趙林風(fēng)，鄭四發(fā)，連小珉，劉海濤

(清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

前言

車內(nèi)噪聲是影響消費(fèi)者購買欲望和汽車廠商競爭力的重要因素，因此需要更貼近乘客主觀感受的噪聲評價(jià)方法。因汽車和火車的行駛噪聲中包含大量低頻成分，以A計(jì)權(quán)聲壓級為基礎(chǔ)的噪聲評價(jià)已不能完全反映人對噪聲的主觀感受［1］，對車內(nèi)噪聲的聲品質(zhì)評價(jià)方法的研究具有重要的意義［2］。

傳統(tǒng)的聲品質(zhì)評價(jià)實(shí)驗(yàn)，通常采用耳機(jī)直接回放采集的噪聲，評價(jià)者僅依據(jù)聽覺感受做出判斷。這種方式雖易實(shí)現(xiàn)，但并不能完全反映噪聲對人的影響。生理和心理實(shí)驗(yàn)研究均已證明人的聽覺感受會(huì)受到其他知覺，尤其是視覺感受的影響。文獻(xiàn)［3］中首次分析了視覺信息和聽覺信息不一致情況下的Mc Gurk效應(yīng)，證明了視覺信息確實(shí)會(huì)影響聽覺判斷;文獻(xiàn)［4］中所做的事件相關(guān)電位(event-related potentials，ERP)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，大腦皮層對聽覺信號(hào)的感知會(huì)受視覺信號(hào)影響。

近年來，國際上已開始結(jié)合環(huán)境視覺的聲品質(zhì)評價(jià)的研究。文獻(xiàn)［5］的研究表明，相比綠色火車圖片，紅色火車圖片會(huì)讓評價(jià)者感覺噪聲響度變大;文獻(xiàn)［6］的研究發(fā)現(xiàn)，加入汽車行駛的圖片能降低噪聲的煩躁感。但這些研究均未比較不同行駛場景視頻對車內(nèi)噪聲評價(jià)的影響程度。

聲品質(zhì)評價(jià)涉及響度、尖銳度和粗糙度等參量，其中僅響度參量獲得國內(nèi)外一致認(rèn)可，并制定了ISO標(biāo)準(zhǔn)［7］。因此，本文中主要研究行駛場景視頻對聲品質(zhì)評價(jià)中響度參量的影響。

本文中結(jié)合行駛場景視頻的聲品質(zhì)主觀評價(jià)，采用計(jì)權(quán)一致性判據(jù)確定了評價(jià)結(jié)果中的有效樣本，并引入等價(jià)響度概念，進(jìn)行了不同行駛場景視頻對響度影響的心理尺度分析。實(shí)驗(yàn)表明:加入行駛場景會(huì)降低汽車噪聲的等價(jià)響度，但等價(jià)響度的相對排序與原響度相同;與擁堵場景相比，暢通的行駛場景能更大程度地降低噪聲的等價(jià)響度。

1 結(jié)合場景視頻的主觀評價(jià)實(shí)驗(yàn)

1.1 數(shù)據(jù)采集和評價(jià)樣本庫的建立

用來評價(jià)的聲信號(hào)采用某國產(chǎn)汽車勻速行駛時(shí)的車內(nèi)噪聲，聲信號(hào)的采集在同一平直路段上進(jìn)行，采用數(shù)字人工頭進(jìn)行雙耳信號(hào)采集。分別記錄勻速行駛工況下(50、70、80、90km/h)副駕駛位置的雙耳旁車內(nèi)噪聲，實(shí)驗(yàn)時(shí)車窗全部關(guān)閉;行駛場景信號(hào)用攝像機(jī)采集汽車正前方視角的視頻信號(hào)，采集時(shí)進(jìn)行聲音與視頻信號(hào)同步觸發(fā)采集，得到的擁堵道路場景和暢通道路場景分別如圖1和圖2所示。

選取70和90km/h兩種勻速工況下的車內(nèi)噪聲，結(jié)合3種不同行駛場景(無視頻，擁堵視頻和暢通視頻)，得到如表1的6種組合，依次編號(hào)為樣本1至樣本6。

表1 視頻信號(hào)與噪聲信號(hào)組合

1.2 結(jié)合場景視頻的主觀評價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 主觀評價(jià)回放設(shè)備

主觀評價(jià)的噪聲信號(hào)通過HEAD Acoustics公司的可編程控制器驅(qū)動(dòng)耳機(jī)回放，每個(gè)回放通道均經(jīng)過單獨(dú)校準(zhǔn)，以保證回放信號(hào)聲壓級和波形與采集的信號(hào)相同，滿足聲品質(zhì)評價(jià)要求。視頻信號(hào)經(jīng)投影儀投放在白色幕布上。評價(jià)回放在視音頻回放室中進(jìn)行(如圖3)，評價(jià)者頭戴耳機(jī)觀看前方的視頻投影，并保持噪聲和視頻信號(hào)同步回放。

1.2.2 評價(jià)人員

評價(jià)人員為大學(xué)在校師生共計(jì)41名，年齡在18～41歲之間，聽力正常，其中男性31名，女性10名。

1.2.3 評價(jià)過程

采用成對比較法進(jìn)行主觀評價(jià)實(shí)驗(yàn)，即評價(jià)者在評價(jià)比較對中，選出響度較大的樣本，填入評價(jià)表格，若認(rèn)為兩個(gè)樣本響度相同則在表格中填0。為避免評價(jià)時(shí)間過長聽者產(chǎn)生聽覺適應(yīng)性［8］，采用半矩陣評價(jià)，6個(gè)樣本兩兩組合共得到=15組評價(jià)比較對;為驗(yàn)證評價(jià)結(jié)果的有效性，輔以一組同一樣本不同回放順序比較，共計(jì)16組評價(jià)比較對。

每段樣本長度均為7，每組樣本開始評價(jià)和結(jié)束評價(jià)時(shí)均有提示音，每播放完一對樣本有4s停頓，供評價(jià)者做出評價(jià)。為保證評價(jià)過程中評價(jià)者注意力集中，每播放完8個(gè)樣本對，評價(jià)者休息1min，整個(gè)評價(jià)時(shí)間約為15min。

2 場景視頻對噪聲評價(jià)的影響分析

2.1 數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)

2.1.1 誤判檢驗(yàn)

針對41名評價(jià)者對16組樣本比較對的評價(jià)結(jié)果，采用三角循環(huán)誤判統(tǒng)計(jì)結(jié)合i-i(同一樣本比較)誤判統(tǒng)計(jì)［9］對結(jié)果進(jìn)行誤判檢驗(yàn)。第n個(gè)人的三角循環(huán)誤判率Ct(n)的計(jì)算式為

函數(shù) δijk(n)的計(jì)算式［9］為

因預(yù)設(shè)一組i-i比較檢驗(yàn)，故第n名評價(jià)者的同樣本比較誤判率Cs(n)的計(jì)算式為

2.1.2 數(shù)據(jù)有效性分析

采用計(jì)權(quán)一致性系數(shù)ζw(n)作為表示第n名評價(jià)者的評價(jià)結(jié)果是否有效的綜合判斷指標(biāo)［9］:

式中:Cw(n)為計(jì)權(quán)誤判率;Ei(n)為第n個(gè)評價(jià)者的第i種誤判可能產(chǎn)生的總次數(shù);Ci(n)為第i種誤判實(shí)際產(chǎn)生的誤判次數(shù)。則第n名評價(jià)者的計(jì)權(quán)一致性系數(shù)ζw(n)為

式中:Cs(n)在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)1次;Ct(n)是第n個(gè)評價(jià)者的三角循環(huán)誤判率，可能出現(xiàn)次。采用式(7)計(jì)算得到41組數(shù)據(jù)的計(jì)權(quán)一致性系數(shù)ζw如圖4所示。

取ζw＞0.8作為評價(jià)者評價(jià)結(jié)果可靠的判據(jù)。根據(jù)圖4的結(jié)果，將表現(xiàn)較差的 ζw(1)=0.62，ζw(7)=0.63，ζw(27)=0.80，ζw(41)=0.74 數(shù)據(jù)剔除后，保留的37組有效數(shù)據(jù)的ζw≥0.82。

2.2 數(shù)據(jù)離散度檢驗(yàn)

依據(jù)每位有效評價(jià)者的評價(jià)結(jié)果，得到反對稱矩陣(共37個(gè))，進(jìn)而得到每位有效評價(jià)者對樣本1～樣本6的不同評分結(jié)果，文中僅給出2號(hào)評價(jià)者對樣本1～樣本6的評分結(jié)果，見表2。

表2 2號(hào)評價(jià)者對樣本1～樣本6的評分結(jié)果

依據(jù)不同評價(jià)者的打分計(jì)算各樣本的中位數(shù)、四分位差和算術(shù)平均值，結(jié)果見表3和圖5。

表3 樣本1～樣本6的平均值

圖5中樣本打分結(jié)果的四分位差小于2，表明評價(jià)者對同一樣本能得到一致的評價(jià)結(jié)果。樣本打分結(jié)果的中位數(shù)和算術(shù)平均值小于0.4，表明評價(jià)結(jié)果對稱分布，符合一般統(tǒng)計(jì)規(guī)律。因此，37組評價(jià)結(jié)果是符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的有效結(jié)果。

2.3 場景視頻對響度評價(jià)的影響分析

2.3.1 構(gòu)建樣本響度的心理尺度

心理尺度可以描述不同的樣本在某個(gè)聲品質(zhì)參量上的相對位置，它不僅反映樣本相對排序，還可一定程度上量化樣本間的差別［10］。

37名有效評價(jià)者對樣本i與j的響度進(jìn)行成對比較評價(jià)總得分Sij的計(jì)算式為

式中Pij(n)為第n名評價(jià)者對樣本i與j的響度進(jìn)行成對比較評價(jià)的結(jié)果，由式(2)計(jì)算得到。采用成對比較的6個(gè)樣本響度得分見表4。

表4 采用成對比較的樣本響度得分表

得分表為反對稱矩陣，第i行第j列的得分Sij表示選擇樣本i響度大于樣本j的人數(shù)，如S42=37即表示有37人選擇樣本4的響度大于樣本2。

計(jì)算表1所列的6個(gè)樣本的響度評價(jià)總分Si:

式中 i=1，2，3，4，5，6。結(jié)果見表 5。

表5 樣本響度總得分表

6個(gè)樣本的心理尺度f(i)見表5。

2.3.2 場景視頻對響度相對排序的影響

將具有相同聲音信號(hào)的樣本置于同一行，具有相同視頻信號(hào)的樣本置于同一列，結(jié)果見表6。

Si表示聽者所感受到的樣本i響亮程度的相對大小，加入行駛場景視頻后，聽者所感受到的聲音的響亮程度發(fā)生了改變。將加入行駛場景后主觀評價(jià)得到的樣本響度稱為樣本的等價(jià)響度，以反映加入行駛場景后聽者所感受到的聲音響亮程度相對于未加行駛場景時(shí)的變化。

由表5可知，樣本3等價(jià)響度得分最低，樣本4等價(jià)響度得分最高。定義f(i)為樣本i的響度心理尺度，則S3對應(yīng)心理尺度為f(3)=0，S4對應(yīng)的心理尺度f(4)=100。其余樣本心理尺度采用線性變換［8］得到:

表6 不同樣本等價(jià)響度的心理尺度

由表可見:相對于無任何視頻回放的評價(jià)情況，加入暢通視頻或擁堵視頻，樣本的等價(jià)響度均會(huì)減小;無論加入暢通視頻或擁堵視頻，噪聲的等價(jià)響度排序均與無視頻時(shí)的響度排序完全相同。

2.3.3 不同場景視頻對響度的影響

計(jì)算相同聲音、不同行駛場景下噪聲樣本i，j響度的相對心理尺度差Δf(i，j):

計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖可見:f(1)-f(3)表示暢通場景視頻引起的70km/h勻速工況車內(nèi)噪聲等價(jià)響度的心理尺度減小17.8;f(1)-f(2)表示擁堵場景視頻引起的70km/h勻速工況車內(nèi)噪聲等價(jià)響度心理尺度減小8.5。

3 結(jié)論

汽車噪聲的聲品質(zhì)評價(jià)結(jié)果受行駛場景視頻的影響。以采集的不同行駛場景下車輛正前方視頻和車內(nèi)噪聲信號(hào)為基礎(chǔ)，采用計(jì)權(quán)一致性判據(jù)確定了評價(jià)結(jié)果中的有效樣本，采用成對比較方法和心理尺度分析研究了有無視頻和不同視頻場景對汽車噪聲響度的影響。

對實(shí)際汽車不同車速下結(jié)合車輛前方行駛場景視頻的噪聲響度的評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入行駛場景視頻會(huì)降低行駛汽車的響度，但不同車速的響度大小的排序不變。

以文中研究為基礎(chǔ)，可進(jìn)一步構(gòu)建結(jié)合場景視頻因素的聲品質(zhì)綜合評價(jià)模型。在響度分析中加入視頻影響因子，可以得到結(jié)合場景視頻的響度，該結(jié)果更符合評價(jià)者的主觀感受。該方法同樣可應(yīng)用于對尖銳度、粗糙度等聲品質(zhì)參量的分析，最終得到結(jié)合視頻場景的聲品質(zhì)綜合評價(jià)模型。

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