)行任何評(píng)判方法、規(guī)則的指示或暗示，也未對(duì)受試者的評(píng)定做出統(tǒng)一規(guī)范化的要求。

4 主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)處理

4.1 尺度賦值

將受試者的主觀評(píng)分從“無差異”到“差異極大”5個(gè)等級(jí)，按照尺度賦值的方法，分別從1到5相對(duì)應(yīng)計(jì)分，即“無差異”—“1”、“差異極小”—“2”、“有差異”—“3”、“差異較大”—“4”、“差異極大”—“5”。

4.2 聽音樣本比對(duì)的得分及平均分

理論上，由于每個(gè)聽音樣本均采用相同的心理聲學(xué)補(bǔ)償算法，在進(jìn)行兩種版本的聽音實(shí)驗(yàn)比對(duì)時(shí)，每個(gè)聽音樣本之間物理上的差別程度應(yīng)是一致的，相應(yīng)的主觀聽音評(píng)價(jià)也應(yīng)是一致的。例如，對(duì)于“聽音樣本1”和“聽音樣本2”，若“聽音樣本1”聽覺上的差別程度為差異較小，則“聽音樣本2”聽覺上的差別程度也應(yīng)為差異較小，且兩類聽音樣本的主觀聽音評(píng)價(jià)也應(yīng)為差異較小。也就是說，對(duì)17類版本不同的聽音樣本主觀判定并尺度賦值轉(zhuǎn)換為分值的數(shù)值應(yīng)是一樣的，該數(shù)值就是理論上的“得分真值”。

實(shí)際上，由于受試者聽音能力或聽音時(shí)段內(nèi)聽感的隨機(jī)差別，可能會(huì)造成聽音判斷上的離散性。例如對(duì)于作為“間諜”的完全無物理差別的3類聽音樣本，理論上，其聽音比對(duì)評(píng)價(jià)應(yīng)為“無差別”，即得1分，而實(shí)際情況是，受試者的主觀聽音評(píng)價(jià)大多得1分，但也有其中某一個(gè)聽音樣本得1分，另外的得2分、3分……?！伴g諜”樣本的得分離散性，說明了主觀判斷離散性的客觀存在。

考慮到實(shí)驗(yàn)主觀比對(duì)的得分真值，以多個(gè)聽音樣本得分的平均值作為得分真值的近似值，從而降低主觀判斷離散性對(duì)求得的得分真值的影響。

因此，分別對(duì)17個(gè)版本不同的聽音樣本和3個(gè)“間諜”聽音樣本的聽音比對(duì)得分取平均值，得到每位受試者的兩項(xiàng)平均分。

4.3 “間諜”的權(quán)重

“間諜”聽音樣本的平均分反應(yīng)了受試者自身聽力差別狀況。如果得1分，說明受試者聽力判斷準(zhǔn)確無誤；如果得1點(diǎn)幾分，說明受試者聽力判斷存在誤差，比得1分的人聽力差；如果得3分及以上，說明受試者聽力判斷存在嚴(yán)重誤差（即聽任何兩個(gè)相同的聲音主觀上都會(huì)聽出差別），應(yīng)排除此類受試者。

在本實(shí)驗(yàn)中，以“間諜”聽音樣本作為17首聽音樣本平均分的計(jì)分權(quán)重，以降低因受試者自身聽力差別狀況導(dǎo)致的誤差。對(duì)“間諜”聽音樣本的權(quán)重計(jì)算如下：1）將“間諜”聽音樣本平均分得分3分以上的受試者數(shù)據(jù)去除；2）取剩余所有受試者“間諜”聽音樣本平均分的倒數(shù)作為權(quán)重的分子，取剩余所有受試者“間諜”聽音樣本平均分的倒數(shù)的總和作為權(quán)重的分母，兩者相除得到每位受試者聽力差異性的權(quán)重。

4.4 總評(píng)分

1）以17首經(jīng)過處理的聽音樣本得分的平均值作為每位受試者的得分；2）以3類“間諜”聽音樣本得分求得每位受試者的權(quán)重；3）每位受試者的得分乘以其權(quán)重后，全體求和，得到最終評(píng)價(jià)值。

表3 實(shí)測數(shù)據(jù)表

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見表3，分別給出了整體聽音感覺的評(píng)價(jià)和低頻聽音感覺的評(píng)價(jià)。其中，“總得分”欄是受試者17個(gè)樣本評(píng)價(jià)的總分，“平均B”欄是總得分除以17的平均分，“間諜A”欄是受試者聽音完全相同版本（共3個(gè)“間諜”樣本）的評(píng)價(jià)平均分。

處理算法：1）將結(jié)果分為1～5分五個(gè)檔次；2）剔除“間諜”聽音得分超過2的數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)中整體感覺評(píng)價(jià)超過2的有1人，低頻感覺評(píng)價(jià)超過2的有4人）；3）三組“間諜”樣本聽音平均分記為A；4）17個(gè)未處理與低頻心理降噪進(jìn)行對(duì)比的評(píng)價(jià)平均分記為B；5）對(duì)所有的1/A求和得到總量Z=∑1/A，（1/A）/Z作為權(quán)數(shù)Y；6）對(duì)統(tǒng)計(jì)分求加權(quán)平均數(shù)C=∑(B×Y)=∑（B/AZ），C作為最后得分。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，整體差異的最終評(píng)價(jià)值為1.9分，低頻差異的最終評(píng)價(jià)值為2.0分，屬于“差異極小”范圍。說明通過低頻心理降噪處理，可以實(shí)現(xiàn)低頻缺失下的歌曲主觀聽音相似性。由此，心理降噪的方法為擴(kuò)聲系統(tǒng)的低頻隔聲處理提供了新的選擇。