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声学检测、音频分析与DSSF3操作详解·12

第6章 声学分析(SA)

6.1 功能简介

DSSF3声学分析系统(SA)主要用于二次计算并统计分析实时检测系统(RA)和噪声测量系统(EA)中保存的三种类型的测量记录(脉冲响应、ACF自相关与CCF互相关数据、噪声记录),可以给出更全面的声学分析和统计数据。从操作界面上来看,SA很像一个UI界面的数据库管理程序,以目录列表和数据逐行显示的方式进行人机交互。

提示:在SA中管理和分析库中的数据时,如果该数据已经计算过,记录列表的最后一栏将显示*字样,鼠标双击可打开数据统计对话框,以供分析观察。

根据脉冲响应(房间声学特性)测量记录,基于时域、频域和空间这三大方面,SA可给出:

•符合安藤参数(声场特性)的室内声学指标。包括每个倍频程范围内的声压级、早反射、混响时间、吸声量、双耳互相关特性等等。

•符合ISO 3382标准的室内声学指标。包括每个倍频程范围内的声压级、混响时间(T20、T30、EDT )、混响衰减曲线、声扩散、耳间参数(IACC_E和IACC_L)等等。

•语音清晰度指标,包括STI(语音传输指数,Speech Transmission Index)、RASTI(快速语音传输指数、Rapid Speech Transmission Index)和MTF(调制传递函数,Modulation Transfer Function)。

•房间中各个点的声压级、声功率参数(听众位响度)。

•房间中各个点的频响特性(含幅频响应与相频响应)。

对ACF自相关、IACF耳间互相关和CCF互相关进行统计分析时,SA使用较高的瞬态分辨率计算各声学指标的动态范围,并结合听觉生理学和听觉心理学等方面的因素,可对声音的整体音质进行综合衡量与全面分析。

要得到更加全面的统计分析和更准确的测量结果,依赖于SA中的二次计算(需合理设置计算条件),这是使用SA的重点与核心。分析出的数据,除了可进行直观的图示观察之外,还可以输出为文本式的表格文件(CSV文件,可用Windows记事本、写字板、Office Excel、UltraEdit、金山电子表格等程序打开并编辑)。

6.2 操作重点

点击“特性”菜单下的“计算”,打开图1所示的算法对话框,设置计算条件(算法)。不同类型的数据,算法对话框中的设置内容有所不同,而不同的算法设置也会导致分析结果有所差异。先看看选中脉冲响应数据后,算法对话框中各个元素的作用与意义:

图1:声学分析系统—算法对话框—脉冲响应数据的算法设置

目标数据

•不计算:不进行计算,维持原有的计算结果。

•所选数据:仅对选中的数据进行计算。

•所有数据:计算数据库中所有的脉冲响应数据。

频宽

•1倍频程:以1倍频程的频宽范围设置所要计算的频点。

•1/3倍频程:以1/3倍频程的频宽范围设置所要计算的频点。其右侧的文本框用于输入要计算的频率范围(起始频点和结束频点)。

•A计权:频率计算时,所采用的平均算法。A计权符合人类的听觉感受。不勾选则进行无计权计算。

SPL

•电平类型:电平值按实际响度(声压级、绝对值),还是按0dBFS满刻度电平的相对值(最大音量)。

•参照电平:如果按0dBFS满刻度电平计算,设置最大电平值。通常为0dB。

•Deta-t1—最小延迟时间:设置直达声和早反射之间的最小间隔时间。小于此值的间隔将被直接忽略(比如测量时如果话筒离地板较近,那么第一次早反射将来自地板,这部分信号通常不作为早反射参与计算和统计分析)。

Tsub

•衰减量:计算混响时间的一个重要指标。即信号从发出到衰减多少dB为止,这之间的时间为混响时间。比如T20表示衰减20dB,T60表示衰减60dB,如图2所示。使用不同的衰减量,混响时间计算结果是不同的。衰减量越大,混响时间就越长。勾选“自动”后,系统按照高于环境噪音平均电平5dB左右的值自动设置衰减的dB数。

T20

T60

图2:衰减量与混响时间的关系

•噪声比率:测量数据中,环境噪声所占的比率。在测量脉冲响应的时候,通常将测量时间估算为实际混响时间的2倍左右,根据实际情况灵活调整此值。如果测量时间刚好是实际混响时间的2倍,则设为50%。最合适的设置为:反射声的音量衰减至环境噪声的平均音量时,确定交汇的时间点,该点之后的部分所占整个测量长度的比率,即为最佳噪声比率值。直观解释如图3所示。

图3:噪声比率 = a/b

•IACC(耳间参数)—WIACC宽度:当1/2波长大于耳间距时,由耳间距直线分割波长后的1/2振幅的上下比率,见图4所示。根据测量房间的实际用途、听音者两耳的间距、信号中比重最大、最重要的主要频率(波长)合理设置此值,通常设置为0.1。
.
图4:WIACC计算图示

•主观—最佳声压级:根据测量房间的实际用途,设置最适合人耳的声音响度(0dBFS满刻度相对电平值,或者实际声压级)。

•Tau-e:设置Tau-e值(自相关函数的有效延迟时间),通常设置为100毫秒。

•声音强度—参照电平:建议设置为0dB。

•混响时间—T自定义和C自定义:自定义反射声的电平范围和最小混响时间。

选中ACF函数或噪声数据后,算法对话框中有关选项的作用于意义请参阅前文,或按软件默认值即可。设置完毕,点击对话框右上方的【开始】按钮,SA将重新计算有关参数与指标(实时检测系统中得到ACF自相关和CCF互相关数据必须在此重新计算)。数据重新计算后,可鼠标双击或点击“特性”菜单下的“显示特性”,打开数据分析对话框。

6.3 IR分析

脉冲响应(Impulse Response,简称IR)统计分析对话框主要分为四个部分,见图5所示:

图5:声学分析系统—脉冲响应数据分析对话框

1、标签组,每个标签项代表一个或一组声学参数,点击后图示区自动切换显示内容。

2、与标签项对应的图示区,包含必要的文字说明。可鼠标拖动改变文字说明的位置。

3、属性和算法显示区。该区所有内容仅供查看,不能设置,也无法修改。

4、数据列表区(声学特性列表区),纵列为详细的声学指标,横栏为数据的频率值(1或1/3倍频程,依算法设置而定)。点击不同的频率值,图示区的显示内容也不同。

属性和算法区右上方的功能按钮

•【退出】:关闭数据分析对话框。

•【选择数据】:点击后激活SA主窗口,供用户选择另外一条数据。选中后鼠标双击调入数据分析对话框中。原有的数据分析对话框依然保留,即SA可同时打开多个数据分析对话框,互不影响。

•【上一个】、【下一个】:选择本目录中的上一条或下一条测量数据。

•【抓屏】:此处的抓屏与实时检测系统的弹出窗口式抓屏有所不同,功能较大且非常实用,可将分析图示保存为PNG格式的高清晰图像文件,甚至可以按用户选择一次性保存多个声学参数的图示。

•【输出CSV】:将统计分析的结果保存为CSV格式的文本式表格。

数据列表区中的声学指标

指标 意 义 单位
Freq. All(F): 全频段。All(A): 采用A计权算法的全频段。
数值: 每个倍频程范围内的中心频点。 Hz
SPL 左右声道响度平均值。 dB
SPL-L 左声道响度。 dB
SPL-R 右声道响度。 dB
dt1 直达声与早反射的间隔时间,左右声道平均值。 毫秒
dt1-L 左声道直达声和早反射的间隔时间。 毫秒
dt1-R 右声道直达声和早反射的间隔时间。 毫秒
A 左右声道迟反射平均总幅值。 dB
A-L 左声道迟反射总幅值。 dB
A-R 右声道迟反射总幅值。 dB
Tsub 左右声道平均混响时间,按声压级衰减60dB计算。 秒
Tsub-L 左声道混响时间。 秒
Tsub-R 右声道混响时间。 秒
IACC 耳间互相关系数。该指标常用于衡量房间内的声场及声扩散特性。
tIACC 耳间互相关延时。此参数反映了声源在水平方向上的时间差异。 毫秒
W_IACC 耳间互相关宽度。此参数可反映声源的扩散度和声场宽度。 毫秒
S 基于听觉心理学和安藤参数的音质主观评价。

•标签组(图6)

图6:声学分析系统—脉冲响应数据分析对话框—标签组(共7项)

脉冲响应 左右两个声道的脉冲响应情况,可自动标记出直达声和早反射。

混响 混响波形、衰减曲线、整合分析。可分别查看左、右声道和双声道平均值。

互相关 左右声道的脉冲响应互相关参数。

声能 左右声道脉冲响应声功率谱。

主观 基于听觉心理学和安藤参数的音质主观评价图示。

特性 各声学参数的频响特性。

MIF/STI 调制传递函数的图示和语音清晰度函数的统计分析。

注意:单声道格式的脉冲响应数据,标签组中不显示“互相关”和“主观”这两个标签项。

有关术语和单词缩写的含义:

•EDT:早期衰减时间,它与混响时间所描述的目标一致,但性质略有差别。EDT通过衰减斜线最初的10dB推算到衰减60dB求得,而混响时间T则是通过从最大值衰减到-5dB与-35dB之间的部分斜线推算到衰减60dB来求得。通常,EDT和T应同时给出,EDT对于人类主观听觉方面的混响感更重要,而T则是室内声学的客观物理指标。

•C50、C80:决定清晰度的一个重要指标,即早反射声能与迟反射声能之比。可以使用50ms或80ms来计算早期到达的声能(分别对应C50和C80),C50主要用于衡量语言类房间的清晰度,C80则主要用于衡量音乐类房间的清晰度。

•G:声强系数,通常按低频声强计算

•脉冲响应图示(图7)

图7:声学分析系统—脉冲响应数据分析对话框—IR图示区

该图示区显示左右两个声道的脉冲响应波形,如果测量数据为单声道,则仅在左声道图示区中显示。二维坐标系X轴(横坐标)代表时间,单位毫秒;Y轴(纵坐标)代表振幅峰值。绿色虚线标识出直达声出现的时间点;红色虚线标识出早反射出现的时间点。这两条时间线均可使用鼠标拖拽以改变位置,还允许在图示区下方的文本框中手工输入具体的时间值。时间线改变位置后,需点击右下方的【计算】按钮,重新统计分析。

脉冲响应波形可使用按钮 横向缩放,放大后,鼠标在图示区拖拽,也可改变显示范围。图示区附有黄色背景的文本区,给出相关说明和图例。如果影响了视线,可鼠标拖拽以改变其位置。这一点,其它几个图示区完全一致,不再重复。

•混响图示(图8)

图8:声学分析系统—脉冲响应数据分析对话框—混响图示区

混响波形、衰减曲线与整合分析(混响时间曲线)三合一图示区。可分别查看左声道、右声道和两个声道的平均值分析图示。点击【计算】按钮后,弹出简单的计算条件对话框,可重新设置衰减量和噪声比率后再次统计分析。

•互相关图示(图9)

图9:声学分析系统—脉冲响应数据分析对话框—互相关图示区

互相关函数显示-1到1毫秒之间的时间范围,有效峰值的延迟时间代表了声源的方位,振幅标识出两个声道的相关程度,相当于听觉心理学方面的声场和空间感。最大峰值之间的宽度称为W_IACC,该值计算出实际的声场宽度。点击【改变WIACC】,弹出对话框,重新设置WIACC的宽度值,软件自动重新统计分析,而后刷新图示。

•声能谱(图10)

图10:声学分析系统—脉冲响应数据分析对话框—声能图示区

显示左右声道脉冲响应的声功率,此图示不仅给出脉冲响应的声功率曲线,而且很大程度上反映了声源和话筒之间的转移函数。横坐标频率,纵坐标电平。勾选“平滑”,自动进行平均计算,图示曲线将变得简单易读。

•主观评价图示(图11)

图11:声学分析系统—脉冲响应数据分析对话框—主观评价图示区

基于安藤理论四项指标的音质主观评价图示,四项指标分别是:响度、延时差异、混响时间和耳间互相关函数。S1到S4为这四项指标的具体评分,分值越低,评价越差,最高为0分。SS为分值总计。曲线反映了不同类型的声音和音乐在本环境中试听时的主观差异(互相关有效时间的间隔与延时,该值越大,声音越不清晰,将影响对声源定位的判断)。设置不同的最佳声压级和最佳延时,而后点击【计算】按钮,将得到不同的评分。从该图示所反映的情况来看,并不是一个房间的混响时间越小,音质就越好。这一点,在进行声学设计和房间声学特性的修饰弥补时,要特别注意。

•特性图示(图12)

该图示的计算分析基于房间脉冲响应中每个频段的特性、安藤理论的六项指标(特性1)和ISO 3382中所规定的测量指标与依据(特性2),给出几乎所有的声学指标的图示分析,综合分析出该房间的声学特性。点击“显示特性”中的不同指标,图示区显示内容也相应改变。横坐标代表频率,纵坐标依不同指标而有所变化,将代表混响时间(包括标准的T60及T20、T30)、响度值、耳间互相关函数、互相关有效延时、EDT、C50、C80、D50(早反射和直达声间隔时间与50ms之比)、用户自定义的T、C参数,等等。

图12:声学分析系统—脉冲响应数据分析对话框—特性图示区

•MTF/STI图示区(图13)

图13:声学分析系统—脉冲响应数据分析对话框—MTF/STI图示区

用于反映房间在调制传递函数(MTF)和语音清晰度(STI)方面的声学特性。MTF函数分别给出左右声道的二维图示,横坐标代表频率,纵坐标相当于评分数值。STI指标则采用文本数据的形式给出,包括左右声道的综合分析、基于男性语音的分析、基于女性语音的分析和快速语音分析。