基于半消声室的轨道车辆噪声回放装置

李文强 王洪涛 吕晓鹏 王常龙

摘 要：近年来，我国的轨道交通行业取得了长足的发展，高铁、地铁等速度都越来越快，其产生的噪声问题也越来越突出，成为影响轨道交通乘坐舒适度的重要因素。为了在实验室内进行有效的噪声控制测试和低噪声设计验证，需要准确回放线路实测噪声，以丰富研发手段，缩短研发与设计的周期。本文主要介绍一种基于半消声室的应用Ambisonic技术进行的噪声回放装置。

关键词：半消声室;Ambisonic;噪声回放

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.07.077

0 引言

Ambisonic基于“矢量合成法”的解码方法是一种综合考虑心理声学研究成果的噪声模拟技术，是牛津大学教授Gerzon在1974年研究矢量合成法在人类听觉定位的应用基础上提出的。与其他的噪声模拟技术相比，其使用的硬件资源、计算通路及信号通路等都比较少，且能保持一定精度的噪声回放为一定区域，听音区域的人头部转动影响较小等优点。因此，在三维音频重建领域该方法越来越引起众多研究人员的重视。

1 系统功能实现

基于半消声室的轨道车辆噪声回放装置充分利用现有资源，在半消声室中搭建噪声回放装置。系统主要包含三个部分，即噪声录制系统、噪声回放解码系统、声音回放系统。

1.1 噪声录制系统

噪声录制系统运用Ambisonic中最为广泛的1阶Ambisonic（First Order Ambisonic，FOA），采用以一定方式组合的四个振膜阵列记录一个包含高度和深度等信息的四轨声音信号，经过运算后形成一个3D的全景声场。该3D声场包含W、X、Y、Z四个声音信号，如图1所示。

其中，信号W用于表征声音的强度信息，信号X、信号Y以及信号Z用于表征声音的方向信息，四个声音信号即构成了该3D声场的B-Format描述。

1.2 Ambisonic噪声回放解码系统

Ambisonic噪声回放系统的解码是根据系统选用的扬声器的数量以及方位，将原始的Ambisonic信号根据不同的比例进行线性组合，将其输送给不同的扬声器，以期使得各个扬声器发出的声音在回放位置进行叠加，模拟回放噪声信息。确定各扬声器对应的该比例系数的过程就是Ambisonic的解码。

根据Gerzon的研究，人的双耳对声音的定位在高频和低频范围内是两种不同的機制。在低频范围内（700Hz以下），人耳对声音的定位主要取决于两耳间的时间差;在高频范围内（700Hz以上），人耳对声音的定位主要取决于声音的强度。据此，在进行声音的回放时，可以将声音在聆听点的位置看作速度矢量和能量矢量的合成。当各重发扬声器的位置、角度等均为已确定的情况下，为回放一个特定的声源，则必然存在一组特定的混合比例系数，可以获得最优的低频段速度矢量和高频段能量矢量，让所有扬声器合成的虚拟声像，在响度上、在方向角度上以及在声像的清晰度上都与原始目标声源一致，因而“矢量合成法”的解码过程实质上是一个对混合比例系数的寻优过程。

1.3 声音回放系统

结合实际应用需求和使用环境，系统主要由8个专业监听级的宽频扬声器和2个低音炮组成，8个扬声器与听音位置之间的距离必须相等，且分别布置在两个水平面上，回放区域位于扬声器环形中心，扬声器布置示意图如图2和图3所示。

其中，d=250cm，hh=110cm，h1=53cm，h2=160cm。

2 回放精度评价

为测试所建立的噪声回放装置的精度，利用系统回放一个标准噪声信号，在听音参考位置将信号进行回放采集，分别计算输入信号和回放采集信号的总声级和倍频程来进行回放精度的评价。经分析比对，系统在30Hz-20kHz之间各倍频程误差小于1dB，声压总级值误差小于0.5dBA。

参考文献

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