IH飯煲聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)方法研究

何志超 陳明明 李 彬,2,3 顧然升 王 領(lǐng)

（1.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；2.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070；3.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070）

引言

隨著生活質(zhì)量的普遍提高，人們對(duì)IH飯煲的要求也逐步提升，特別是對(duì)于噪聲的關(guān)注不再停留在聲音大小層面，而是更加注重聽覺舒適度——聲品質(zhì)[1]。基于聲品質(zhì)的概念對(duì)噪音進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以更好的反應(yīng)人對(duì)聲音的主觀印象。因此，傳統(tǒng)意義上的A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段IH飯煲噪聲信號(hào)特征的評(píng)價(jià)要求[2]。

近年來國(guó)內(nèi)外有大量將聲品質(zhì)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的實(shí)例，前期以汽車業(yè)為主，Kang等人[3]研究了汽車?yán)鹊穆暺焚|(zhì)，并提出了汽車?yán)鹊穆暺焚|(zhì)評(píng)價(jià)模型。目前，聲品質(zhì)評(píng)價(jià)在家電領(lǐng)域也逐漸得到應(yīng)用，2007年，尤晉閩等人[4]通過對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)噪聲聲品質(zhì)的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行回歸分析后，提出了一種噪聲聲品質(zhì)主觀偏好性值的預(yù)估模型，優(yōu)化了傳統(tǒng)的聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)方式。2016年，陳風(fēng)梅等人[5]對(duì)空調(diào)的聲品質(zhì)評(píng)判方法也進(jìn)行了研究，并通過大量的數(shù)據(jù)分析，確定了聲品質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)與人的主觀感受之間的聯(lián)系，提出了一種聲品質(zhì)模態(tài)方程。2019年，胡佳偉等人[6]通過建立新的線性回歸模型對(duì)空調(diào)室外機(jī)的拍振噪聲聲品質(zhì)進(jìn)行了客觀評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法快速準(zhǔn)確，大大縮短了噪聲評(píng)價(jià)時(shí)間。此外，聲品質(zhì)在火車[7]、吸油煙機(jī)[8]等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

目前IH飯煲的聲品質(zhì)都是以人耳的主觀感受去評(píng)價(jià)音質(zhì)的好壞，由于個(gè)體差異導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果有很大的爭(zhēng)議。本文主要以多款I(lǐng)H飯煲為例，從聲品質(zhì)的角度對(duì)IH飯煲的噪聲音質(zhì)進(jìn)行探究，利用人耳系統(tǒng)采集大量的聲品質(zhì)客觀參數(shù)，并結(jié)合主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，提出了一套IH飯煲聲品質(zhì)評(píng)價(jià)方法，優(yōu)化了傳統(tǒng)的IH飯煲聲品質(zhì)評(píng)價(jià)方法。

1 聲品質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)

在生活電器領(lǐng)域，聲品質(zhì)為用戶對(duì)產(chǎn)品噪聲特性的主觀感受。聲品質(zhì)的影響因素較多，對(duì)于IH飯煲產(chǎn)品而言，聲品質(zhì)的主要評(píng)價(jià)參數(shù)[9]有：響度、尖銳度、抖動(dòng)度、粗糙度、A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)等。

1.1 響度

響度（loudness）是表征聲音品質(zhì)的一個(gè)重要特征，聲音的響度是人耳對(duì)于聲音能量的主觀反映，表示聲音能量的強(qiáng)弱程度。響度的單位是宋（Sone），定義1 kHz、40 dB的純音的響度為1宋，響度與A計(jì)權(quán)相似，但是比A聲級(jí)更為準(zhǔn)確地反映人耳所感受到聲音信號(hào)的響亮程度。

1.2 尖銳度

尖銳度（sharpness）是描述聲音的高頻成分在頻譜中所占比例的物理量。反應(yīng)了人對(duì)高頻噪聲的主觀感受，同時(shí)也客觀反應(yīng)了聲音的刺耳程度和音色特征；尖銳度的單位是acum，定義中心頻率為1 kHz、帶寬為160 Hz的60 dB窄帶噪聲的尖銳度為1 acum，并且尖銳度隨聲音高頻成分的增加而逐漸增加，隨低頻成分的增加而逐漸減小。

1.3 抖動(dòng)度

抖動(dòng)度（Fluctuation Strength，又稱波動(dòng)度）是描述聲音的瞬時(shí)變化造成聲音的起伏感，主要用于聲音低頻區(qū)域。抖動(dòng)度的單位是vacil，定義聲壓級(jí)為60 dB，1 KHz的純音在調(diào)制頻率為4 Hz的聲信號(hào)100 %調(diào)幅時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)度為1 vacil。

1.4 粗糙度

粗糙度（Roughness）是表征人對(duì)聲音信號(hào)被快速的15～300 Hz幅度調(diào)制后給人帶來的聽覺感受，此時(shí)感覺到的聲音是穩(wěn)定的，同時(shí)也是粗糙的、令人厭惡的。與抖動(dòng)度相類似，粗糙度也是表征聲音的時(shí)域變化現(xiàn)象，不同之處為抖動(dòng)度表征的是聲音信號(hào)的低頻變化，而粗糙度表征的是聲音的高頻變化。粗糙度符號(hào)為R，單位是asper，定義60 dB的1 kHz純音在調(diào)制頻率為70 Hz的100 %調(diào)幅作用下產(chǎn)生的粗糙度為1 asper。一般而言，當(dāng)調(diào)制頻率低于20 Hz時(shí)（參考頻率為4 Hz）為抖動(dòng)度特性，高于20 Hz時(shí)（參考頻率為70 Hz）為粗糙度特性。

1.5 A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)

A計(jì)權(quán)（A Weighting）為四種頻率計(jì)權(quán)方式的一種，人耳對(duì)不同頻率聲音的感受程度是不一樣的，同樣強(qiáng)度的聲音，若其頻率不同，則人耳的感受也不同。聲音通過A計(jì)權(quán)后得到的結(jié)果和人耳感覺十分接近，因此通過A計(jì)權(quán)能夠反映人們對(duì)聲音的主觀感受。

2 聲品質(zhì)試驗(yàn)及樣本采集

2.1 人頭測(cè)試系統(tǒng)

噪聲樣本采集基于某品牌IH飯煲噪聲實(shí)驗(yàn)室開展，該噪聲室引進(jìn)了丹麥B&K公司生產(chǎn)的4100-D仿真人工頭和3050-A-060六通道測(cè)試系統(tǒng)用于聲品質(zhì)測(cè)試的聲音采集，人工頭對(duì)人外耳的所有聲學(xué)相關(guān)部分進(jìn)行了有效模擬[10]，其外形也參照了人體的幾何尺寸設(shè)計(jì)，可以非常準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)完成聲音的雙耳記錄，為使聲音樣本能清晰地回放，采用Sennheiser的高保真HD650耳機(jī)及專業(yè)聲卡。

2.2 聲品質(zhì)測(cè)試方法

本次聲品質(zhì)測(cè)試的樣機(jī)為五款I(lǐng)H飯煲，每款電飯煲有兩種系列，分別編號(hào)為1-1/1-2、2-1/2-2、3-1/3-2、4-1/4-2、5-1/5-2。聲品質(zhì)試驗(yàn)的測(cè)試方法如圖所示，樣機(jī)位于5～10 mm的彈性膠墊上，同時(shí)處于噪音室的正中間，噪聲采集點(diǎn)如圖1所示，分布在樣機(jī)前后左右四個(gè)方向，距離樣機(jī)水平距離1 m的，高度為樣機(jī)高加一米除以二。

圖1 樣機(jī)噪聲采集點(diǎn)布置圖

2.3 樣本數(shù)據(jù)的采集

利用上述噪聲采集方法分別對(duì)五款機(jī)型進(jìn)行噪聲聲品質(zhì)參數(shù)采集，共采集樣本10個(gè)。隨機(jī)選取10位某公司生活電器行業(yè)工程師，工程師聽力正常，具有豐富的生活電器噪聲主觀評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)對(duì)IH飯煲的聲源分析，其主要存在排氣扇旋轉(zhuǎn)噪聲和電磁噪聲，故本次主觀評(píng)價(jià)主要針對(duì)IH飯煲噪聲的“聲音大小”以及“聲音音調(diào)”進(jìn)行評(píng)分，因此，工程師通過上述回放系統(tǒng)分別對(duì)樣機(jī)噪聲的大小和音調(diào)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，并且按照表1要求進(jìn)行評(píng)分，得分越低，表明聲品質(zhì)越差[11]。

表1 樣本噪聲主觀評(píng)價(jià)評(píng)分表

評(píng)分完成后，通過計(jì)算，得到每個(gè)樣本的平均得分，即樣本主觀評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 噪聲樣本主觀評(píng)價(jià)（平均分）

通過計(jì)算對(duì)IH飯煲整個(gè)過程的采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，得到10組電飯煲的聲品質(zhì)參數(shù)，如表3所示。

表3 噪聲各樣本客觀聲品質(zhì)參數(shù)

3 主客觀評(píng)價(jià)相關(guān)性分析

為尋找工程師主觀評(píng)價(jià)結(jié)果和產(chǎn)品噪聲聲品質(zhì)參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系，將客觀采集的樣本數(shù)據(jù)與主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 主觀評(píng)價(jià)與客觀參數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果圖

從圖2中分析結(jié)果可知，聲音的大小與A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的相關(guān)系數(shù)為0.631，與抖動(dòng)度的相關(guān)系數(shù)為0.614，與響度的相關(guān)系數(shù)為0.988，與粗糙度的相關(guān)系數(shù)為0.522，與尖銳度的相關(guān)系數(shù)為-0.439；因此，聲音大小與A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、抖動(dòng)度、響度、粗糙度分別呈正相關(guān)，并且與響度的正相關(guān)性較強(qiáng)；聲音大小與尖銳度呈偏好性負(fù)相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)不超過0.5。聲音的音調(diào)與A計(jì)權(quán)聲

壓級(jí)的相關(guān)系數(shù)為-0.352，與抖動(dòng)度的相關(guān)系數(shù)為-0.002，與響度的相關(guān)系數(shù)為-0.264，與粗糙度的相關(guān)系數(shù)為0.243，與尖銳度的相關(guān)系數(shù)為0.968；因此，聲音音調(diào)與A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、抖動(dòng)度、響度、成呈負(fù)相關(guān)，并且相關(guān)性均不高；聲音音調(diào)與粗糙度呈偏好性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.243，與尖銳度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.968；因此，聲音音調(diào)與尖銳度呈正相關(guān)，且相關(guān)性較高。

綜合以上分析，IH飯煲聲品質(zhì)可以分別利用聲品質(zhì)參數(shù)響度和尖銳度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。該試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)證明，用傳統(tǒng)以A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)IH飯煲的聲品質(zhì)時(shí)，會(huì)低估人的主觀感受，評(píng)價(jià)結(jié)果有偏差。

4 客觀評(píng)價(jià)模型的建立

明確主觀評(píng)價(jià)與客觀參數(shù)的相關(guān)性后，后續(xù)為進(jìn)一步量化兩者之間的相關(guān)性，需要建立多元線性回歸模型，本文以主觀評(píng)價(jià)聲音大小和音調(diào)為因變量，以客觀評(píng)價(jià)參數(shù)為自變量，并根據(jù)所選因變量和自變量數(shù)量不同，分別建立一元、二元、三元等多元線性回歸模型用于噪聲評(píng)價(jià)。

4.1 聲音大小一元線性回歸模型

以主觀評(píng)價(jià)聲音大小為因變量，與之相關(guān)性最好的響度為自變量，建立一元線性回歸模型：

式中：

SQ1—聲音大小主觀評(píng)價(jià)值；

a—待定常數(shù)；

b—回歸系數(shù)；

L—響度。

利用最小二乘法可求得待定常數(shù)和回歸系數(shù)，并代入式（1）中，得到一元線性回歸模型：

SQ1=-0.797+0.988·L

經(jīng)計(jì)算該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.986，具有較高的擬合度。

4.2 聲音大小二元線性回歸模型

以主觀評(píng)價(jià)聲音大小為因變量，響度和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)為自變量，建立二元線性回歸模型：

式中：

c—回歸系數(shù)；

A—計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。

利用最小二乘法可求得待定常數(shù)和回歸系數(shù)，并代入式（2）中，得到二元線性回歸模型：

SQ1=-1.735+0.861·L +0.031·A

經(jīng)計(jì)算該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.992，具有較高的擬合度。

4.3 聲音大小三元線性回歸模型

以主觀評(píng)價(jià)聲音大小為因變量，響度、A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、抖動(dòng)度為自變量，建立三元線性回歸模型：

式中：

d—回歸系數(shù)；

F—抖動(dòng)度。

利用最小二乘法可求得待定常數(shù)和回歸系數(shù)，并代入式 （3）中，得到三元線性回歸模型：

SQ1=-2.127+0.893·L +0.041·A-0.256·F

經(jīng)計(jì)算該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.993，具有較高的擬合度。

4.4 聲音音調(diào)一元線性回歸模型

聲音音調(diào)與尖銳度的相關(guān)性較高，而與A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、抖動(dòng)度、響度、粗糙度的相關(guān)性較低，且相關(guān)系數(shù)均為超過0.5，因此聲音音調(diào)主要以尖銳度來進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文中以主觀評(píng)價(jià)聲音音調(diào)為因變量，尖銳度為自變量，建立一元線性回歸模型：

式中：

SQ2—聲音音調(diào)主觀評(píng)價(jià)值；

a—待定常數(shù)；

b—回歸系數(shù)；

S—尖銳度。

利用最小二乘法可求得待定常數(shù)和回歸系數(shù)，并代入式（4）中，得到一元線性回歸模型：

SQ2=-2.903+3.161·S

經(jīng)計(jì)算該模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.964，具有較高的擬合度。

比較聲音大小的客觀評(píng)價(jià)模型，發(fā)現(xiàn)三元模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)最大，因此，可選用三元模型來對(duì)聲音大小進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)；聲音音調(diào)可以用一元線性評(píng)價(jià)模型進(jìn)行預(yù)估。

5 模型可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述選用模型的可靠性，按上述方法繼續(xù)采集5款電飯煲的噪聲樣本數(shù)據(jù)，同時(shí)請(qǐng)工程師進(jìn)行主觀評(píng)分判定。利用上述選用的兩種線性回歸模型預(yù)估主觀評(píng)價(jià)值，預(yù)估結(jié)果如下表4所示。通過表中數(shù)據(jù)得出所選用模型的預(yù)估值與主觀評(píng)價(jià)值相差不大，且誤差率均在10%以內(nèi)，因此，本文所選用的預(yù)估評(píng)價(jià)模型可用于IH飯煲的聲品質(zhì)評(píng)價(jià)。

表4 模型預(yù)估評(píng)價(jià)表

6 結(jié)論

在生活電器領(lǐng)域，傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法是以A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)作為產(chǎn)品聲品質(zhì)的主要評(píng)價(jià)參數(shù)，目前，此領(lǐng)域中也一直缺少聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)方法和判定聲品質(zhì)好壞的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)模型。本文以IH飯煲為例，通過系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，結(jié)合主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，以及線性分析后發(fā)現(xiàn)，聲音大小與響度的相關(guān)性較大，與A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和抖動(dòng)度相關(guān)性次之；聲音音調(diào)與尖銳度的相關(guān)性較好；提出了IH飯煲聲品質(zhì)的多元回歸模型評(píng)價(jià)方法，并且驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性，發(fā)現(xiàn)該多元回歸模型評(píng)價(jià)方法的誤差率不超過10 %，因此，回歸模型預(yù)估值比較精確，評(píng)價(jià)結(jié)論可用于評(píng)價(jià)體系中，優(yōu)化了傳統(tǒng)IH飯煲評(píng)價(jià)方法。