汉航NTS.LAB声品质测试分析系统在钢琴音质测试中的应用
1 引言
声品质（Sound Quality）指的是人们对于声音信号的满足度，强调人是听觉事件的最终接受者，反映对声音事件主观感受的适当描述。声品质测试不仅仅是简单的声波这一物理量的测试，而是通过声波的测试，建立声音和听觉感受之间的关系，研究什么声音使人感到愉悦舒适，什么声音使人烦躁难受。声品质测试已经广泛应用于汽车、家电、厅堂音质、电声、乐器等领域，其一般流程如下：
与传统声学研究相比，围绕声品质的研究具有很强的主观性，往往需要借助心理声学的研究方法，即建立主观感知属性与物理声学、心理声学之间的联系，如基于响度、粗糙度、尖锐度和音调等声品质参数评价体系。通过声音频谱构成以及心理声学参量分析，可以实现产品声音品质量化，方便给出定量结果，提高产品的声品质。
2 心理声学参数
心理声学是研究主观听觉感受和声音客观物理量之间关系的科学。为了找到这些关系，我们需要把物理参数，比如声压级、频率、调制等等和听觉相关的参数对应关联起来。和物理量不同，这些听觉相关的参数往往以非线性方式表示，我们称之为心理声学参数。
心理声学参数作为连接物理学和心理学的桥梁，用一系列参数对声音进行人体感观的分析描述，如响度（Loudness）、尖锐度（Sharpness）、波动度（Fluctuation Strength）与粗糙度（Roughness）、纯音突出比（Prominence Ratio）等参数，以下是常用于声音品质评价的心理声学评价参量的介绍。
♦ 响度（Loudness）
声音的响度是指声音的响亮程度，用于判断声音的强弱，其单位是宋（sone）。响度的大小即依赖于声强，也与声音的频率关系密切，例如同是100dB声压级的噪声，电锯声听起来要比空压机声音响得多。因此，1宋定义为频率为1000Hz、声压级为40dB的纯音的响度。
按人耳对声音的感觉特性，根据声压和频率定出人对声音的主观感觉量，称为响度级，单位为方（phon）。响度和响度级的关系就好比声压和声压级，但是因为心理声学参数是经过人主观评价统计出来的，再把数据拟合成公式，如DIN45631/A1标准规定，响度级和响度关系如下：
汉航NTS.LAB声品质分析模块支持市面上几种公认的响度和响度级计算标准，如DIN45631/A1、ISO 532-1、ANSIS3.4 2007。
♦ 尖锐度（Sharpness）
尖锐度是评价声音是否使人愉悦的一种感觉，用以区别声音是尖锐（Sharp），或是沉闷（Dull），主要用于衡量声音中的高频成分。在影响锐度感觉的众多因素中,与锐度密切相关的量有窄带声音的频谱成份和中心频率、声音的带宽。声音的频谱包络对锐度的影响最大，而频谱细节并不太重要。尖锐度的单位是acum，中心频率1000Hz，声压级60dB，带宽等于一个临界带宽（约等于160Hz）的窄带噪声的尖锐度定义为1acum。
汉航NTS.LAB声品质分析模块提供常见的三种尖锐度的计算方法，包括：DIN 45692、von Bismarck和Aures。
其中，在DIN45692标准中，由Zwicker提出的尖锐度模型进行计算如下：
式中：k2=0.11为加权系数，
为计权项，z代表心理声学Bark尺度。
♦ 波动度（Fluctuation Strength）
听觉系统对经过调制的声音有两种不同的感觉：当调制频率在20Ｈz以下感知为波动度，而在高频则感知为粗糙度。在20Hz附近是听觉感知的平稳过渡区域。将60dB频率为1kHz的纯音，以4Hz纯音进行幅值调制，调制度为100%声音的波动度定义为1valcil。波动度呈调制频率的带通特性，最大值在调制频率为4Hz处，即4Hz的调制频率将显现较大的波动度。人耳听觉系统的频率分辨率为4Hz，流利语音的正常速率为４音节/秒。与粗糙度的计算类似，波动度的计算也采用瞬间掩蔽模式，以最大和最小声级差
的形式表示：
♦ 粗糙度（Roughness）
粗糙感是在调制频率为15~300Ｈz时产生的，当调制函数的频谱在15~300Hz区域即足以产生粗糙感，并非要周期性调制。这是大多窄带噪声即使没有包络和频率的周期性变化，却产生粗糙感的原因。将调制频率为70Hz，调制幅度为100%，声级为60dB的1kHz纯音粗糙度定义为1asper。
影响粗糙度的因素主要有两个：一个为频率分辨率；另一个为时间分辨率，频率分辨率由激励模式或特征响度随临界带的关系决定。当调制幅度为25%，即m=0.25时，粗糙度达到其最低值0.1asper，调制幅度每增加10%，相应粗糙度增加17%，因此在可听粗糙度划分为20个级别。粗糙度变化1.56倍时，我们刚可察觉到粗糙度的差异。
粗糙度是由激励模式随时间变化引起的，非常缓慢的变化不产生粗糙度的感受，可见粗糙度正比于变化速度，即调制频率。此外，通过掩蔽分析可知，粗糙度与掩蔽深度成正比关系，于是得到：
♦ 纯音突出比（Prominence Ratio）
纯音突出比是一种心理声学指标，表示纯音在其周围频率成分中的相对比重，从而确定其对声音感知的贡献，将人耳对声音的“音调”感知转化为客观指标，其声音具有如下特征：
1. 离散频率，具有明显的噪声峰值；
2. 问题峰值明显，为窄带噪声；
3. 绝对量级不一定大、但是“清晰”且恼人。
如电机啸叫和夏季蚊子的嗡嗡声，其频谱特征均表现在某单一或者离散频率具有较大的能量，往往会引起不适感。
♦ 音调度（Tonality/Tonalness）
音调度是一种心理声学指标，用于识别背景噪声中出现的音调，以确定其对声音感知的贡献。声源的音调度是提高产品声音品质的主要指标之一，量化音调度意味着将人耳对声音的“音调”感知转化为客观指标。在汽车、航空、铁路或消费品等工业应用中，音调度表示音调分量在其周围频率成分中的相对权重。
表1 音调度指标
音调噪声比（TNR）指标是音调与以其为中心的噪声临界频带（Critical Band，CB）之间的能量比：
音调突出率（PR）指标是音调周围的临界频带与两个最接近频带之间的能量比：
3 声压与声品质测试的区别
心理声学参数计算是考虑了人耳对不同频率的感知程度，这与耳蜗基底膜的频率密切相关，如在基底膜最窄处，对高频比较敏感，而在较宽的位置，对低频声音更敏感，如下图所示。
声品质分析是一种评价声音质量的方法，主要用于评估声音的愉悦度、舒适度和可接受度等主观感受，更能够反应人的喜好，并量化此参数。
如对示例信号进行分析，如下图所示：可以发现，在整个47s的采集区间，两组数据的声压基本相同，但是明显感觉第二组数据相比第一组数据听着更加响，给人带来不舒服的感受。
从响度分析可以发现：第二组数据的响度大于第一组的数据，若仅仅进行声压级分析，则无法区分两组数据特征，因此引入心理学参数响度分析，更能准确的找到原因。同样的，若要进行更加细致的分析，还可以用更多的声品质参数描述上述两组数据，以此进行更全面、更科学的声音评价，有助于制定更有效的噪声控制策略。
4案例
由于声品质分析可以实现产品声音品质量化，方便给出定量结果，提高产品声品质，因此在电声、乐器领域也有广泛的应用。基于此，沈阳音乐学院使用汉航NTS.LAB 声品质分析模块用于分析钢琴声品质的研究，通过调琴弦，打磨弦槌等措施，提高钢琴的声品质质量。
本次试验主要进行某个音节调音前与调音后的声品质参数对比，为了剔除人为干扰因素，采用自动敲击琴键装置，以此保证力度，接触时间一致，保证试验数据的可靠性。
从时间历程图可以发现，两次敲击声音衰减趋势几乎一致，无法识别两次敲击的声音特征。但是在听感上，第二次敲击时，声音更饱满、润滑，因此需要更详细的声品质分析。
从上图可以发现：通过修正前后的响度图可以看出：调音前后响度的变化不是很大，整体变化趋势一致。
从上图可以发现：特征响度主要分布在0-5Bark之间，调音前后未见明显差别，因此仅仅使用响度参数，并不能区分调音前后声品质的定量分析。
从图中可以看出：整体上调音后尖锐度比调音前低，表明调音后相对调音前听起来更加润滑，符合实际听感。
在上图中可以看出：调音后整体的粗糙度都比调音前小，且从颜色图可以看出，在Bark域中，粗糙度分布趋势一致，调音后粗糙度在每个Bark域中都小于调音前。
基于以上分析，调音后的琴声在听感上略优于调音前，并通过声品质定量分析，发现调音后的尖锐度和粗糙度均优于调音前，说明此次优化措施有效。
5 总结
汉航NTS.LAB声品质分析模块具有强大且全面的信号处理能力，该模块不仅包含上述基础声品质分析功能，针对不同的参数还具有多个可选的计算标准，包括国标、ISO标准、ECMA标准、美标、德标等。
同时汉航NTS.LAB还提供了其他丰富的声品质计算功能，例如高分辨率谱分析（HSA）、听觉模型谱分析（HMS）、语音清晰度指数（AI）、语言可懂度指数（SII）等，能够从多个角度、多个方向对产品进行声品质分析，从而了解产品各指标的特点，并充分考虑这些指标的局限性和不足之处，针对具体情况进行选择和结果判断，进而对其声品质进行改善。
如需了解更多产品信息与应用详情，欢迎您与我们联系。
