一種吸油煙機聲品質滿意度分級限值評定方法

黨 博 陳克安? 張 珺 于巍巍 張凱歌 周海昕

(1 西北工業大學 西安 710072)

(2 杭州老板電器股份有限公司 杭州 311100)

0 引言

聲品質研究始于20世紀80年代中后期。研究指出，聲品質中的“聲”并不是指聲波這樣一個物理事件，而是指人耳的聽覺感知，“品質”是指人耳對聲音事件的聽覺感知過程，以及最終做出的主觀判斷［1?2]。聲品質這一概念一經提出便受到研究者、制造商和消費者的廣泛關注。汽車是最先運用聲品質研究成果的產品之一，目前已向多用途多類型的車輛擴展［3?4]，此外聲品質在家電行業的應用也越來越廣泛，在空調器、電器、風扇、壓縮機等方面取得了較大進展［5]。

吸油煙機作為家庭必備的廚房電器之一，其噪聲問題一直備受廣大消費者、生產廠家的關注。起初對于吸油煙機噪聲控制研究中多注重的是發聲機理以及結構優化，對噪聲的評價大多使用聲壓級、聲功率級等傳統參量［6]，后來人們引入更加符合人耳聽覺特性的計權聲級作為噪聲控制的衡量指標［7?8]，近年來利用聲品質技術評價和控制吸油煙機噪聲受到了越來越多的重視。

2016年，季俊生等［9]通過對聲品質評價技術的應用，改進了吸油煙機風道設計和吸聲結構，使低頻和中高頻噪聲得到有效控制，經檢測整機響度從12.25 sone 降低到9.16 sone，語音清晰度從72.6%提升到85.15%。2017年，李晗等［10]對吸油煙機的噪聲與振動進行了測試分析，建立了吸油煙機噪聲煩惱度評價模型。同年，張玉等［11]應用多孔性纖維金屬材料在改善吸油煙機聲品質方面進行了研究。2019年，中國標準化協會發布團體標準T/CAS 341–2019《吸油煙機噪聲聲品質測試方法》［12](以下簡稱標準)，通過對吸油煙機噪聲的采集、主觀評價試驗及數據的處理，分析噪聲中的響度、尖銳度、粗糙度與被試煩惱度的相關性。最終建立吸油煙機噪聲煩惱度的多元回歸模型，從而可以從客觀參數得出產品的聲品質指數。

如何利用聲品質指數對吸油煙機聲品質進行分級是制定產品聲品質滿意度級別、為消費者提供簡明易懂的噪聲評價指標，以及推動行業降噪技術進步的基礎性問題，然而目前沒有相應的量化方法。本文提出了一種確定吸油煙機聲品質滿意度分級限值的方法，結合相關標準及主觀評價實驗給出了一種確定吸油煙機聲品質等級和限值的步驟和案例。

1 聲品質分級及其限值的確定

1.1 相關術語及其含義

1.1.1 聲品質指數

《吸油煙機噪聲聲品質測試方法》(T/CAS 341–2019)中定義：聲品質指數(Sound quality index,SQI)是評價吸油煙機聲品質的一種量，它使用煩惱度值轉換得到。該標準中通過建模得到了煩惱度以及SQI，其中煩惱度公式為

SQI計算公式為

其中，L為響度，S為尖銳度，R為粗糙度。

結合式(1)與式(2)可以得到煩惱度與SQI 轉換關系為

1.1.2 聲品質滿意度

聲品質滿意度是對特定類型產品輻射噪聲聲品質滿意程度的一種評判指標，其類別和相應的限值也稱為聲品質分級。在聲品質分級研究和運用中，會使用到如下3 種滿意度，分別是：(1)測量滿意度(SM)，它是針對現有產品進行聲品質測試，通過主觀評價實驗獲得的一種滿意度；(2)調查滿意度(SC)，通過問卷調查進行統計計算獲得；(3)規范滿意度(SS)，是由某種標準或規范確定的聲品質滿意度。

1.1.3 級別容量比

級別容量比(Categorized volume ratio,CVR)為某一滿意度級別的產品個數占全體產品個數之比。累計級別容量比(Cumulative categorized volume ratio,CCVR)為不超過某一滿意度級別的產品占全體產品個數之比。

與滿意度相對應，CVR為3種：(1)測量級別容量比(CVRM)，由主觀評價實驗獲得；(2)調查級別容量比(CVRC)，由問卷調查獲得；(3)設計級別容量比(CVRS)，參考CVRC情況下人為設定的級別容量比。

1.2 基本思路

本文所指的聲品質分級是指確定規范滿意度的級別及其限值，式(2)給出的SQI 的分布范圍為1～100，因此聲品質分級就是要確定聲品質滿意度級別與SQI的對應關系。由于聲品質分級包含了消費者對產品聲音特性現狀的認知，以及對未來技術發展的心理預期，因而確定聲品質分級的原則包括：(1)同一功能不同型號產品聲品質指數的分布情況；(2)公眾對當前市場上銷售產品聲品質現狀的感受和認知；(3)從推動技術進步、促進行業創新與發展、保護消費者利益及兼顧制造商承受能力的角度，平衡制造商、消費者、政府產業政策及導向的不同訴求對聲品質限值進行調整。依據以上原則，本文給出確定吸油煙機聲品質滿意度分級的基本步驟(如圖1所示)。

圖1 確定產品聲品質分級限值的基本步驟Fig.1 Basic steps for product sound quality classification and limit determination

原則(1)的實現需要對市場上不同型號產品的聲品質指數進行測量，通過聲樣本采集、預處理、主觀評價實驗和數據處理等步驟獲得產品的SQI 分布情況。因此首先在實驗室中獲得SM。結合相關標準以及心理聲學要求設計主觀評價實驗，通過數據處理后獲得CCVR 與SQI 的響應曲線(即CCVRM曲線)。

接下來以原則(2)出發面向大眾，廣泛調查公眾對于產品聲品質的感知，匯總形成SC。在確定分級數后，擴大被試范圍，通過問卷形式進行聽音實驗，調查大眾對于市場上該產品噪聲的滿意程度，獲得表征各等級與CVR 關系的CVRC曲線。此時以CVR 作為橋梁，用SC中的各等級CVR 數值查詢SM的CCVRM曲線得到SS初值。

依據原則(3)，綜合考慮行業當前生產水平、承受能力以及消費者利益多方面因素，本著為消費者提供簡明易懂的噪聲評價指標和推動行業進步的目的，由行業專家評審團對SS初值進行人為調整設計得到SS終值。下文以吸油煙機噪聲聲品質分級為案例給出了該方法的建議流程。

2 測量滿意度的獲取

本節中依照標準T/CAS 341–2019《吸油煙機噪聲聲品質測試方法》進行了煩惱度主觀評價實驗，剔除實驗異常數據后將煩惱度值轉化為SQI，進一步得到了CCVRM曲線。

2.1 煩惱度主觀評價實驗

2.1.1 評價尺度

依照標準T/CAS 341–2019中A.3(主觀評價試驗設計)，以煩惱度為評價指標，使用參考評分法對樣本進行評價。心理聲學實驗一般采用數字0～10所表示的11 級尺度，在實驗中發現該尺度過于細化，被試對于相鄰數字所代表的語義區分不清，因此去掉兩端改用9級評價尺度，見表1。

2.1.2 聲樣本

實驗中聲樣本來自于目前市場上8 種常見品牌的27款吸油煙機。在半消聲室內按照標準中的4(試驗方法)進行設備安裝并連接實驗儀器。使用B&K人工頭及Pulse 系統錄制吸油煙機的雙耳聲樣本。錄制時檔位及狀態和標準GB/T 17713–2011《吸油煙機》［13]中測試噪聲時保持一致(即正常工作時轉速最高檔)。每臺機器錄制3次，共得到81個聲樣本。

研究表明，時長為5 s 的聲音即可產生穩定的感知印象。因此在計算客觀參量確定所錄制的聲樣本無誤后將所有聲樣本截取為5 s長的聲音片段。

參考聲樣本的選?。簩φ晿颖具M行物理特性參量(響度、尖銳度等)計算，選取位于中部的聲樣本8～10 個，再通過有聲學實驗經驗的相關人員對中部樣本進行粗評，選取煩惱度中等的樣本作為參考聲樣本。

2.1.3 被試

實驗分3 批次進行，第1 批實驗于2017年進行，被試38 人［10]，第2 批實驗于2018年進行，被試56人［14]，第3批于2020年進行，被試16人。

共計招募被試110 人，其中51.8%的人為具有聲學知識的專業人員和技術人員，此外還有銷售人員、行政后勤人員等(見圖2)，其中男性57.3%，女性42.7%，年齡從18～50 歲不等，大部分年齡在18～25歲。所有被試健康狀況正常，無耳病癥狀，耳道無耵聹堵塞，無過度噪聲暴露史，無耳毒性藥物或家族性聽力損失者。測試期間無感冒不適等癥狀。聽力測試結果表明所有被試在125～8000 Hz的頻率范圍內聽閾級都低于15 dB。

圖2 主觀評價實驗被試信息Fig.2 Subjective evaluation experiment subjects information

2.1.4 實驗環境及設備

研究表明，通過耳機進行實驗，評價結果不受房間聲學特性或者被試位置的影響，可有效屏蔽外界噪聲干擾且信號失真小。本次實驗在安靜房間內進行，噪聲樣本通過計算機聲卡輸出給BEHRINGERHA4700 耳機放大器，然后通過SENNHEISER HD600監聽級耳機播放給被試。

2.1.5 實驗流程

(1)實驗人員講解

實驗前由實驗人員講解實驗目的、流程、注意事項，解答評價人員的疑問。

(2)評價人員訓練

首先，將所有聲樣本播放給被試，說明本次實驗聲樣本大致范圍，使被試對整個實驗的聲樣本有一個大致的印象；然后，播放數遍參考聲樣本，要求被試熟悉參考聲樣本；最后，隨機選取6～8 對聲樣本，要求被試進行打分，使被試熟悉實驗流程及打分方式，此部分評價結果不用于后續數據處理及分析。

(3)正式實驗

實驗過程中，被試每次聽到一對聲音，每對包含兩段5 s 的聲音，中間間隔2 s。第一段聲音為參考樣本，第二段聲音為待評價樣本。在聽完每對聲音后，被試有5 s 的時間來比較相對于參考樣本，第二段聲音的煩惱度等級，并對其打分。

2.2 數據處理

2.2.1 數據剔除

數據的剔除按照以下規則進行：

(1)誤判分析

誤判分析用于判斷同一被試兩次評價結果的一致性。原始數據中的誤判行為分為兩類，即“可允許誤判”和“不可允許誤判”。理想情況下，在同一實驗室內，同一位評價者采用同一種評價方法在短時間內對同一聲音樣本進行相互獨立p次重復評價所得的p個評價數據應完全一致。然而，考慮到實際中各種不確定性因素的影響，在上述重復性條件下，應允許同一評價者對同一聲音樣本多次重復評價的結果之間存在一定程度的差異，只要這一差異超過某一數值的概率低于可接受性檢驗的顯著水平即可。

由2.1.1 節可知，評價者給出的是1～9 的數字所代表的煩惱度等級。若某位評價者對某個聲音樣本所做出的兩次重復評價結果中，兩個評價值一致或兩個評價值代表了相鄰的煩惱等級，此時的誤判即為可允許誤判。統計被試的不可允許誤判情況，當其誤判率大于0.6時，剔除該被試。

(2)相關分析

相關分析用于判斷同一被試兩次評價結果之間的相關性。實驗中，用同樣的量表，對同一組受試者進行兩次重復測量，實驗認為在這段時間內受試者的情況沒有發生變化，同一被試兩組評價值的Pearson相關系數若低于0.7，則認為該被試不穩定，予以剔除。

(3)聚類分析

聚類分析用于判斷不同被試評價結果的一致性。煩惱度是主觀性的度量，而人們的生活習慣和文化背景往往會影響其評分，因此煩惱度評分可能具有較大的個體差異。當少數被試遠離其他被試時，說明其在進行煩惱度評分時可能采用了不同的策略，予以剔除。

2.2.2 數據轉化

(1)不同參考樣本下評價值轉化

隨著吸油煙機產品的更新換代，3 批次實驗過程中使用了不同的參考聲樣本，借鑒成對比較法思想，選取種子樣本將數據轉化為同一參考樣本下的評價值。

分組成對比較法(Grouped paired comparison,GPC)，是將樣本分為多個樣本組，隨后選取兩個參考樣本，即種子，加入每個樣本組中，對每個樣本組進行獨立的成對比較評價，通過預設的種子樣本建立樣本組間的聯系來重建整體樣本的評價值。前后兩組之間的k和β值可由式(4)求出：

其中：V和V′是種子樣本在前后兩組的評價值向量。因此選取種子樣本在不同參考樣本下進行評價，根據式(4)完成評價值轉化。

(2)煩惱度與聲品質指數相轉化

通過式(3)將煩惱度(A)轉化為SQI。

2.3 測量滿意度累計CVR曲線

對實驗數據進行3 次曲線擬合(R2= 0.992)后如圖3所示。其中，SM的CCVR 與SQI 關系為式(5)：

圖3 CCVRM 曲線Fig.3 CCVR curve of SM

3 調查滿意度的獲取

本節依據心理聲學實驗相關規范設計并進行了調查滿意度實驗，以問卷形式調查了大眾對于噪聲的滿意程度，獲得了可以表征CVR 與分級關系的CVRC曲線。

3.1 實驗設計

通過查閱相關標準以及文獻，發現大部分產品分級為5 級和3 級，因此以5 級尺度(見表2)進行滿意度調查，實驗數據在此基礎上也可向3級轉化。

表2 5 級評價尺度Table 2 5-level evaluation scale

(1)評價指標：滿意度。問卷描述語“請想象您正在家中使用該吸油煙機，請根據噪聲評定等級并打分”。

(2)聲樣本、聽音環境、回放設備、以及數據剔除同測量滿意度。

(3)實驗流程

評價人員依據個人的真實感受，采用不同的等級描述詞，對特定聲樣本進行主觀感知的量值判斷。實驗前有實驗員講解實驗目的及流程，對被試進行適當訓練。實驗過程中，被試每次聽到一段聲音，按照個人感受在問卷上進行打分，每段聲音時長為5 s，打分時間為5 s。

3.2 被試

本次調查滿意度實驗中共計招募被試87人，其中22 人為具有聲學知識或聲學實驗經驗的全日制學生，剩余65 人為某品牌廚衛公司工作人員，包括吸油煙機技術研發人員(占被試總人數的49.4%)、生產人員(8%)、管理人員(2.3%)、文職人員(3.4%)以及后勤人員(11.5%)。人群的劃分考慮到具有聲學知識以及技術研發人員對于噪聲的評測會受到本身知識的影響，能夠把握聲音的多維特征，行政、后勤人員具有豐富的使用經驗，能夠給出貼合大眾的真實評價。

3.3 調查滿意度CVR曲線

3.3.1 5級滿意度

對5級評價尺度下的實驗結果按照四舍五入原則直接轉化為5 級滿意度結果，如經過數據處理后，87 名被試對某個聲樣本的打分均值為3.59，則該產品得分為4，對應等級為合格。5 級CVRC曲線見圖4(a)。

圖4 CVRC 曲線Fig.4 CVRC

3.3.2 3級滿意度

對于調查滿意度實驗評價值區間[1,5]進行重新劃分可以得到3 級滿意度，均值為[1,2.5]的產品為1 級，(2.5,4]為2 級產品評價值區間，(4,5]為3 級產品評價值區間。3級CVRC曲線見圖4(b)。

4 聲品質限值的確定

4.1 規范滿意度初值

通過CVRC曲線數值查詢CCVRM曲線獲得SS初值。例如5 級滿意度時，1 級產品CVR 為7.5%(圖4(a))即SQI 由高到低排序前7.5%的產品為1 級，查詢CCVRM曲線(圖3)，92.5%所對應的SQI為58.45，則1 級產品的SQI下限為58.45。各等級產品的聲品質指數如表3所示。

表3 吸油煙機聲品質規范滿意度初值Table 3 Satisfaction limits of range hood sound quality

4.2 規范滿意度終值

依據確定聲品質分級的第三條原則，由行業專家舉行座談會對SS初值進行討論優化得到SS終值，即滿意度限值。

5 結論

標準T/CAS 341–2019《吸油煙機噪聲聲品質測試方法》通過聲品質指數這一指標將吸油煙機聲品質進行數值化表達，在此基礎上本文通過主觀評價實驗以及調查滿意度實驗給出了吸油煙機聲品質滿意度限值。本文的主要工作包括：

(1)提出了一種確定產品聲品質滿意度分級以及確定限值的方法，以吸油煙機聲品質為案例，結合相關標準及主觀評價實驗給出了一種確定其等級和限值的步驟。

(2)招募被試110人完成了測量滿意度實驗，被試87人完成了調查滿意度實驗，通過數據處理分別得到了吸油煙機聲品質5級和3級滿意度。

產品聲品質分級是一個不斷修正和優化的過程，今后仍需市場大樣本對該方法進行驗證，以檢驗等級劃分及限值選擇的合理性，同時將結合技術進步對其不斷修正。