李光炬 桑晉秋# 鄭成詩(shī) 李曉東 于麗玫

1 引言

耳機(jī)作為最常用的聲重放設(shè)備，在現(xiàn)代通信、家用音頻播放器、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能硬件、聽(tīng)力康復(fù)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。采用耳機(jī)進(jìn)行聲重放時(shí)，雙耳聲信號(hào)依次經(jīng)耳機(jī)重放、耳廓的耦合與傳輸?shù)竭_(dá)鼓膜，引入了耳機(jī)到鼓膜的傳遞函數(shù)（headphone-to-eardrum transfer function，HETF）[1]。由于耳機(jī)本身往往并非理想電聲系統(tǒng)以及耳機(jī)與耳廓的耦合作用，使得HETF具有明顯的峰谷結(jié)構(gòu)，這會(huì)影響到耳機(jī)還原雙耳聲信號(hào)的音色與空間信息。耳機(jī)均衡可以消除HETF明顯的峰谷結(jié)構(gòu)，改善耳機(jī)重放效果。耳機(jī)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)是耳機(jī)重放效果的常用客觀指標(biāo)，反映耳機(jī)的頻域特性。耳機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)反映耳機(jī)的時(shí)域特性，即反映耳機(jī)對(duì)突發(fā)信號(hào)的跟隨能力與還原能力，對(duì)耳機(jī)重放有重要影響，是檢驗(yàn)耳機(jī)均衡質(zhì)量的重要客觀標(biāo)準(zhǔn)。耳機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)的衰減特性是否對(duì)耳機(jī)清晰度產(chǎn)生顯著影響尚未有深入研究。

由于耳機(jī)與助聽(tīng)器發(fā)聲單元類似，對(duì)耳機(jī)清晰度的研究也對(duì)如何提高助聽(tīng)器言語(yǔ)或音樂(lè)的清晰度起指導(dǎo)作用。目前助聽(tīng)器中對(duì)言語(yǔ)清晰度的研究比較關(guān)注言語(yǔ)材料本身的清晰度（如掩蔽聲對(duì)目標(biāo)聲的影響），而忽視了助聽(tīng)器中發(fā)生單元的物理特性對(duì)清晰度的影響。為了排除助聽(tīng)器本身若干因素（如驗(yàn)配公式、自動(dòng)增益控制、麥克風(fēng)輸入特性）的干擾，本研究目前采用普通耳機(jī)來(lái)研究發(fā)聲單元的瞬態(tài)特性對(duì)主觀清晰度的影響。

耳機(jī)均衡方法可以借鑒揚(yáng)聲器的均衡方法，如FIR均衡方法[2]、IIR均衡方法[3]、Kautz均衡方法[4]和雙二階IIR級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的均衡方法[5～6]。本文利用不同的耳機(jī)均衡方法分別對(duì)罩耳式耳機(jī)與耳塞式耳機(jī)進(jìn)行耳機(jī)均衡，根據(jù)客觀指標(biāo)與主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，探討了瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)耳機(jī)清晰度的影響。

2 瞬態(tài)響應(yīng)的物理意義與衡量標(biāo)準(zhǔn)

2.1 瞬態(tài)響應(yīng)的物理意義

瞬態(tài)響應(yīng)是指激勵(lì)信號(hào)接入以后，完全響應(yīng)中瞬時(shí)出現(xiàn)的有關(guān)成分，隨著時(shí)間增大，它將消失。耳機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)反應(yīng)了耳機(jī)對(duì)突發(fā)信號(hào)的跟隨能力和還原能力。瞬態(tài)響應(yīng)好的耳機(jī)應(yīng)當(dāng)是信號(hào)一來(lái)就立即響應(yīng)，信號(hào)一停就戛然而止。在假定耳機(jī)為線性系統(tǒng)的前提下，耳機(jī)的沖激響應(yīng)可以反應(yīng)耳機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)。

當(dāng)瞬態(tài)響應(yīng)不佳時(shí)，影響系統(tǒng)對(duì)突發(fā)信號(hào)的跟隨能力與還原能力，當(dāng)瞬態(tài)響應(yīng)最佳時(shí)，耳機(jī)得到一個(gè)更快的衰減時(shí)間，獲得更加清晰的直達(dá)聲。

2.2 瞬態(tài)響應(yīng)的衡量標(biāo)準(zhǔn)

耳機(jī)瞬態(tài)特性用經(jīng)耳機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間T60來(lái)衡量，即混響時(shí)間[7]。Schroeder在1965年提出計(jì)算混響時(shí)間的方法[8]，它采用能量衰減曲線（energy decay curve，EDC）表達(dá)直達(dá)聲的衰減特性，如下式所示：

3 耳機(jī)均衡原理與方法

3.1 耳機(jī)均衡原理

由于耳機(jī)重放時(shí)引入HETF，實(shí)際到達(dá)聆聽(tīng)者鼓膜處的聲信號(hào)與饋給耳機(jī)的聲信號(hào)存在以下頻域關(guān)系：

因此，為了消除耳機(jī)傳輸特性的影響，需將實(shí)際的雙耳信號(hào)聲信號(hào)經(jīng)均衡濾波器濾波后，才饋給耳機(jī)重放，表示如下：

可見(jiàn)，理想的耳機(jī)均衡濾波器是HETF的逆濾波器。實(shí)際中，由于聆聽(tīng)者的個(gè)性化差異，采用在人工頭上測(cè)量的耳機(jī)到鼓膜的傳遞函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，耳機(jī)均衡后不能完全消除聆聽(tīng)者的HETF，使得均衡后耳機(jī)到鼓膜的傳遞函數(shù)的頻響不平直，從而使鼓膜處實(shí)際接收的聲信號(hào)頻譜產(chǎn)生誤差。因此，需要較合理的均衡方法對(duì)HETF進(jìn)行均衡，最大化地減小誤差。

3.2 耳機(jī)均衡方法

3.2.1 FIR method 該方法的設(shè)計(jì)基于最小二乘準(zhǔn)則[9]，采用正則化濾波器使均衡誤差最小化[10]。

3.2.2 IIR method 該方法的設(shè)計(jì)基于Hawksford等人提出的IIR均衡方法[3，11]，采用IIR模型模擬系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)建立混合相位模型，將混合相位模型分離為最小相位系統(tǒng)和全通系統(tǒng)，分別均衡頻域的幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng)。

3.2.3 Kautz method 該方法的設(shè)計(jì)基于Matti等人提出的利用Kautz濾波器均衡揚(yáng)聲器系統(tǒng)的方法[4]。其濾波器由權(quán)系數(shù)與一組極點(diǎn)決定，權(quán)系數(shù)由最小二乘算法求解，極點(diǎn)組由對(duì)數(shù)刻度放置極點(diǎn)的固定設(shè)置法求解。

3.2.4 Ramos-Lopez method 該方法的設(shè)計(jì)基于Ramos和Lopez提出的雙二階濾波器鏈結(jié)構(gòu)均衡方法[5～6]，該方法的均衡思想是尋找代價(jià)函數(shù)的峰谷對(duì)其進(jìn)行均衡。

4 耳機(jī)的選擇

4.1 HETF測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)耳機(jī)采用編號(hào)為HP1、HP2兩款耳機(jī)，分別是Edifier H180耳塞式耳機(jī)、Sennheiser HD202罩耳式耳機(jī)。罩耳式耳機(jī)耳罩較大，因整個(gè)發(fā)聲單元（連耳綿）能完全將耳廓蓋住，所以佩帶時(shí)相對(duì)舒適。耳塞式耳機(jī)則是把發(fā)音單元塞在耳孔之外。入耳式耳機(jī)外表和輕巧程度像耳塞，發(fā)音單位伸入耳道之內(nèi)，比耳塞更接近鼓膜。

圖1是HETF測(cè)量原理方框圖。采用最大長(zhǎng)度序列(maximum length sequences，MLS）信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，將由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的MLS(長(zhǎng)度為 213-1，8次平均，44.1 kHz采樣)信號(hào)經(jīng)B&K PULSE的D/A饋給戴在B&K人工頭上的耳機(jī)進(jìn)行重放。聲信號(hào)由B&K人工頭鼓膜處的B&K 4192壓力場(chǎng)傳聲器撿拾，再經(jīng)B&K PULSE的A/D變換器輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄，將記錄到的信號(hào)進(jìn)行解卷積以及傅立葉變換，即得到HETF。每款耳機(jī)進(jìn)行4次重復(fù)測(cè)量，每次測(cè)量后，將耳機(jī)取下并重新戴上，然后進(jìn)行新一次測(cè)量。

圖1 HETF測(cè)量原理的方框圖

4.2 HETF測(cè)量結(jié)果及分析

圖2為兩款耳機(jī)的HETF在B&K HATS type 4128左耳處的4次測(cè)量結(jié)果，以幅頻響應(yīng)的形式給出，頻率范圍為20 Hz～20 kHz

圖2 耳機(jī)的HETF四次測(cè)量結(jié)果

圖2（a）表明HP1耳機(jī)的HETF測(cè)量重復(fù)性很好。10 kHz以下范圍標(biāo)準(zhǔn)偏差都小于2 dB。這是由于耳塞式耳機(jī)直接與耳道耦合，組成一維傳輸系統(tǒng)，避免了耳廓因素的影響。

圖2（b）表明HP2耳機(jī)的HETF測(cè)量重復(fù)性較好，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.1～10 kHz的范圍內(nèi)基本都在3 dB以下。耳罩式耳機(jī)的HETF測(cè)量重復(fù)性，不僅受到耳廓的耦合作用影響，重復(fù)佩戴時(shí)耳罩位置的細(xì)微變化也會(huì)對(duì)傳輸函數(shù)造成一定的影響，如在高頻上出現(xiàn)較多的峰谷。

不同研究得到的HETF測(cè)量重復(fù)性的結(jié)論不同。Pralong等人的研究[12]表明耳罩式耳機(jī)具有較好的測(cè)量重復(fù)性。饒丹等人的研究表明[13]耳塞式耳機(jī)具有很好的測(cè)量重復(fù)性。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)分析，確定了HP1、HP2耳機(jī)的HETF測(cè)量重復(fù)性較高，可用于耳機(jī)均衡。

5 客觀均衡結(jié)果

利用3.2節(jié)的耳機(jī)均衡方法對(duì)HP1、HP2耳機(jī)進(jìn)行均衡，本文只給出HP2耳機(jī)左耳的均衡結(jié)果。

圖3 耳機(jī)沖激響應(yīng)響應(yīng)(HP2)

圖3為不同均衡方法均衡后的耳機(jī)沖激響應(yīng)。利用式（2）計(jì)算均衡前后耳機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)衰減60 dB所需時(shí)間，見(jiàn)表1。

表1 HP2耳機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間T60(ms)

由表1可知，與HP2耳機(jī)的原始瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間比較，F(xiàn)IR method的瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間很小，Ramos-Lopez method的瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間較大，IIR method與Kautz method的瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間與原始瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間相差不大。

6 主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

6.1 原理和方法

耳機(jī)均衡時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)上的差異，對(duì)耳機(jī)聲信號(hào)的清晰度造成怎樣的影響尚需結(jié)合主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

試驗(yàn)音頻由錄制的兩類聲音素材(弦樂(lè)、對(duì)白)與HP1、HP2耳機(jī)的HETF的逆函數(shù)卷積得到。弦樂(lè)與對(duì)白涵蓋不同的頻率范圍，有利于進(jìn)行較為全面的主觀比較。試驗(yàn)音頻經(jīng)HP1與HP2耳機(jī)播放給受試者聆聽(tīng)。共有30名受試者參與主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，年齡介于25～30歲之間，聽(tīng)力正常，其中15人有較豐富的聽(tīng)音經(jīng)驗(yàn)，其余15人有參與聽(tīng)音試驗(yàn)的經(jīng)歷，對(duì)聲音信號(hào)方面都比較熟悉。

主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法采用MUSHRAM方法[14](本文主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)不設(shè)置參考試驗(yàn)音頻，所有試驗(yàn)音頻均進(jìn)行盲聽(tīng))，要求受試者對(duì)試驗(yàn)音頻的音色進(jìn)行評(píng)價(jià)，尤其關(guān)注清晰度。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參ITU-RBS.1534-1主觀測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[15]，打分區(qū)間為0～100，音色越好，打分越高。受試者通過(guò)MUSHRAM音色測(cè)試界面進(jìn)行操作，點(diǎn)擊“Play”按鈕聆聽(tīng)試驗(yàn)音頻，可以反復(fù)聽(tīng)多次，最后拖動(dòng)滑動(dòng)按鈕給出評(píng)分。在主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)之前先對(duì)試驗(yàn)音頻進(jìn)行編號(hào)，具體做法為：每名受試者隨機(jī)聽(tīng)取兩類試驗(yàn)音頻，每類試驗(yàn)音頻包含5種不同處理方法，分別為original response(Ⅰ)、FIR method(Ⅱ)、IIR method(Ⅲ)、Kautz method(Ⅳ)、Ramos-Lopez method(Ⅴ)。在正式聽(tīng)音試驗(yàn)前，每名受試者完成至少一次完整試聽(tīng)比較練習(xí)，以便熟悉試驗(yàn)打分標(biāo)準(zhǔn)。

6.2 結(jié)果與分析

主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 16.0[16]，使用單因素方差分析5種不同處理方法對(duì)耳機(jī)清晰度影響的差異性。P表示統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，取（P＜0.01）具有極顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

30名受試者主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的平均得分與標(biāo)準(zhǔn)偏差，如圖4所示。

圖4（a）表示弦樂(lè)的主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的平均得分與標(biāo)準(zhǔn)偏差，表2為弦樂(lè)的組間比較的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。Ⅱ平均得分63.1為最高，Ⅱ和其他幾種方法之間都具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（表2），說(shuō)明Ⅱ顯著最好。Ⅴ平均得分56.4為最低。Ⅴ和其他幾種方法之間都具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（表2），說(shuō)明Ⅴ顯著最差。結(jié)合表1可以看到，II對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)衰減最快，Ⅴ對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)衰減最慢，這就反映了耳機(jī)重放聲信號(hào)的清晰度與瞬態(tài)響應(yīng)的衰減特性相關(guān)，瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間越短，耳機(jī)重放聲信號(hào)的清晰度越好。Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(表2)，對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間相差不大，耳機(jī)重放聲信號(hào)的清晰度差別不顯著。

表2 組間比較分析(弦樂(lè))

圖4（b）表示對(duì)白的主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的平均得分與標(biāo)準(zhǔn)偏差，Ⅱ平均得分62.2為最高，Ⅴ平均得分55.5為最低。表3為對(duì)白組間比較的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，組間比較分析結(jié)果表明了對(duì)白具有與弦樂(lè)類似的特征，Ⅱ顯著最好，Ⅴ顯著最差。這也說(shuō)明瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間越短，耳機(jī)重放聲源的清晰度越好。

表3 組間比較分析(對(duì)白)

7 結(jié)論

本文通過(guò)客觀指標(biāo)與主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)探討了瞬態(tài)響應(yīng)的衰減特性對(duì)耳機(jī)重放后清晰度的影響。耳機(jī)重放過(guò)程中，瞬態(tài)響應(yīng)衰減越快，耳機(jī)獲得清晰的直達(dá)聲，耳機(jī)的音色不再渾濁，清晰度較好；相反，瞬態(tài)響應(yīng)衰減越慢，兩個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的瞬態(tài)信號(hào)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，即前一個(gè)瞬態(tài)信號(hào)播出后，系統(tǒng)還在振動(dòng)，而下一個(gè)瞬態(tài)信號(hào)播出時(shí)與前一個(gè)瞬態(tài)信號(hào)產(chǎn)生多余振動(dòng)重合，導(dǎo)致耳機(jī)聲信號(hào)在重放過(guò)程中，音色出現(xiàn)渾濁，清晰度差。這表明，瞬態(tài)響應(yīng)衰減時(shí)間越小，耳機(jī)重放后的清晰度效果越好。

圖4 30名受試者主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)平均得分與標(biāo)準(zhǔn)偏差

主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明，瞬態(tài)響應(yīng)的衰減越快，耳機(jī)重放后的清晰度越好。本研究采用了弦樂(lè)和對(duì)白兩種測(cè)試素材，既包含了對(duì)音樂(lè)素材的測(cè)試，也包含了對(duì)言語(yǔ)素材的測(cè)試。本研究目前只是針對(duì)健聽(tīng)人士的耳機(jī)補(bǔ)償效果評(píng)估，但同樣可以延伸至助聽(tīng)器的驗(yàn)配補(bǔ)償，助聽(tīng)器的發(fā)聲單元也是耳機(jī)的一種形式，助聽(tīng)器驗(yàn)配補(bǔ)償后的瞬態(tài)響應(yīng)也是值得關(guān)注的重要特性，預(yù)計(jì)會(huì)影響聽(tīng)障人士對(duì)言語(yǔ)清晰度的感受。為了排除助聽(tīng)器本身若干因素（如驗(yàn)配公式、自動(dòng)增益控制）的干擾，本研究目前只是采用普通耳機(jī)來(lái)研究其瞬態(tài)特性對(duì)主觀清晰度的影響。助聽(tīng)器瞬態(tài)特性對(duì)音樂(lè)或言語(yǔ)清晰度的影響還需要進(jìn)一步的研究來(lái)檢驗(yàn)。

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