飛機(jī)客艙內(nèi)聲品質(zhì)技術(shù)探究

屈建民　李桂生　翟偉　蔣超奇

摘 要

客艙內(nèi)聲環(huán)境是決定飛機(jī)乘坐舒適性的主要因素之一，以往的噪聲研究只將重心放在聲壓級(jí)上，而忽視了聲品質(zhì)的影響。本文主要介紹了響度、尖銳度、粗糙度等聲品質(zhì)參數(shù)，以及主要的幾種聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)方法。本文還介紹了相關(guān)聲音采集系統(tǒng)與采集規(guī)范，并展望了聲品質(zhì)技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的廣闊前景。

關(guān)鍵詞

聲品質(zhì);雙耳采集系統(tǒng);主觀評(píng)價(jià);客觀評(píng)價(jià);飛機(jī)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： U461 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.002

0 引言

客艙內(nèi)聲環(huán)境是決定飛機(jī)乘坐舒適性的主要因素之一，乘客在乘機(jī)過(guò)程中處于一個(gè)相對(duì)狹小封閉的環(huán)境中，惡劣的聲環(huán)境不僅對(duì)乘客的心理產(chǎn)生影響，使之煩躁，惡心等，長(zhǎng)時(shí)間更可能引起聽覺(jué)系統(tǒng)的變化，發(fā)生病理性改變，如果誘發(fā)狂躁癥，將會(huì)極大危害航空器安全[1]。根據(jù)上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院完成的一項(xiàng)關(guān)于客艙內(nèi)聲環(huán)境的調(diào)查研究表明，有56.2%的受訪者認(rèn)為客艙內(nèi)的噪音是最影響乘坐舒適性的因素[2]。

以往的噪聲研究只關(guān)心聲壓級(jí)的大小，但是舒適性是很主觀的感受，由于主觀因素的影響，很有可能出現(xiàn)這種情況：聲壓級(jí)顯示達(dá)標(biāo)，但乘客主觀感覺(jué)干擾性太大;或者相反，聲壓級(jí)顯示很大，但乘客主觀感覺(jué)聲音悅耳，不覺(jué)得干擾性大。因此非常有必要采用新的參數(shù)來(lái)表示人體對(duì)噪音的主觀感受。經(jīng)過(guò)多年的總結(jié)，Blauert對(duì)聲品質(zhì)進(jìn)行了定義：聲品質(zhì)是在特定的技術(shù)目標(biāo)或任務(wù)內(nèi)涵中聲音的適宜性[3]。它是聲環(huán)境的一個(gè)重要特征，是人體對(duì)聲音最直接的感官體驗(yàn)。

1 采集設(shè)備

以往對(duì)聲環(huán)境的評(píng)價(jià)僅僅局限于聲壓級(jí)的范疇，因此相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備要求也比較低，一般只要傳聲器滿足I型標(biāo)準(zhǔn)就行了。隨著研究的深入和聲品質(zhì)的提出，這對(duì)聲音文件的精度提出了更高的要求，特別是進(jìn)行聲品質(zhì)分析，由于人對(duì)聲音的感覺(jué)是人腦對(duì)通過(guò)人耳接收到聲信號(hào)的反應(yīng)，因此人耳對(duì)聲音的掩蔽效應(yīng)就不可忽略了。為了體現(xiàn)人耳對(duì)聲信號(hào)的影響，科研人員通常會(huì)采用人工頭采集設(shè)備來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖1是海德公司出品的HMS數(shù)字型人工頭，內(nèi)置高精度傳聲器和存儲(chǔ)設(shè)備，設(shè)備重量只有5.65kg，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車，高鐵，家用電器等領(lǐng)域。

在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段，往往也會(huì)采用人工頭設(shè)備對(duì)客艙內(nèi)的聲環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，但是這樣實(shí)施的成本非常高昂，不僅需要安排專門的試飛航次，而且需要在不同的位置安置多套設(shè)備進(jìn)行采集，在采集過(guò)程中對(duì)設(shè)備進(jìn)行移動(dòng)也非常不方便，因此針對(duì)大空間的聲環(huán)境數(shù)據(jù)采集，這種人工頭的方式還是顯得便攜性不夠。為了克服人工頭移動(dòng)不變的缺點(diǎn)，工程師又采用了另一種思路：利用真人代替人工頭，將便攜式雙耳傳聲器置于人耳中以考慮其掩蔽效應(yīng)。圖2是典型的雙耳數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由雙耳傳聲器，數(shù)據(jù)采集卡和存儲(chǔ)設(shè)備組成，該套系統(tǒng)體積小，重量輕，非常適合于大空間下的移動(dòng)采集數(shù)據(jù)。

進(jìn)行聲環(huán)境數(shù)據(jù)采集，除了保證采集設(shè)備能夠考慮人耳的掩蔽效應(yīng)，還需要保證一定的采樣頻率。這是因?yàn)槿祟惸軌蚵牭降穆曇纛l率是有限制的，其上限是20000Hz，低于這一頻率限值的信號(hào)稱為聲信號(hào)。為了避免出現(xiàn)頻率混淆，對(duì)聲信號(hào)采樣，必須保證采樣率至少大于該頻率限值的兩倍，即采樣頻率不能低于40000Hz。另外，對(duì)飛機(jī)客艙進(jìn)行聲音信號(hào)采集時(shí)，坐姿，采樣時(shí)間等都會(huì)對(duì)后續(xù)的聲品質(zhì)分析產(chǎn)生影響，因此，程明昆等人基于研究成果總結(jié)了數(shù)據(jù)采集的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[4]——《GB / T 20248-2006聲學(xué)飛行中飛機(jī)艙內(nèi)聲壓級(jí)的測(cè)量》，采集時(shí)可參照?qǐng)?zhí)行。

2 聲品質(zhì)主觀分析

聲品質(zhì)是反映人耳對(duì)聲音的主觀感受，目前主要通過(guò)兩個(gè)方法來(lái)進(jìn)行評(píng)估：主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)是受測(cè)者通過(guò)相關(guān)聽音流程，然后對(duì)聲音作出的相關(guān)評(píng)價(jià)，因此也叫聽音評(píng)價(jià)。在進(jìn)行聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)時(shí)，受測(cè)者會(huì)按照相關(guān)方法規(guī)定的流程，完成聽音測(cè)試過(guò)程，然后對(duì)聽到的聲音進(jìn)行判斷，評(píng)價(jià)，或者打分。常用的主觀評(píng)價(jià)法有以下四種[5]：

●排序法

排序法是指受測(cè)者按照某個(gè)屬性（比如響度）作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，然后對(duì)聽到的聲音進(jìn)行排序。排序法是最簡(jiǎn)單易行的主觀評(píng)價(jià)方法，能夠得到樣本之間的好壞次序，但是缺點(diǎn)是無(wú)法應(yīng)用于大量的聲音樣本，也無(wú)法評(píng)估各個(gè)聲音樣本之間的優(yōu)劣程度。

●打分法

顧名思義，打分法是受測(cè)者對(duì)聽到的聲音樣本進(jìn)行打分，一般評(píng)分范圍為1-10分。雖然這種方法可以定量地分析各個(gè)樣本之間的優(yōu)劣程度，但是需要事先對(duì)受測(cè)者進(jìn)行聽音訓(xùn)練以建立相關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)，否則受測(cè)者將很難確定應(yīng)該打多少分值。

●成對(duì)比較法

成對(duì)比較法又叫A/B比較法，每次評(píng)價(jià)只播放一對(duì)聲音樣本，受測(cè)者不需要一次性對(duì)多段聲音樣本進(jìn)行排序，也不需要煩惱該給這段聲音樣本打多少分，受測(cè)者只需要對(duì)這一對(duì)聲音樣本作出“好，一樣，差”的判斷即可，從該方法的執(zhí)行流程可以看出，該方法適用于無(wú)經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試人群，同時(shí)也能得到較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。

●語(yǔ)義分析法

語(yǔ)義分析法是用多組詞語(yǔ)與反義詞對(duì)聲音進(jìn)行描述，比如安靜/吵鬧，尖銳/低沉等等，然后受測(cè)者在聽音后對(duì)這些描述詞語(yǔ)進(jìn)行等級(jí)評(píng)分，常用5級(jí)或7級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從這一點(diǎn)看，語(yǔ)義分析法可以認(rèn)為是改進(jìn)后的打分法。

目前已經(jīng)有廠商開發(fā)了比較成熟的主觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)，能夠方便地進(jìn)行聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)測(cè)試。比如海德公司就推出了ArtemiS SUITE聽審測(cè)試模塊，支持分類比較法、語(yǔ)音細(xì)分法等多種評(píng)價(jià)模型，可以隨時(shí)對(duì)測(cè)試進(jìn)行控制、監(jiān)視和管理。

雖然這些主觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)已經(jīng)在汽車等行業(yè)得到了應(yīng)用，但是這些系統(tǒng)都需要專門的聽音實(shí)驗(yàn)室，占用場(chǎng)地大，嚴(yán)重限制了受測(cè)人群規(guī)模，進(jìn)而影響到主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的精確性。類似于便攜式的雙耳數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，開發(fā)一套便攜式的主觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)，將能極大的擴(kuò)充受測(cè)人群規(guī)模，提高主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的精確性，為設(shè)計(jì)人員提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3 聲品質(zhì)客觀分析

聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)雖然是人耳對(duì)聲音的真實(shí)感受，但是由于人的主觀感受會(huì)受到多種因素的影響，具有隨機(jī)波動(dòng)性，因此主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果很難做到穩(wěn)定，特別是針對(duì)一些差別非常小的聲音樣本，通過(guò)主觀評(píng)價(jià)往往很難得到穩(wěn)定可信的結(jié)果。為了建立物理/生理聲學(xué)與主觀感受之間精確的數(shù)學(xué)聯(lián)系，科學(xué)家從時(shí)間歷程，頻譜等多個(gè)特征角度出發(fā)，總結(jié)出與聲品質(zhì)有關(guān)的多個(gè)物理參數(shù)，這種利用物理數(shù)學(xué)工具進(jìn)行聲品質(zhì)評(píng)價(jià)的方法就是聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)。通常，表征聲品質(zhì)的有以下幾個(gè)參數(shù)：

3.1 響度

響度（Loudness）是反映人實(shí)際感覺(jué)到的聲音強(qiáng)弱大小的參數(shù)，是聲品質(zhì)評(píng)價(jià)中具有決定性的特征量[6]。1947年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義了響度的具體計(jì)算方法，其計(jì)算公式為：

上式中：N表示響度（sone），LN表示響度級(jí)（phon）。

目前廣泛應(yīng)用的響度計(jì)算模型有三種，它們都考慮了人耳的掩蔽效應(yīng)等因素的影響，分別為Stevens模型，Zwicker模型和Moore模型。這三種方法中，Stevens模型和Zwicker模型被選用為1975年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO532A和ISO532B）。Moore模型出現(xiàn)較晚，相對(duì)于前兩種計(jì)算模型，Moore模型考慮了雙耳掩蔽效應(yīng)[7]，精度更高，適用于雙耳采集系統(tǒng)，2005年被定為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（ANSI_S3[1]-2005）。

3.2 尖銳度

尖銳度（Sharpness）是反映聲音刺耳程度的參數(shù)，從物理上講，它描述了聲音高頻部分在整個(gè)頻譜的所占比重。目前，沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算尖銳度，常用的尖銳度計(jì)算模型有：Zwicker模型、Aures模型和Bismarck模型。

3.3 波動(dòng)強(qiáng)度

波動(dòng)強(qiáng)度（Fluctuation）是聲音信號(hào)以緩慢的（<20Hz）幅度調(diào)制給人帶來(lái)的聽覺(jué)感受，其定義為在調(diào)制頻率為4Hz的100%調(diào)幅聲作用下，60dB，1kHz的純音產(chǎn)生的波動(dòng)度為1vacil。當(dāng)聲音信號(hào)時(shí)域包絡(luò)的幅度隨時(shí)間緩慢變化時(shí)，人會(huì)明顯感受到聲音忽大忽小，用“波動(dòng)度”來(lái)度量這種強(qiáng)度忽大忽小的變化。通常，聲音的波動(dòng)強(qiáng)度越大，人聽起來(lái)越不舒服。

3.4 粗糙度

粗糙度（Roughness）聲音信號(hào)以快速的（15-300Hz）幅度調(diào)制給人帶來(lái)的聽覺(jué)感受，其為定義在調(diào)制頻率為70Hz的100%調(diào)幅聲作用下，60dB，1kHz的純音產(chǎn)生的粗糙度為1asper。

從以上定義可以看出，粗糙度與波動(dòng)強(qiáng)度的非常相似，區(qū)別就在于調(diào)制頻率的不同，一個(gè)是以低頻調(diào)制，一個(gè)是以高頻進(jìn)行調(diào)制。目前也沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算粗糙度，Zwicker、Aures等眾多科學(xué)家都提出過(guò)不同的計(jì)算模型。

3.5 最佳語(yǔ)言干擾級(jí)

為了描述在吵鬧環(huán)境下說(shuō)話的清晰度，科學(xué)家提出了語(yǔ)言清晰度AI（the Articulation Index）的概念。但是語(yǔ)言清晰度的計(jì)算較為復(fù)雜，后來(lái)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，Beranek等人又提出將中心頻率為600～4800Hz的6個(gè)倍頻帶聲壓級(jí)的算術(shù)平均值作為參考量，稱為語(yǔ)言干擾級(jí)SIL。后來(lái)又優(yōu)化為用中心頻率為500、1000、2000Hz的3個(gè)倍頻帶的平均聲壓級(jí)來(lái)作為參考量，結(jié)果也稱之為最佳語(yǔ)言干擾級(jí)[8]。

目前眾多成熟的商業(yè)軟件都能實(shí)現(xiàn)聲品質(zhì)的客觀分析，比較有名的有LMS公司的Test.Lab，海德公司的Compact Analysis，北京聲望的VA-Lab等，由于相關(guān)理論比較簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)也有高校自己開發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)了聲品質(zhì)參數(shù)的計(jì)算[6]。

4 聲品質(zhì)分析對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)的意義

進(jìn)行聲品質(zhì)分析，通常都會(huì)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)與主觀評(píng)價(jià)，然后將二者的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，最后得到偏好度與響度，尖銳度等客觀參數(shù)之間的擬合關(guān)系。根據(jù)以往研究表明，響度大小對(duì)喜好度的影響最大，其次是尖銳度，也就是響度越小，尖銳度越小的聲音越讓人覺(jué)得舒適。有了這些擬合關(guān)系，設(shè)計(jì)人員就能分析出各個(gè)參數(shù)的影響大小，進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)。比如汽車設(shè)計(jì)人員就通過(guò)聲品質(zhì)分析，有針對(duì)性的調(diào)教了汽車關(guān)門聲，使得關(guān)門聲更加符合消費(fèi)者對(duì)高檔車的感覺(jué)。還有抽油煙機(jī)廠商通過(guò)分析現(xiàn)有產(chǎn)品的聲品質(zhì)表現(xiàn)，在新產(chǎn)品中對(duì)相關(guān)缺陷進(jìn)行優(yōu)化，提升了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

目前飛機(jī)客艙的聲環(huán)境設(shè)計(jì)還是以傳統(tǒng)的聲壓級(jí)分析為主，這可能導(dǎo)致乘客的實(shí)際感受與設(shè)計(jì)初衷有所偏離，因此，非常有必要對(duì)客艙聲環(huán)境的聲品質(zhì)表現(xiàn)進(jìn)行分析，這樣才能客觀真實(shí)的反映乘客的乘坐感受，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供必要的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，將主觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)與仿真客艙（或者VR客艙）相結(jié)合，能夠讓乘客“身臨其境”在真實(shí)客艙環(huán)境中，這將為飛機(jī)銷售推廣開拓出一條新的道路。

參考文獻(xiàn)

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[8]李燦，汽車聲品質(zhì)試驗(yàn)及客觀評(píng)價(jià)方法研究，合肥工業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文.