反射聲對(duì)室內(nèi)聲景主觀評(píng)價(jià)的影響初探

黃永超，古林強(qiáng)

(廣州大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

聲景觀是“群體或個(gè)人在聲境中感知、體驗(yàn)或理解的聲環(huán)境”[1]。據(jù)此定義，聲景觀的基礎(chǔ)研究框架對(duì)于室內(nèi)外聲環(huán)境都是適用的，但室內(nèi)外聲場(chǎng)存在著明顯差異，封閉空間的特征是一個(gè)混響聲場(chǎng)，可以放大聲音[2]，因此室內(nèi)聲景觀的研究應(yīng)該基于室內(nèi)聲場(chǎng)的客觀特征，結(jié)合室內(nèi)聲景觀的研究框架進(jìn)行。

密集的早期反射聲是導(dǎo)致室內(nèi)聲場(chǎng)區(qū)別于室外聲場(chǎng)的最主要因素，本文回顧了室內(nèi)反射聲以及室內(nèi)聲景觀的研究進(jìn)展，通過基于反射聲感知的聲學(xué)可聽化實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)心理學(xué)的方法，考察了房間里人耳對(duì)于不同聲源信號(hào)反射聲的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的絕對(duì)感覺閾，并結(jié)合室內(nèi)聲景觀的研究框架和方法，研究了反射聲對(duì)于室內(nèi)聲景的主觀評(píng)價(jià)影響。

1 反射聲相關(guān)研究

1.1 20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初

Borenius等[3]率先提出主觀聽力測(cè)試對(duì)于室內(nèi)場(chǎng)所聲學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要性，小型聲學(xué)場(chǎng)所的研究不應(yīng)該僅僅局限于各項(xiàng)聲學(xué)參數(shù)的指標(biāo)。隨后Bech等通過實(shí)驗(yàn)研究了反射聲對(duì)于音色的影響，以及反射聲對(duì)于差別閾限(Just Noticed Difference,JND)和絕對(duì)感覺閾(Threshold Detection,TD)的影響[4-5]。Toole等認(rèn)為，人們對(duì)縱向反射聲的察覺力不亞于橫向反射聲，前者主要會(huì)影響音色，而后者則是對(duì)空間感有著更多的貢獻(xiàn)[6]。

1.2 21世紀(jì)初至今

隨著室內(nèi)聲場(chǎng)計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展，空間聲技術(shù)成為近年來聲學(xué)領(lǐng)域的前沿課題。空間聲主要基于三種原理和方法，分別是物理聲場(chǎng)的精確重構(gòu)方法、心理聲學(xué)與物理聲場(chǎng)的近似重放方法與雙耳聲信號(hào)的精確重放方法[7]，比較常見的是通過軟件模擬或測(cè)量技術(shù)獲得聲場(chǎng)脈沖響應(yīng)(Impulse Response,IR)和頭相關(guān)脈沖響應(yīng)(Head-Related Impulse Response,HRIR)，兩者結(jié)合即構(gòu)成雙耳房間脈沖響應(yīng)(Binaural Room Impulse Response,BRIR)，再與聲源信號(hào)進(jìn)行卷積，得到立體聲信號(hào)[8-9]。

Imamura等[10]將9種不同的房間信號(hào)響應(yīng)與3種音樂卷積，形成27種刺激信號(hào)，使用對(duì)偶比較法(7階)，讓受試者對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，聚焦于直達(dá)聲和早期反射聲的干涉圖像，并且調(diào)查了多類早期反射聲是如何影響受試者的主觀聽力表現(xiàn)。目前，采用可聽化實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行聲學(xué)現(xiàn)象與主觀評(píng)價(jià)的研究成為學(xué)界主流。

2 室內(nèi)聲景觀相關(guān)研究

室內(nèi)外聲景存在著明顯的區(qū)別，因此有必要用不同的方法研究室內(nèi)聲場(chǎng)，并根據(jù)室內(nèi)聲景觀和室內(nèi)噪聲控制的閾值界限，決定采取噪聲控制的方法還是聲景觀的方法來改善室內(nèi)聲環(huán)境[2]。在進(jìn)行室內(nèi)聲景觀的主觀評(píng)價(jià)時(shí)，評(píng)價(jià)模型應(yīng)該根據(jù)主成分分析選取適當(dāng)?shù)木S度，Torresin等[11]通過實(shí)驗(yàn)，確定了居住區(qū)室內(nèi)聲景觀評(píng)價(jià)的三個(gè)主成分，分別是舒適度、活潑度、熟悉度，主觀評(píng)價(jià)應(yīng)圍繞這三個(gè)維度來設(shè)計(jì)問卷。

3 可聽化實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)背景

為考察反射聲對(duì)室內(nèi)聲景觀主觀評(píng)價(jià)的影響，本文設(shè)置了三個(gè)實(shí)驗(yàn)：(1)讓實(shí)驗(yàn)人員比較純音、語音以及音樂信號(hào)在有無反射聲參與情況下的差異，并做出偏好度評(píng)價(jià)。(2)在實(shí)驗(yàn)1的前提下，選出人耳能夠聽出顯著差異的信號(hào)，根據(jù)實(shí)際房間進(jìn)行軟件建模，進(jìn)行聲壓級(jí)絕對(duì)感覺閾的測(cè)量，目的是探究在實(shí)際情況中人耳能夠察覺到反射聲參與的最小聲壓級(jí)。(3)是基于室內(nèi)聲景觀主觀評(píng)價(jià)框架以及GB/T 16463—1996《廣播節(jié)目聲音質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)方法和技術(shù)指標(biāo)要求》[12]進(jìn)行室內(nèi)聲景觀在有無反射聲參與兩種情況下的主觀評(píng)價(jià)。

3.2 實(shí)驗(yàn)1

3.2.1 實(shí)驗(yàn)素材與實(shí)驗(yàn)方法

為了模擬日常的情景，采用了三種音頻信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)素材，分別是語音、音樂聲以及1 000 Hz純音。

將實(shí)驗(yàn)房間模型(尺寸為：4 665 mm×7 725 mm×4 356 mm)導(dǎo)入Odeon軟件，如圖1所示。音源位置位于實(shí)驗(yàn)室中間貼近一側(cè)墻壁，距離地面高1700mm的位置，坐標(biāo)為P2(0，2 333，1 700)mm，接收點(diǎn)位于音源正前方4 m的位置，坐標(biāo)為P2(4 000，2 333，1 700)mm。在材料的選擇方面，首先使用全吸收材料模擬自由場(chǎng)環(huán)境，使用Odeon軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)房間脈沖響應(yīng)的運(yùn)算分析并得到雙耳房間脈沖響應(yīng)(BRIR)，然后將材料更換為全反射材料，再次進(jìn)行同樣的運(yùn)算，得到有反射聲參與的聲場(chǎng)環(huán)境下的BRIR如圖2所示；然后將之前的三個(gè)音頻信號(hào)與脈沖響應(yīng)進(jìn)行卷積運(yùn)算得到實(shí)驗(yàn)用的三組實(shí)驗(yàn)素材。

圖1 Odeon軟件中的實(shí)驗(yàn)房間模型Fig.1 The model of experimental room in Odeon software

圖2 有反射聲參與的聲場(chǎng)環(huán)境下的BRIR函數(shù)Fig.2 BRIR function in sound field environment with reflection

在實(shí)驗(yàn)方法上，本次實(shí)驗(yàn)使用強(qiáng)制選擇法，將經(jīng)過不同響應(yīng)處理的同一素材配對(duì)后進(jìn)行區(qū)分度的判讀，設(shè)定了“喜歡1”“喜歡2”以及“沒有區(qū)別”三個(gè)選項(xiàng)，要求受試者在對(duì)比聽完一組信號(hào)后，選擇上述選項(xiàng)中的一個(gè)。此次試驗(yàn)受試者的年齡范圍在22～41歲之間，共23位，其中男性14位，女性9位，均為高校的在讀學(xué)生及教師。在實(shí)驗(yàn)前對(duì)受試者進(jìn)行了統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)控件操作培訓(xùn)。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在區(qū)分三種信號(hào)有無地面反射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，對(duì)于語音及音樂信號(hào)，受試者能夠以較大的概率區(qū)分出有無反射聲所帶來的差異，語音信號(hào)的概率為95.0%，音樂信號(hào)為87.5%；而對(duì)于1 000 Hz的純音信號(hào)，受試者能夠區(qū)分出的概率下降至37.5%，在女性受試者中這一數(shù)據(jù)甚至更低，僅有12.5%。在能夠區(qū)別顯著差異的基礎(chǔ)上進(jìn)行有無反射聲的偏愛度分析后，對(duì)于語音和音樂，受試者的偏愛度分布相對(duì)均勻，分別有55.3%和51.4%的受試者偏愛無反射聲的信號(hào)。但在1 000 Hz純音信號(hào)中，受試者更加偏愛有反射聲參與的純音信號(hào)，有80%的受試者偏愛有反射聲的信號(hào)。原因可能是由于自然界中極少存在純音信號(hào)，經(jīng)反射聲處理后，產(chǎn)生了近似室內(nèi)的聽音效果。人們對(duì)于不熟悉的聲音傾向于有反射聲的參與以加強(qiáng)熟悉度，這點(diǎn)將在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中予以驗(yàn)證。

表1 對(duì)三種信號(hào)區(qū)分有無地面反射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of distinguishing the three signals with or without ground reflection

3.3 實(shí)驗(yàn)2

3.3.1 實(shí)驗(yàn)素材與實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果，人耳并不能明顯區(qū)分純音信號(hào)在有無反射聲參與下所帶來的差異，因此在進(jìn)行絕對(duì)感覺閾的測(cè)量時(shí)，選取了語音、音樂和室內(nèi)聲景觀常用的水流聲作為實(shí)驗(yàn)信號(hào)。為模擬實(shí)際聽音環(huán)境，以文獻(xiàn)[13]中1～4號(hào)房間的實(shí)際測(cè)量情況進(jìn)行Odeon軟件建模，并將界面處理成與實(shí)際情況相同以及全吸收(全反射)兩種工況，得到每間房間的兩組有無反射聲參與的脈沖響應(yīng)，再與三種音頻信號(hào)進(jìn)行卷積。

為確定人耳能察覺到反射聲差異的聲壓級(jí)閾限值，采用實(shí)驗(yàn)心理學(xué)中測(cè)量絕對(duì)閾限的階梯法[14]。將同一聲壓級(jí)的有無反射聲參與的兩組信號(hào)進(jìn)行配對(duì)，供被試者進(jìn)行聽音，若被試者能夠(不能夠)聽出這對(duì)信號(hào)的區(qū)別，下一組信號(hào)則以1 dB(A)的強(qiáng)度遞減(遞增)，直至完成30次，并計(jì)算轉(zhuǎn)折點(diǎn)平均聲壓級(jí)，即為此次試驗(yàn)測(cè)得的絕對(duì)感覺閾?？紤]到實(shí)驗(yàn)室本底噪聲為25 dB(A)，為排除本底噪聲的影響，本次實(shí)驗(yàn)的最小聲壓級(jí)設(shè)為35 dB(A)[15]，考慮到正常交談聲的范圍，同時(shí)為了保證實(shí)驗(yàn)人員聽力不受損，最終確定本次聲壓級(jí)的范圍為35～64 dB(A)。此次試驗(yàn)受試者的年齡范圍在20～28歲之間，共20位，其中男性11位，女性9位，均為高校的在讀學(xué)生，每個(gè)房間對(duì)應(yīng)5位受試者。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

人耳對(duì)反射聲的絕對(duì)感覺閾結(jié)果如表2所示?？梢钥闯鰧?duì)于1號(hào)、2號(hào)以及4號(hào)房間，語音信號(hào)的反射聲絕對(duì)感覺閾最低，用小于水流聲和音樂聲信號(hào)，這與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，即對(duì)于越是熟悉的聲音，人耳越是能敏銳地捕捉到室內(nèi)反射聲帶來的差異。此外，3號(hào)房間的數(shù)據(jù)與之前的結(jié)論完全相反，在這里語音信號(hào)的反射聲絕對(duì)感覺閾最高，其次是音樂，水流聲最低，這意味著在某些特殊形體的房間里(如3號(hào)房間形狀不規(guī)則，且層高較高)，對(duì)于越是熟悉的聲音，人耳反倒不容易察覺出反射聲帶來的差異。

表2 人耳對(duì)于反射聲的絕對(duì)感覺閾(dB(A))Table 2 The absolute sensation thresholds of the human ear to the floor reflected sound(dB(A))

值得一提的是，此次試驗(yàn)過程中，語音的出現(xiàn)最小聲壓級(jí)的概率為37.5%，即可聽閾即為反射聲的絕對(duì)感覺閾，而這一現(xiàn)象在音樂信號(hào)中為12.5%，水流信號(hào)中的概率是25%；此外，后兩者與語音信號(hào)相比，均出現(xiàn)過最大聲壓級(jí)的情況，且出現(xiàn)概率均為12.5%，這種情況表明受試者始終無法辨別出反射聲帶來的差異。以上兩種情況的出現(xiàn)，驗(yàn)證了前文觀點(diǎn)的同時(shí)，也表明人耳對(duì)于反射聲的絕對(duì)感覺閾受到房間尺寸、房間反射面聲學(xué)參數(shù)以及聽者個(gè)體差異的影響較大，甚至同一個(gè)體在不同房間的絕對(duì)感覺閾會(huì)出現(xiàn)偏移。

3.4 實(shí)驗(yàn)3

3.4.1 實(shí)驗(yàn)素材與實(shí)驗(yàn)方法

上述實(shí)驗(yàn)已經(jīng)初步考察了人耳對(duì)于反射聲的感知程度，接下來將針對(duì)三種信號(hào)聲源(語音、音樂、水流聲)，在有無反射聲參與的兩種情況下進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)的第一部分為文獻(xiàn)[12]中室內(nèi)聲景觀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，一共有5個(gè)互為正交的聲感知維度，按照規(guī)范要求使用7階語義細(xì)分量表供被試在聽音時(shí)打分[16]。第二部分是《廣播節(jié)目聲音質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)方法和技術(shù)指標(biāo)要求》中對(duì)于錄音制品的評(píng)價(jià)[12]。

此次試驗(yàn)受試者的年齡范圍在20～28歲之間，共46位，其中男性20位，女性26位，均為高校的在讀學(xué)生。在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)，并統(tǒng)一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終回收有效問卷43份。

3.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

GB/T 16463—1996框架下的聲音質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3～5所示，圖中縱坐標(biāo)為占總?cè)藬?shù)的占比。

圖3 按照GB/T 16463—1996要求的語音信號(hào)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Subjective evaluation results of human voice signals in accordance with GB/T 16463—1996

圖4 按照GB/T 16463—1996要求的音樂信號(hào)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 Subjective evaluation results of music signals in accordance with GB/T 16463—1996

圖5 按照GB/T 16463—1996要求的水流信號(hào)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 Subjective evaluation results of stream sound signal in accordance with GB/T 16463—1996

室內(nèi)聲景框架下的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 按照室內(nèi)聲景評(píng)價(jià)的語音信號(hào)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.6 Subjective evaluation results of human voice signals in accordance with indoor soundscape evaluation

圖7 按照室內(nèi)聲景評(píng)價(jià)的音樂信號(hào)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.7 Subjective evaluation results of music signals in accordance with indoor soundscape evaluation

圖8 按照室內(nèi)聲景評(píng)價(jià)的水流信號(hào)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.8 Subjective evaluation results of stream sound signal in accordance with indoor soundscape evaluation

在《廣播節(jié)目聲音質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)方法和技術(shù)指標(biāo)要求》評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)于語音和音樂聲信號(hào)而言，反射聲能夠顯著加強(qiáng)混響感，語音信號(hào)混響感評(píng)價(jià)提升了16.13個(gè)百分點(diǎn)；音樂聲信號(hào)混響感評(píng)價(jià)提升了64.51個(gè)百分點(diǎn)；而對(duì)于水流信號(hào)，反射聲會(huì)小幅降低混響感，降幅為6.25個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)于平衡感，反射聲的介入會(huì)使語音和水流信號(hào)的平衡感分別降低41.93個(gè)百分點(diǎn)和21.87個(gè)百分點(diǎn)；但會(huì)使音樂聲信號(hào)的平衡感提高45.15個(gè)百分點(diǎn)。此外，無論是哪種聲音信號(hào)，反射聲會(huì)降低清晰度，語音信號(hào)受影響最大，清晰度降幅為64.51個(gè)百分點(diǎn)，音樂和水流信號(hào)受影響相對(duì)較少，降幅分別為19.36個(gè)百分點(diǎn)和18.74個(gè)百分點(diǎn)。但對(duì)總體音質(zhì)的貢獻(xiàn)不相同，對(duì)語音和水流來說，反射聲會(huì)降低總體音質(zhì)，降幅分別為32.26個(gè)百分點(diǎn)和12.5個(gè)百分點(diǎn)；而對(duì)音樂來說，反射聲則會(huì)提高25.81個(gè)百分點(diǎn)的總體音質(zhì)。最后，反射聲都能夠提升距離感，客觀上造成親切感的降低，語音信號(hào)親切感降低了73.74個(gè)百分點(diǎn)；音樂聲信號(hào)親切感降低了67.73個(gè)百分點(diǎn)；水流聲信號(hào)親切感降低了31.25個(gè)百分點(diǎn)。不過親切感的偏好是十分主觀的，有些被試表現(xiàn)出喜歡較遠(yuǎn)的音樂聲以及較近的語音。

在室內(nèi)聲景觀的評(píng)價(jià)框架下，反射聲會(huì)降低人們對(duì)語音信號(hào)的舒適度(20.93個(gè)百分點(diǎn))；同時(shí)也會(huì)小幅降低人們對(duì)語音信號(hào)的熟悉程度(9.3個(gè)百分點(diǎn))。反射聲還會(huì)影響到私密性，使聲音變得不可控(降低23.26個(gè)百分點(diǎn))；并且語音信號(hào)的活潑程度和迷人程度也都會(huì)降低13.95個(gè)百分點(diǎn)和25.59個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)于音樂信號(hào)，人們更熟悉有反射聲參加的情況，熟悉度會(huì)提高18.6個(gè)百分點(diǎn)；且反射聲的參與會(huì)顯著提高舒適度(32.55個(gè)百分點(diǎn))、活潑度(27.9個(gè)百分點(diǎn))以及有趣程度(41.86個(gè)百分點(diǎn))，反之人們會(huì)覺得音樂聲有些失控。對(duì)于水流聲而言，人們更熟悉沒有反射聲參與的情況，反射聲會(huì)降低熟悉度(41.86個(gè)百分點(diǎn))，這與我們的生活經(jīng)驗(yàn)是相符的，因?yàn)樗髀曂趹敉猓車狈Ψ瓷渎?，一旦有了反射聲的參與，水流聲會(huì)變得入侵且失控(34.89個(gè)百分點(diǎn))，繼而降低舒適度(30.24個(gè)百分點(diǎn))、活潑感和(20.93個(gè)百分點(diǎn))迷人感(30.24個(gè)百分點(diǎn))，聽眾的體驗(yàn)會(huì)變得很差。

4 結(jié)果與討論

本文的研究首先通過實(shí)驗(yàn)1初步驗(yàn)證了不同音頻信號(hào)加入反射聲對(duì)于人耳主觀聽覺的影響，對(duì)于人們?cè)绞鞘煜さ穆曇?，這種影響越能夠被分辨出來。

實(shí)驗(yàn)2結(jié)合實(shí)際房間的吸聲材料布置與構(gòu)造，通過階梯法測(cè)得了三種聲音信號(hào)有無反射聲參與的最小絕對(duì)感覺閾，其中除特殊構(gòu)造的房間外，其余房間的語音信號(hào)絕對(duì)感覺閾最低，高于本底噪聲10 dB(A)左右即可被察覺，對(duì)于敏感人群甚至更低，絕對(duì)感覺閾等于可聽閾。水流聲及音樂信號(hào)，對(duì)于大部分人而言，高于本底噪聲17 dB(A)才開始察覺到反射聲的貢獻(xiàn)，這進(jìn)一步定量地闡釋了實(shí)驗(yàn)1的結(jié)論。

最后通過兩種不同研究框架下的主觀評(píng)價(jià)，給出了反射聲應(yīng)當(dāng)被處理的場(chǎng)景——即盡量使之符合人們的過往聽覺經(jīng)驗(yàn)及聽覺預(yù)期來提高主觀熟悉度。如在室內(nèi)聲景普遍是水流等自然聲音時(shí)，應(yīng)當(dāng)給予反射聲一定的吸聲處理，來模擬人們?cè)趹敉饴牭降淖匀坏穆曇簦约訌?qiáng)聽眾對(duì)于此類聲景觀的熟悉程度，進(jìn)而加強(qiáng)其他正向的主觀感受。對(duì)于室內(nèi)聲環(huán)境普遍是音樂的場(chǎng)景下，適當(dāng)?shù)姆瓷渎暱梢约訌?qiáng)音樂的音質(zhì)，符合人們的主觀經(jīng)驗(yàn)以及期待。而對(duì)于聲環(huán)境主要是人與人交談的場(chǎng)合時(shí)，反射聲會(huì)降低私密性并損傷熟悉度，但具體的取舍要根據(jù)實(shí)際的用途來進(jìn)行判定，如語言類演藝場(chǎng)所可以不用考慮處理反射聲，而人們習(xí)慣低語的臥室、辦公室應(yīng)當(dāng)給予一定的處理來保證舒適度。

本文的研究仍有值得進(jìn)一步深入的地方。首先，研究中所采用的可聽化實(shí)驗(yàn)方法是有一定局限性的，盡管軟件模擬了反射聲帶來的影響，但是在用耳機(jī)回放時(shí)，所有的聲音都是通過耳機(jī)的膜片進(jìn)行一維的徑向振動(dòng)向外輻射的，丟失了空間信息，會(huì)出現(xiàn)重放聲像的位置畸變、頭中定位等問題。

其次，本實(shí)驗(yàn)旨在考慮僅有反射聲參與的情況下對(duì)室內(nèi)聲場(chǎng)及人耳主觀感受的影響，因此房間模型均為空?qǐng)鰲l件，在實(shí)際的生活中，室內(nèi)物體對(duì)反射聲也有很大的影響，在以后的研究中應(yīng)予以考慮。