场景视频对汽车声品质评价的影响*

赵林风，郑四发，连小珉，刘海涛

(清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

前言

车内噪声是影响消费者购买欲望和汽车厂商竞争力的重要因素，因此需要更贴近乘客主观感受的噪声评价方法。因汽车和火车的行驶噪声中包含大量低频成分，以A计权声压级为基础的噪声评价已不能完全反映人对噪声的主观感受［1］，对车内噪声的声品质评价方法的研究具有重要的意义［2］。

传统的声品质评价实验，通常采用耳机直接回放采集的噪声，评价者仅依据听觉感受做出判断。这种方式虽易实现，但并不能完全反映噪声对人的影响。生理和心理实验研究均已证明人的听觉感受会受到其他知觉，尤其是视觉感受的影响。文献［3］中首次分析了视觉信息和听觉信息不一致情况下的Mc Gurk效应，证明了视觉信息确实会影响听觉判断;文献［4］中所做的事件相关电位(event-related potentials，ERP)实验进一步表明，大脑皮层对听觉信号的感知会受视觉信号影响。

近年来，国际上已开始结合环境视觉的声品质评价的研究。文献［5］的研究表明，相比绿色火车图片，红色火车图片会让评价者感觉噪声响度变大;文献［6］的研究发现，加入汽车行驶的图片能降低噪声的烦躁感。但这些研究均未比较不同行驶场景视频对车内噪声评价的影响程度。

声品质评价涉及响度、尖锐度和粗糙度等参量，其中仅响度参量获得国内外一致认可，并制定了ISO标准［7］。因此，本文中主要研究行驶场景视频对声品质评价中响度参量的影响。

本文中结合行驶场景视频的声品质主观评价，采用计权一致性判据确定了评价结果中的有效样本，并引入等价响度概念，进行了不同行驶场景视频对响度影响的心理尺度分析。实验表明:加入行驶场景会降低汽车噪声的等价响度，但等价响度的相对排序与原响度相同;与拥堵场景相比，畅通的行驶场景能更大程度地降低噪声的等价响度。

1 结合场景视频的主观评价实验

1.1 数据采集和评价样本库的建立

用来评价的声信号采用某国产汽车匀速行驶时的车内噪声，声信号的采集在同一平直路段上进行，采用数字人工头进行双耳信号采集。分别记录匀速行驶工况下(50、70、80、90km/h)副驾驶位置的双耳旁车内噪声，实验时车窗全部关闭;行驶场景信号用摄像机采集汽车正前方视角的视频信号，采集时进行声音与视频信号同步触发采集，得到的拥堵道路场景和畅通道路场景分别如图1和图2所示。

选取70和90km/h两种匀速工况下的车内噪声，结合3种不同行驶场景(无视频，拥堵视频和畅通视频)，得到如表1的6种组合，依次编号为样本1至样本6。

表1 视频信号与噪声信号组合

1.2 结合场景视频的主观评价实验设计

1.2.1 主观评价回放设备

主观评价的噪声信号通过HEAD Acoustics公司的可编程控制器驱动耳机回放，每个回放通道均经过单独校准，以保证回放信号声压级和波形与采集的信号相同，满足声品质评价要求。视频信号经投影仪投放在白色幕布上。评价回放在视音频回放室中进行(如图3)，评价者头戴耳机观看前方的视频投影，并保持噪声和视频信号同步回放。

1.2.2 评价人员

评价人员为大学在校师生共计41名，年龄在18～41岁之间，听力正常，其中男性31名，女性10名。

1.2.3 评价过程

采用成对比较法进行主观评价实验，即评价者在评价比较对中，选出响度较大的样本，填入评价表格，若认为两个样本响度相同则在表格中填0。为避免评价时间过长听者产生听觉适应性［8］，采用半矩阵评价，6个样本两两组合共得到=15组评价比较对;为验证评价结果的有效性，辅以一组同一样本不同回放顺序比较，共计16组评价比较对。

每段样本长度均为7，每组样本开始评价和结束评价时均有提示音，每播放完一对样本有4s停顿，供评价者做出评价。为保证评价过程中评价者注意力集中，每播放完8个样本对，评价者休息1min，整个评价时间约为15min。

2 场景视频对噪声评价的影响分析

2.1 数据有效性检验

2.1.1 误判检验

针对41名评价者对16组样本比较对的评价结果，采用三角循环误判统计结合i-i(同一样本比较)误判统计［9］对结果进行误判检验。第n个人的三角循环误判率Ct(n)的计算式为

函数 δijk(n)的计算式［9］为

因预设一组i-i比较检验，故第n名评价者的同样本比较误判率Cs(n)的计算式为

2.1.2 数据有效性分析

采用计权一致性系数ζw(n)作为表示第n名评价者的评价结果是否有效的综合判断指标［9］:

式中:Cw(n)为计权误判率;Ei(n)为第n个评价者的第i种误判可能产生的总次数;Ci(n)为第i种误判实际产生的误判次数。则第n名评价者的计权一致性系数ζw(n)为

式中:Cs(n)在本实验设计中可能出现1次;Ct(n)是第n个评价者的三角循环误判率，可能出现次。采用式(7)计算得到41组数据的计权一致性系数ζw如图4所示。

取ζw＞0.8作为评价者评价结果可靠的判据。根据图4的结果，将表现较差的 ζw(1)=0.62，ζw(7)=0.63，ζw(27)=0.80，ζw(41)=0.74 数据剔除后，保留的37组有效数据的ζw≥0.82。

2.2 数据离散度检验

依据每位有效评价者的评价结果，得到反对称矩阵(共37个)，进而得到每位有效评价者对样本1～样本6的不同评分结果，文中仅给出2号评价者对样本1～样本6的评分结果，见表2。

表2 2号评价者对样本1～样本6的评分结果

依据不同评价者的打分计算各样本的中位数、四分位差和算术平均值，结果见表3和图5。

表3 样本1～样本6的平均值

图5中样本打分结果的四分位差小于2，表明评价者对同一样本能得到一致的评价结果。样本打分结果的中位数和算术平均值小于0.4，表明评价结果对称分布，符合一般统计规律。因此，37组评价结果是符合统计规律的有效结果。

2.3 场景视频对响度评价的影响分析

2.3.1 构建样本响度的心理尺度

心理尺度可以描述不同的样本在某个声品质参量上的相对位置，它不仅反映样本相对排序，还可一定程度上量化样本间的差别［10］。

37名有效评价者对样本i与j的响度进行成对比较评价总得分Sij的计算式为

式中Pij(n)为第n名评价者对样本i与j的响度进行成对比较评价的结果，由式(2)计算得到。采用成对比较的6个样本响度得分见表4。

表4 采用成对比较的样本响度得分表

得分表为反对称矩阵，第i行第j列的得分Sij表示选择样本i响度大于样本j的人数，如S42=37即表示有37人选择样本4的响度大于样本2。

计算表1所列的6个样本的响度评价总分Si:

式中 i=1，2，3，4，5，6。结果见表 5。

表5 样本响度总得分表

6个样本的心理尺度f(i)见表5。

2.3.2 场景视频对响度相对排序的影响

将具有相同声音信号的样本置于同一行，具有相同视频信号的样本置于同一列，结果见表6。

Si表示听者所感受到的样本i响亮程度的相对大小，加入行驶场景视频后，听者所感受到的声音的响亮程度发生了改变。将加入行驶场景后主观评价得到的样本响度称为样本的等价响度，以反映加入行驶场景后听者所感受到的声音响亮程度相对于未加行驶场景时的变化。

由表5可知，样本3等价响度得分最低，样本4等价响度得分最高。定义f(i)为样本i的响度心理尺度，则S3对应心理尺度为f(3)=0，S4对应的心理尺度f(4)=100。其余样本心理尺度采用线性变换［8］得到:

表6 不同样本等价响度的心理尺度

由表可见:相对于无任何视频回放的评价情况，加入畅通视频或拥堵视频，样本的等价响度均会减小;无论加入畅通视频或拥堵视频，噪声的等价响度排序均与无视频时的响度排序完全相同。

2.3.3 不同场景视频对响度的影响

计算相同声音、不同行驶场景下噪声样本i，j响度的相对心理尺度差Δf(i，j):

计算结果如图6所示。由图可见:f(1)-f(3)表示畅通场景视频引起的70km/h匀速工况车内噪声等价响度的心理尺度减小17.8;f(1)-f(2)表示拥堵场景视频引起的70km/h匀速工况车内噪声等价响度心理尺度减小8.5。

3 结论

汽车噪声的声品质评价结果受行驶场景视频的影响。以采集的不同行驶场景下车辆正前方视频和车内噪声信号为基础，采用计权一致性判据确定了评价结果中的有效样本，采用成对比较方法和心理尺度分析研究了有无视频和不同视频场景对汽车噪声响度的影响。

对实际汽车不同车速下结合车辆前方行驶场景视频的噪声响度的评价实验结果表明，加入行驶场景视频会降低行驶汽车的响度，但不同车速的响度大小的排序不变。

以文中研究为基础，可进一步构建结合场景视频因素的声品质综合评价模型。在响度分析中加入视频影响因子，可以得到结合场景视频的响度，该结果更符合评价者的主观感受。该方法同样可应用于对尖锐度、粗糙度等声品质参量的分析，最终得到结合视频场景的声品质综合评价模型。

［1］Klaus Genuit.Sound Quality Aspects for Environmental Noise［C］.The 2002 International Congress and Exposition on Noise Control Engineering，August，19-21，2002，SA.

［2］Matthias Schneider，Michael Wilhelm，Norbert Alt.Development of Vehicle Sound Quality-targets and Methods［C］.SAE Paper 951283.

［3］Mc Gurk H，McDonald J.Hearing Lips and Seeing Voices［J］.Nature，1976，264:746-747.

［4］Laura Busse，Kenneth C Roberts.The Spread of Attention Across Modalities and Space in a Multisensory Object［J］.Proc Natl Acad Sci.U S A，2005，102:18751-18756.

［5］Patsouras C，Filippou T，Fastl H.Influences of Color on the Loudness Judgment［C］.Proceedings 3rd EEA European Congress on Acoustics，Sevilla，2001.

［6］Hashimoto T，Hatano S.Effects of Factors Other Than Sound to the Perception of Sound Quality［C］.17th ICA，Rome，2001.

［7］ISO 226—2003 Acoustics-Normal Equal-loudness Levels［S］.2003.

［8］Hatoh N，Kuwano S，Namba S.A Measurement Method of Car Interior Noise Habituation［J］.Transactions of the Technical Committee on Noise，the Acoustical Society of Japan，1995，95(48).

［9］毛东兴，俞悟周，王佐民.声品质成对比较主观评价的数据检验及判据［J］.声学学报，2005，30(5):468-472.

［10］孟子厚.音质主观评价的实验心理学方法［M］.北京:国防工业出版社，2007.