專利名稱：傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及儀器監(jiān)測領(lǐng)域，特別是傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳聲器是一種將聲音轉(zhuǎn)化成電子信號的裝置，按照實現(xiàn)原理分為動圈式、電容式和壓電式等。傳聲器系統(tǒng)是指以傳聲器作為前端的信號采集裝置所構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)，檢測傳聲器是否能夠正常工作對應(yīng)用系統(tǒng)而言有著非常重要的價值和意義。例如，近年來新興起的計算機輔助英語口語考試系統(tǒng)中，通過傳聲器采集考生的錄音答案，考試結(jié)束后評閱人回放錄音進(jìn)行評分，如果在考試過程中傳聲器的工作狀態(tài)出現(xiàn)異常，會造成錄音文件無法重現(xiàn)考生答題情況，產(chǎn)生無法評分的嚴(yán)重后果。再如，在大型的演唱會中，曾經(jīng)出現(xiàn)過只見到演員張嘴而聽不見其聲音的尷尬場面，問題的原因也在于傳聲器在工作過程中發(fā)生故障而沒有被實時發(fā)現(xiàn)。
造成傳聲器工作狀態(tài)異常的原因有許多方面，電子元器件老化、焊點接觸不良、連接線斷路、接插件的接觸不良等都是非常重要的原因，在實際的應(yīng)用中也時常會遇到這些問題?，F(xiàn)有的技術(shù)僅能從一定程度上檢測傳聲器的狀態(tài)，但無法做到實時監(jiān)控。已有的傳聲器工作狀態(tài)檢測技術(shù)主要分為以下三類
(I)事前驗證技術(shù)，即在使用傳聲器之前對其進(jìn)行測試。雖然事前驗證技術(shù)是行之有效的，但卻不能保證在測試完成之后傳聲器總能夠正常工作。
(2)語音處理芯片主動探測技術(shù)，即通過檢測傳聲器的輸出阻抗、電容量、電感量、 空間距離等物理量來判斷揚聲器的工作狀態(tài)。這類技術(shù)依賴于對物理量的檢測，因此僅能識別部分傳聲器的部分故障，不能作為通用的方法。例如具有語音功能的工業(yè)人機界面 (201020167258. 8)公開了基于AC97音頻芯片的音頻控制電路通過內(nèi)部總線連接嵌入式工業(yè)控制主板上設(shè)置的中央處理器單元，音頻控制電路連接音頻接口，由中央處理器單元控制音頻芯片，通過從下位機通信獲取的數(shù)據(jù)信息(即對于物理量的檢測)判別報警與否，并向音頻芯片發(fā)出相應(yīng)指令，從而觸發(fā)音頻芯片發(fā)出語音報警提示。
(3)語音識別技術(shù)，即通過對語音進(jìn)行頻譜分析，將傳聲器采集到的時域信息轉(zhuǎn)化為頻域信息，利用人類所能發(fā)出和聽到的聲音主要集中在50Hz 20000Hz的特性，結(jié)合語音識別算法判斷傳聲器的工作狀態(tài)。但這類技術(shù)需要知道被檢測的時域內(nèi)是否包含有效的語音數(shù)據(jù)。只有當(dāng)被檢測的樣本中包含有效語音數(shù)據(jù)時才能根據(jù)其特征進(jìn)行分析，以判別傳聲器的工作狀態(tài)。因此這類方法是無法區(qū)分設(shè)備故障和無聲源兩類情況的。例如語音識別裝置、語音識別方法及語音識別程序(01801963. 3)公開了利用話筒采集說話者發(fā)出的語音，通過A/D變換器提供給信號延遲單元及聲級推定單元，聲級推定單元根據(jù)提供的數(shù)字語音信號進(jìn)行聲級推定值的計算，信號延遲單元將延遲了預(yù)定的聲級上升沿時間得數(shù)字語音信號提供給聲級調(diào)整單元，聲級調(diào)整單元根據(jù)聲級推定值進(jìn)行數(shù)字語音信號的聲級調(diào)整，將聲級調(diào)整后的輸出提供給語音識別單元，語音識別單元根據(jù)提供的聲級調(diào)整后的輸出，進(jìn)行語音識別。
可見現(xiàn)有的傳聲器狀態(tài)檢測技術(shù)無法做到實時監(jiān)控。發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種實時性高、可靠性高的傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法。
本發(fā)明的另一個目的是一種傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法，包括以下步驟
A、信號發(fā)生和控制裝置產(chǎn)生激勵信號，驅(qū)動他激式蜂鳴器產(chǎn)生頻率為&的輔助信號;
B、他激式蜂鳴器產(chǎn)生的輔助信號經(jīng)過聲場強度控制裝置到達(dá)傳聲器，聲場強度控制裝置將傳聲器獲得的頻率為fo的輔助信號的聲場強度控制在StlClb ;
C、輔助信號經(jīng)過放大和濾波裝置、A/D轉(zhuǎn)換過程進(jìn)入到音頻信號采集裝置，成為被采集音頻信號的組成部分；
D、對被采集音頻信號進(jìn)行頻譜分析，通過傅里葉變換計算被采集信號的功率譜函數(shù)P (CO )，若在頻率區(qū)間CO G [ a &，(2- a ) f0]上的能量O < Ptl則驅(qū)動傳聲器異常報警裝直報警；
E、對被采集的音頻信號進(jìn)行逆傅里葉變換去除步驟B中增加的頻率為、聲場強度為Stl的輔助信號。
進(jìn)一步，如果除輔助信號外，還有其他音頻信號被傳聲器所采集成為被采集音頻信號的另一部分，則還包括以下步驟
F、將傳聲器所采集的其他音頻信號交給基于應(yīng)用的處理過程；
若應(yīng)用的目標(biāo)是將音頻信號保存為二進(jìn)制文件則不需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換過程，而是直接交給基于應(yīng)用的處理過程；若應(yīng)用的目標(biāo)是對傳聲器拾取的聲音進(jìn)行放大并輸出，則步驟C中的A/D轉(zhuǎn)換過程也可以省略。
進(jìn)一步，所述步驟A中的激勵信號可以為正弦波、方波、鋸齒波或三角波信號。
進(jìn)一步，所述步驟A中&的取值取決于A/D轉(zhuǎn)換部分的采樣率Rs和傳聲器的頻率響應(yīng)范圍Rf，所述步驟B中Stl取決于所選傳聲器的固有噪聲sn，典型值是Stl = sn+3db。
進(jìn)一步，所述步驟D中Ptl為報警閥值，選取Ptl時需要考慮傳聲器的頻響特性、靈敏度和應(yīng)用系統(tǒng)的功能等，通常取Po ^ S02, CO表示信號頻率，a G (0,1)表示元器件的一致性水平。
進(jìn)一步，所述步驟D中P (Co )的計算公式為
P(CD) = il + fm
i, j分別是頻率為w的聲首分量的實部和虛部；
P ( o )在[a f0，(2- a ) f0]區(qū)間內(nèi)的能量表示為
￠=1*7° P(f)df
其中，[a f0, (2- a ) f0]為連續(xù)的頻率區(qū)間，a為元器件的一致性水平且a G (0， I)，fo為輔助信號頻率。
傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳聲器工作模塊，還包括
輔助信號產(chǎn)生模塊，用于產(chǎn)生輔助信號；
音頻信號分析模塊，用于對音頻信號進(jìn)行分析。
進(jìn)一步，所述傳聲器工作模塊包括傳聲器、放大和濾波裝置、音頻信號采集裝置、 A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊及基于應(yīng)用的處理模塊。
進(jìn)一步，所述輔助信號產(chǎn)生模塊包括
信號發(fā)生和控制裝置，用于產(chǎn)生激勵信號；
他激式蜂鳴器，用于產(chǎn)生頻率為&的輔助信號；
聲場強度控制裝置，用于將傳聲器獲得的頻率為&的輔助信號的聲場強度控制在Sgdbo
進(jìn)一步，所述音頻信號分析模塊包括
音頻信號先處理模塊，用于對音頻信號進(jìn)行頻譜分析，計算功率譜函數(shù)P ( )和2(I-a )&頻寬對應(yīng)的能量O ；
傳聲器狀態(tài)異常報警裝置，用于報警傳聲器的異常狀態(tài)；
音頻信號后處理模塊，用于去除步驟B中增加的頻率為&、強度為Stl的輔助信號。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法，在傳聲器的前端增加頻率、強度等技術(shù)指標(biāo)滿足一定條件的輔助信號，采集經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的聲音信號通過傅立葉分析檢測輔助信號，并以此為依據(jù)監(jiān)測傳聲器的工作狀態(tài)，這一方法由于完整的利用了傳聲器正常工作時所依賴的各種介質(zhì)和裝置，以對傳聲器所拾取的音頻信號進(jìn)行微小的失真變換為代價實現(xiàn)了傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測，同其他方法相比具有實時性高、可靠性高、不依賴于特定傳聲器、不依賴于是否有聲音輸入等優(yōu)點。
本發(fā)明的另一個有益效果本發(fā)明傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，在傳聲器的前端增加頻率、強度等技術(shù)指標(biāo)滿足一定條件的輔助信號，采集經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的聲音信號通過傅立葉分析檢測輔助信號，并以此為依據(jù)監(jiān)測傳聲器的工作狀態(tài)，這一系統(tǒng)由于完整的利用了傳聲器正常工作時所依賴的各種介質(zhì)和裝置，以對傳聲器所拾取的音頻信號進(jìn)行微小的失真變換為代價實現(xiàn)了傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測，同其他系統(tǒng)相比具有實時性高、可靠性高、不依賴于特定傳聲器、不依賴于是否有聲音輸入等優(yōu)點。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步說明
圖I是本發(fā)明傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法步驟流程圖2是本發(fā)明傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法第一實施例步驟流程圖3是本發(fā)明傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法第二實施例步驟流程圖4是本發(fā)明傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)模塊方框圖5是本發(fā)明傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)一實施例模塊方框圖。
圖中傳聲器工作模塊I、輔助信號產(chǎn)生模塊2、音頻信號分析模塊3、傳聲器11、放大和濾波裝置12、音頻信號采集裝置13、A/D轉(zhuǎn)換模塊14、D/A轉(zhuǎn)換模塊15、基于應(yīng)用的處理模塊16、信號發(fā)生和控制裝置21、他激式蜂鳴器22、聲場強度控制裝置23、音頻信號先處理模塊31、傳聲器狀態(tài)異常報警裝置32、音頻信號后處理模塊33。
具體實施方式
參照圖1，傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法，包括以下步驟
A、信號發(fā)生和控制裝置產(chǎn)生激勵信號，驅(qū)動他激式蜂鳴器產(chǎn)生頻率為&的輔助信號;
B、他激式蜂鳴器產(chǎn)生的輔助信號經(jīng)過聲場強度控制裝置到達(dá)傳聲器，聲場強度控制裝置將傳聲器獲得的頻率為fo的輔助信號的聲場強度控制在StlClb ;
C、輔助信號經(jīng)過放大和濾波裝置、A/D轉(zhuǎn)換過程進(jìn)入到音頻信號采集裝置，成為被采集音頻信號的組成部分；
D、對被采集的音頻信號進(jìn)行頻譜分析，通過傅里葉變換計算被采集信號的功率譜函數(shù)P( )，若在頻率區(qū)間《 G [ Oftl, (2-a) fj上的能量O <仏則驅(qū)動傳聲器異常報警裝置報警；
E、對被采集音頻信號進(jìn)行逆傅里葉變換去除步驟B中增加的頻率為&、聲場強度為Stl的輔助信號。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式，所述步驟A中的激勵信號可以為正弦波、方波、鋸齒波、三角波信號等其他類型的信號。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式，所述步驟A中&的取值取決于A/D轉(zhuǎn)換部分的采樣率Rs和傳聲器的頻率響應(yīng)范圍Rf，設(shè)定參考值為傳聲器在2700Hz時的頻率響應(yīng)，記為R27tltl db，則f0的取值方法為f0 = a max {Rs，max {Rf | Rf ^ ^ R2700I}其中a為該類傳聲器的一致性指標(biāo)，典型值為95%，^為頻響的允許衰減指標(biāo)，典型值為50%。&取值應(yīng)盡可能的取大于7kHz，這是因為后序處理過程中對傳聲器所拾取的原始聲音在&附近進(jìn)行有損處理， f0越大人耳所能感受到的損失就越??；所述步驟B中Stl取決于所選傳聲器的固有噪聲sn， 典型值是S0 = sn+3db。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式，所述步驟D中Ptl為報警閥值，選取Ptl時需要考慮傳聲器的頻響特性、靈敏度和應(yīng)用系統(tǒng)的功能等，通常取Po彡Stl2, CO表示信號頻率，a G (0， I)表示元器件的一致性水平。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式，所述步驟D中P(co)的計算公式為
P(CD) = il + Jl
i, j分別是頻率為w的聲首分量的實部和虛部；
P ( o )在[a f0，(2- a ) f0]區(qū)間內(nèi)的能量表示為
O = I* /o P(f)df
其中，[Ciftl, (2-cOfJ為連續(xù)的頻率區(qū)間，a為元器件的一致性水平且a G (0， I)，fo為輔助信號頻率。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式，傳聲器異常報警裝置的實現(xiàn)可以采用故障燈提示， 觸發(fā)某個特定事件等形式。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式，通過逆傅里葉變換去除步驟A中增加的頻率為&、聲場強度為Stl的噪聲信號，由于器件一致性水平a總是低于100%，因此這里只能進(jìn)行近似處理，即去除《 G [a fQ，(2-a)fJ的所有強度高于固有噪聲Sn的分量。
參照圖2，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式，如果除輔助信號外，還有其他音頻信號被傳聲器所采集成為被采集音頻信號的另一部分，則還包括以下步驟
F、將傳聲器所采集的其他音頻信號交給基于應(yīng)用的處理過程；
若應(yīng)用的目標(biāo)是將音頻信號保存為二進(jìn)制文件則不需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換過程，而是直接交給基于應(yīng)用的處理過程。
參照圖3，進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式，如果除輔助信號外，還有其他音頻信號被傳聲器所采集成為被采集音頻信號的另一部分，則還包括以下步驟
F、將傳聲器所采集的其他音頻信號交給基于應(yīng)用的處理過程；
若應(yīng)用的目標(biāo)是對傳聲器拾取的聲音進(jìn)行放大并輸出，則步驟C中的A/D轉(zhuǎn)換過程也可以省略。
參照圖4,傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng),包括傳聲器工作模塊I,還包括
輔助信號產(chǎn)生模塊2，用于產(chǎn)生輔助信號；
音頻信號分析模塊3，用于對音頻信號進(jìn)行分析。
參照圖5,進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式,所述傳聲器工作模塊I包括傳聲器11、放大和濾波裝置12、音頻信號采集裝置13、A/D轉(zhuǎn)換模塊14、D/A轉(zhuǎn)換模塊15及基于應(yīng)用的處理模塊16。
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式，所述輔助信號產(chǎn)生模塊2包括
信號發(fā)生和控制裝置21，用于產(chǎn)生激勵信號；
他激式蜂鳴器22，用于產(chǎn)生頻率為&的輔助信號；
聲場強度控制裝置23，用于將傳聲器獲得的頻率為&的輔助信號的聲場強度控制在 Sgdbo
進(jìn)一步作為優(yōu)選的實施方式，所述音頻信號分析模塊3包括
音頻信號先處理模塊31，用于對音頻信號進(jìn)行頻譜分析，計算功率譜P(co)和2(I-a )&頻寬對應(yīng)的能量O ；
傳聲器狀態(tài)異常報警裝置32，用于報警傳聲器的異常狀態(tài)；
音頻信號后處理模塊33，用于去除步驟B中增加的頻率為&、強度為Stl的輔助信號。
當(dāng)然，本發(fā)明并不局限于上述實施方式，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出等同變形或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法，其特征在于包括以下步驟A、信號發(fā)生和控制裝置產(chǎn)生激勵信號，驅(qū)動他激式蜂鳴器產(chǎn)生頻率為&的輔助信號；B、他激式蜂鳴器產(chǎn)生的輔助信號經(jīng)過聲場強度控制裝置到達(dá)傳聲器，聲場強度控制裝置將傳聲器獲得的頻率為f。的輔助信號的聲場強度控制在Sodb ；C、輔助信號經(jīng)過放大和濾波裝置、A/D轉(zhuǎn)換過程進(jìn)入到音頻信號采集裝置，成為被采集音頻信號的組成部分；D、對被采集音頻信號進(jìn)行頻譜分析，通過傅里葉變換計算被采集信號的功率譜函數(shù) P(co)，若在頻率區(qū)間Co G [af；，(2-a)fJ上的能量O < Ptl則驅(qū)動傳聲器異常報警裝置報警；E、對被采集的音頻信號進(jìn)行逆傅里葉變換去除步驟B中增加的頻率為&、聲場強度為 S0的輔助信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法，其特征在于如果除輔助信號外，還有其他音頻信號被傳聲器所采集成為被采集音頻信號的另一部分，則還包括以下步驟F、將傳聲器所采集的其他音頻信號交給基于應(yīng)用的處理過程；若應(yīng)用的目標(biāo)是將音頻信號保存為二進(jìn)制文件則不需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換過程，而是直接交給基于應(yīng)用的處理過程；若應(yīng)用的目標(biāo)是對傳聲器拾取的聲音進(jìn)行放大并輸出，則步驟 C中的A/D轉(zhuǎn)換過程也可以省略。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法，其特征在于所述步驟A 中的激勵信號可以為正弦波、方波、鋸齒波或三角波信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法，其特征在于所述步驟A 中fo的取值取決于A/D轉(zhuǎn)換部分的采樣率Rs和傳聲器的頻率響應(yīng)范圍Rf，所述步驟B中Stl 取決于所選傳聲器的固有噪聲sn，典型值是Stl = sn+3db。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法，其特征在于所述步驟D 中Po為報警閥值，選取Po時需要考慮傳聲器的頻響特性、靈敏度和應(yīng)用系統(tǒng)的功能等，通常取Ptl彡S02, CO表示信號頻率，a G (0,1)表示元器件的一致性水平。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法，其特征在于所述步驟D 中P( )的計算公式為P^) = iI^Jli，j分別是頻率為《的聲音分量的實部和虛部；P(O)在[a fQ，(2- a ) f0]區(qū)間內(nèi)的能量表示為 /0o=f PifW其中，[af0, (2-a)fJ為連續(xù)的頻率區(qū)間，a為元器件的一致性水平且a G (0,1), f0為輔助信號頻率。
7.傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳聲器工作模塊(I)，其特征在于還包括輔助信號產(chǎn)生模塊(2)，用于產(chǎn)生輔助信號；音頻信號分析模塊(3)，用于對音頻信號進(jìn)行分析。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述傳聲器工作模塊(I)包括傳聲器(11)、放大和濾波裝置(12)、音頻信號采集裝置(13)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(14)、D/A轉(zhuǎn)換模塊(15)及基于應(yīng)用的處理模塊(16)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述輔助信號產(chǎn)生模塊⑵包括信號發(fā)生和控制裝置(21)，用于產(chǎn)生激勵信號；他激式蜂鳴器(22)，用于產(chǎn)生頻率為&的輔助信號；聲場強度控制裝置(23)，用于將傳聲器獲得的頻率為&的輔助信號的聲場強度控制在Sgdbo
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述音頻信號分析模塊(3)包括音頻信號先處理模塊(31)，用于對音頻信號進(jìn)行頻譜分析，計算功率譜函數(shù)P(CO)和 2 (I-a )&頻寬對應(yīng)的能量O ；傳聲器狀態(tài)異常報警裝置(32)，用于報警傳聲器的異常狀態(tài)；音頻信號后處理模塊(33)，用于去除步驟B中增加的頻率為&、強度為S0的輔助信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測方法及系統(tǒng)，該方法包括信號發(fā)生和控制裝置產(chǎn)生激勵信號，驅(qū)動他激式蜂鳴器產(chǎn)生輔助信號；輔助信號通過聲場強度控制裝置到達(dá)傳聲器；輔助信號再經(jīng)過放大和濾波裝置、A/D轉(zhuǎn)換過程進(jìn)入到音頻信號采集裝置，成為被采集音頻信號的組成部分；對被采集音頻信號進(jìn)行頻譜分析，計算功率譜P(ω)，若能量Ф＜p0，則報警；通過逆傅里葉變換去除輔助信號，該系統(tǒng)包括傳聲器工作模塊、輔助信號產(chǎn)生模塊和音頻信號分析模塊。本發(fā)明實現(xiàn)了傳聲器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測，具有實時性高、可靠性高、不依賴于特定傳聲器、不依賴于是否有聲音輸入的優(yōu)點，廣泛運用于各類傳聲器工作狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域中。
文檔編號H04R3/00GK102547526SQ201210012008
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者岳俊江, 張焱, 馬震遠(yuǎn) 申請人:廣東啟明科技發(fā)展有限公司