屈建民 李桂生 翟伟 蒋超奇
摘 要
客舱内声环境是决定飞机乘坐舒适性的主要因素之一，以往的噪声研究只将重心放在声压级上，而忽视了声品质的影响。本文主要介绍了响度、尖锐度、粗糙度等声品质参数，以及主要的几种声品质主观评价方法。本文还介绍了相关声音采集系统与采集规范，并展望了声品质技术在飞机设计中的广阔前景。
关键词
声品质;双耳采集系统;主观评价;客观评价;飞机设计
中图分类号： U461 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.002
0 引言
客舱内声环境是决定飞机乘坐舒适性的主要因素之一，乘客在乘机过程中处于一个相对狭小封闭的环境中，恶劣的声环境不仅对乘客的心理产生影响，使之烦躁，恶心等，长时间更可能引起听觉系统的变化，发生病理性改变，如果诱发狂躁症，将会极大危害航空器安全[1]。根据上海飞机设计研究院完成的一项关于客舱内声环境的调查研究表明，有56.2%的受访者认为客舱内的噪音是最影响乘坐舒适性的因素[2]。
以往的噪声研究只关心声压级的大小，但是舒适性是很主观的感受，由于主观因素的影响，很有可能出现这种情况：声压级显示达标，但乘客主观感觉干扰性太大;或者相反，声压级显示很大，但乘客主观感觉声音悦耳，不觉得干扰性大。因此非常有必要采用新的参数来表示人体对噪音的主观感受。经过多年的总结，Blauert对声品质进行了定义：声品质是在特定的技术目标或任务内涵中声音的适宜性[3]。它是声环境的一个重要特征，是人体对声音最直接的感官体验。
1 采集设备
以往对声环境的评价仅仅局限于声压级的范畴，因此相应的数据采集设备要求也比较低，一般只要传声器满足I型标准就行了。随着研究的深入和声品质的提出，这对声音文件的精度提出了更高的要求，特别是进行声品质分析，由于人对声音的感觉是人脑对通过人耳接收到声信号的反应，因此人耳对声音的掩蔽效应就不可忽略了。为了体现人耳对声信号的影响，科研人员通常会采用人工头采集设备来进行数据采集。图1是海德公司出品的HMS数字型人工头，内置高精度传声器和存储设备，设备重量只有5.65kg，已经广泛应用于汽车，高铁，家用电器等領域。
在飞机设计阶段，往往也会采用人工头设备对客舱内的声环境数据进行采集，但是这样实施的成本非常高昂，不仅需要安排专门的试飞航次，而且需要在不同的位置安置多套设备进行采集，在采集过程中对设备进行移动也非常不方便，因此针对大空间的声环境数据采集，这种人工头的方式还是显得便携性不够。为了克服人工头移动不变的缺点，工程师又采用了另一种思路：利用真人代替人工头，将便携式双耳传声器置于人耳中以考虑其掩蔽效应。图2是典型的双耳数据采集系统，由双耳传声器，数据采集卡和存储设备组成，该套系统体积小，重量轻，非常适合于大空间下的移动采集数据。
进行声环境数据采集，除了保证采集设备能够考虑人耳的掩蔽效应，还需要保证一定的采样频率。这是因为人类能够听到的声音频率是有限制的，其上限是20000Hz，低于这一频率限值的信号称为声信号。为了避免出现频率混淆，对声信号采样，必须保证采样率至少大于该频率限值的两倍，即采样频率不能低于40000Hz。另外，对飞机客舱进行声音信号采集时，坐姿，采样时间等都会对后续的声品质分析产生影响，因此，程明昆等人基于研究成果总结了数据采集的相关规范标准[4]——《GB / T 20248-2006声学飞行中飞机舱内声压级的测量》，采集时可参照执行。
2 声品质主观分析
声品质是反映人耳对声音的主观感受，目前主要通过两个方法来进行评估：主观评价和客观评价。主观评价是受测者通过相关听音流程，然后对声音作出的相关评价，因此也叫听音评价。在进行声品质主观评价时，受测者会按照相关方法规定的流程，完成听音测试过程，然后对听到的声音进行判断，评价，或者打分。常用的主观评价法有以下四种[5]：
●排序法
排序法是指受测者按照某个属性（比如响度）作为评价标准，然后对听到的声音进行排序。排序法是最简单易行的主观评价方法，能够得到样本之间的好坏次序，但是缺点是无法应用于大量的声音样本，也无法评估各个声音样本之间的优劣程度。
●打分法
顾名思义，打分法是受测者对听到的声音样本进行打分，一般评分范围为1-10分。虽然这种方法可以定量地分析各个样本之间的优劣程度，但是需要事先对受测者进行听音训练以建立相关参考标准，否则受测者将很难确定应该打多少分值。
●成对比较法
成对比较法又叫A/B比较法，每次评价只播放一对声音样本，受测者不需要一次性对多段声音样本进行排序，也不需要烦恼该给这段声音样本打多少分，受测者只需要对这一对声音样本作出“好，一样，差”的判断即可，从该方法的执行流程可以看出，该方法适用于无经验的测试人群，同时也能得到较为准确的评价结果。
●语义分析法
语义分析法是用多组词语与反义词对声音进行描述，比如安静/吵闹，尖锐/低沉等等，然后受测者在听音后对这些描述词语进行等级评分，常用5级或7级标准，从这一点看，语义分析法可以认为是改进后的打分法。
目前已经有厂商开发了比较成熟的主观评价系统，能够方便地进行声品质主观评价测试。比如海德公司就推出了ArtemiS SUITE听审测试模块，支持分类比较法、语音细分法等多种评价模型，可以随时对测试进行控制、监视和管理。
虽然这些主观评价系统已经在汽车等行业得到了应用，但是这些系统都需要专门的听音实验室，占用场地大，严重限制了受测人群规模，进而影响到主观评价结果的精确性。类似于便携式的双耳数据采集系统，开发一套便携式的主观评价系统，将能极大的扩充受测人群规模，提高主观评价结果的精确性，为设计人员提供可靠的数据支持。
3 声品质客观分析
声品质主观评价虽然是人耳对声音的真实感受，但是由于人的主观感受会受到多种因素的影响，具有随机波动性，因此主观评价的结果很难做到稳定，特别是针对一些差别非常小的声音样本，通过主观评价往往很难得到稳定可信的结果。为了建立物理/生理声学与主观感受之间精确的数学联系，科学家从时间历程，频谱等多个特征角度出发，总结出与声品质有关的多个物理参数，这种利用物理数学工具进行声品质评价的方法就是声品质客观评价。通常，表征声品质的有以下几个参数：
3.1 响度
响度（Loudness）是反映人实际感觉到的声音强弱大小的参数，是声品质评价中具有决定性的特征量[6]。1947年，国际标准化组织定义了响度的具体计算方法，其计算公式为：
上式中：N表示响度（sone），LN表示响度级（phon）。
目前广泛应用的响度计算模型有三种，它们都考虑了人耳的掩蔽效应等因素的影响，分别为Stevens模型，Zwicker模型和Moore模型。这三种方法中，Stevens模型和Zwicker模型被选用为1975年国际标准（ISO532A和ISO532B）。Moore模型出现较晚，相对于前两种计算模型，Moore模型考虑了双耳掩蔽效应[7]，精度更高，适用于双耳采集系统，2005年被定为美国国家标准（ANSI_S3[1]-2005）。
3.2 尖锐度
尖锐度（Sharpness）是反映声音刺耳程度的参数，从物理上讲，它描述了声音高频部分在整个频谱的所占比重。目前，没有统一的国际标准来计算尖锐度，常用的尖锐度计算模型有：Zwicker模型、Aures模型和Bismarck模型。
3.3 波动强度
波动强度（Fluctuation）是声音信号以缓慢的（<20Hz）幅度调制给人带来的听觉感受，其定义为在调制频率为4Hz的100%调幅声作用下，60dB，1kHz的纯音产生的波动度为1vacil。当声音信号时域包络的幅度随时间缓慢变化时，人会明显感受到声音忽大忽小，用“波动度”来度量这种强度忽大忽小的变化。通常，声音的波动强度越大，人听起来越不舒服。
3.4 粗糙度
粗糙度（Roughness）声音信号以快速的（15-300Hz）幅度调制给人带来的听觉感受，其为定义在调制频率为70Hz的100%调幅声作用下，60dB，1kHz的純音产生的粗糙度为1asper。
从以上定义可以看出，粗糙度与波动强度的非常相似，区别就在于调制频率的不同，一个是以低频调制，一个是以高频进行调制。目前也没有统一的国际标准来计算粗糙度，Zwicker、Aures等众多科学家都提出过不同的计算模型。
3.5 最佳语言干扰级
为了描述在吵闹环境下说话的清晰度，科学家提出了语言清晰度AI（the Articulation Index）的概念。但是语言清晰度的计算较为复杂，后来为了简化计算，Beranek等人又提出将中心频率为600～4800Hz的6个倍频带声压级的算术平均值作为参考量，称为语言干扰级SIL。后来又优化为用中心频率为500、1000、2000Hz的3个倍频带的平均声压级来作为参考量，结果也称之为最佳语言干扰级[8]。
目前众多成熟的商业软件都能实现声品质的客观分析，比较有名的有LMS公司的Test.Lab，海德公司的Compact Analysis，北京声望的VA-Lab等，由于相关理论比较简单，国内也有高校自己开发程序实现了声品质参数的计算[6]。
4 声品质分析对飞机设计的意义
进行声品质分析，通常都会进行客观评价与主观评价，然后将二者的结果进行相关性分析，最后得到偏好度与响度，尖锐度等客观参数之间的拟合关系。根据以往研究表明，响度大小对喜好度的影响最大，其次是尖锐度，也就是响度越小，尖锐度越小的声音越让人觉得舒适。有了这些拟合关系，设计人员就能分析出各个参数的影响大小，进而对设计进行有针对性的改进。比如汽车设计人员就通过声品质分析，有针对性的调教了汽车关门声，使得关门声更加符合消费者对高档车的感觉。还有抽油烟机厂商通过分析现有产品的声品质表现，在新产品中对相关缺陷进行优化，提升了产品的竞争力。
目前飞机客舱的声环境设计还是以传统的声压级分析为主，这可能导致乘客的实际感受与设计初衷有所偏离，因此，非常有必要对客舱声环境的声品质表现进行分析，这样才能客观真实的反映乘客的乘坐感受，为设计优化提供必要的数据支撑。同时，将主观评价系统与仿真客舱（或者VR客舱）相结合，能够让乘客“身临其境”在真实客舱环境中，这将为飞机销售推广开拓出一条新的道路。
参考文献
[1]WHO，Guidelines for community noise，2000.
[2]吴丹.民用飞机客舱舒适度调查与分析，民用飞机设计与研究，2017年第1期.
[3]Blauert，J.（1994）.Product-sound assessments：An enigmatic issue from the point of view of engineering.Proc.Inter-noise 94，Yokohama， Japan，Vol.2，857-862.
[4]程明昆，毛东兴，田静等，GB/T 20248-2006声学飞行中飞机舱内声压级的测量[ S ].北京：中国标准出版社，2006，9.
[5]李灿.汽车声品质试验及客观评价方法研究[D].合肥工业大学硕士毕业论文.
[6]梁杰.基于双耳听觉模型的车内声品质分析与评价方法研究[D].吉林大学博士论文.
[7]胡伟杰，金江明，卢奂采，Moore 响度模型的数值计算与实验验证，电声技术，2013（vol.37）No.2.
[8]李灿，汽车声品质试验及客观评价方法研究，合肥工业大学硕士毕业论文.
