王博聊聲學 | 車載音響系統主觀音效的客觀量化

HBK聲學與振動

2023年5月24日 13:08

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王博聊聲學 | 車載音響系統主觀音效的客觀量化的圖1

在智能音頻時代，音頻技術的發展突飛猛進，新功能、新產品和新的應用場景不斷涌現，如何從主觀和客觀角度評價音頻品質，成為人們日益關注的焦點。HBK在音頻領域擁有全球領先的產品方案和深厚的技術背景及工程經驗，我們將從音頻感知的主觀屬性、評價方法、客觀參數測量等方面與大家共同探討技術挑戰以及HBK的解決方案。

在車內實現高品質音效是一個富有挑戰的技術活。車內空間比較小，低頻時由于聲波的反射疊加形成駐波，使得揚聲器的低頻聲音衰減很慢，容易產生渾濁、轟鳴的感覺。當揚聲器安裝在車門等鈑金或內飾件上，很容易引起結構振動而輻射聲音。車內揚聲器之間由于聲波的相位關系而互相干擾，造成聲音頻譜發生改變，進而導致主觀聽感特別是音色產生變化。

為了獲得高保真、沉浸式音效，首要關注的就是每個乘坐區域的頻響和累積頻譜衰減CSD。通常在頭部區域多點測量，獲得平均的頻響，然后通過音頻優化算法來消除峰值和谷值，使得頻響在整個頻率范圍內都是平直的，并且低頻聲音能量有較快地衰減。

圖1 7841型DIRAC軟件測量的某個車內CSD

經過調教的系統是否達到了期望的音色和空間感，能否很好地體驗聲場寬度和深度？除了主觀評價外，我們更希望通過客觀參數來量化主觀聽感，這種方式更加快速高效，還可以對不同音響系統配置進行對比。這些參數包括頻譜、聲品質參數、室內聲學參數和失真等，一般可歸為頻譜特征和空間特征兩大類，可以通過傳聲器或者人頭軀干模擬器HATS進行測量。

譜質心Spectral centriod：

指一段音頻信號短時傅里葉變換STFT幅值譜的重心，可以表示音樂的“明亮度Brightness”。比如，低沉的音樂有較多的低頻能量，其譜質心較低；明亮歡快的音樂有較多的高頻能量，其譜質心較高。

譜下降值Spectral rolloff：

指功率譜的累計幅值在某個指定的百分比（比如85%）以下的頻率點，用于描述頻譜傾斜的程度，它反映能量下降的頻率點，它的值越大，說明聲音能量越集中在較高的頻率范圍。

雙耳時間差ITD：

即聲音到達左右耳的時間差，如果聲音來自于我們的正前方，那么ITD=0，如果聲音來自于我們的側面，例如我們的左手或右手方向，那么ITD應取最大值約0.58ms。因此，ITD能夠幫助我們區分聲音（主要是1500Hz以下）在水平面的不同入射方向。

雙耳聲壓級差ILD：

即聲音到達左右耳的聲壓級差，對于高頻聲音，波長比人頭的尺寸小，當聲音來自于左手邊時，由于頭部對聲波的反射，使得到達右耳的聲音小于左耳。因此，ILD能夠幫助我們區分4-5kHz以上聲音在水平面的不同入射方向。而在1.5kHz到4-5kHz之間的頻帶，ITD和ILD共同起作用。

雙耳互相關系數IACC：

描述雙耳接收到聲音信號的相似性，由雙耳脈沖響應計算得到，IACC越接近于1，說明雙耳信號越相似，越接近于0，說明雙耳信號越不相關。廣泛用于表示空間感、感知聲源寬度和包圍感，較小的IACC對應于較好的空間感。

清晰度Clarity：

脈沖響應的早期能量與晚期能量的比，清晰度越高，更能分辨音樂里的細節信息，比如更能聽清交響樂隊或合唱各聲部之間的細節和層次感。

聲品質參數：

包括響度、尖銳度、粗糙度、波動強度等。

除了以上參數外，還有失真和其他的室內聲學參數，可詳見B&K 7841型Dirac室內聲學軟件。

下面舉個例子，某車型座艙內的清晰度C50如下圖2，中高頻聲音的清晰度較高，說明車內中高頻的直達聲和早期反射聲所占比重大，而晚期的反射和混響所占比重小，這體現了聲音的明亮感。低頻的清晰度較低，這是因為車內低頻聲容易形成駐波聲場而導致衰減較慢。另外，由于車內座椅和內飾的吸聲作用，使得車內聲波衰減較快，因此在計算這類早期與晚期能量比參數時，Dirac軟件可以修改時域積分的時間間隔，以獲得更合理的結果。

圖2 車內清晰度C50

雙耳相關參數需要由人頭軀干模擬器HATS測量得到（圖3），某車內雙耳互相關系數IACC(0,50)如圖4，125Hz低頻聲到達雙耳的幅值和相位接近一致，所以IACC值接近于1；中高頻聲的IACC值降低，說明雙耳聲音差異增大，空間感增強。

圖3 HATS雙耳聲音測量

圖4 車內IACC(0,50)

在某高端車型案例中，HBK工程服務團隊對主觀評價和客觀參數進行了相關性分析，發現總體偏好與ILD、C80、Spectral Centriod、Sharpness、Roughness等參數相關程度較高，并且客觀參數之間也存在一定的相關性。還進行了主分量分析，為了避免過擬合，選擇前5個主分量進行總體偏好預測。圖5是基于客觀參數預測的主觀偏好與真實的主觀評價的比較，可以看到它們能夠很好地吻合，相關系數在90%以上。