音頻注入下的飛機艙內(nèi)噪聲煩惱感抑制與評價

葉 睿，陳克安，閆 靚，田旭華

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072）

飛機艙內(nèi)噪聲是影響乘客舒適感的重要因素。眾多研究表明，過量的艙內(nèi)噪聲會影響乘客與飛行員的舒適感，嚴(yán)重的有可能使他們出現(xiàn)疲勞、心跳加快、血壓升高等癥狀，并且飛機內(nèi)部的設(shè)備儀器也會因艙內(nèi)噪聲與振動產(chǎn)生失穩(wěn)和靈敏度減弱等現(xiàn)象[1－3]。一直以來，對飛機噪聲控制的研究都是從噪聲源、傳遞路徑和艙內(nèi)降噪等3個方面進行，主要采取無源降噪（Passive noise control）和有源降噪（Active noise control）兩種方法。

無源降噪一方面可以采用降低噪聲源聲輻射的方法，從根本上降低噪聲，另一方面可以優(yōu)化噪聲傳遞路徑，增大噪聲傳遞的聲損失，從而減少傳遞到艙內(nèi)的噪聲。然而無源降噪存在的問題是，該方法需要修改機身結(jié)構(gòu)，在飛機限重的條件下，降噪效果有限，尤其是對于低頻噪聲的降低效果欠佳。有源降噪是通過設(shè)置次級聲源或振源，使之產(chǎn)生與噪聲源聲模態(tài)相位相反、幅值相等的聲振信號來抵消艙內(nèi)噪聲的聲模態(tài)，從而消除噪聲源產(chǎn)生的聲模態(tài)。與無源降噪相比，有源控制的方法不需要改善飛機結(jié)構(gòu)，是一種有效的方法。然而，有源控制作用的頻帶較窄。雖然該技術(shù)對低頻噪聲降噪效果較好，但控制后的高頻聲因此變得相對突出，因此盡管有源降噪有一定的成效，但乘客的舒適感未必一定會降低。

為了降低噪聲的煩惱感，提高聲舒適度，研究者們轉(zhuǎn)而從噪聲的聲品質(zhì)入手。國外的學(xué)者們進行了聲掩蔽效應(yīng)（Sound masking）相關(guān)的研究，Schlittmeier 和Hellbrück 探討了背景音樂是否可以降低噪聲帶來的主觀干擾[4]。Coensel等[5]將自然聲中的噴泉聲和鳥鳴聲與道路交通噪聲構(gòu)成聲景觀，掩蔽道路交通噪聲帶來的煩惱感。Vassie[6]進行了掩蔽聲對開放式辦公室工作人員注意力影響的研究，發(fā)現(xiàn)掩蔽聲可以降低辦公室噪聲的煩惱感，同時增加私密性。2012 年李爭光[7]提出，在降低噪聲聲級以外，可以通過改變聲音頻譜結(jié)構(gòu)、聲品質(zhì)以及聲音與周圍環(huán)境構(gòu)成的聲景觀來達到改善聲環(huán)境的目的，并且選用粉紅噪聲來掩蔽變電站噪聲。陳勇勇等[8]也進行了變電站噪聲的煩惱度評價研究。曹景攀等[9]在2016年報告了掩蔽效應(yīng)在車內(nèi)聲品質(zhì)研究中的應(yīng)用，并建立基于掩蔽效應(yīng)的煩惱度評價模型。

研究表明，利用聲掩蔽效應(yīng)降低噪聲的煩惱感是一種可行的方法。然而，針對飛機艙內(nèi)噪聲的煩惱感抑制，國內(nèi)外并無相關(guān)研究。本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，選用一種聲音來掩蔽和調(diào)節(jié)飛機艙內(nèi)噪聲，并對該聲音的參數(shù)進行優(yōu)化，尋找調(diào)節(jié)效果顯著的調(diào)控聲。

1 研究思路與方法

本文將聲掩蔽效應(yīng)運用于飛機艙內(nèi)噪聲上，通過向艙內(nèi)噪聲中注入音頻聲，使噪聲的煩惱感降低，該方法稱做音頻注入法（Audio injection approach）。

1.1 概念與術(shù)語

音頻注入法也稱音頻調(diào)控法，是通過加入人工可調(diào)節(jié)的音頻（可聽）聲，達到使原始聲（目標(biāo)聲，Target sound）煩惱感降低的一種噪聲控制方法，屬于噪聲控制中基于感知的“加法”策略。用于降低目標(biāo)聲煩惱感的可聽聲為調(diào)控聲（Adjustable sound），又稱次級聲。目標(biāo)聲和調(diào)控聲疊加的聲音，即改變后的目標(biāo)聲為疊加聲（Combined sound）。聲音疊加之后，疊加聲的聲能量會有不同程度的增加，但是其煩惱感可能降低也可能增加。疊加聲煩惱感有所降低的效應(yīng)為相消效應(yīng)（Inhibition effect），相反，疊加聲煩惱感增加即為相長效應(yīng)（Synergistic effect）。

1.2 研究思路

本文中的目標(biāo)聲選為波音737-800 艙內(nèi)噪聲。對于調(diào)控聲，Valtteri 和David 等在關(guān)于開放式辦公噪聲掩蔽的研究中指出，在公共場所，可以使用至少3種聲音為調(diào)控聲：

（1）由白噪聲經(jīng)過不同濾波器產(chǎn)生的人工掩蔽聲，如粉紅噪聲、棕色噪聲等；

（2）通風(fēng)聲、鳥鳴聲和水流聲等自然聲；

（3）不會對工作產(chǎn)生影響的音樂聲[10]。本文首先將上述種類的可聽聲作為備選注入目標(biāo)聲，進行煩惱感評分實驗，選取能夠降低煩惱感的可聽聲作為調(diào)控聲。確定調(diào)控聲類型后，進行疊加聲信噪比的研究，確定一個合適的信噪比。下一步改變調(diào)控聲參數(shù)，形成不同參數(shù)的調(diào)控聲，將其以合適的信噪比注入目標(biāo)聲，進行疊加聲煩惱感主觀評價試驗，得到煩惱度評分最低的疊加聲，對應(yīng)的調(diào)控聲參數(shù)即為最優(yōu)，研究思路如圖1所示。

圖1 研究思路流程圖

1.3 目標(biāo)聲樣本

本文的研究對象為波音737-800 的飛機艙內(nèi)噪聲，一共布置23個測點，對應(yīng)位置如圖2所示。

圖2 艙內(nèi)噪聲測點布置圖

噪聲采集在機艙內(nèi)進行，數(shù)據(jù)采集設(shè)備為丹麥B&K 公司的PULSE 測量系統(tǒng)。采樣頻率設(shè)置為32 768 Hz，采樣時長為20 s。5 s時長的聲樣本可以產(chǎn)生穩(wěn)定的感知印象，也可避免時間過長導(dǎo)致被試疲勞，降低評價結(jié)果的信度。因此，數(shù)據(jù)采集完畢后，選取平穩(wěn)的信號段，截取為時長5 s的聲樣本，用作主觀實驗。

1.4 備選調(diào)控聲

Hongisto 等[10]在關(guān)于開放式辦公噪聲掩蔽的研究中指出，在公共場所，可以使用至少3種聲音為調(diào)控聲?？紤]到樂聲可能會影響乘客休息，轉(zhuǎn)移注意力，因此不選取樂聲作為調(diào)控聲?？紤]到自然聲中的流水聲和鳥鳴聲與飛機艙內(nèi)環(huán)境不協(xié)調(diào)，易造成乘客困惑，為此在https:// findsounds. com 網(wǎng)站上下載5 種不同的風(fēng)聲，構(gòu)成自然調(diào)控聲樣本集。由于網(wǎng)站上并未說明風(fēng)聲的詳細信息，風(fēng)速數(shù)值尚不明確，所以僅從聽感上將風(fēng)聲進行分類。利用MATLAB軟件生成高斯白噪聲，再將白噪聲經(jīng)過濾波生成4 種有色噪聲，構(gòu)成人工調(diào)控聲樣本集。最終，調(diào)控聲備選類型包括10種可聽聲（表1）。

表1 調(diào)控聲備選類型

2 調(diào)控聲設(shè)計

確定目標(biāo)聲樣本集和調(diào)控聲類型后，首先需要選取能夠掩蔽艙內(nèi)噪聲的調(diào)控聲類型，其次調(diào)整調(diào)控聲參數(shù)，進而確定最優(yōu)的調(diào)控聲參數(shù)。

2.1 閾限實驗

音頻注入通過聲音疊加實現(xiàn)，在目標(biāo)聲樣本集和調(diào)控聲備選類型范圍內(nèi)，邀請有經(jīng)驗的專家試聽調(diào)控聲和目標(biāo)聲，選出這5 種人工調(diào)控聲、5 種自然調(diào)控聲（風(fēng)聲）以及23個目標(biāo)聲的參考聲，將參考目標(biāo)聲作為信號，參考調(diào)控聲作為噪聲進行疊加，用于確定疊加聲的信噪比范圍。

信噪比范圍由上下閾值規(guī)定，下閾值TL（Lower threshold）是指在疊加聲中剛好聽不到目標(biāo)聲時的信噪比，上閾值TU（Upper threshold）是指在疊加聲中剛好聽不到調(diào)控聲時的信噪比。疊加聲的信噪比應(yīng)在上下閾值之間變化。

經(jīng)過初步的聽音感受，發(fā)現(xiàn)注入人工調(diào)控聲后的目標(biāo)聲煩惱感無明顯降低，因此排除人工調(diào)控聲。將自然調(diào)控聲注入目標(biāo)聲進行試聽，大致確定TL=-20 dB、TU=+25 dB，即疊加聲信噪比在-20 dB～+25 dB之間。閾限確定之后，將參考調(diào)控聲與參考目標(biāo)聲疊加，信噪比以步長5 dB 變化，得到10 個疊加聲。邀請5～6 個西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院環(huán)境工程和聲學(xué)專業(yè)的學(xué)生作為被試，他們都擁有主觀評價實驗的經(jīng)驗。被試根據(jù)要求選出上下閾限的值，涵蓋所有人的選擇范圍，得到上下閾限的取值范圍。在取值范圍內(nèi)進一步縮小信噪比步長為1 dB，再次進行試聽，將所有人的均值作為絕對閾限值，最終得到TL=-7 dB、TU=+14 dB，即疊加聲信噪比在-7 dB～+14 dB之間。

2.2 調(diào)控聲類型選擇

在閾限范圍內(nèi)，將5 種自然調(diào)控聲分別與參考目標(biāo)聲以相同的信噪比疊加，得到5個疊加聲，通過自身試聽篩選出疊加7號、9號和10號調(diào)控聲后，煩惱度有所改善。分別邀請7 個聲學(xué)和7 個非聲學(xué)專業(yè)的人通過試聽篩選出的疊加聲，最終選出煩惱度改善效果明顯的10 號調(diào)控聲。10 號調(diào)控聲頻帶范圍為0 Hz～11 kHz，頻譜圖如圖3所示。

圖3 10號調(diào)控聲頻譜圖

2.3 疊加聲信噪比

通過閾值實驗最終得到TL=-7 dB、TU=+14 dB，即疊加聲信噪比在-7 dB～+14 dB 之間。將參考目標(biāo)聲和10號調(diào)控聲以不同的信噪比疊加，將信噪比以1 dB為步長進行變化，得到22個待評價疊加聲樣本。

2.4 調(diào)控聲參數(shù)設(shè)計

上述預(yù)實驗已經(jīng)證明了音頻注入法降低噪聲煩惱感的可行性。本文重點研究能夠改善目標(biāo)聲煩惱感的調(diào)控聲特性，在確定10 號調(diào)控聲的基礎(chǔ)上，將其經(jīng)過不同的處理，形成多種人工可調(diào)節(jié)聲，進一步找出可改善目標(biāo)聲煩惱感的調(diào)控聲特性。

將10號調(diào)控聲按兩種方式進行處理，第一種是經(jīng)過不同通過頻率的低通濾波器，濾掉不同比例的高頻部分；第二種是改變10 號調(diào)控聲的功率譜斜率。通過這兩種調(diào)節(jié)方式產(chǎn)生不同的調(diào)控聲，再經(jīng)過主觀實驗選出最合適的調(diào)控聲特性。

2.4.1 帶寬重疊

目標(biāo)聲和調(diào)控聲頻譜圖如圖4所示，4 kHz以內(nèi)是聲壓級的主要貢獻，所以第一種調(diào)控聲處理方式采取濾掉調(diào)控聲高頻部分、保留中低頻部分的方法。

圖4 目標(biāo)聲與調(diào)控聲的帶寬重疊

將濾掉的高頻部分量化，用頻譜重疊程度來衡量，定義頻譜的重疊程度為帶寬重疊率δ，指目標(biāo)聲與調(diào)控聲帶寬重疊的程度，用式（1）表示：

其中：f1、f2為目標(biāo)聲和疊加聲頻譜重疊部分的頻率上下限；fT1、fT2為目標(biāo)聲能量集中部分的頻率上下限；fA1、fA2為調(diào)控聲能量集中部分的頻率上下限。

則有原始調(diào)控聲與目標(biāo)聲的帶寬重疊率δ=0.67。將δ分成4份，取對應(yīng)低通濾波器的通過頻率分別為2.8 kHz、5.6 kHz和8.4 kHz，濾波器衰減斜率kF都 為-200 dB/octave，則分別對應(yīng)δ=0.17、δ=0.34、δ=0.51，頻譜圖如圖5 所示。將4 種δ不同的調(diào)控聲與目標(biāo)聲疊加，則每個目標(biāo)聲對應(yīng)4個δ不同的疊加聲。

圖5 不同帶寬重疊率

2.4.2 功率譜斜率

第二種方法是改變調(diào)控聲的功率譜斜率，將10號調(diào)控聲進行功率譜斜率kP的變化，在10號調(diào)控聲的基礎(chǔ)上，將其功率譜斜率改為每倍頻程增加3 dB、6 dB（kP=+3dB/倍頻程、+6 dB/倍頻程)和每倍頻程下降3 dB、6 dB（kP=-3 dB/倍頻程、-6 dB/倍頻程)，但是改變功率譜后，原本風(fēng)聲中沒有能量的高頻部分增加了一些能量（頻譜圖如圖6）。

圖6 改變功率譜斜率后的調(diào)控聲

為了保證同樣的帶寬重疊率δ=0.67，將改變功率譜的風(fēng)聲通過衰減斜率kF=-200 dB/倍頻程、通過頻率為11 kHz 的低通濾波器，濾掉增加的高頻能量，這樣就保證了δ的一致，頻譜圖如圖7 所示。改變功率譜斜率后產(chǎn)生了4 個改變功率譜調(diào)控聲，相應(yīng)的每個目標(biāo)聲增加了對應(yīng)的4個改變功率譜斜率疊加聲。

圖7 濾波后的改變功率譜斜率調(diào)控聲

通過試聽，kP=+6 dB/倍頻程的調(diào)控聲疊加到目標(biāo)聲上，煩惱度顯著增加，因此在主觀實驗中剔除這個疊加聲，即改變功率譜斜率后，每個目標(biāo)聲只對應(yīng)3個疊加聲。

經(jīng)過兩種方式處理，10 號調(diào)控聲對應(yīng)6 種調(diào)整參數(shù)的調(diào)控聲，加上原始10號調(diào)控聲，將這7種調(diào)控聲分別與目標(biāo)聲疊加，形成疊加聲，用作主觀實驗的聲樣本。

表2 10號調(diào)控聲參數(shù)設(shè)計

3 主觀評價實驗及數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過2種調(diào)控聲方法處理，每個目標(biāo)聲對應(yīng)7種疊加聲，加上目標(biāo)聲本身也需要進行煩惱度評分，每個聲樣本重復(fù)評價2 次，共計368 個待評分聲樣本。考慮到被試疲勞會導(dǎo)致實驗結(jié)果不準(zhǔn)確，實驗分兩次進行。

3.1 主觀評價實驗

主觀實驗的聲樣本隨機排序，由Windows media player 音頻播放軟件播放，通過一個24 位的聲卡傳至 16 通道耳機放大器（BEHRINGERHA4700），再經(jīng)動態(tài)、開放式高保真監(jiān)聽級頭戴耳機（SENNHEISER HD600）進行播放。

實驗中采用參考評分法[12]，通過邀請專家試聽，選取10 號目標(biāo)聲作為參考聲樣本。參考聲樣本播放5 秒，中間停頓2 秒，接著播放需要評價的5 秒聲樣本。實驗過程中每30 分鐘休息一次，一次實驗共耗時約1 小時20 分鐘。大量研究表明，7±2 級評分尺度是最佳的范疇數(shù)值[13]，實驗中采用7級評分尺度（見表3），煩惱度問卷如圖8所示。招募24名聽力正常的被試，年齡在18～40歲之間，男女比例為1.4:1，實驗結(jié)束后給予一定的酬勞。

表3 7級煩惱度評分量表

圖8 煩惱度問卷

3.2 數(shù)據(jù)分析

主觀實驗結(jié)束后，得到24名被試關(guān)于疊加聲的煩惱度評分。利用SPSS 軟件對被試的數(shù)據(jù)進行聚類分析（圖9），19號被試與其他被試的距離較遠，剔除19號被試數(shù)據(jù)。

圖9 聚類分析

采用參考評分法，若被試對參考聲樣本的評分不為4，則認為被試存在i－i誤判；所有被試對疊加聲樣本進行2次重復(fù)評價，2次j－i評價之間的差值應(yīng)不大于2，否則認為被試存在j－i誤判。計算每位被試的誤判率，誤判率大于0.4，即一致性系數(shù)低于0.6，則剔除該被試。分析2次評價的線性相關(guān)性，若某被試線性相關(guān)系數(shù)低于0.6，說明2 次評價線性關(guān)系弱，剔除該被試。

最終剔除19、18、4、14、17、20、21和24號被試的數(shù)據(jù)（見圖10、圖11），求出剩余16 名被試的煩惱度評分均值，即為最終的煩惱度評分。

圖10 誤判分析

圖11 線性相關(guān)分析

3.3 評價結(jié)果

3.3.1 疊加聲信噪比

以不同信噪比進行疊加時，疊加聲的煩惱度評分如圖12 所示。虛線為參考目標(biāo)聲評分，采用7 級評分尺度時煩惱度得分為4。信噪比小于0時，10號調(diào)控聲占主導(dǎo)，疊加聲煩惱度遠高于目標(biāo)聲。雖然10號調(diào)控聲為自然聲，煩惱度理論上應(yīng)較小，但疊加聲頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，與10 號調(diào)控聲并不完全一致，使得煩惱度明顯增加。隨著信噪比增大，疊加聲煩惱度呈降低趨勢，+9 dB為最合適信噪比，改變調(diào)控聲參數(shù)后，均以+9 dB的信噪比進行疊加。

圖12 信噪比不同的疊加聲煩惱度

3.3.2 帶寬重疊

帶寬重疊率δ不同的聲樣本最終評分如圖13(a)至圖13(d)所示。原始調(diào)控聲（10 號）與目標(biāo)聲帶寬重疊率δ=0.67，將風(fēng)聲注入目標(biāo)聲可以在一定程度上降低目標(biāo)聲的煩惱度。改變目標(biāo)聲與調(diào)控聲的重疊程度得到不同δ的疊加聲，疊加聲的煩惱度都在一定程度上低于目標(biāo)聲，但是改變δ前后，疊加聲的煩惱度變化不大，改變δ不能顯著改善調(diào)控聲對目標(biāo)聲的調(diào)節(jié)能力。

3.3.3 功率譜斜率

采用同樣的數(shù)據(jù)分析方法，得到被試對改變功率譜斜率疊加聲的煩惱度評分，結(jié)果如圖14(a)至圖14(d)所示，圖14(a)與圖13(a)都是原始10 號調(diào)控聲和目標(biāo)聲疊加的疊加聲煩惱度評分。

圖13 帶寬重疊率δ不同的疊加聲煩惱度

圖14 改變功率譜斜率疊加聲煩惱度評分

功率譜斜率kP=+3dB/倍頻程 和kP=-6 dB/倍頻程時，調(diào)控聲對目標(biāo)聲都有一定的調(diào)節(jié)效果，但是調(diào)節(jié)效果與10 號調(diào)控聲差別不大；kP=-3 dB/倍頻程時，改變功率譜疊加聲的煩惱度明顯低于目標(biāo)聲，相對于10號調(diào)控聲來說，調(diào)節(jié)效果顯著，即在10 號調(diào)控聲的基礎(chǔ)上，將功率譜斜率改為kP=-3 dB/倍頻程時，調(diào)控聲具備較好的調(diào)節(jié)效果。

4 結(jié)語

本文以波音737-800 型飛機艙內(nèi)噪聲為研究對象，較為系統(tǒng)地研究了采用音頻注入法改善飛機艙內(nèi)噪聲的可行性以及用于改善艙內(nèi)噪聲煩惱度的調(diào)控聲特性。結(jié)果表明：

(1)注入音頻條件下，自然聲中的風(fēng)聲可以改善飛機艙內(nèi)噪聲的煩惱度，疊加聲最合適的信噪比為+9 dB。

(2)改變調(diào)控聲與目標(biāo)聲的帶寬重疊率δ不能得到更好的調(diào)節(jié)效果，不能起到改善艙內(nèi)噪聲煩惱度的效果。

(3)改變調(diào)控聲的功率譜斜率對疊加聲的煩惱度既有積極影響也有消極影響，功率譜斜率為kP=-3 dB/倍頻程時，改變功率譜斜率對調(diào)控聲的調(diào)節(jié)效果有積極作用。

本文選取的自然調(diào)控聲均來自于網(wǎng)站下載，依據(jù)聽感將風(fēng)聲分類，風(fēng)速的數(shù)值尚不明確，下一步工作中可使用實測的風(fēng)聲，探究不同風(fēng)速的調(diào)控聲對目標(biāo)聲的煩惱感調(diào)節(jié)作用，尋找調(diào)節(jié)效果最佳的風(fēng)速。進一步還可建立目標(biāo)聲和疊加聲的煩惱度模型，用于預(yù)測加入不同調(diào)控聲后疊加聲的煩惱度，也可用于解釋音頻注入的物理機制。