CN113243915A - 一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法，该方法结合烦恼度主观评价实验，得出噪声烦恼度下降与等效声压级降低的关系，定量分析音频注入法中使用不同调控声时对噪声烦恼感的抑制效果。本发明为音频注入主观评价实验提供新思路，参考声样本的选择不再受目标声、调控声、叠加声的限制，可以选择一种标准声作为参考声，选择变得更加灵活。而且本发明为噪声烦恼感抑制效果提供计算标准，进一步完善音频注入法的内涵。
Description
技术领域
本发明属于心理声学中声品质领域，具体涉及一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法。
背景技术
声环境与人类的生产生活息息相关，在生理和心理以及行为习惯等方面都给人类带来极大的影响。噪声污染会干扰人们正常的工作、学习和生活，甚至会对人体健康产生危害。当前，居住区声环境是一个世界性普遍关注的问题。随着城市化进程的不断推进，以及社会的进步和人们环境意识的高涨，噪声扰民及投诉事件急剧增加。噪声污染治理已成为环境保护的核心问题之一。
在原始噪声中注入调控声以降低其烦恼感的一种方法，称为音频注入法。较之传统的减法控制策略(有源噪声控制等)，音频注入法具有实施简单、成本低廉、易于工程实现等优点，逐渐成为噪声控制领域的前沿课题，受到研究人员和工业界的广泛关注和重视。研究发现，组合噪声烦恼感的“相消效应”和“相长效应”源于噪声的能量掩蔽和信息掩蔽机制，其中“相消效应”在多个领域具有极强的实用价值。在此基础上，人们提出了基于声音叠加提高声环境舒适性的方法，先后用于抑制不同类型的噪声污染。
发明内容
要解决的技术问题
虽然基于声音叠加提高声环境舒适性的方法已经提出，但目前关于该类方法的相关定量评价较少。因此很难进行纵向分析，计算出某种调控声对于一种噪声的烦恼感抑制效果；更不能进行横向分析，计算出同一种调控声对于不同类型噪声的烦恼感抑制效果。这阻碍了音频注入法的进一步发展。
技术方案
针对上述问题，本发明结合烦恼度主观评价实验，并提出一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法，得出噪声烦恼度下降与等效声压级降低的关系，定量分析音频注入法中使用不同调控声时对噪声烦恼感的抑制效果。本发明所提出的适用范围更广泛的音频注入效果定量评价的方法，构建了加法控制与减法控制效果评价相互沟通的桥梁。
具体基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法，包括以下步骤：
步骤1：进行纯音烦恼度评价实验，获得纯音烦恼度与声压级关系曲线；
步骤2：将步骤1得到的纯音烦恼度与声压级关系曲线转换为烦恼度下降值RASs与等效声压级变化值ELV的曲线，得到RASs～ELV曲线；
步骤3：以步骤1进行纯音烦恼度评价实验的标准参考声样本为参考声，进行烦恼度评价实验，实验分别以原始噪声样本和叠加声样本为评分声样本，得到叠加声相对于原始噪声的烦恼度下降值RASs；所述叠加声为原始噪声与调控声的叠加声；
步骤4：根据步骤3得到的叠加声相对于原始噪声的烦恼度下降值RASs，依据步骤2得到的RASs～ELV曲线，得到叠加声中的调控声对应的等效声压级变化。
进一步的，进行纯音烦恼度评价实验的过程为：选择某一频率和声压级的纯音作为标准参考声样本，将其声压级升高和/或下降，得到多个待测纯音声样本，对比标准参考声样本，对待测纯音声样本进行烦恼度主观评价，得到烦恼度评分，从而建立纯音烦恼度与声压级关系曲线。
进一步的，选取频率为1kHz，声压级为70dB的纯音作为标准参考声样本。
有益效果
(1)本发明为音频注入主观评价实验提供新思路。参考声样本的选择不再受目标声、调控声、叠加声的限制，可以选择一种标准声作为参考声，选择变得更加灵活。
(2)推进音频注入法的进一步发展。目前对于音频注入的理论研究不足，相关研究方法不够完善，无法定量分析音频注入下噪声烦恼感抑制效果。通过本方法的研究思路，为噪声烦恼感抑制效果提供计算标准，进一步完善音频注入法的内涵。
(3)推动音频注入***的工程应用。声品质基于人的主观感知，采用心理声学方法研究声音的事件特性，本发明在传统减法控制(主动、被动噪声控制)基础上提出了加法控制的新思路，推动了噪声控制技术的发展。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：本发明流程图；
图2：1kHz纯音烦恼度与声压级关系曲线；
图3：RASs～ELV曲线。
具体实施方式
为了对本方法及流程表述明确，先阐述相关术语以及解释：
(1)音频注入法(Audio Injection,AI)：在原始噪声中注入调控声以降低其烦恼感的一种方法，称为音频注入法。将原始噪声称为目标声，所加入的声音称为调控声，混合后的声音称为叠加声。
(2)参考评分法中参考声样本的选取方法：
标准样本法：选取1kHz、70dB纯音样本作为参考声样本。
选取理由：根据我国《声环境质量标准》(GB3096－2008)的规定，2、3、4类声环境功能区昼间限值分别为60dB(A)、65dB(A)和70dB(A)；且我国《工作场所职业病危害作业分级第4部分：噪声》(GBZT 229.4-2012)规定职业噪声的下限为80dB(A)。因此在确保被试听力不受损的前提下，选取声压级为70dB(A)的声音比较合适，且纯音没有音调特性等方面的干扰，因此选取1kHz、70dB纯音样本作为参考声样本较为合适。
(3)烦恼度下降值(Relative Annoyance Suppression，RAS)：利用参考评分法可获得待测声样本的烦恼度，通过式(1)计算加入调控声前后的目标声烦恼度下降的百分比
其中，At和Ac分别是目标声样本和叠加声样本的烦恼度。标准样本法获得的RAS值标示为RASs，其中的下标表示standard sample。
(4)等效声压级变化值(Equivalent Level Variation，ELV)。
通常情况下，在主观评价实验中利用参考评分法进行烦恼度评分时，参考声样本的选择范围是目标声、调控声、叠加声中烦恼度居中的声样本，但该方式不能定量分析音频注入法的直观效果，无法横向对比同一调控声对不同类型噪声的烦恼感抑制效果，因此提出标准样本法，进一步完善主观评价实验的评分效率及实验准确度。
依据以上原则，本发明给出一种评价音频注入抑制噪声烦恼感效果的标准样本法使用步骤，具体如下：
1)进行纯音烦恼度评价实验，获得1kHz纯音烦恼度与其声压级关系曲线，实验中以1kHz、70dB纯音为参考声样本；
2)将上述曲线中的纵坐标和横坐标分别换算为烦恼度下降值(RASs)与其等效声压级变化值(ELV)，由此得到RASs～ELV曲线；
3)进行叠加声烦恼度评价实验，获得注入不同调控声时原始噪声的烦恼度下降值(RASs)，实验中以1kHz、70dB纯音为参考声样本，并分别以噪声原始声样本和叠加声样本为评分声样本，计算出叠加声相对于原始噪声的烦恼度下降值RASs；
4)参考步骤2)计算出的RASs～ELV曲线，得到标准样本的等效声压级变化值(ELV)。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明结合烦恼度主观评价实验，因此首先说明主观评价实验设计：
实验说明：
评价指标：研究表明，大多数的声品质研究工作是围绕声品质的偏好度或烦恼度等进行评价。其中偏好度多用于成对比较法中，表现更为中立的主观态度。烦恼度多用于噪声的声品质评价。本实施例是对变电站噪声进行处理，通过对变电站噪声的感知以及频谱分析，我们发现其低频成分较多，噪声比较“低沉”，由评价者对变电站噪声的心理评价可知变电站噪声会给人以烦躁、不舒服的感觉，被试听音时主观感受更偏向于烦恼。因此，我们确定“烦恼度”作为表征声品质的指标。
评价尺度：烦恼度9级评价尺度，如表1所示；
表1烦恼度9级评价尺度
被试：年龄18岁～50岁，听力测试表明所有被试在125Hz～8000Hz频率范围内的听阈级都低于15dB；
听音环境：房间舒适自然，灯光柔和不昏暗，通风良好无异味，22℃～24℃，相对湿度45％～55％；
回放设备：利用Matlab对声样本随机排序后生成实验声样本片段，由Artemis软件通过计算机传至双耳耳机均衡器(如型号：HEADlab-compatible binaural headphoneequalizers labP2)，然后经动圈式高保真立体声头戴式耳机(如型号：SENNHEISER HD600)播放给被试。回放过程中，以计算机控制声样本的回放时长、播放间隔和播放次序。这套声音回放***充分考虑了双耳的掩蔽效应，可最大限度保证理想的听音效果。
主观评价试验
试验人员讲解试验目的、流程、注意事项，解答评价人员的疑问。同时对被试进行训练，随机选取6对～8对声样本，要求被试进行打分，此部分试验结果不用于后续试验结果处理。在正式试验过程中，被试每次听到一对声音，每对包含两段5s的声音，中间间隔2s。第一段声音为参考样本，第二段声音为待评价样本。听完每对声音后，被试有5s的时间来比较相对于参考样本来说，第二段声音的烦恼度等级，并对其打分。
数据处理
数据的剔除按照以下规则进行：
误判分析：判断同一被试对同一声样本的多次评价结果的一致性；
相关分析：判断同一被试对不同声样本的多次评价结果之间的相关性；
聚类分析：判断不同被试评价结果的一致性。
纯音烦恼度评价实验
选取频率为1kHz，声压级为70dB的纯音作为标准参考声样本，将其声压级依次下降或上升3dB，生成待测声样本，对待测声样本进行主观评价，得到烦恼度评分，以此为依据，把主观评价实验烦恼度下降值量化为标准参考样本声压级的下降值(dB)。待测声样本声压级：79dB、76dB、73dB、70dB、67dB、64dB、61dB、58dB、55dB、52dB、49dB、46dB、43dB。
1kHz纯音烦恼度与声压级关系曲线如图2所示。从图2可以得出，随着1kHz纯音声压级的增大，被试的烦恼度得分也在增加，整体呈正相关趋势。为保证曲线准确无误，曲线的拟合范围与测量值范围保持一致，特此说明。
为了使曲线更易理解，将上述曲线中的纵坐标和横坐标分别换算为烦恼度下降值(RASs)与等效声压级变化值(ELV)，由此得到RASs～ELV曲线，如图3所示。从图3可以得出，当烦恼度下降值为20％时，相当于声压级降低5dB，符合客观事实。为保证曲线准确无误，曲线的拟合范围与测量值范围保持一致，特此说明。
叠加声烦恼度评价实验
选择需要进行烦恼感抑制的噪声以及调控声进行叠加声烦恼度评价实验，以不同的信噪比进行叠加，生成叠加声样本。
参考声样本选取：频率1kHz，声压级70dB纯音。
评分声样本选取：不仅包括叠加声样本，还包括噪声原始声样本。
对叠加声烦恼度评价实验数据进行处理，可获得不同调控声对于噪声的烦恼度下降值(RASs)。
RASs～ELV曲线查询
当得到噪声的烦恼度下降值(RASs)后，便可对音频注入法的调控效果进行量化表达，但为了让量化结果更直观，因此可以查询RASs～ELV曲线，进一步得到原始声样本等效声压级变化值，具体步骤如下：
对叠加声烦恼度实验结果进行分析，根据RASs～ELV曲线，便可获得噪声调控效果对应的标准声样本等效声压级变化值(ELV)。通过此方式，可更加直观地表述音频注入法的效果。
下面以变电站噪声音频注入实验为例
目标声选取：变电站噪声。
调控声选取：蜜蜂嗡嗡声、鸟鸣声、风吹树叶声、流水声(2种)、带限粉红噪声、红色噪声、带限红色噪声、海浪声。
叠加声选取：将上述9种调控声与目标声以5种不同的信噪比进行叠加(步长为3)，生成叠加声样本。
参考声样本选取：频率1kHz，声压级70dB纯音。
评分声样本选取：不仅包括叠加声样本，还包括变电站噪声原始声样本，分别进行烦恼度评分。
实验结果分析
对叠加声烦恼度评价实验数据进行处理，获得不同调控声对于变电站噪声的烦恼度下降值(RASs)。如表2所示，其中X为频率1kHz，声压级70dB的纯音，A为变电站噪声原始声样本，B为调控声1，C为调控声2，D为调控声3。
表2不同调控声对变电站噪声的调控效果
由表2可得，变电站噪声原始声样本相对于1kHz、70dB纯音的烦恼度评分为4.79，注入调控声B后，烦恼度评分下降至3.95，带入公式(1)，解得烦恼度下降值为17.5％，根据RASs～ELV曲线可得，等效声压级变化值为-3.9dB，也就是说，注入调控声B后，等效于将1kHz、70dB纯音声压级降低了3.9dB。以此类推，注入调控声C后，等效于将1kHz、70dB纯音声压级降低了2.7dB，注入调控声D后，等效于将1kHz、70dB纯音声压级降低了2.3dB。
因此，本发明可以定量分析音频注入法中使用不同调控声对噪声烦恼感的抑制效果，提供了一种适用范围更广泛的音频注入效果定量评价方法，构建了加法控制与减法控制效果评价相互沟通的桥梁。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：进行纯音烦恼度评价实验，获得纯音烦恼度与声压级关系曲线；
步骤2：将步骤1得到的纯音烦恼度与声压级关系曲线转换为烦恼度下降值RASs与等效声压级变化值ELV的曲线，得到RASs～ELV曲线；
步骤3：以步骤1进行纯音烦恼度评价实验的标准参考声样本为参考声，进行烦恼度评价实验，实验分别以原始噪声样本和叠加声样本为评分声样本，得到叠加声相对于原始噪声的烦恼度下降值RASs；所述叠加声为原始噪声与调控声的叠加声；
步骤4：根据步骤3得到的叠加声相对于原始噪声的烦恼度下降值RASs，依据步骤2得到的RASs～ELV曲线，得到叠加声中的调控声对应的等效声压级变化。
2.根据权利要求1所述一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法，其特征在于：
步骤1中，进行纯音烦恼度评价实验的过程为：
选择某一频率和声压级的纯音作为标准参考声样本，将其声压级升高和/或下降，得到多个待测纯音声样本，对比标准参考声样本，对待测纯音声样本进行烦恼度主观评价，得到烦恼度评分，从而建立纯音烦恼度与声压级关系曲线。
3.根据权利要求2所述一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法，其特征在于：步骤1中，选取频率为1kHz，声压级为70dB的纯音作为标准参考声样本。
4.根据权利要求3所述一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法，其特征在于：步骤1中，标准参考声样本的声压级依次升高或下降3dB，得到多个待测纯音声样本，待测纯音声样本的声压级：79dB、76dB、73dB、70dB、67dB、64dB、61dB、58dB、55dB、52dB、49dB、46dB、43dB。
5.根据权利要求1所述一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法，其特征在于：进行烦恼度评价实验时，被试每次听到一对声音，每对包含两段5s的声音，中间间隔2s；第一段声音为参考声样本，第二段声音为待评价样本；听完每对声音后，被试有5s的时间来比较相对于参考样本来说，第二段声音的烦恼度等级，并对其打分。
6.根据权利要求1所述一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法，其特征在于：进行烦恼度评价实验后，在数据处理时，依据误判分析、相关分析和聚类分析结果进行数据剔除。
7.根据权利要求1所述一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法，其特征在于：步骤3中，所述叠加声为原始噪声与调控声以不同的信噪比进行叠加后得到的叠加声。
8.根据权利要求1所述一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法，其特征在于：步骤3中，调控声选择范围包括：蜜蜂嗡嗡声、鸟鸣声、风吹树叶声、流水声、带限粉红噪声、红色噪声、带限红色噪声、海浪声。
9.根据权利要求1所述一种基于音频注入的烦恼感抑制定量评价方法，其特征在于：步骤4中，烦恼度下降值根据公式
计算得到，其中At和Ac分别是原始噪声和叠加声的烦恼度。
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