李文強(qiáng) 王洪濤 呂曉鵬 王常龍

摘?要：近年來，我國的軌道交通行業(yè)取得了長足的發(fā)展，高鐵、地鐵等速度都越來越快，其產(chǎn)生的噪聲問題也越來越突出，成為影響軌道交通乘坐舒適度的重要因素。為了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行有效的噪聲控制測試和低噪聲設(shè)計驗(yàn)證，需要準(zhǔn)確回放線路實(shí)測噪聲，以豐富研發(fā)手段，縮短研發(fā)與設(shè)計的周期。本文主要介紹一種基于半消聲室的應(yīng)用Ambisonic技術(shù)進(jìn)行的噪聲回放裝置。

關(guān)鍵詞：半消聲室;Ambisonic;噪聲回放

中圖分類號：TB?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.07.077

0?引言

Ambisonic基于“矢量合成法”的解碼方法是一種綜合考慮心理聲學(xué)研究成果的噪聲模擬技術(shù)，是牛津大學(xué)教授Gerzon在1974年研究矢量合成法在人類聽覺定位的應(yīng)用基礎(chǔ)上提出的。與其他的噪聲模擬技術(shù)相比，其使用的硬件資源、計算通路及信號通路等都比較少，且能保持一定精度的噪聲回放為一定區(qū)域，聽音區(qū)域的人頭部轉(zhuǎn)動影響較小等優(yōu)點(diǎn)。因此，在三維音頻重建領(lǐng)域該方法越來越引起眾多研究人員的重視。

1?系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

基于半消聲室的軌道車輛噪聲回放裝置充分利用現(xiàn)有資源，在半消聲室中搭建噪聲回放裝置。系統(tǒng)主要包含三個部分，即噪聲錄制系統(tǒng)、噪聲回放解碼系統(tǒng)、聲音回放系統(tǒng)。

1.1?噪聲錄制系統(tǒng)

噪聲錄制系統(tǒng)運(yùn)用Ambisonic中最為廣泛的1階Ambisonic（First Order Ambisonic，F(xiàn)OA），采用以一定方式組合的四個振膜陣列記錄一個包含高度和深度等信息的四軌聲音信號，經(jīng)過運(yùn)算后形成一個3D的全景聲場。該3D聲場包含W、X、Y、Z四個聲音信號，如圖1所示。

其中，信號W用于表征聲音的強(qiáng)度信息，信號X、信號Y以及信號Z用于表征聲音的方向信息，四個聲音信號即構(gòu)成了該3D聲場的B-Format描述。

1.2?Ambisonic噪聲回放解碼系統(tǒng)

Ambisonic噪聲回放系統(tǒng)的解碼是根據(jù)系統(tǒng)選用的揚(yáng)聲器的數(shù)量以及方位，將原始的Ambisonic信號根據(jù)不同的比例進(jìn)行線性組合，將其輸送給不同的揚(yáng)聲器，以期使得各個揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音在回放位置進(jìn)行疊加，模擬回放噪聲信息。確定各揚(yáng)聲器對應(yīng)的該比例系數(shù)的過程就是Ambisonic的解碼。

根據(jù)Gerzon的研究，人的雙耳對聲音的定位在高頻和低頻范圍內(nèi)是兩種不同的機(jī)制。在低頻范圍內(nèi)（700Hz以下），人耳對聲音的定位主要取決于兩耳間的時間差;在高頻范圍內(nèi)（700Hz以上），人耳對聲音的定位主要取決于聲音的強(qiáng)度。據(jù)此，在進(jìn)行聲音的回放時，可以將聲音在聆聽點(diǎn)的位置看作速度矢量和能量矢量的合成。當(dāng)各重發(fā)揚(yáng)聲器的位置、角度等均為已確定的情況下，為回放一個特定的聲源，則必然存在一組特定的混合比例系數(shù)，可以獲得最優(yōu)的低頻段速度矢量和高頻段能量矢量，讓所有揚(yáng)聲器合成的虛擬聲像，在響度上、在方向角度上以及在聲像的清晰度上都與原始目標(biāo)聲源一致，因而“矢量合成法”的解碼過程實(shí)質(zhì)上是一個對混合比例系數(shù)的尋優(yōu)過程。

1.3?聲音回放系統(tǒng)

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求和使用環(huán)境，系統(tǒng)主要由8個專業(yè)監(jiān)聽級的寬頻揚(yáng)聲器和2個低音炮組成，8個揚(yáng)聲器與聽音位置之間的距離必須相等，且分別布置在兩個水平面上，回放區(qū)域位于揚(yáng)聲器環(huán)形中心，揚(yáng)聲器布置示意圖如圖2和圖3所示。

其中，d=250cm，hh=110cm，h1=53cm，h2=160cm。

2?回放精度評價

為測試所建立的噪聲回放裝置的精度，利用系統(tǒng)回放一個標(biāo)準(zhǔn)噪聲信號，在聽音參考位置將信號進(jìn)行回放采集，分別計算輸入信號和回放采集信號的總聲級和倍頻程來進(jìn)行回放精度的評價。經(jīng)分析比對，系統(tǒng)在30Hz-20kHz之間各倍頻程誤差小于1dB，聲壓總級值誤差小于0.5dBA。

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