低频心理降噪的主观听音实验

李卉，燕翔，陈刚，潘宁

（1.北京德尚静洁科技发展有限公司，北京 100084；2.清华大学建筑声学实验室，北京 100084）

1 实验背景

1.1 低频声扰民问题

近年来，随着文化生活水平的提高，城市中的娱乐场所诸如KTV、舞厅、酒吧、台球厅、影吧等逐渐增多，这些娱乐场所通常会使用扩声系统以营造震撼的氛围，但由此也引发了一系列的噪声扰民问题。

扩声系统扰民的问题主要体现在：1）声级大，传播远，通过空气传声危害周边居民；2）低频声过高，易引起结构振动传声，严重影响建筑内或周边噪声敏感区域。

1.2 低频隔声困难

对于噪声扰民问题，常规的建筑处理方法是通过建筑构件阻隔噪声，但对阻隔低频声存在诸多困难。首先，依据质量定律R=20lgm+20lgf-48，频率越低，隔声越困难。一般建筑构件，如砖墙、砌块墙、混凝土板等，隔绝低频噪声仍显不足，隔绝低频噪声需要更厚、更重的建筑构件。在工程实践中，增加建筑构件质量不仅会带来较大的荷载问题，也会增加建筑的造价。其次，低频声声波长、衰减慢、穿透力强，不仅可以通过空气传播，也会引起结构振动，通过建筑结构传导到更大范围，不易控制。采用房中房结构对低频声隔声问题比较有效，但设计施工难度大，造价高。对于装修完成后出现扰民问题的场所，更改房中房结构很难实施。

1.3 切除低频信号对听音效果不利

依据现有技术手段，可通过滤除低频信号的方法解决低频声扰民问题，但由于低频声对于加强音乐的律动感及震撼力是必不可少的，切除低频声不利于听音客观效果，因此，对于大部分音乐使用者而言，低频声必不可少。此外，为了满足音乐的刺激效果，往往需要较高的低频声级，这进一步增加了低频声隔绝的难度。

1.4 低频听音与隔声的矛盾

既要听到低频的效果，又要简单、方便、低成本地隔绝低频声成为一对矛盾。低频声污染成为扩声系统扰民问题的主要根源，从建筑隔声的角度进行处理存在诸多困难与障碍，难以达到良好的效果，且代价较高，因此，低频隔声问题成为隔声难点，如何解决低频隔声问题是降低低频声扰民的关键。

2 低频心理降噪

2.1 方法的提出

本研究针对低频声扰民问题，结合“基音缺失”相关心理声学理论，提出了一种新型的利用心理声学降噪的低频声处理方法—虚拟声低频心理降噪法。

该处理方法主要包含两部分，首先将低频信号从扩声系统中消除，从而减轻低频声隔声困难问题；其次通过心理声学“基音缺失”现象，将消除的低频信号倍频移频到高频实现低音补偿，保障在低频声缺失的情况下，仍能获得与原声音相一致的的主观听音感。

2.2 基音缺失现象

由于人耳听觉系统的非线性特点，对于由一组倍频调谐的频率成分（f0、2f0、3f0、4f0……）合成的声音，人耳感知的音调是其基频决定的。如果把这个合成音的基频分量（f0）去掉，人耳感知的音调是不变的，人耳似乎能自动补上这个缺失的基频成分，这就是“基音缺失”的主观听音心理现象。

依据“基音缺失”的主观听音心理现象，设想是否可以通过虚拟心理声学补偿的方式，来解决低频声隔声问题。如对于100Hz的低频声，从物理上将该低频声去除，通过生成其谐频（200Hz、300Hz、400Hz、500Hz……）作为补偿，在实现相同听音感的同时，解决由其导致的低频声污染问题。

2.3 心理声学的倍频移频法

在实际应用中，低频声污染并非由单一低频导致，而是一段频带的低频复合声，因此，如何生成一段频带的虚拟心理声学补偿，既在物理上去除低频声，而听感上影响较小，是成功利用心理声学的关键。声学实验室采用了倍频移频法，将低频声转移到高频声上去。

首先使用数字滤波器将低频声分离出来，并分割成几毫秒到几十毫秒的连续片段（经听音判断，实验中采用了最佳的30ms片段）。对每个片段进行数字化倍速处理，例如2倍速处理就是将30ms的音频片段提高2倍速度，片段因此缩短为15ms，再将倍速了的片段按倍数重复，如此又得到了30ms的片段。以此类推，可得到3倍频、4倍频、5倍频……的倍频声音。将这些倍频的声音混音到已消除了低频声的原声音上去，就得到了经低频倍频移频的虚拟心理学补偿的声音。处理流程及硬件实现见图1、图2。

在具体的信号处理上，还需要考虑截取窗函数、混音幅度比例加权等实际问题[1～3]。

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图1 倍频移频法算法图

图2 倍频移频法硬件实现图

为了辨别心理学补偿的低频声音的主观听音效果，在实验室组织了对比听音实验，以验证经虚拟心理声学补偿后的、消除了低频成分的主流音乐歌曲曲目在主观听音上的相似性。

3 听音实验

3.1 实验环境

为了保证听音环境具有合适的安静度和混响效果，实验选择在一间低噪声隔声室内进行，实验房间长×宽×高=5m×5.4m×4m，平面面积为27m2，室内净容积为108m3。其背景噪声为15.4dB（A），中频500Hz混响时间为0.66s，各频带中心频率混响时间及背景噪声见表1、表2。

表1 实验室室内混响时间

表2 实验室室内背景噪声

3.2 听音曲目的选取

实验精选了KTV、酒吧等娱乐场所出现频率较高的100首歌曲，歌曲样本来源于三大云音乐平台—QQ音乐、酷狗音乐、网易云音乐，歌曲样本基本采用付费下载的无损音乐，音质的比特率最低不小于320kbps。

3.3 截取听音样本

因每首歌曲的平均时长约5分钟，为了避免因听音时间过长导致受试者在实验比对时出现听音记忆误差或心理倦怠，保证受试者在可接受的时间段内能获得精准的判断，实验对每首歌曲进行听音样本截取，作为实际实验样本。

听音样本一般选择在歌曲的高潮部分，即音乐频谱分量丰富，尤以低音强烈为目标，同时歌唱力度在此片断也较响。截取时长约20s，但不低于20s，视歌曲关键片断的长度不等，听音样本的剪辑采取无损操作方式，不对音质进行任何处理。

对截取的听音样本进行处理，制作wav音频文件，用于播放器播放。每个听音样本的wav音频文件共分为两个版本，分别为未处理版本及低频心理降噪版本（信号截断频率160Hz）。

3.4 受试者

3.5 测试方法

测试平面图见图3。

图3 测试平面图

听音测试共分3组进行，每组10人，共30人。测试方法为听音样本播放的同时，受试者记录相应的主观听音感受，测试同时记录每类听音样本到达人耳的A声级。

每对听音样本采用随机的方式播放，即从100个听音样本中随机选取其中的20个进行播放，每个听音样本均播放两个版本。其中17个听音样本播放的版本不同，分别为未处理的和低频心理降噪的版本，另外3个听音样本两次播放的版本相同，均为未处理的版本，随机插入到20个听音样本播放序列中，作为“间谍”听音样本以评判受试者主观听音水平的一致性。

受试者对每类听音样本的主观评价包括整体感差异及低频感差异两类，差异的级别分为5个等级，分别为无差异、差异极小、有差异、差异较大、差异极大。受试者的等级评判完全由自己按个人理解或心理体验给出，实验中未对受试者进行任何评判方法、规则的指示或暗示，也未对受试者的评定做出统一规范化的要求。

4 主观评价数据处理

4.1 尺度赋值

将受试者的主观评分从“无差异”到“差异极大”5个等级，按照尺度赋值的方法，分别从1到5相对应计分，即“无差异”—“1”、“差异极小”—“2”、“有差异”—“3”、“差异较大”—“4”、“差异极大”—“5”。

4.2 听音样本比对的得分及平均分

理论上，由于每个听音样本均采用相同的心理声学补偿算法，在进行两种版本的听音实验比对时，每个听音样本之间物理上的差别程度应是一致的，相应的主观听音评价也应是一致的。例如，对于“听音样本1”和“听音样本2”，若“听音样本1”听觉上的差别程度为差异较小，则“听音样本2”听觉上的差别程度也应为差异较小，且两类听音样本的主观听音评价也应为差异较小。也就是说，对17类版本不同的听音样本主观判定并尺度赋值转换为分值的数值应是一样的，该数值就是理论上的“得分真值”。

实际上，由于受试者听音能力或听音时段内听感的随机差别，可能会造成听音判断上的离散性。例如对于作为“间谍”的完全无物理差别的3类听音样本，理论上，其听音比对评价应为“无差别”，即得1分，而实际情况是，受试者的主观听音评价大多得1分，但也有其中某一个听音样本得1分，另外的得2分、3分……。“间谍”样本的得分离散性，说明了主观判断离散性的客观存在。

考虑到实验主观比对的得分真值，以多个听音样本得分的平均值作为得分真值的近似值，从而降低主观判断离散性对求得的得分真值的影响。

因此，分别对17个版本不同的听音样本和3个“间谍”听音样本的听音比对得分取平均值，得到每位受试者的两项平均分。

4.3 “间谍”的权重

“间谍”听音样本的平均分反应了受试者自身听力差别状况。如果得1分，说明受试者听力判断准确无误；如果得1点几分，说明受试者听力判断存在误差，比得1分的人听力差；如果得3分及以上，说明受试者听力判断存在严重误差（即听任何两个相同的声音主观上都会听出差别），应排除此类受试者。

在本实验中，以“间谍”听音样本作为17首听音样本平均分的计分权重，以降低因受试者自身听力差别状况导致的误差。对“间谍”听音样本的权重计算如下：1）将“间谍”听音样本平均分得分3分以上的受试者数据去除；2）取剩余所有受试者“间谍”听音样本平均分的倒数作为权重的分子，取剩余所有受试者“间谍”听音样本平均分的倒数的总和作为权重的分母，两者相除得到每位受试者听力差异性的权重。

4.4 总评分

1）以17首经过处理的听音样本得分的平均值作为每位受试者的得分；2）以3类“间谍”听音样本得分求得每位受试者的权重；3）每位受试者的得分乘以其权重后，全体求和，得到最终评价值。

表3 实测数据表

5 实验结论

实验数据结果见表3，分别给出了整体听音感觉的评价和低频听音感觉的评价。其中，“总得分”栏是受试者17个样本评价的总分，“平均B”栏是总得分除以17的平均分，“间谍A”栏是受试者听音完全相同版本（共3个“间谍”样本）的评价平均分。

处理算法：1）将结果分为1～5分五个档次；2）剔除“间谍”听音得分超过2的数据（实验中整体感觉评价超过2的有1人，低频感觉评价超过2的有4人）；3）三组“间谍”样本听音平均分记为A；4）17个未处理与低频心理降噪进行对比的评价平均分记为B；5）对所有的1/A求和得到总量Z=∑1/A，（1/A）/Z作为权数Y；6）对统计分求加权平均数C=∑(B×Y)=∑（B/AZ），C作为最后得分。

依据实验数据处理结果，整体差异的最终评价值为1.9分，低频差异的最终评价值为2.0分，属于“差异极小”范围。说明通过低频心理降噪处理，可以实现低频缺失下的歌曲主观听音相似性。由此，心理降噪的方法为扩声系统的低频隔声处理提供了新的选择。