一種基于人耳聽(tīng)覺(jué)特性的單頻有調(diào)聲信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】單頻有調(diào)聲信號(hào)是環(huán)境噪聲中的主體類型，本發(fā)明是針對(duì)環(huán)境噪聲中的單頻有調(diào)聲信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，使其物理表征與人耳的聽(tīng)覺(jué)特性實(shí)現(xiàn)高精度擬合，該方法集合了單頻有調(diào)聲信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)學(xué)描述及物理表征。其核心是針對(duì)環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)中A計(jì)權(quán)聲級(jí)核心算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了以對(duì)數(shù)函數(shù)加三角函數(shù)的多項(xiàng)式單頻噪聲修正因子數(shù)學(xué)描述關(guān)系式，并實(shí)現(xiàn)了該數(shù)學(xué)描述關(guān)系式中待定系數(shù)及初相角參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)對(duì)于40phon等響曲線高精度擬合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其擬合絕對(duì)誤差小于0.15dB，并且針對(duì)不同響度的等響曲線找到了相同的變化規(guī)律。精密聲級(jí)計(jì)的測(cè)量誤差約為土1dB，普通聲級(jí)計(jì)約為土3dB。本發(fā)明中采用方法其測(cè)量誤差小于0.15dB，精度完全滿足要求。目前尚未查到同類技術(shù)。
【專利說(shuō)明】一種基于人耳聽(tīng)覺(jué)特性的單頻有調(diào)聲信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種基于人耳聽(tīng)覺(jué)特性的單頻有調(diào)聲信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]通常人們是通過(guò)主觀評(píng)價(jià)參量反映被測(cè)噪聲聲級(jí)高低的。聲壓級(jí)等作為聲環(huán)境質(zhì)量的主要客觀參量，其對(duì)應(yīng)的主觀參量為聲級(jí)，實(shí)際是經(jīng)過(guò)計(jì)權(quán)修正后的聲壓級(jí)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織IS0226:2003及中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4963-2007分別修訂了等響曲線，參見(jiàn)圖1。由此可見(jiàn)，等響曲線是描述等響條件下聲壓級(jí)與頻率的關(guān)系曲線，是重要的聽(tīng)覺(jué)特征之一。即聲音的頻率不同，它和IkHz純音等響時(shí)聲壓級(jí)隨頻率變化的曲線稱為等響曲線。等響曲線是一個(gè)統(tǒng)計(jì)曲線，考慮了人群的聽(tīng)覺(jué)特征。如圖1所示，圖中每條曲線上對(duì)應(yīng)于不同頻率的聲壓級(jí)是不相同的 ，但人耳感覺(jué)到的響應(yīng)卻是一樣，每條曲線上注有一個(gè)數(shù)字，為響度單位。由等響曲線族可以得知:當(dāng)音量較小時(shí)，人耳對(duì)高低音感覺(jué)不足；而音量較大時(shí)，高低音感覺(jué)充分；人對(duì)IkHz~4kHz之間聲音最為敏感。例如，IkHz的聲音的聲強(qiáng)級(jí)是60dB，而另一個(gè)頻率的聲音聽(tīng)起來(lái)與60dB的IkHz聲音一樣響,則這個(gè)聲音的響度級(jí)即為60 phon ;而50dB的IOOHz純音和40d B的IkHz純音等響，即兩者位于同一條40 phon等響曲線上。在圍繞IkHz的中頻范圍內(nèi)，等響度曲線相對(duì)比較低，說(shuō)明人耳對(duì)中頻的響應(yīng)敏感。在這個(gè)范圍之外的低頻和高頻兩邊，等響度曲線翹起，說(shuō)明人耳對(duì)低頻和高頻聲音的敏感下降，以致當(dāng)頻率低于20Hz和高于2kHz時(shí)，需要很大的聲強(qiáng)才有可能感覺(jué)聲音的存在。
[0005]在使用聲級(jí)計(jì)測(cè)量噪聲時(shí)，聲壓傳感器采集到的是聲壓信號(hào)。如果對(duì)其不作任何處理就輸出，得到的將是與頻率無(wú)關(guān)的線性聲級(jí)。根據(jù)人耳的生理特點(diǎn)，人的聽(tīng)覺(jué)不僅取決于聲強(qiáng)而且還與頻率有關(guān)，即相同的聲壓不同頻率的聲信號(hào)人所聽(tīng)到的聲音的感覺(jué)也許會(huì)有一定差異，人們希望儀器測(cè)量的噪聲聲壓級(jí)能符合人耳的生理特性?？紤]到人耳對(duì)不同頻率的聲信號(hào)聽(tīng)辨與濾波特性，為此，參照等響曲線進(jìn)行濾波處理，對(duì)人耳敏感的頻率成分予以加強(qiáng)，而對(duì)人耳不敏感的頻率成分則進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p，以求與人耳聽(tīng)覺(jué)的主觀感受盡可能一致。這種修正的方法稱為頻率計(jì)權(quán)，經(jīng)過(guò)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測(cè)得的聲級(jí)稱為計(jì)權(quán)聲級(jí)?，F(xiàn)已有A、B、C、D等多種計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。等響曲線與計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)用響度級(jí)來(lái)表示人們對(duì)聲音的主觀感覺(jué)過(guò)于復(fù)雜，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在等響曲線中選了三條曲線，一條是40phon的曲線，代表低聲壓級(jí)的響度感覺(jué)；一條是70 phon的曲線,代表中等強(qiáng)度的響度感覺(jué)；一條是100 phon的曲線，代表高聲強(qiáng)時(shí)的響度感覺(jué)。按照這三條曲線的形狀設(shè)計(jì)了 A、B、C三條計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)特性曲線對(duì)應(yīng)于倒置的40 phon等響曲線,B計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)曲線對(duì)應(yīng)于倒置的7Ophon等響曲線，C計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)曲線對(duì)應(yīng)于倒置的100 phon等響曲線。在ISO推薦的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)噪聲測(cè)量方法作了以下規(guī)定:①當(dāng)線性聲級(jí)未超過(guò)即Lin ( 60dB時(shí)，采用A特性曲線的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)；②當(dāng)60dB〈Lin〈120dB時(shí)，采用B特性曲線的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)；③當(dāng)Lin≥120dB時(shí)，則須采用C特性曲線的計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。實(shí)踐證明，不論噪聲強(qiáng)度高還是低，A聲級(jí)都能很好的反映人對(duì)噪聲響度和吵鬧的感覺(jué)，目前，采用A聲級(jí)和C聲級(jí)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。A聲級(jí)作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)雖然它在一定程度上反映了人耳的聽(tīng)覺(jué)特性，但在某些頻率下會(huì)體現(xiàn)出較大的偏差。為了精確地表征單頻有調(diào)聲信號(hào)使其與人耳聽(tīng)覺(jué)特性相吻合，以及組建分布式環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要有高精度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，而對(duì)于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)功能需求:既能夠?qū)吸c(diǎn)環(huán)境噪聲信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、分析、處理和顯示，還可以將重要數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸。為此，發(fā)明了一種基于虛擬儀器技術(shù)的新型環(huán)境噪聲自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]單頻有調(diào)聲信號(hào)是環(huán)境噪聲中的主體類型，本發(fā)明是針對(duì)環(huán)境噪聲中的單頻有調(diào)聲信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，使其物理表征與人耳的聽(tīng)覺(jué)特性實(shí)現(xiàn)高精度擬合，該方法集合了單頻有調(diào)聲信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)學(xué)描述及物理表征。其核心是針對(duì)環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)中A計(jì)權(quán)聲級(jí)核心算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了以對(duì)數(shù)函數(shù)加三角函數(shù)的多項(xiàng)式單頻噪聲修正因子數(shù)學(xué)描述關(guān)系式。經(jīng)過(guò)修正使單頻有調(diào)聲信號(hào)的物理表征與人耳的聽(tīng)覺(jué)特性實(shí)現(xiàn)高精度擬合。
[0008]【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為標(biāo)準(zhǔn)等響曲線圖；
圖2為與現(xiàn)有技術(shù)一致的有調(diào)聲信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法流程框圖；
圖3為與本發(fā)明具體實(shí)施例一致的單頻有調(diào)聲信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法流程；
圖4為與本發(fā)明具體實(shí)施例一致的改進(jìn)A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性修正值擬合曲線圖；
圖5為與本發(fā)明具體實(shí)施例一致的改進(jìn)A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性多項(xiàng)式擬合誤差曲線圖。
[0010]
具體實(shí)施例[0011]
現(xiàn)有技術(shù)中，有調(diào)聲信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的流程框圖參見(jiàn)圖2。信號(hào)實(shí)時(shí)采集基本都采用專業(yè)聲壓傳感器采集環(huán)境噪聲信號(hào)，譬如采用駐極體測(cè)試電容傳聲器。信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)主要是采用前置放大器、計(jì)權(quán)放大、LMS檢波與直流放大、A/D變換等一系列電路將聲壓傳感器采集環(huán)境噪聲信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后傳送到微處理器進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，計(jì)算瞬時(shí)聲級(jí)、等效聲級(jí)等數(shù)學(xué)描述參量，然后依照傳統(tǒng)表征方法依據(jù)公式(I)A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性修正，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境噪聲信號(hào)的物理表征。
[0012]而本發(fā)明采用單頻有調(diào)聲信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法流程，具體流程參見(jiàn)圖3。以PC計(jì)算機(jī)和集成聲卡及聲壓傳感器為硬件，以LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。首先，采用穩(wěn)定度可靠地普通型電容聲壓傳感器通過(guò)PC計(jì)算機(jī)集成聲卡實(shí)現(xiàn)聲壓信號(hào)實(shí)時(shí)采集；其次，將采集到得微壓信號(hào)在LabVIEW平臺(tái)上放大調(diào)理同時(shí)進(jìn)行頻譜分析和基頻測(cè)定，將放大后信號(hào)直接通過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)聲級(jí)；然后再按時(shí)段將瞬時(shí)聲級(jí)轉(zhuǎn)換成等效聲級(jí)，同時(shí)根據(jù)單頻有調(diào)聲信號(hào)的特征頻率，以公式(2)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)權(quán)頻率修正以實(shí)現(xiàn)曲線擬合；最后通過(guò)改進(jìn)的A頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)修正后的聲壓級(jí)對(duì)單頻有調(diào)聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)符合人耳特征的物理表征。上述過(guò)程實(shí)質(zhì)上是為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境噪聲信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示及關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，其全過(guò)程均由自行開(kāi)發(fā)的基于LabVIEW的環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)完成，使用前需根據(jù)采用的不同靈敏度的探頭對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定。
[0013]具體試驗(yàn)仿真結(jié)果參見(jiàn)圖4，兩條曲線不僅數(shù)值上有差異，譬如，在低頻段200 Hz以下修正曲線普遍低于原有標(biāo)準(zhǔn)A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性修正值，頻率越低差異越大，20Hz頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的聲級(jí)修正值差異近10dB，說(shuō)明在200 Hz以下低頻段進(jìn)行A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性修正后比實(shí)際聽(tīng)到的響度要強(qiáng)；在300Hz ^lkHz之間的中頻段，兩條曲線基本吻合；在IkHz~2kHz、5kHz~16kHz這兩段之間原有標(biāo)準(zhǔn)A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性修正值高于實(shí)際曲線，反映出測(cè)試比實(shí)際響度要弱；2kHz飛kHz之間原有標(biāo)準(zhǔn)A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性修正值低于實(shí)際曲線，反映出測(cè)試比實(shí)際響度要強(qiáng)，這段恰恰是聽(tīng)力聲音敏感區(qū)。由此可見(jiàn)，改進(jìn)A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性修正曲線十分必要。改進(jìn)的A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)頻率特性曲線所遇到的關(guān)鍵問(wèn)題是能否便于數(shù)學(xué)運(yùn)算和求解，其擬合誤差是否滿足要求。為此，進(jìn)行了一系列的探索，尋求到了多項(xiàng)式擬合曲線的優(yōu)化算法，其計(jì)算參見(jiàn)公式(2 )。
【權(quán)利要求】
1.一種基于人耳聽(tīng)覺(jué)特性的單頻有調(diào)聲信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其包括: 采用電容聲壓傳感器實(shí)時(shí)采集聲壓信號(hào)； 將采集到的微壓信號(hào)放大調(diào)理同時(shí)進(jìn)行頻譜分析和基頻測(cè)定； 將放大后信號(hào)直接通過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)聲級(jí)； 按時(shí)段將瞬時(shí)聲級(jí)轉(zhuǎn)換成等效聲級(jí)，同時(shí)根據(jù)單頻有調(diào)聲信號(hào)的特征頻率進(jìn)行計(jì)權(quán)頻率修正以實(shí)現(xiàn)曲線擬合； 通過(guò)改進(jìn)的A頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)修正后的聲壓級(jí)對(duì)單頻有調(diào)聲信號(hào)實(shí)現(xiàn)符合人耳特征的物理表征。
2.如權(quán)利要求1所述基于人耳聽(tīng)覺(jué)特性的單頻有調(diào)聲信號(hào)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，其中所述根據(jù)單頻有調(diào)聲信號(hào)的特征頻率進(jìn)行計(jì)權(quán)頻率修正以實(shí)現(xiàn)曲線擬合是根據(jù)以下公式進(jìn)行的:
【文檔編號(hào)】G01H11/06GK103983345SQ201410122439
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】劉祥樓, 劉昭廷, 牟海維, 張明, 劉瑞男, 姜繼玉 申請(qǐng)人:東北石油大學(xué)