基于改进中断声源法的混响时间测量方法研究

鄂治群,蒲志强,孙 磊,桂 桂,尹永钊

(中国测试技术研究院,四川 成都 610021)

混响时间对人的主观听觉感受具有重要影响,迄今为止它仍然是室内音质的一个最为重要的客观评价参数[1]。混响时间是描述封闭空间内声音衰减快慢程度的物理量,室内声能密度衰减60 dB所需要的时间称为混响时间,因此通常用T60表示混响时间[2,3]。过长的混响时间会使人感到声音混浊不清,降低语言的清晰度,甚至听不清。混响时间太短会造成声音干涩。因此,混响时间的准确测量具有十分重要的意义[4]。

混响时间的主要测量方法是中断声源法和脉冲响应积分法。中断声源法是混响时间测量的传统方法，它激励房间的窄带噪声或粉红噪声声源中断发声后,直接记录声压级的衰变来获取衰变曲线的方法。这种方法有一个缺点就是声衰变严重地受到无规过程中不可避免的瞬时起伏的影响,所以必须多次测量进行平均[5]。德国哥廷根大学的Schroeder提出了基于脉冲响应积分方法的混响时间测量[6]。由于脉冲响应中的本底噪声会同时被测量,也随着时间被积分,因此脉冲响应的信噪比和积分上限的选择会使由线性拟合计算的混响时间产生估值偏差[7],且脉冲信号源为气球、发令枪、爆竹,分别存在着发声功率不足、存在安全隐患等问题,在一定程度上限制了该方法的应用。

本文在提出中断声源法的基础上,应用反向积分信号处理方法对中断声源法采集到的原始数据进行拟合,解决声能衰变过程中不可避免的瞬时起伏问题。室内实测数据表明,反向积分法可以有效降低采用中断声源法测量混响时间时声压级衰变曲线瞬时起伏的问题,提高了混响时间的测量效率与精度。

1 理论分析

1.1 声压级衰变曲线起伏的原因

混响时间实际测量过程中,声压平方p2(t)代表能量E(t),初始声能由声源发出粉红噪声激励,待声场稳定后突然中断,记录声压级衰减60 dB的时间即为混响时间T60。声压级随时间衰变的曲线可以用公式1计算:

(1)

式(1)中,SPL表示声压级,p0为空气中的参考声压，为2×10-5Pa。

其中声压平方p2(t)是通过时间计权得到的,时间计权是模拟人耳对声音的响应。时间计权主要有两个参数,时间常数和积分时间,积分时间为时间常数的两倍[8]。p2(t)的计算公式为

(2)

式(2)中,τ为时间常数,p(ξ)为瞬时声压信号。

式(2)中eξ/τ为指数函数,为声压平方p2(t)的一个分量,将其转换为声压级表达式为10×log(eξ/τ),由此得到时间计权自身有一个衰减率,时间常数τ越小,衰减越快。这个时间计权自身衰减率会影响混响时间T60的测量。例如常用的时间常数τ为0.125 s,这时的衰减率为34.7 dB/s,分析仪本身在信号停止后衰减60 dB就有接近2 s的“混响时间”,已经超过了部分房间本身的混响时间。因此,只有将分析仪时间计权的时间常数τ设置非常小,时间计权自身衰减率为+∞时,即时间计权本身衰减率远大于室内声能随时间的衰减,才能准确测量混响时间。

然而,为了避免出现简正波等极端情况并提高测试效率,混响时间测量通常使用窄带噪声或者粉红噪声作为声源信号[9]。其缺点是在时间常数τ设置非常小的情况下,室内声能衰变受到无规过程中不可避免的瞬时起伏等因素的影响[10],测量声压级的波动较大,对混响时间的准确测量产生不利影响。

采用不同的时间计权,测量同一粉红噪声的时间计权声压级,此时的测量不受声场因素的影响,测量结果如图1和图2。

图1 时间计权声级(时间常数为0.008 s)

图2 时间计权声级(时间常数为0.125 s)

图1的时间常数为0.008 s(测量混响时间时的时间常数),当时间常数为0.008 s,积分时间为0.016 s时,时间计权的衰减率为555.9 dB/s。即可满足时间计权本身衰减率远大于声能随时间的衰减的要求,可以忽略其对混响时间测量准确性的影响,但是声压级的曲线明显波动较大。图2的时间常数为0.125 s,虽然声压级的曲线明显波动较小,但此时时间计权的衰减率为34.7 dB/s,会对混响时间的准确测量产生较大影响。在测量混响时间较短的房间时,要求时间计权本身的衰减率远大于声能的衰减率,必须设定很小的时间常数。因此采用粉红噪声作为声源信号测量混响时间时,时间常数非常小是引起衰变曲线产生波动的主要原因,影响了混响时间测量结果的准确性。

1.2 解决方法

目前,广泛采用同样测量条件下重复测量,再取平均值的方法解决这个不利影响,然而这样就会降低测量效率。本文提出应用反向积分法对声级衰变曲线进行数据拟合的方法解决这个问题。

(3)

在应用中断声源法测量混响时间的过程中,测量得到的声压级序列是随时间逐渐衰减的离散数据Lpi,其中i为从1到N的时间正序排列。应用反向积分法对该离散数据序列Lpi数据拟合,以期得到平滑的声压级衰减曲线。

首先利用声压级与声压之间的换算关系将各个测量时间点上的声压级换算为声压,计算方法如式(4)。

(4)

经计算得到声压数据后,从最后一个测量数据开始反向求和,计算得到反向积分后的声压E(t)作为各个测量时间点新的声能数据。计算方法如式(5)。

(5)

(6)

2 实验及结果分析

2.1 实验简介

本文以某放入吸声材料的混响室为例,采用中断声源法和脉冲响应积分法实测其室内混响时间。中断声源法得到声压级衰变曲线,经反向积分法拟合后计算混响时间并与脉冲响应积分法测得的混响时间进行了对比分析。

选择丹麦B&K公司的4292型无指向性声源和发令枪作为发声装置,测量传声器选择丹麦B&K公司的4943型扩散场传声器。测量时使用三脚架固定传声器距地面1.6 m左右,测点距离各个反射面均大于1 m。分析仪时间常数为0.008 s,以粉红噪声作为声源,采用中断声源法测量得到频率为100 Hz、1 000 Hz和5 000 Hz的声压级衰变曲线,如图3。

图3 不同频率声压级衰变曲线

从图3中可以看出,能量随时间衰减的趋势为一直线,然而不同时间上的测量值却大多数不在理论直线上,同时也验证了声压级衰变曲线在高频情况下波动相对较小,低频情况下波动较大的客观事实。

2.2 方法验证与分析

选取频率为1 kHz的声压级衰变曲线应用反向积分法进行数据拟合处理,图4是声压级衰变曲线进行反向积分前后的对比。

图4 反向积分前后的声压级衰变曲线

由图4可以看出,反向积分等同于重复测量多次再平均,实际测量的衰变曲线经过反向积分后,衰变曲线变得平滑了很多,便于进行下一步的数据处理并计算混响时间。换个角度来说,反向积分的过程等同于低通滤波器,将偏离理论直线的高频振荡滤除。另外,由图4还可看出在反向积分后的曲线尾部出现明显形变,原因是这部分的积分时间不够长。这也是反向积分之所以“反向”的原因。

将中断声源法测得声压级衰变曲线经反向积分法数据拟合后的混响时间与脉冲响应积分法测得的混响时间做对比,对比结果如图5和表1。

图5 反向积分后数据与脉冲响应积分法对比

表1 曲线拟合后的混响时间对比

从图5和表1的对比结果可以看出,除去曲线尾部部分,经过反向积分后声压级衰变曲线基本为同一斜率的直线,截取中间一段通过计算T20得到的混响时间与脉冲响应积分法相对偏差为2.5%,数据基本一致。验证了基于中断声源法的反向积分法数据拟合测量混响时间的可行性与可靠性。

3 结 论

时间常数小是造成声压级衰变曲线发生起伏的主要原因之一。叠加室内空间声场因素的影响,会造成声压级衰变曲线在高频情况下波动较小,低频情况下波动相对较大的情况。应用反向积分的信号处理方法改进了中断声源法,减少了重复测量的次数,提高了混响时间的测量效率。且反向积分的方法可以消除声压级衰变时出现的高频振荡,起到了低通滤波器的作用,实现更高的测量精度。