基于結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的封閉空間聲場聽覺感知變化性研究

李榮, 曾向陽, 王海濤, 李娜

(1．西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安710072; 2．海洋聲學(xué)信息感知工業(yè)和信息化部重點實驗室( 西北工業(yè)大學(xué)) ，陜西西安710072; 3．深圳市騰訊計算機系統(tǒng)有限公司，廣東深圳518000)

人類聽覺系統(tǒng)能夠感受并處理與空間結(jié)構(gòu)參數(shù)直接相關(guān)的聲音信息并以此為基礎(chǔ)評定空間聲場的聲品質(zhì)。Sandvad[1]發(fā)現(xiàn)，聽音者可根據(jù)經(jīng)由聲學(xué)設(shè)備回放的室內(nèi)聲場雙耳信號從大量不同的房間圖片中準(zhǔn)確辨識出聽到的聲音來自哪個房間。Mcgrath等人[2]發(fā)現(xiàn)，無論是視力正常(被蒙住雙眼)的聽音者還是盲人聽音者都能夠借助自己的說話聲和房間內(nèi)的其他偶發(fā)聲判斷室內(nèi)空間的大??；盲人聽音者則能夠更加快速、準(zhǔn)確地完成聽音任務(wù)[3]。由此可見，深入開展因結(jié)構(gòu)參數(shù)變化引發(fā)的封閉空間內(nèi)部聲場聽覺感知研究，對探索人類空間聽覺機制，檢驗將聽覺虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于空間聲場聽覺實驗研究的有效性等，均具有重要意義。

針對空間聲場的聽覺實驗研究必須輔之以恰當(dāng)有效的測量方法。傳統(tǒng)的做法是開展現(xiàn)場聽音評價。然而，這種方法在實際中往往即低效又耗時。例如，為比較地處不同城市甚至不同國家的廳堂的音質(zhì)，現(xiàn)場聽評要求聽音者輾轉(zhuǎn)于不同的“現(xiàn)場”，這是一個既費時又費力(人力和財力)的過程，不可避免會受到聽覺記憶時效性的影響。對于那些尚未建成的廳堂，則無法采用現(xiàn)場聽評法。倘若在廳堂建成后才發(fā)現(xiàn)內(nèi)部聲場存在音質(zhì)缺陷，改建的代價將更大[4]。因此，在廳堂設(shè)計階段極有必要引入音質(zhì)設(shè)計和評價，以便及時發(fā)現(xiàn)問題、規(guī)避損失。

雙耳技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，使得在復(fù)雜聽覺環(huán)境(如音樂廳)中開展心理聲學(xué)實驗研究變得容易。借助封閉空間聽覺場景模擬，不但可以輕松實現(xiàn)不同類型空間聲場間的迅速切換，更高效地完成聲信號采集和重放，而且能夠極大地降低對聽音者聽覺記憶能力的要求[3]。

鑒于以上考慮，本文通過對具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的封閉空間開展聽覺場景模擬，借助雙耳虛擬仿真技術(shù)，重點研究了因封閉空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引發(fā)的內(nèi)部聲場聽覺感知的變化性及其變化程度[5-8]。

1 基于ODEON的封閉空間聽覺場景模擬可行性研究

ODEON[9-10]是由丹麥科技大學(xué)研制的基于幾何聲學(xué)原理的建筑聲學(xué)模擬軟件。該軟件采用虛聲源法[11-12]與聲線跟蹤法[13-15]相結(jié)合的混合法[16]以及第二聲源法(次級聲源法)[17]，能夠?qū)崿F(xiàn)對各類封閉空間進行內(nèi)部聲場的計算并對擬采取的噪聲控制措施及其效果進行仿真模擬。國內(nèi)外很多人[18-21]研究并證實了該軟件模擬室內(nèi)聲場時的可信度。本文將借助聽音實驗，研究將ODEON 8.0用于封閉空間聽覺場景模擬的可行性。

首先，借助球形聲源和模擬人工頭等設(shè)備(詳見表1)，采集某真實房間內(nèi)的雙耳信號。隨后，利用ODEON 8.0建立該房間的室內(nèi)聲場模型、求取雙耳房間脈沖響應(yīng)并借助虛擬聽覺生成技術(shù)實現(xiàn)雙耳可聽化。最后，設(shè)計并完成聽音實驗，比較在真實房間中錄制的實際雙耳信號與借助ODEON 8.0模擬室內(nèi)聲場后得到的模擬雙耳信號在聽感上的一致性程度，檢驗將ODEON 8.0用于封閉空間聲場聽覺感知研究的可行性。

表1 實驗儀器

1.1 真實房間雙耳信號采集

在空間尺寸不同的2個普通房間(見圖1)內(nèi),以球形聲源播放原始干信號并配以人工頭進行雙耳信號采集。兩房間的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。其中,L,W,H分別表示封閉空間的長、寬、高,S表示內(nèi)表面積,V表示容積。

表2 真實房間尺寸

選取房間底面短邊中點為坐標(biāo)原點,建立笛卡爾坐標(biāo)系。在此坐標(biāo)系下,房間內(nèi)窗戶的頂點坐標(biāo)分別為:房間A(2.45,-3.25,1.00),(2.45,-3.25,2.40),(0.75,-3.25,2.40),(0.75,-3.25,1.00);房間B(5.70,0.50,1.00),(5.70,0.50,2.40),(5.70,-1.00,2.40),(5.70,-1.00,1.00)。

在房間A內(nèi),將球型聲源分別布放于位置不同的2處,記為:PA1(3.60,0,1.50)和PA2(1.60,-2.25,1.50),同時設(shè)置2處人工頭接收點RA1(1.60,1.55,1.13)和RA2(5.70,-1.55,1.13)。在房間B內(nèi),聲源及接收點的位置坐標(biāo)為:PB1(2.00,0,1.50),PB2(4.00,-0.30,1.50);RB1(1.00,-1.00,1.13),RB2(5.00,1.00,1.13)。采集2個房間內(nèi)4種聲源與接收點位置組合方式下的雙耳信號,分別記為PA1RA1,PA1RA2,PA2RA1,PA2RA2;PB1RB1,PB1RB2,PB2RB1,PB2RB2。聲信號采集過程中,房間窗戶始終保持關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 真實房間內(nèi)的雙耳信號采集

1.2 基于ODEON的虛擬房間雙耳聽覺模擬

利用ODEON 8.0,繪制長方體房間模型,設(shè)置吸聲系數(shù)(混凝土和玻璃),選取聲源與接收點(位置坐標(biāo)與真實房間相同),采用聲線追蹤法(聲線數(shù)為5 000條),分別建立對應(yīng)房間A和B的聲場模型(如圖2所示),計算上述虛擬房間內(nèi)各接收點處的雙耳脈沖響應(yīng),共8個(響應(yīng)時長均為1 s)。

圖2 房間A聲場ODEON 8.0模型

將1.1節(jié)中的原始干信號分別與8個虛擬房間雙耳脈沖響應(yīng)中每一耳的脈沖響應(yīng)做卷積。最后,將卷積后的左、右耳信號,采用經(jīng)過適當(dāng)均衡和調(diào)整的頭戴式耳機回放,產(chǎn)生與真實房間各接收點一一對應(yīng)的“虛擬聽覺”。

1.3 真實與模擬雙耳信號聽覺感知一致性評價實驗

設(shè)計并進行聽覺實驗,組織20 位有經(jīng)驗的聽音者,以Sennheiser HD280 Pro 頭戴式耳機成對(“真實的”與“模擬的”)回放雙耳信號。指導(dǎo)聽音者判斷每對聲音在聽覺感知上是否可區(qū)分。根據(jù)實驗結(jié)果,評價“真實的”與“模擬的”雙耳信號在聽覺感知上的一致性程度,驗證將ODEON 8.0用于室內(nèi)聲場聽覺模擬研究的可行性與有效性。

1.4 實驗結(jié)果

分析處理全部聽音評價的結(jié)果,如圖3所示。圖中,氣泡越大表示聽音實驗中選擇該項的人數(shù)越多,以下氣泡圖中表示與此相同。

顯然,“真實的”與“模擬的”雙耳信號在聽覺感知上不具備明顯可分性,聽感一致性程度高。因此,借助ODEON 8.0能營造出具有高保真度的虛擬聽覺環(huán)境。在開展封閉空間聽覺模擬及其相關(guān)研究時,輔之以O(shè)DEON 8.0模擬室內(nèi)聲場的做法是可行的。

圖3 真實與模擬雙耳信號的可分性

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的封閉空間聲場聽覺感知研究

依據(jù)1.2節(jié)中所述方法,考慮封閉空間的容積、壁面吸聲系數(shù)與形狀3種結(jié)構(gòu)參數(shù),利用ODEON 8.0建立封閉空間模型并獲取模擬雙耳信號,用以定量研究結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的封閉空間內(nèi)部聲場在聽覺感知上的變化性及其變化程度。

2.1 模擬雙耳信號的產(chǎn)生

利用ODEON 8.0建立具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的封閉空間模型。

建立容積分別為24,96,192 m3(具體尺寸見表4),壁面均為厚坑砂灰泥抹光磚墻(各頻率吸聲系數(shù)見表3)的3個長方體空間模型,記為:a,b,c。各空間內(nèi)的聲源(1個)及接收點(4個)位置見表5。

表3 厚坑砂灰泥抹光磚墻壁面吸聲系數(shù)

表4 不同容積封閉空間模型尺寸

表5 不同容積封閉空間中聲源及接收點位置

針對壁面吸聲系數(shù)的影響,分別構(gòu)建α=0.00(全反射),α=0.50,α=1.00(全吸聲)和壁面為厚坑砂灰泥抹光磚墻,容積為192 m3的4種長方體空間模型,記為:a,b,c和d。各空間內(nèi)聲源及接收點位置同表5中空間c

針對空間形狀的影響,分別建立長方體、半圓柱體、半球體封閉空間模型,具體空間尺寸見表6。設(shè)定空間容積為96 m3、壁面均為厚坑砂灰泥抹光磚墻。各空間內(nèi)的聲源及接收點位置見表7。

表6 不同形狀封閉空間模型尺寸

表7 不同形狀封閉空間中聲源及接收點位置

綜上所述,本次研究建立了具有不同容積、壁面吸聲系數(shù)和空間形狀的封閉空間模型共8個,用于研究其內(nèi)部聲場在聽覺感知上的變化性及其變化程度。

選取研究型計算等級(聲線數(shù)最多,計算結(jié)果更精確),設(shè)定聲線數(shù)為5 000條,取雙耳脈沖響應(yīng)時長為1 000 ms。隨后,計算前上8種封閉空間模型的室內(nèi)雙耳脈沖響應(yīng)并將原始干信號分別與之卷積,獲取不同模擬空間內(nèi)部、不同位置處的雙耳信號,共計32個。

2.2 聽覺感知差異性及其程度評價

設(shè)計聽覺實驗,研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)封閉空間的模擬雙耳信號在聽覺感知上的變化性及其變化程度。對于可區(qū)分的雙耳信號,重點評價信號間的區(qū)分難易程度,即“不明顯”、“有點明顯”、“比較明顯”、“非常明顯”、“極其明顯”[22]。實驗儀器同1.3。依據(jù)封閉空間的容積、壁面吸聲系數(shù)與形狀3種結(jié)構(gòu)參數(shù),將所有雙耳信號分類整理,并依據(jù)表8中的順序進行成對比較。

表8 模擬雙耳信號主觀實驗比較順序

表8雙耳信號名稱中,第一個字母表示空間模型編號,第二個數(shù)字表示接收點位置。如“a1”表示空間a中1號接收點位置的模擬雙耳信號。

聽音實驗中,要求每位聽音者完成2項任務(wù):①判斷每對雙耳信號是否可區(qū)分;②以雙耳信號可區(qū)分為前提,判斷兩信號的區(qū)分難易程度。

2.3 封閉空間聲場參數(shù)變化對聽覺感知的影響規(guī)律

收集整理全部評價數(shù)據(jù),進行以下分析。

1) 依據(jù)研究中確定的3種封閉空間結(jié)構(gòu)參數(shù),即容積、壁面吸聲系數(shù)、形狀,分類統(tǒng)計任務(wù)①的評價數(shù)據(jù),剔除異常值。對有效數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示:絕大多數(shù)聽音者都認(rèn)為封閉空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化是可區(qū)分的,尤其是封閉空間壁面吸聲系數(shù)的變化。換句話說,封閉空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化能夠引發(fā)明顯的聲場聽感變化性。

圖4 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)封閉空間聲場聽感變化性

2) 剔除聽音任務(wù)②評價結(jié)果中的異常值,對有效數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果如圖5～圖8所示。

對于容積分別為24,96,192 m3,壁面均為厚坑砂灰泥抹光磚墻的3個長方體封閉空間,相應(yīng)的空間容積絕對變化量分別為|a-b|72,|b-c|96,|a-c|168 m3,如圖5所示。

圖5 容積改變引發(fā)的空間聲場聽感變化程度(不同接收點處)

圖中,折線表示所有有效評價結(jié)果的平均值變化趨勢,點線表示平均值變化范圍,以下圖中表示均與此相同。由圖5可知:①封閉空間容積改變引發(fā)的室內(nèi)聲場在聽覺感知上的變化性并不十分顯著。大多聽音者表示:此時的聽感可區(qū)分性程度為“不明顯”或“有點明顯”。②隨著空間容積差值的增加,室內(nèi)不同接收點處的聽感可區(qū)分程度的變化規(guī)律并不一致。由此可知,變換接收點位置,能夠在一定程度上影響因容積改變引發(fā)的室內(nèi)聲場聽感變化性。

計算壁面吸聲系數(shù)不同,容積、形狀均相同的4個封閉空間的吸聲量,分別為0,104,208,31.98 m2(其中,空間d的α按照GB-T 3947-1996計算),則相應(yīng)的空間吸聲量絕對變化量分別為|a-d|31.98,|b-d|72.02,|c-d|176.02 m2,如圖6所示。

圖6 壁面吸聲系數(shù)改變引發(fā)的空間聲場聽感變化程度(不同接收點處)

由圖6可知:①即使封閉空間的容積、形狀一致,聲源與接收點位置保持不變,聽音者仍然可以明顯感受到室內(nèi)聲場的變化,一致認(rèn)為此時的聽感可區(qū)分性程度為“非常明顯”或“極其明顯”。②封閉空間a(α=0)與d(內(nèi)部均為水泥抹光壁面)最容易區(qū)分。所有聽音者都表示二者間的聽感差異“極其明顯”。分析其原因:當(dāng)α=0時,封閉空間內(nèi)部混響強烈,聲能衰減十分緩慢,雙耳信號能量達(dá)到極大值。③除α=0的極端條件之外,當(dāng)分別將封閉空間b(α=0.5)和c(α=1)與較接近普通房間的空間d內(nèi)的聲場進行比較時發(fā)現(xiàn),隨著室內(nèi)吸聲量差值的逐漸增加,聽音者能夠更容易地感受到空間聲場的聽感變化性?？梢?不同封閉空間之間,吸聲量的絕對變化越顯著,其空間聲場在聽感上越容易被區(qū)分。此外,隨著室內(nèi)吸聲量差值的增大(如圖6中的|b-d|和|c-d|組數(shù)據(jù)),聽音者個人之間主觀評價結(jié)果的差異逐漸變小,對聲場聽感變化性的感受呈現(xiàn)出趨同性。④接收點位置的變化,對由壁面吸聲系數(shù)的改變引發(fā)的聲場聽感變化性,并未造成顯著影響。

圖7 形狀改變引發(fā)的空間聲場聽感變化程度(不同接收點處)

由圖7可知:①聽音者能夠比較明顯地感受到因空間形狀改變導(dǎo)致的聲場聽感變化。②比較發(fā)現(xiàn),對于3種不同形狀的封閉空間,在空間聲場聽感上,最容易區(qū)分的是長方體和半球體形空間。究其原因:半球體封閉空間聲場中會出現(xiàn)聲聚焦現(xiàn)象。而建模過程中,并未刻意避免聲源及接收點位置與聲聚焦點的重合,這就可能導(dǎo)致聽音實驗中所用的模擬雙耳信號來源于聲聚焦位置。③接收點不同,空間聲場聽感可區(qū)分程度的變化規(guī)律不一致。顯然,改變接收點位置,能夠在一定程度上影響因空間形狀改變引發(fā)的聽感變化性。

圖8 封閉空間結(jié)構(gòu)參數(shù)改變引發(fā)的聲場聽感變化程度

綜合所有聽音評價結(jié)果(不區(qū)分接收點位置)，如圖8所示。對于封閉空間的容積、壁面吸聲系數(shù)與形狀，這3種不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)而言，最容易引發(fā)室內(nèi)聲場聽感變化的參數(shù)是壁面吸聲系數(shù)。另外，選取不同的接收點，能夠在一定程度上影響因結(jié)構(gòu)參數(shù)(如空間形狀、空間容積)變化引發(fā)的空間聲場聽覺感知。可見，在開展有關(guān)空間聲場聽感設(shè)計或評價的研究中，不僅需要從空間結(jié)構(gòu)(形狀、容積)的角度設(shè)計內(nèi)部聲場音質(zhì)，還需要從室內(nèi)設(shè)計的角度出發(fā)，兼顧壁面性質(zhì)以及接收點位置對聽感的影響。例如，電話會議中揚聲器的擺放位置及參會人員的落座位置；劇場中觀眾坐席及演奏者的位置等[23]。

3 結(jié) 論

本文以雙耳可聽化技術(shù)配合室內(nèi)聲場測量，對具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的封閉空間開展聽覺場景模擬并借助雙耳虛擬仿真技術(shù)，重點研究了因封閉空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化引發(fā)的內(nèi)部聲場聽覺感知的變化性及其變化程度。

研究發(fā)現(xiàn)：在開展有關(guān)封閉空間內(nèi)部聲場的聽覺感知研究時，應(yīng)考慮不同空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異性。封閉空間內(nèi)表面的壁面吸聲系數(shù)是決定并影響內(nèi)部空間聲場聽感變化性及其變化程度的重要因子，各種與之相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如形狀、容積)對室內(nèi)聲場聽感的影響，究其根本原因，均是由于空間結(jié)構(gòu)的變化改變了室內(nèi)吸聲量進而影響空間聽覺。最后，開展聽音位置的設(shè)計研究也是獲取高品質(zhì)室內(nèi)音質(zhì)的有效途徑。