一種基于脈沖響應(yīng)的房間聲傳播路徑分離方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及房間聲學(xué)領(lǐng)域，公開了一種基于脈沖響應(yīng)的房間聲傳播路徑分離方法，其技術(shù)要點為：測量獲得房間內(nèi)脈沖響應(yīng)；對脈沖響應(yīng)實施時域加窗截斷操作和頻域濾波處理后，將所得部分脈沖響應(yīng)能量與總脈沖響應(yīng)能量相除，得到指定傳遞路徑的聲能量與總聲能量的比值；最終分離房間中各聲傳播路徑對總壓級貢獻(xiàn)，獲得各路徑對于語言私密度影響的定量結(jié)果。利用本方法計算得到的房間聲傳播途徑分離結(jié)果，可用于新開放式辦公室的聲學(xué)設(shè)計或者現(xiàn)有開放式辦公室的聲學(xué)改造。本方法的優(yōu)點在于普適性和簡單性，可適用于任何房間，不需要復(fù)雜的理論建模過程，簡單易操作，且結(jié)果可靠。
【專利說明】一種基于脈沖響應(yīng)的房間聲傳播路徑分離方法 1技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明涉及房間聲學(xué)領(lǐng)域，具體地說，是一種基于脈沖響應(yīng)的房間聲傳播路徑分 離方法，主要應(yīng)用于開放式辦公室的語言私密度分析，為開放式辦公室聲學(xué)設(shè)計提供參考。 2【背景技術(shù)】：
[0002] 開放式辦公室是一種靈活隔斷的大空間辦公空間形式，具有成本低和靈活性強的 優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代社會。但是，其開放性的特點也造成了辦公室內(nèi)語言私密度低、 語音對話易打擾他人的問題。在保持開放式辦公室優(yōu)點的同時，如何通過科學(xué)合理的設(shè)計 房間的聲學(xué)參數(shù)以獲得良好的語言私密度，是一直以來的技術(shù)熱點。
[0003] 專利99201617.7提供了 一種可任意組裝的辦公室間隔裝置，使開放式辦公室的間 隔更趨簡單與方便，從而讓辦公室工作環(huán)境保持獨立安靜;專利02124528.2提供了一種通 過立面體劃分室內(nèi)空間的辦公室構(gòu)成設(shè)備，獲得個人、小組的辦公室內(nèi)的私密性；專利 201120315770.7則提供了一種使用隔音材料制成的微型辦公室設(shè)計來減少員工間的相互 干擾，提高員工的舒適度和滿意度。上述專利提供了一些開放式辦公室的設(shè)計思路，但是并 沒有具體地給出開放式辦公室的設(shè)計參數(shù)與語言私密度的量化關(guān)系。
[0004] 語言私密度某種程度上是語音清晰度的反義詞，它與房間的聲學(xué)參數(shù)以及信噪比 有關(guān)（Bradley J S.The acoustical design of conventional open plan offices[J] ? Canadian Acoustics，2003，31:23-34 ?)。在北美，清晰度指數(shù)（AI，Articulation Index) 和語音清晰度指數(shù)(SII，Speech Intelligibility Index)被廣泛采用來評價語言私密度； 而在歐洲，語音傳輸系數(shù)（STI，Speech Transmission Index)更為常用（Bradley J S， Gover B N.Open-Plan Office Speech Privacy Case Studies[J].IRC Research Report，RR-263，August 2008 ?)。專利201110062950 ? 3提供了一種預(yù)測語音清晰度的方法， 并可替代時頻環(huán)境中使用的測量方法;專利201180002701.3則提供了一套語音清晰度的評 價系統(tǒng)，根據(jù)電位陽性成分和陰性成分的判定結(jié)果，來評價用戶是否清晰地聽到所呈現(xiàn)的 語音。上述方法提供了一些語言私密度的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)，但是并沒有結(jié)合實際的辦公室 設(shè)計應(yīng)用。
[0005] 為了在開放式辦公室中獲得良好的語言私密度，需要同時考慮各種房間聲學(xué)參 數(shù)，僅提高個別聲學(xué)參數(shù)很可能收效不明顯（Bradley J S，Gover B N.Open-Plan Office Speech Privacy Case Studies[J].IRC Research Report，RR_263，August 2008.)。為了 實際應(yīng)用的簡便，房間設(shè)計中應(yīng)涉及盡量少的參數(shù)指標(biāo)。因此，判斷開放式辦公室中各房間 聲學(xué)設(shè)計參數(shù)對于室內(nèi)聲學(xué)效果的影響強度的優(yōu)先順序是亟待解決的問題。專利 200510034067.8提供了一種參考NR曲線并作合理修正的室內(nèi)噪聲的評價與測量方法，為改 善室內(nèi)噪聲環(huán)境提供有力依據(jù);專利201110379622.6提供了一種基于波束形成和傳遞路徑 分析的室內(nèi)噪聲定位方法，為有效的噪聲控制提供位置信息；專利201510094030.8則提供 了一種用于提高語言私密度的掩蔽信號的生成方法，提高聲音掩蔽效果。上述專利給出了 一些提高辦公室內(nèi)語言私密度的思路方法，但是都局限于定性分析，沒有辦法對開放式辦 公室的聲學(xué)設(shè)計提供直接準(zhǔn)確的信息。
[0006] 本發(fā)明給出了一種針對開放式辦公室的聲學(xué)設(shè)計方法，通過測量房間脈沖響應(yīng)， 定量分析開放式辦公室中各聲學(xué)傳遞路徑的貢獻(xiàn)，以及相應(yīng)的對語言私密度的影響，為開 放式辦公室的聲學(xué)設(shè)計直接提供準(zhǔn)確的信息。 3
【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0007] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)實或者擬設(shè)計的開放式辦公室提供一種簡單易操作的 設(shè)計方法，通過測量或者計算獲得的房間脈沖響應(yīng)，定量分析開放式辦公室中各聲學(xué)傳遞 路徑的貢獻(xiàn)，以及相應(yīng)的對語言私密度的影響，為開放式辦公室的聲學(xué)設(shè)計提供理論建議。
[0008] 本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0009] A)以揚聲器作為聲源，在指定位置放置傳聲器接收聲音，驅(qū)動聲源播放高于本底 噪聲20dB以上的掃頻聲音信號，測量開放式辦公室內(nèi)指定位置的聲源到指定接收點的脈沖 響應(yīng)h(n)，和指定位置的聲壓級L，本底噪聲B。脈沖響應(yīng)的具體計算方法有最大長度序列 法，逆重復(fù)序列法，時域拉長脈沖法等（Stan G B，Embrechts J J，Archambeau D.Comparison of different impulse response measurement techniques[J].Journal of the Audio Engineering Society，2002,50(4):249_262.)，現(xiàn)有商用房間聲學(xué)測量儀 器，如Odeon，Dirac都提供此功能。
[0010] B)測量所需分離的聲音部分的傳遞路徑長度h(i對應(yīng)第i條路徑，其取值是1，2， 3，…），確定截取脈沖響應(yīng)的上下限分別為：
[0011] nii=(li/c『0.002)fs， (la)
[0012] riiu = (li/co+0.002)fs, (lb)
[0013] 式中，fs為采樣頻率，c。為聲速，一般取344m/s。
[0014] C)對脈沖信號分別施加對應(yīng)的矩形窗，分離第i個傳遞路徑的聲能量，
[0015] hKQi(n) = h(n)Rnia_na+l(n-nil-l) , (2)
[0016] 式中h(n)為離散脈沖信號，n為離散時域時間采樣點，而矩形窗函數(shù)定義為： , fl, 0 < ? < N - \ _7] 其他' ⑶
[0018] 式中，N為矩形窗的寬度。
[0019] D)對分離得到的指定傳遞路徑的脈沖響應(yīng)進(jìn)行倍頻程濾波，得到倍頻帶部分脈沖 響應(yīng)。如對第j個倍頻程帶，采用：
[0020] hband, ij (ll)-hrec, i (II)*Wj (II)， （4a)
[0021 ]得到，而此倍頻程帶的總脈沖響應(yīng)為：
[0022] hband, j(n) =h(n)*Wj(n)， (4b)
[0023] 式中*表示卷積，Wj(n)為第j個倍頻程帶通濾波器。共計算7個倍頻程，倍頻程中心 頻率分別為 125，250，500，1000，2000，4000，和8000Hz。
[0024] E)將濾波得到的倍頻程帶部分脈沖響應(yīng)能量與總脈沖響應(yīng)能量相除，得到指定傳 遞路徑的聲能量與總聲能量的比值： (5)
[0026] F)根據(jù)測量得到的總聲壓級和計算得到的指定路徑的聲能量與總聲能量的比值， 得到第i個傳遞路徑的聲音在第j個倍頻程內(nèi)的聲壓級：
[0027] Li,j = Lj_Ci,j， （6)
[0028] G)根據(jù)測量得到本底噪聲B，用式(7)計算相應(yīng)倍頻程內(nèi)的調(diào)制傳遞函數(shù)：
(7)
[0030] 式中，F(xiàn)k為調(diào)制頻率，這里取14個頻率，值為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 ; fj 為倍頻程中心頻率，這里取 7 個倍頻程， 值為 125，250，500，1000，2000，4000，8000Hz。
[0031] H)根據(jù)調(diào)制傳遞函數(shù)計算顯性信噪比：
(8)
[0033] 計算中，當(dāng)ASNR> 15dB時，令A(yù)SNR = 15分貝；當(dāng)ASNR<-15dB時，令A(yù)SNR = -15dB。
[0034] G)最后，開放式辦公室內(nèi)語言私密度的單一指標(biāo)語音傳遞函數(shù)STI通過式(9)計 算：
(9)
[0036] 式中，Zj是倍頻程權(quán)重系數(shù)，對應(yīng)于7個倍頻程帶，值分別為0.13,0.14,0.11， 0.12,0.19,0.17,0.14〇
[0037] 本發(fā)明的有益效果是:對于任意復(fù)雜環(huán)境的開放式辦公室，均可針對計算或者測 量得到的房間脈沖響應(yīng)，應(yīng)該本方法，分離指定路徑的聲貢獻(xiàn)，并計算其對于語言私密度的 影響?？焖俜奖?，結(jié)果可靠。 4【附圖說明】：
[0038] 圖1是本發(fā)明實驗測量系統(tǒng)儀器示意圖。
[0039] 圖2是本發(fā)明具體實施例中的實驗示意圖。
[0040] 圖3是本發(fā)明具體實施例中測量得到的房間脈沖響應(yīng)。
[0041] 圖4是本發(fā)明具體實施例中分離得到的各個聲傳遞路徑的聲壓級貢獻(xiàn)。 5【具體實施方式】：
[0042] 實施案例在16.5m X 30.9m X 5. lm的開放式辦公室中進(jìn)行，用一個尺寸為1.00m X 0.74mX 1.36m的木制頂端開口箱表示開放式辦公室中的獨立會議室。通過使用本發(fā)明方法 給出該開放式辦公室中衍射路徑，天花板反射路徑，地面反射路徑等的聲貢獻(xiàn)，為改進(jìn)其語 言私密度提供設(shè)計參考。
[0043]按照圖1所示的儀器示意圖搭建測量系統(tǒng)。采用B&K公司的7841型商用房間聲學(xué)軟 件Dirac測量脈沖響應(yīng)，配套儀器包括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型傳聲器;采用B&K公司的2270型手持式聲級計測量聲壓級及 背景噪聲，配套儀器為B&K公司的4189型傳聲器。所有儀器均經(jīng)過B&K公司的4230型校準(zhǔn)器 校準(zhǔn)。
[0044] 實施例中的實驗示意圖如圖2所示。放置揚聲器在開口箱內(nèi)的案板正中間，案板高 〇.7m;放置傳聲器距離開口箱外1.0m，高1.2m的支架上。驅(qū)動揚聲器發(fā)出掃頻信號，測得的 房間脈沖響應(yīng)如圖3所示。
[0045] 根據(jù)實施案例中開放式辦公室的實際尺寸，分析得到主要的聲傳遞路徑為衍射 聲，天花板反射聲，地面2次反射，地面3次反射，地面4次反射。每個傳聲路徑的長度如表1所 示，對應(yīng)的脈沖響應(yīng)峰值已標(biāo)記在圖3中。實施例中使用的采用頻率為48kHz，根據(jù)式（1)計 算得的截取脈沖響應(yīng)的上下限也如表1所示。
[0046] 表1根據(jù)傳聲路徑長度截取脈沖響應(yīng)
[0048] 按照式(2)，根據(jù)表1計算的截取上下限，對脈沖響應(yīng)進(jìn)行時域加窗處理，分離不同 傳聲傳播路徑的貢獻(xiàn)。
[0049] 設(shè)計帶通頻帶為倍頻程的有限脈沖響應(yīng)帶通濾波器，倍頻程中心頻率分別為125， 250，500，1000，2000，4000，和8000Hz。按照式(4 )，對脈沖響應(yīng)進(jìn)行頻域濾波處理。
[0050] 按照式(5)，將濾波得到的倍頻程帶部分脈沖響應(yīng)能量與總脈沖響應(yīng)能量相除，得 到指定傳遞路徑的聲能量與總聲能量的比值。再根據(jù)測量得到的總聲壓級，按照式(6)，計 算得到各傳聲路徑的聲壓級如表2所示。
[0051] 根據(jù)測量得到本底噪聲B，按照式(7)，（8)，（9)，計算得到實施例中開放式辦公室 內(nèi)各傳聲路徑對于語言私密度的單一指標(biāo)語音傳遞函數(shù)STI的影響，如表2所示。
[0052] 表2不同傳聲路徑對于開放式辦公室內(nèi)語言私密度的影響
[0054] 語音傳遞函數(shù)是數(shù)值在0-1之間的單一值，越接近1，則語言私密度越差。從表1的 結(jié)果，可以清晰地知道，在實施案例的開放式辦公室中，衍射聲的影響最大，其次天花板反 射聲，其次地面2次反射聲，其次地面3次反射聲，其次地面4次反射聲。
[0055] 本發(fā)明提供了一種簡單可行的方法，利用可方便測得的房間脈沖響應(yīng)和聲壓級， 分離開放式辦公室內(nèi)各傳聲路徑對于總聲壓級的影響，提供評價不同傳聲路徑對于開放式 辦公室內(nèi)語言私密度的影響的定量結(jié)果，為開放式辦公室的聲學(xué)設(shè)計提供理論建議。
【主權(quán)項】
1. 一種基于房間聲脈沖響應(yīng)的房間聲傳播路徑分離方法，其特征在于它包括以下步 驟： (1) 測量開放式辦公室內(nèi)任意位置聲源到接收點的房間脈沖響應(yīng)，信號聲壓級和背景 噪聲； (2) 測量所需分離的聲音部分的傳遞路徑長度，確定時域信號所使用矩形窗函數(shù)的上 下限； (3) 對脈沖信號進(jìn)行時域加窗處理，分離不同聲傳播路徑貢獻(xiàn)； (4) 對脈沖信號進(jìn)行頻域濾波處理，分離不同倍頻帶聲貢獻(xiàn)； (5) 將濾波得到的倍頻程帶部分脈沖響應(yīng)能量與總脈沖響應(yīng)能量相除，得到各倍頻帶 指定傳遞路徑的聲能量與總聲能量的比值； (6) 根據(jù)測得的信號聲壓級，分離得到房間中不同聲傳播路徑的聲壓級； (7) 根據(jù)測得的背景噪聲，得到房間中不同聲傳播路徑對于語言私密度的影響的定量 結(jié)果。2. 如權(quán)利1所述的各傳聲路徑的分離在房間脈沖響應(yīng)中的分離，是基于脈沖響應(yīng)到達(dá) 的時間差。3. 如權(quán)利1所述的時域加窗處理，使用的是矩形窗，矩形窗時域帶寬4ms。4. 如權(quán)利1所述的頻域濾波處理，使用的是有限脈沖響應(yīng)帶通濾波器，帶通頻帶為中心 頻率為 125，250，500，1000 ，2000，4000，8000Hz 的倍頻程。5. 如權(quán)利1所述的語言私密度的定量結(jié)果，是基于語音傳遞函數(shù)。
【文檔編號】G10L21/0308GK105895114SQ201610171819
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】於靜霞, 王淑萍, 邱小軍
【申請人】南京大學(xué)