王博聊声学 | 车载音响系统主观音效的客观量化

在智能音频时代，音频技术的发展突飞猛进，新功能、新产品和新的应用场景不断涌现，如何从主观和客观角度评价音频品质，成为人们日益关注的焦点。HBK在音频领域拥有全球领先的产品方案和深厚的技术背景及工程经验，我们将从音频感知的主观属性、评价方法、客观参数测量等方面与大家共同探讨技术挑战以及HBK的解决方案。

在车内实现高品质音效是一个富有挑战的技术活。车内空间比较小，低频时由于声波的反射叠加形成驻波，使得扬声器的低频声音衰减很慢，容易产生浑浊、轰鸣的感觉。当扬声器安装在车门等钣金或内饰件上，很容易引起结构振动而辐射声音。车内扬声器之间由于声波的相位关系而互相干扰，造成声音频谱发生改变，进而导致主观听感特别是音色产生变化。
为了获得高保真、沉浸式音效，首要关注的就是每个乘坐区域的频响和累积频谱衰减CSD。通常在头部区域多点测量，获得平均的频响，然后通过音频优化算法来消除峰值和谷值，使得频响在整个频率范围内都是平直的，并且低频声音能量有较快地衰减。

图1 7841型DIRAC软件测量的某个车内CSD
经过调教的系统是否达到了期望的音色和空间感，能否很好地体验声场宽度和深度？除了主观评价外，我们更希望通过客观参数来量化主观听感，这种方式更加快速高效，还可以对不同音响系统配置进行对比。这些参数包括频谱、声品质参数、室内声学参数和失真等，一般可归为频谱特征和空间特征两大类，可以通过传声器或者人头躯干模拟器HATS进行测量。

谱质心Spectral centriod：

指一段音频信号短时傅里叶变换STFT幅值谱的重心，可以表示音乐的“明亮度Brightness”。比如，低沉的音乐有较多的低频能量，其谱质心较低；明亮欢快的音乐有较多的高频能量，其谱质心较高。

谱下降值Spectral rolloff：

指功率谱的累计幅值在某个指定的百分比（比如85%）以下的频率点，用于描述频谱倾斜的程度，它反映能量下降的频率点，它的值越大，说明声音能量越集中在较高的频率范围。

双耳时间差ITD：

即声音到达左右耳的时间差，如果声音来自于我们的正前方，那么ITD=0，如果声音来自于我们的侧面，例如我们的左手或右手方向，那么ITD应取最大值约0.58ms。因此，ITD能够帮助我们区分声音（主要是1500Hz以下）在水平面的不同入射方向。

双耳声压级差ILD：

即声音到达左右耳的声压级差，对于高频声音，波长比人头的尺寸小，当声音来自于左手边时，由于头部对声波的反射，使得到达右耳的声音小于左耳。因此，ILD能够帮助我们区分4-5kHz以上声音在水平面的不同入射方向。而在1.5kHz到4-5kHz之间的频带，ITD和ILD共同起作用。

双耳互相关系数IACC：

描述双耳接收到声音信号的相似性，由双耳脉冲响应计算得到，IACC越接近于1，说明双耳信号越相似，越接近于0，说明双耳信号越不相关。广泛用于表示空间感、感知声源宽度和包围感，较小的IACC对应于较好的空间感。

清晰度Clarity：

脉冲响应的早期能量与晚期能量的比，清晰度越高，更能分辨音乐里的细节信息，比如更能听清交响乐队或合唱各声部之间的细节和层次感。

声品质参数：

包括响度、尖锐度、粗糙度、波动强度等。
除了以上参数外，还有失真和其他的室内声学参数，可详见B&K 7841型Dirac室内声学软件。
下面举个例子，某车型座舱内的清晰度C50如下图2，中高频声音的清晰度较高，说明车内中高频的直达声和早期反射声所占比重大，而晚期的反射和混响所占比重小，这体现了声音的明亮感。低频的清晰度较低，这是因为车内低频声容易形成驻波声场而导致衰减较慢。另外，由于车内座椅和内饰的吸声作用，使得车内声波衰减较快，因此在计算这类早期与晚期能量比参数时，Dirac软件可以修改时域积分的时间间隔，以获得更合理的结果。

图2 车内清晰度C50

双耳相关参数需要由人头躯干模拟器HATS测量得到（图3），某车内双耳互相关系数IACC(0,50)如图4，125Hz低频声到达双耳的幅值和相位接近一致，所以IACC值接近于1；中高频声的IACC值降低，说明双耳声音差异增大，空间感增强。

图3 HATS双耳声音测量

图4 车内IACC(0,50)

在某高端车型案例中，HBK工程服务团队对主观评价和客观参数进行了相关性分析，发现总体偏好与ILD、C80、Spectral Centriod、Sharpness、Roughness等参数相关程度较高，并且客观参数之间也存在一定的相关性。还进行了主分量分析，为了避免过拟合，选择前5个主分量进行总体偏好预测。图5是基于客观参数预测的主观偏好与真实的主观评价的比较，可以看到它们能够很好地吻合，相关系数在90%以上。

图5 某车型主观偏好的客观预测
以上表明基于双耳录音的客观声学参数，我们可以通过统计分析量化主观感受。由于不同目标人群对音响的主观偏好不同，中国人与西方人在主观偏好上也有较大的差异，因此，我们建议采用量身定制的办法，由HBK工程服务团队根据用户的具体需求，打造属于自己的音效评价模型。