CN105895114A - 一种基于脉冲响应的房间声传播路径分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及房间声学领域，公开了一种基于脉冲响应的房间声传播路径分离方法，其技术要点为：测量获得房间内脉冲响应；对脉冲响应实施时域加窗截断操作和频域滤波处理后，将所得部分脉冲响应能量与总脉冲响应能量相除，得到指定传递路径的声能量与总声能量的比值；最终分离房间中各声传播路径对总压级贡献，获得各路径对于语言私密度影响的定量结果。利用本方法计算得到的房间声传播途径分离结果，可用于新开放式办公室的声学设计或者现有开放式办公室的声学改造。本方法的优点在于普适性和简单性，可适用于任何房间，不需要复杂的理论建模过程，简单易操作，且结果可靠。

Description

一种基于脉冲响应的房间声传播路径分离方法

1技术领域：

本发明涉及房间声学领域，具体地说，是一种基于脉冲响应的房间声传播路径分离方法，主要应用于开放式办公室的语言私密度分析，为开放式办公室声学设计提供参考。

2背景技术：

开放式办公室是一种灵活隔断的大空间办公空间形式，具有成本低和灵活性强的优点，被广泛地应用于现代社会。但是，其开放性的特点也造成了办公室内语言私密度低、语音对话易打扰他人的问题。在保持开放式办公室优点的同时，如何通过科学合理的设计房间的声学参数以获得良好的语言私密度，是一直以来的技术热点。

专利99201617.7提供了一种可任意组装的办公室间隔装置，使开放式办公室的间隔更趋简单与方便，从而让办公室工作环境保持独立安静；专利02124528.2提供了一种通过立面体划分室内空间的办公室构成设备，获得个人、小组的办公室内的私密性；专利201120315770.7则提供了一种使用隔音材料制成的微型办公室设计来减少员工间的相互干扰，提高员工的舒适度和满意度。上述专利提供了一些开放式办公室的设计思路，但是并没有具体地给出开放式办公室的设计参数与语言私密度的量化关系。

语言私密度某种程度上是语音清晰度的反义词，它与房间的声学参数以及信噪比有关(Bradley J S.The acoustical design of conventional open plan offices[J].Canadian Acoustics，2003，31：23-34.)。在北美，清晰度指数(AI，Articulation Index)和语音清晰度指数(SII，SpeechIntelligibility Index)被广泛采用来评价语言私密度；而在欧洲，语音传输系数(STI，SpeechTransmission Index)更为常用(Bradley J S，Gover B N.Open-Plan Office Speech Privacy CaseStudies[J].IRC Research Report，RR-263，August 2008.)。专利201110062950.3提供了一种预测语音清晰度的方法，并可替代时频环境中使用的测量方法；专利201180002701.3则提供了一套语音清晰度的评价系统，根据电位阳性成分和阴性成分的判定结果，来评价用户是否清晰地听到所呈现的语音。上述方法提供了一些语言私密度的评价方法和标准，但是并没有结合实际的办公室设计应用。

为了在开放式办公室中获得良好的语言私密度，需要同时考虑各种房间声学参数，仅提高个别声学参数很可能收效不明显(Bradley J S，Gover B N.Open-Plan Office Speech PrivacyCase Studies[J].IRC Research Report，RR-263，August 2008.)。为了实际应用的简便，房间设计中应涉及尽量少的参数指标。因此，判断开放式办公室中各房间声学设计参数对于室内声学效果的影响强度的优先顺序是亟待解决的问题。专利200510034067.8提供了一种参考NR曲线并作合理修正的室内噪声的评价与测量方法，为改善室内噪声环境提供有力依据；专利201110379622.6提供了一种基于波束形成和传递路径分析的室内噪声定位方法，为有效的噪声控制提供位置信息；专利201510094030.8则提供了一种用于提高语言私密度的掩蔽信号的生成方法，提高声音掩蔽效果。上述专利给出了一些提高办公室内语言私密度的思路方法，但是都局限于定性分析，没有办法对开放式办公室的声学设计提供直接准确的信息。

本发明给出了一种针对开放式办公室的声学设计方法，通过测量房间脉冲响应，定量分析开放式办公室中各声学传递路径的贡献，以及相应的对语言私密度的影响，为开放式办公室的声学设计直接提供准确的信息。

3发明内容：

本发明的目的在于针对现实或者拟设计的开放式办公室提供一种简单易操作的设计方法，通过测量或者计算获得的房间脉冲响应，定量分析开放式办公室中各声学传递路径的贡献，以及相应的对语言私密度的影响，为开放式办公室的声学设计提供理论建议。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

A)以扬声器作为声源，在指定位置放置传声器接收声音，驱动声源播放高于本底噪声20dB以上的扫频声音信号，测量开放式办公室内指定位置的声源到指定接收点的脉冲响应h(n)，和指定位置的声压级L，本底噪声B。脉冲响应的具体计算方法有最大长度序列法，逆重复序列法，时域拉长脉冲法等(Stan G B，Embrechts J J，Archambeau D.Comparison of differentimpulse response measurement techniques[J].Journal of the Audio Engineering Society，2002，50(4)：249-262.)，现有商用房间声学测量仪器，如Odeon，Dirac都提供此功能。

B)测量所需分离的声音部分的传递路径长度l_i(i对应第i条路径，其取值是1，2，3，…)，确定截取脉冲响应的上下限分别为：

n_i1＝(l_i/c₀-0.002)f_s， (1a)

n_iu＝(l_i/c₀+0.002)f_s， (1b)

式中，f_s为采样频率，c₀为声速，一般取344m/s。

C)对脉冲信号分别施加对应的矩形窗，分离第i个传递路径的声能量，

$h_{rec,i}\left(n\right)=h\left(n\right)R_{n_{iu}-n_{il}+1}(n-n_{il}-1),---\left(2\right)$

式中h(n)为离散脉冲信号，n为离散时域时间采样点，而矩形窗函数定义为：

式中，N为矩形窗的宽度。

D)对分离得到的指定传递路径的脉冲响应进行倍频程滤波，得到倍频带部分脉冲响应。如对第j个倍频程带，采用：

h_band，ij(n)＝h_rec，i(n)*w_j(n)， (4a)

得到，而此倍频程带的总脉冲响应为：

h_band，j(n)＝h(n)*w_j(n)， (4b)

式中*表示卷积，w_j(n)为第j个倍频程带通滤波器。共计算7个倍频程，倍频程中心频率分别为125，250，500，1000，2000，4000，和8000Hz。

E)将滤波得到的倍频程带部分脉冲响应能量与总脉冲响应能量相除，得到指定传递路径的声能量与总声能量的比值：

$C_{i,j}=10{\log }_{10}\{\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{h}_{band,ij}^2\left(n\right)/\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{h_{band,j}}^2(n\left)\right\},---\left(5\right)$

F)根据测量得到的总声压级和计算得到的指定路径的声能量与总声能量的比值，得到第i个传递路径的声音在第j个倍频程内的声压级：

L_i，j＝L_j-C_i，j， (6)

G)根据测量得到本底噪声B，用式(7)计算相应倍频程内的调制传递函数：

$m(F_k,f_j)=\frac{\left|{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{e}^{-i2{\mathrm{\πF}}_{k}t}{h}^2\left(t\right)dt\right|}{{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{h}^2\left(t\right)dt}\·\frac{1}{1+{10}^{-(L_{i,j}-B_j)/10}},---\left(7\right)$

式中，F_k为调制频率，这里取14个频率，值为0.63，0.80，1.00，1.25，1.60，2.00，2,50，3.15，4.00，5.00，6.30，8.00，10.00，12.5Hz；f_j为倍频程中心频率，这里取7个倍频程，值为125，250，500，1000，2000，4000，8000Hz。

H)根据调制传递函数计算显性信噪比：

$ASNR=10{\log }_{10}\frac{m}{1-m}---\left(8\right)$

计算中，当ASNR＞15dB时，令ASNR＝15分贝；当ASNR＜-15dB时，令ASNR＝-15dB。

G)最后，开放式办公室内语言私密度的单一指标语音传递函数STI通过式(9)计算：

$STI=\frac{15+\underset{j=1}{\overset{7}{\Σ}}{z}_j\[\frac{1}{14}\underset{k=1}{\overset{14}{\Σ}}ASNR(F_k,f_j)\]}{30}---\left(9\right)$

式中，z_j是倍频程权重系数，对应于7个倍频程带，值分别为0.13，0.14，0.11，0.12，0.19，0.17，0.14。

本发明的有益效果是：对于任意复杂环境的开放式办公室，均可针对计算或者测量得到的房间脉冲响应，应该本方法，分离指定路径的声贡献，并计算其对于语言私密度的影响。快速方便，结果可靠。

4附图说明：

图1是本发明实验测量系统仪器示意图。

图2是本发明具体实施例中的实验示意图。

图3是本发明具体实施例中测量得到的房间脉冲响应。

图4是本发明具体实施例中分离得到的各个声传递路径的声压级贡献。

5具体实施方式：

实施案例在16.5m×30.9m×5.1m的开放式办公室中进行，用一个尺寸为1.00m×0.74m×1.36m的木制顶端开口箱表示开放式办公室中的独立会议室。通过使用本发明方法给出该开放式办公室中衍射路径，天花板反射路径，地面反射路径等的声贡献，为改进其语言私密度提供设计参考。

按照图1所示的仪器示意图搭建测量系统。采用B&K公司的7841型商用房间声学软件Dirac测量脉冲响应，配套仪器包括B&K公司的ZE0948型USB接口，G.R.A.S公司的12AA型功率放大器，B&K公司的4166型传声器；采用B&K公司的2270型手持式声级计测量声压级及背景噪声，配套仪器为B&K公司的4189型传声器。所有仪器均经过B&K公司的4230型校准器校准。

实施例中的实验示意图如图2所示。放置扬声器在开口箱内的案板正中间，案板高0.7m；放置传声器距离开口箱外1.0m，高1.2m的支架上。驱动扬声器发出扫频信号，测得的房间脉冲响应如图3所示。

根据实施案例中开放式办公室的实际尺寸，分析得到主要的声传递路径为衍射声，天花板反射声，地面2次反射，地面3次反射，地面4次反射。每个传声路径的长度如表1所示，对应的脉冲响应峰值已标记在图3中。实施例中使用的采用频率为48kHz，根据式(1)计算得的截取脉冲响应的上下限也如表1所示。

表1根据传声路径长度截取脉冲响应

传声路径	传声路径长度(m)	脉冲延迟(ms)	截取上限	截取下限
					衍射路径	1.7	4.9	137	329
天花板反射路径	8.1	23.5	1034	1226
					地面2次反射路径	10.6	30.9	1386	1578
地面3次反射路径	18.3	53.2	2457	2649
					地面4次反射路径	20.8	60.4	2805	2997

按照式(2)，根据表1计算的截取上下限，对脉冲响应进行时域加窗处理，分离不同传声传播路径的贡献。

设计带通频带为倍频程的有限脉冲响应带通滤波器，倍频程中心频率分别为125，250，500，1000，2000，4000，和8000Hz。按照式(4)，对脉冲响应进行频域滤波处理。

按照式(5)，将滤波得到的倍频程带部分脉冲响应能量与总脉冲响应能量相除，得到指定传递路径的声能量与总声能量的比值。再根据测量得到的总声压级，按照式(6)，计算得到各传声路径的声压级如表2所示。

根据测量得到本底噪声B，按照式(7)，(8)，(9)，计算得到实施例中开放式办公室内各传声路径对于语言私密度的单一指标语音传递函数STI的影响，如表2所示。

表2不同传声路径对于开放式办公室内语言私密度的影响

传声路径	语音传递函数	声压级(dB)
			所有传声路径	0.6720	87.5
衍射声的影响	0.6585	78.4
			天花板反射声的影响	0.6614	77.9
地面2次反射声的影响	0.6674	75.8
			地面3次反射声的影响	0.6728	71.4
地面4次反射声的影响	0.6728	69.5

语音传递函数是数值在0-1之间的单一值，越接近1，则语言私密度越差。从表1的结果，可以清晰地知道，在实施案例的开放式办公室中，衍射声的影响最大，其次天花板反射声，其次地面2次反射声，其次地面3次反射声，其次地面4次反射声。

本发明提供了一种简单可行的方法，利用可方便测得的房间脉冲响应和声压级，分离开放式办公室内各传声路径对于总声压级的影响，提供评价不同传声路径对于开放式办公室内语言私密度的影响的定量结果，为开放式办公室的声学设计提供理论建议。

Claims (5)

1.一种基于房间声脉冲响应的房间声传播路径分离方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)测量开放式办公室内任意位置声源到接收点的房间脉冲响应，信号声压级和背景噪声；

(2)测量所需分离的声音部分的传递路径长度，确定时域信号所使用矩形窗函数的上下限；

(3)对脉冲信号进行时域加窗处理，分离不同声传播路径贡献；

(4)对脉冲信号进行频域滤波处理，分离不同倍频带声贡献；

(5)将滤波得到的倍频程带部分脉冲响应能量与总脉冲响应能量相除，得到各倍频带指定传递路径的声能量与总声能量的比值；

(6)根据测得的信号声压级，分离得到房间中不同声传播路径的声压级；

(7)根据测得的背景噪声，得到房间中不同声传播路径对于语言私密度的影响的定量结果。

2.如权利1所述的各传声路径的分离在房间脉冲响应中的分离，是基于脉冲响应到达的时间差。

3.如权利1所述的时域加窗处理，使用的是矩形窗，矩形窗时域带宽4ms。

4.如权利1所述的频域滤波处理，使用的是有限脉冲响应带通滤波器，带通频带为中心频率为125，250，500，1000，2000，4000，8000Hz的倍频程。

5.如权利1所述的语言私密度的定量结果，是基于语音传递函数。