一种基于人耳听觉特性的单频有调声信号自动监测方法
【专利摘要】单频有调声信号是环境噪声中的主体类型，本发明是针对环境噪声中的单频有调声信号自动监测方法，使其物理表征与人耳的听觉特性实现高精度拟合，该方法集合了单频有调声信号的实时采集、数学描述及物理表征。其核心是针对环境噪声监测中A计权声级核心算法进行改进，提出了以对数函数加三角函数的多项式单频噪声修正因子数学描述关系式，并实现了该数学描述关系式中待定系数及初相角参数优化，通过对于40phon等响曲线高精度拟合实验测试，其拟合绝对误差小于0.15dB，并且针对不同响度的等响曲线找到了相同的变化规律。精密声级计的测量误差约为土1dB，普通声级计约为土3dB。本发明中采用方法其测量误差小于0.15dB，精度完全满足要求。目前尚未查到同类技术。
【专利说明】一种基于人耳听觉特性的单频有调声信号自动监测方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种基于人耳听觉特性的单频有调声信号自动监测方法。
[0003]
【背景技术】
[0004]通常人们是通过主观评价参量反映被测噪声声级高低的。声压级等作为声环境质量的主要客观参量，其对应的主观参量为声级，实际是经过计权修正后的声压级。国际标准化组织IS0226:2003及中国国家标准GB/T4963-2007分别修订了等响曲线，参见图1。由此可见，等响曲线是描述等响条件下声压级与频率的关系曲线，是重要的听觉特征之一。即声音的频率不同，它和IkHz纯音等响时声压级随频率变化的曲线称为等响曲线。等响曲线是一个统计曲线，考虑了人群的听觉特征。如图1所示，图中每条曲线上对应于不同频率的声压级是不相同的 ，但人耳感觉到的响应却是一样，每条曲线上注有一个数字，为响度单位。由等响曲线族可以得知:当音量较小时，人耳对高低音感觉不足；而音量较大时，高低音感觉充分；人对IkHz~4kHz之间声音最为敏感。例如，IkHz的声音的声强级是60dB，而另一个频率的声音听起来与60dB的IkHz声音一样响,则这个声音的响度级即为60 phon ;而50dB的IOOHz纯音和40d B的IkHz纯音等响，即两者位于同一条40 phon等响曲线上。在围绕IkHz的中频范围内，等响度曲线相对比较低，说明人耳对中频的响应敏感。在这个范围之外的低频和高频两边，等响度曲线翘起，说明人耳对低频和高频声音的敏感下降，以致当频率低于20Hz和高于2kHz时，需要很大的声强才有可能感觉声音的存在。
[0005]在使用声级计测量噪声时，声压传感器采集到的是声压信号。如果对其不作任何处理就输出，得到的将是与频率无关的线性声级。根据人耳的生理特点，人的听觉不仅取决于声强而且还与频率有关，即相同的声压不同频率的声信号人所听到的声音的感觉也许会有一定差异，人们希望仪器测量的噪声声压级能符合人耳的生理特性。考虑到人耳对不同频率的声信号听辨与滤波特性，为此，参照等响曲线进行滤波处理，对人耳敏感的频率成分予以加强，而对人耳不敏感的频率成分则进行适当的衰减，以求与人耳听觉的主观感受尽可能一致。这种修正的方法称为频率计权，经过计权网络测得的声级称为计权声级。现已有A、B、C、D等多种计权网络。等响曲线与计权网络用响度级来表示人们对声音的主观感觉过于复杂，为了简单起见，在等响曲线中选了三条曲线，一条是40phon的曲线，代表低声压级的响度感觉；一条是70 phon的曲线,代表中等强度的响度感觉；一条是100 phon的曲线，代表高声强时的响度感觉。按照这三条曲线的形状设计了 A、B、C三条计权网络。A计权网络特性曲线对应于倒置的40 phon等响曲线,B计权网络曲线对应于倒置的7Ophon等响曲线，C计权网络曲线对应于倒置的100 phon等响曲线。在ISO推荐的标准中，对噪声测量方法作了以下规定:①当线性声级未超过即Lin ( 60dB时，采用A特性曲线的计权网络；②当60dB〈Lin〈120dB时，采用B特性曲线的计权网络；③当Lin≥120dB时，则须采用C特性曲线的计权网络。实践证明，不论噪声强度高还是低，A声级都能很好的反映人对噪声响度和吵闹的感觉，目前，采用A声级和C声级作为评价标准。A声级作为国际标准虽然它在一定程度上反映了人耳的听觉特性，但在某些频率下会体现出较大的偏差。为了精确地表征单频有调声信号使其与人耳听觉特性相吻合，以及组建分布式环境噪声自动监测系统需要有高精度监测节点，而对于监测节点功能需求:既能够对单点环境噪声信号进行检测、分析、处理和显示，还可以将重要数据通过网络实现远程实时传输。为此，发明了一种基于虚拟仪器技术的新型环境噪声自动监测方法。
[0006]
【发明内容】
[0007]单频有调声信号是环境噪声中的主体类型，本发明是针对环境噪声中的单频有调声信号自动监测方法，使其物理表征与人耳的听觉特性实现高精度拟合，该方法集合了单频有调声信号的实时采集、数学描述及物理表征。其核心是针对环境噪声监测中A计权声级核心算法进行改进，提出了以对数函数加三角函数的多项式单频噪声修正因子数学描述关系式。经过修正使单频有调声信号的物理表征与人耳的听觉特性实现高精度拟合。
[0008]【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为标准等响曲线图；
图2为与现有技术一致的有调声信号自动监测方法流程框图；
图3为与本发明具体实施例一致的单频有调声信号自动监测方法流程；
图4为与本发明具体实施例一致的改进A计权网络频率特性修正值拟合曲线图；
图5为与本发明具体实施例一致的改进A计权网络频率特性多项式拟合误差曲线图。
[0010]
具体实施例[0011]
现有技术中，有调声信号自动监测方法的流程框图参见图2。信号实时采集基本都采用专业声压传感器采集环境噪声信号，譬如采用驻极体测试电容传声器。信号调理环节主要是采用前置放大器、计权放大、LMS检波与直流放大、A/D变换等一系列电路将声压传感器采集环境噪声信号进行调理后传送到微处理器进行数学运算，计算瞬时声级、等效声级等数学描述参量，然后依照传统表征方法依据公式(I)A计权网络频率特性修正，最终实现环境噪声信号的物理表征。
[0012]而本发明采用单频有调声信号自动监测方法流程，具体流程参见图3。以PC计算机和集成声卡及声压传感器为硬件，以LabVIEW为软件开发平台。首先，采用稳定度可靠地普通型电容声压传感器通过PC计算机集成声卡实现声压信号实时采集；其次，将采集到得微压信号在LabVIEW平台上放大调理同时进行频谱分析和基频测定，将放大后信号直接通过运算转换成瞬时声级；然后再按时段将瞬时声级转换成等效声级，同时根据单频有调声信号的特征频率，以公式(2)为基础进行计权频率修正以实现曲线拟合；最后通过改进的A频率计权网络修正后的声压级对单频有调声信号实现符合人耳特征的物理表征。上述过程实质上是为了实现环境噪声信号的实时采集、处理、显示及关键数据的存储，其全过程均由自行开发的基于LabVIEW的环境噪声监测系统自动完成，使用前需根据采用的不同灵敏度的探头对仪器进行标定。
[0013]具体试验仿真结果参见图4，两条曲线不仅数值上有差异，譬如，在低频段200 Hz以下修正曲线普遍低于原有标准A计权网络频率特性修正值，频率越低差异越大，20Hz频点对应的声级修正值差异近10dB，说明在200 Hz以下低频段进行A计权网络频率特性修正后比实际听到的响度要强；在300Hz ^lkHz之间的中频段，两条曲线基本吻合；在IkHz~2kHz、5kHz~16kHz这两段之间原有标准A计权网络频率特性修正值高于实际曲线，反映出测试比实际响度要弱；2kHz飞kHz之间原有标准A计权网络频率特性修正值低于实际曲线，反映出测试比实际响度要强，这段恰恰是听力声音敏感区。由此可见，改进A计权网络频率特性修正曲线十分必要。改进的A计权网络频率特性曲线所遇到的关键问题是能否便于数学运算和求解，其拟合误差是否满足要求。为此，进行了一系列的探索，寻求到了多项式拟合曲线的优化算法，其计算参见公式(2 )。
【权利要求】
1.一种基于人耳听觉特性的单频有调声信号自动监测方法，其包括: 采用电容声压传感器实时采集声压信号； 将采集到的微压信号放大调理同时进行频谱分析和基频测定； 将放大后信号直接通过运算转换成瞬时声级； 按时段将瞬时声级转换成等效声级，同时根据单频有调声信号的特征频率进行计权频率修正以实现曲线拟合； 通过改进的A频率计权网络修正后的声压级对单频有调声信号实现符合人耳特征的物理表征。
2.如权利要求1所述基于人耳听觉特性的单频有调声信号自动监测方法，其中所述根据单频有调声信号的特征频率进行计权频率修正以实现曲线拟合是根据以下公式进行的:
【文档编号】G01H11/06GK103983345SQ201410122439
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】刘祥楼, 刘昭廷, 牟海维, 张明, 刘瑞男, 姜继玉 申请人:东北石油大学