一种基于带限噪声的音频注入调控声设计方法与流程

本发明属于噪声烦恼感控制技术领域，具体涉及音频注入法中调控声为带限噪声时的参数设计方法。

背景技术：

飞机舱内噪声是影响乘客舒适感的一项重要指标，严重的舱内噪声会影响乘客与飞行员的舒适感。目前降低飞机舱内噪声烦恼感的措施主要从被动控制和主动控制两方面进行。目前的方法中，被动控制的低频降噪效果欠佳，主动控制方法的作用频带较窄。

音频注入法有别于上述两种方法，依据声音叠加时的能量掩蔽效应，通过加入人工可调节的可听声，达到使原始噪声烦恼感降低的效果。在音频注入法中，原始噪声亦称为目标声，人工加入的声音称为调控声。调控声类型选择是音频注入法研究中的关键。目标声类型多种多样，针对目标声的特性，调控声的可选类型有一定限制，实际中会出现找不到有效调控声的问题。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于带限噪声的音频注入调控声设计方法，当调控声类型选择受到限制时，可考虑改变调控声的频谱特性参数，来达到音频注入降噪的目的；并且基于该方法能够设计出飞机不同工况下快速抑制舱内噪声的适应性方案。

本发明的技术方案为：

所述一种基于带限噪声的音频注入调控声设计方法，包括以下步骤：

步骤1：采集目标声样本；

步骤2：确定可以用于调节目标声的若干类型的带限噪声作为调控声备选；

步骤3：将各种类型的备选调控声分别与目标声叠加，得到若干叠加声，通过试听叠加声，确定具有烦恼感降低效果的调控声类型；

步骤4：将步骤3确定的调控声与目标声以不同的信噪比叠加，通过试听方式确定降低烦恼感效果最优的信噪比；

步骤5：对调控声进行参数设计：通过改变步骤3确定的调控声参数，得到多个新调控声；将得到的新的调控声，按照步骤4确定的信噪比，与目标声进行叠加；通过试听方式得出使目标声烦恼感降低效果最优的调控声参数；所述调控声参数包括与目标声的带宽重叠率和调控声的功率谱斜率；

步骤6：将步骤5得到的最优后的调控声注入目标声，得到叠加声并提取其心理声学参数，依据心理声学参数建立叠加声的烦恼度模型；

步骤7：当考虑优化其他调控声参数时，直接将改变参数的调控声注入目标声，提取叠加声参数，代入步骤6建立的烦恼度模型进行计算，利用计算结果实现所需的调控声参数优化。

进一步的，所述带宽重叠率δ指目标声与调控声带宽重叠的程度：

其中：f1、f2为目标声和叠加声频谱重叠部分的频率上下限；ft1、ft2为目标声能量集中部分的频率上下限，fa1、fa2为调控声能量集中部分的频率上下限。

进一步的，步骤1中，采集某型飞机在某一飞行阶段的舱内噪声作为目标声样本。

进一步的，步骤6中所建立的烦恼度模型为对应该型飞机在该飞行阶段的烦恼度模型；对不同飞飞机以及不同飞行阶段，分别重复步骤1～步骤6建立对应的烦恼度模型。

进一步的，针对该型飞机在全飞行过程中，根据不同飞机阶段所建立的烦恼度模型，得到相应的调控声参数，并通过机上的音响设备输出调控声，实现抑制舱内噪声烦恼感。

进一步的，步骤3、步骤4和步骤5中采用的试听方式为：选择达到要求数量的被试进行主观听音实验，对被试的评价数据进行有效性检验，剔除无效数据。

进一步的，所述有效性检验包括聚类分析、评分范围分析、误判分析和/或相关分析。

有益效果

本发明从人的主观听觉感受出发，通过音频注入法降低目标声烦恼感，并对调控声参数进行优化设计，使音频注入法的效果最优化，实用性强；同时给出叠加声的烦恼度模型，便于进行更多的调控声参数设计，弥补调控声类型有限的问题，进而能够设计出飞机不同工况下快速抑制舱内噪声的适应性方案。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明流程图；

图2：调控声频谱图；

图3：信噪比不同的叠加声的烦恼感；

图4：调控声与目标声频谱重叠图；

图5：带宽重叠不同的叠加声烦恼感；(a)δ＝0.67，(b)δ＝0.51，(c)δ＝0.34，(d)δ＝0.17；

图6：功率谱斜率不同的叠加声烦恼感；(a)原始调控声，(b)kp＝ 3db/倍频程，(c)kp＝-3db/倍频程，(d)kp＝-6db/倍频程。

具体实施方式

依据音频注入法原理，本发明针对调控声为带限噪声(噪声频谱在有限范围内的噪声)时的参数设计，通过选取合适的带限噪声类型，并对其进行参数(信噪比、带宽重叠率、调控声功率谱斜率)优化设计，使音频注入的效果达到最佳。通过主观评价实验获得叠加声烦恼度评分，建立叠加声的烦恼度模型。针对飞机不同飞行工况，可以分别建立叠加声的烦恼度模型，便于有针对性的进行更多种可能的调控声参数设计，从而能够有效控制各个阶段的飞机舱内噪声。

本发明的步骤包括：

步骤1：利用声音采集系统采集目标声样本；

步骤2：确定可以用于调节目标声的若干类型的带限噪声(包括自然声和人工合成带限声两类)作为调控声备选；

步骤3：将各种类型的备选调控声分别与目标声叠加，得到若干叠加声，通过试听叠加声，确定具有烦恼感降低效果的调控声类型；

步骤4：将步骤3确定的调控声与目标声以不同的信噪比叠加，通过试听方式确定降低烦恼感效果最优的信噪比；

步骤5：对调控声进行参数设计：通过改变步骤3确定的调控声参数，得到多个新调控声；将得到的新的调控声，按照步骤4确定的信噪比，与目标声进行叠加；通过试听方式得出使目标声烦恼感降低效果最优的调控声参数；所述调控声参数包括与目标声的带宽重叠率和调控声的功率谱斜率；

步骤6：将步骤5得到的最优后的调控声注入目标声，得到叠加声并提取其心理声学参数，依据心理声学参数建立叠加声的烦恼度模型；

步骤7：当考虑优化其他调控声参数时，直接将改变参数的调控声注入目标声，提取叠加声参数，代入步骤6建立的烦恼度模型进行计算，利用计算结果实现所需的调控声参数优化。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

(1)通过声音采集系统获得平稳飞行状态下某民航客机的目标声样本。

(2)确定备选的调控声类型，包括自然声和人工合成声，如表1所示。

表1调控声备选类型

(3)将备选调控声与目标声叠加并试听，在备选调控声中选出适合调节目标声的调控声类型，最终选出自然界中的风声对目标声烦恼感有着较好的降低效果，调控声频谱图如图2所示。

(4)将目标声作为信号，调控声作为噪声，向信号中注入不同比例的噪声，实现调控声与目标声以不同的信噪比叠加，得到不同信噪比的叠加声；招募24名被试进行听音试验，对不同信噪比叠加声的烦恼感进行主观评价。实验结束后整理和分析实验结果，剔除无效数据，结果如图3所示。

(5)得到最优信噪比为 9db。从两方面对调控声进行参数设计，一方面改变调控声与目标声的频谱重叠程度，定义频谱的重叠程度为带宽重叠率δ，指目标声与调控声带宽重叠的程度，用下式表示：

其中：f1、f2——目标声和叠加声频谱重叠部分的频率上下限；

ft1、ft2——目标声能量集中部分的频率上下限；

fa1、fa2——调控声能量集中部分的频率上下限。

由上式可计算出，未经参数优化的调控声与目标声的带宽重叠率为δ＝0.67，将调控声通过滤波器，滤去调控声的高频部分，保留低频部分，使其带宽重叠率分别为δ＝0.51、δ＝0.34和δ＝0.17，调控声与目标声的频谱重叠情况如图4(a)所示；另一方面改变调控声的功率谱斜率kp，将调控声的功率谱斜率分别改为kp＝-3db/倍频程、 3db/倍频程和kp＝-6db/倍频程，其中kp＝ 3db/倍频程的示意图如图4(b)所示。

经过这两种频谱特性的改变，将产生6种新的调控声，如表2所示，将这6种新的调控声分别与目标声以最优信噪比进行叠加，用于主观实验。

表2调控声参数设计

招募24人进行听音试验，对注入不同调控声的目标声进行烦恼感评价，统计和分析主观实验数据，剔除无效数据，最终结果如图5和图6所示。

由上图5可知，改变目标声与调控声的重叠程度得到叠加声，叠加声的烦恼感都在一定程度上低于目标声，但是改变重叠程度前后，叠加声的烦恼感变化不大，因此改变频谱重叠程度不能显著改善调控声对目标声的烦恼感调节能力，改变频谱重叠率不是参数优化的最佳选择。

由上图6可知，功率谱斜率kp＝ 3db/倍频程和kp＝-6db/倍频程时，调控声声对目标声都有一定的调节效果，但是调节效果与原始调控声差别不大；kp＝-3db/倍频程时，改变功率谱叠加声的烦恼感明显低于目标声，相对于原始调控声来说，调节效果显著，即在原始调控声的基础上，将功率谱斜率改为kp＝-3db/倍频程时，调控声具备更好的烦恼感降低效果，即改变调控声功率谱斜率是调控声参数优化的最佳选择。

当然，也可以采取滤掉低频部分，保留高频部分的做法，或者任意滤波方式；带宽重叠率可任意变化；调控声的功率谱斜率可任意变化。

(6)将参数最优化后的调控声注入目标声，得到叠加声并提取其心理声学参数，包括响度l、尖锐度s和波动强度f，建立叠加声的烦恼度模型如下：

yc＝0.378l 0.095s-0.407f 1.747(2)

当讨论其他可能性的调控声参数优化时，可直接将改变参数的调控声注入目标声，提取叠加声参数，代入上述模型计算烦恼度，无需再通过主观实验获得烦恼度得分。当然，上述模型只适用于该型民航客机巡航工况。对不同飞机以及不同飞行阶段，则需分别建立对应的烦恼度模型。而针对该型飞机在全飞行过程中，根据不同飞机阶段所建立的烦恼度模型，可以得到相应的调控声参数，并通过机上的音响设备输出调控声，实现抑制舱内噪声烦恼感。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。