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一種基于人耳聽覺特性的單頻有調聲信號自動監測方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410122439.1

申請日:

2014.03.28

公開號:

CN103983345A

公開日:

2014.08.13

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01H 11/06申請日:20140328|||公開
IPC分類號: G01H11/06 主分類號: G01H11/06
申請人: 東北石油大學
發明人: 劉祥樓; 劉昭廷; 牟海維; 張明; 劉瑞男; 姜繼玉
地址: 163000 黑龍江省大慶市薩爾圖區發展路199號
優先權:
專利代理機構: 北京眾元弘策知識產權代理事務所(普通合伙) 11462 代理人: 周達;尤志君
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410122439.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.11.17|||2014.09.10|||2014.08.13

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

單頻有調聲信號是環境噪聲中的主體類型,本發明是針對環境噪聲中的單頻有調聲信號自動監測方法,使其物理表征與人耳的聽覺特性實現高精度擬合,該方法集合了單頻有調聲信號的實時采集、數學描述及物理表征。其核心是針對環境噪聲監測中A計權聲級核心算法進行改進,提出了以對數函數加三角函數的多項式單頻噪聲修正因子數學描述關系式,并實現了該數學描述關系式中待定系數及初相角參數優化,通過對于40phon等響曲線高精度擬合實驗測試,其擬合絕對誤差小于0.15dB,并且針對不同響度的等響曲線找到了相同的變化規律。精密聲級計的測量誤差約為土1dB,普通聲級計約為土3dB。本發明中采用方法其測量誤差小于0.15dB,精度完全滿足要求。目前尚未查到同類技術。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于人耳聽覺特性的單頻有調聲信號自動監測方法,其包括:
采用電容聲壓傳感器實時采集聲壓信號;
將采集到的微壓信號放大調理同時進行頻譜分析和基頻測定;
將放大后信號直接通過運算轉換成瞬時聲級;
按時段將瞬時聲級轉換成等效聲級,同時根據單頻有調聲信號的特征頻率進行計權頻率修正以實現曲線擬合;
通過改進的A頻率計權網絡修正后的聲壓級對單頻有調聲信號實現符合人耳特征的物理表征。

2.  如權利要求1所述基于人耳聽覺特性的單頻有調聲信號自動監測方法,其中所述根據單頻有調聲信號的特征頻率進行計權頻率修正以實現曲線擬合是根據以下公式進行的:


說明書

說明書一種基于人耳聽覺特性的單頻有調聲信號自動監測方法
  
技術領域
本發明涉及一種基于人耳聽覺特性的單頻有調聲信號自動監測方法。 
  
背景技術
通常人們是通過主觀評價參量反映被測噪聲聲級高低的。聲壓級等作為聲環境質量的主要客觀參量,其對應的主觀參量為聲級,實際是經過計權修正后的聲壓級。國際標準化組織ISO226:2003及中國國家標準GB/T4963-2007分別修訂了等響曲線,參見圖1。由此可見,等響曲線是描述等響條件下聲壓級與頻率的關系曲線,是重要的聽覺特征之一。即聲音的頻率不同,它和1kHz純音等響時聲壓級隨頻率變化的曲線稱為等響曲線。等響曲線是一個統計曲線,考慮了人群的聽覺特征。如圖1所示,圖中每條曲線上對應于不同頻率的聲壓級是不相同的,但人耳感覺到的響應卻是一樣,每條曲線上注有一個數字,為響度單位。由等響曲線族可以得知:當音量較小時,人耳對高低音感覺不足;而音量較大時,高低音感覺充分;人對1kHz~4kHz之間聲音最為敏感。例如,1kHz的聲音的聲強級是60dB,而另一個頻率的聲音聽起來與60dB的1kHz聲音一樣響,則這個聲音的響度級即為60 phon;而50dB的100Hz純音和40dB的1kHz純音等響,即兩者位于同一條40 phon等響曲線上。在圍繞1kHz的中頻范圍內,等響度曲線相對比較低,說明人耳對中頻的響應敏感。在這個范圍之外的低頻和高頻兩邊,等響度曲線翹起,說明人耳對低頻和高頻聲音的敏感下降,以致當頻率低于20Hz和高于2kHz時,需要很大的聲強才有可能感覺聲音的存在。 
在使用聲級計測量噪聲時,聲壓傳感器采集到的是聲壓信號。如果對其不作任何處理就輸出,得到的將是與頻率無關的線性聲級。根據人耳的生理特點,人的聽覺不僅取決于聲強而且還與頻率有關,即相同的聲壓不同頻率的聲信號人所聽到的聲音的感覺也許會有一定差異,人們希望儀器測量的噪聲聲壓級能符合人耳的生理特性。考慮到人耳對不同頻率的聲信號聽辨與濾波特性,為此,參照等響曲線進行濾波處理,對人耳敏感的頻率成分予以加強,而對人耳不敏感的頻率成分則進行適當的衰減,以求與人耳聽覺的主觀感受盡可能一致。這種修正的方法稱為頻率計權,經過計權網絡測得的聲級稱為計權聲級。現已有A、B、C、D等多種計權網絡。等響曲線與計權網絡用響度級來表示人們對聲音的主觀感覺過于復雜,為了簡單起見,在等響曲線中選了三條曲線,一條是40phon的曲線,代表低聲壓級的響度感覺;一條是70 phon的曲線,代表中等強度的響度感覺;一條是100 phon的曲線,代表高聲強時的響度感覺。按照這三條曲線的形狀設計了A、B、C三條計權網絡。A計權網絡特性曲線對應于倒置的40 phon等響曲線,B計權網絡曲線對應于倒置的70phon等響曲線,C計權網絡曲線對應于倒置的100 phon等響曲線。在ISO推薦的標準中,對噪聲測量方法作了以下規定:①當線性聲級未超過即Lin≤60dB時,采用A特性曲線的計權網絡;②當60dB<Lin<l20dB時,采用B特性曲線的計權網絡;③當Lin≥120dB時,則須采用C特性曲線的計權網絡。實踐證明,不論噪聲強度高還是低,A聲級都能很好的反映人對噪聲響度和吵鬧的感覺,目前,采用A聲級和C聲級作為評價標準。A聲級作為國際標準雖然它在一定程度上反映了人耳的聽覺特性,但在某些頻率下會體現出較大的偏差。為了精確地表征單頻有調聲信號使其與人耳聽覺特性相吻合,以及組建分布式環境噪聲自動監測系統需要有高精度監測節點,而對于監測節點功能需求:既能夠對單點環境噪聲信號進行檢測、分析、處理和顯示,還可以將重要數據通過網絡實現遠程實時傳輸。為此,發明了一種基于虛擬儀器技術的新型環境噪聲自動監測方法。 
  
發明內容
單頻有調聲信號是環境噪聲中的主體類型,本發明是針對環境噪聲中的單頻有調聲信號自動監測方法,使其物理表征與人耳的聽覺特性實現高精度擬合,該方法集合了單頻有調聲信號的實時采集、數學描述及物理表征。其核心是針對環境噪聲監測中A計權聲級核心算法進行改進,提出了以對數函數加三角函數的多項式單頻噪聲修正因子數學描述關系式。經過修正使單頻有調聲信號的物理表征與人耳的聽覺特性實現高精度擬合。 
  
 附圖說明
圖1為標準等響曲線圖; 
圖2為與現有技術一致的有調聲信號自動監測方法流程框圖;
圖3為與本發明具體實施例一致的單頻有調聲信號自動監測方法流程;
圖4為與本發明具體實施例一致的改進A計權網絡頻率特性修正值擬合曲線圖; 
圖5為與本發明具體實施例一致的改進A計權網絡頻率特性多項式擬合誤差曲線圖。
  
具體實施例
 
現有技術中,有調聲信號自動監測方法的流程框圖參見圖2。信號實時采集基本都采用專業聲壓傳感器采集環境噪聲信號,譬如采用駐極體測試電容傳聲器。信號調理環節主要是采用前置放大器、計權放大、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境噪聲信號進行調理后傳送到微處理器進行數學運算,計算瞬時聲級、等效聲級等數學描述參量,然后依照傳統表征方法依據公式(1)A計權網絡頻率特性修正,最終實現環境噪聲信號的物理表征。
而本發明采用單頻有調聲信號自動監測方法流程,具體流程參見圖3。以PC計算機和集成聲卡及聲壓傳感器為硬件,以LabVIEW為軟件開發平臺。首先,采用穩定度可靠地普通型電容聲壓傳感器通過PC計算機集成聲卡實現聲壓信號實時采集;其次,將采集到得微壓信號在LabVIEW平臺上放大調理同時進行頻譜分析和基頻測定,將放大后信號直接通過運算轉換成瞬時聲級;然后再按時段將瞬時聲級轉換成等效聲級,同時根據單頻有調聲信號的特征頻率,以公式(2)為基礎進行計權頻率修正以實現曲線擬合;最后通過改進的A頻率計權網絡修正后的聲壓級對單頻有調聲信號實現符合人耳特征的物理表征。上述過程實質上是為了實現環境噪聲信號的實時采集、處理、顯示及關鍵數據的存儲,其全過程均由自行開發的基于LabVIEW的環境噪聲監測系統自動完成,使用前需根據采用的不同靈敏度的探頭對儀器進行標定。 
具體試驗仿真結果參見圖4 ,兩條曲線不僅數值上有差異,譬如,在低頻段200 Hz以下修正曲線普遍低于原有標準A計權網絡頻率特性修正值,頻率越低差異越大,20Hz頻點對應的聲級修正值差異近10dB,說明在200 Hz以下低頻段進行A計權網絡頻率特性修正后比實際聽到的響度要強;在300Hz ~1kHz之間的中頻段,兩條曲線基本吻合;在1kHz ~2kHz、5kHz~16kHz這兩段之間原有標準A計權網絡頻率特性修正值高于實際曲線,反映出測試比實際響度要弱;2kHz ~5kHz之間原有標準A計權網絡頻率特性修正值低于實際曲線,反映出測試比實際響度要強,這段恰恰是聽力聲音敏感區。由此可見,改進A計權網絡頻率特性修正曲線十分必要。改進的A計權網絡頻率特性曲線所遇到的關鍵問題是能否便于數學運算和求解,其擬合誤差是否滿足要求。為此,進行了一系列的探索,尋求到了多項式擬合曲線的優化算法,其計算參見公式(2)。 

本發明是通過改進算法對單頻有調聲信號修正因子進行數學描述,并實現了該數學描述關系式中待定系數及初相角參數優化,通過對于40phon等響曲線高精度擬合實驗測試,其擬合絕對誤差小于0.15dB(參見圖5),并且針對不同響度的等響曲線找到了相同的變化規律。精密聲級計的測量誤差約為土1dB,普通聲級計約為土3dB。采用本發明的方法測量誤差小于0.15dB,精度完全滿足要求。 
盡管已經示出和描述了本發明的實施例,本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型,本發明的范圍由權利要求及其等同物限定。 
  

關 鍵 詞:
一種 基于 聽覺 特性 單頻有調聲 信號 自動 監測 方法
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