噪声源可视化数据累积显示方法、数据处理装置及声学照相机系统与流程

本发明涉及噪声源可视化数据累积显示方法及声学照相机系统。

背景技术：

声学照相机作为使声音可视化的尖端测量装备，是多媒体信息通信设备、家电、汽车、建筑等多样的领域中需要的新技术装备。

麦克风阵列波束形成(Microphone Array Beamformer)作为噪声源位置探明方法之一，是利用多个麦克风传感器测量噪声源发生的声波，通过对其的信号处理，使噪声源的分布象照片一样可视化的方法。使用的方式是根据各麦克风接收的信号的特性，以在特定发信位置发生的信号进行再构成，测量其的声压大小，把测量的声压级图示成空间上的分布，测量噪声源的位置。虽然声学照相机的测量技法出于特殊领域的研究目的而进行了开发，但由于能够直观地确认噪声源分布的优点，因而正在扩大应用于产业各领域的研究/开发阶段。

技术实现要素：

(要解决的技术问题)

本发明旨在提供一种声学照相机系统，能够有效发现在互不相同地点、不同瞬间发生的噪声、杂音，并使使用者可以轻松识别。

当使用单纯利用声压大小的触发方法时，成为测量分析对象的噪声源在无噪声发生的瞬间，在周围噪声导致的背景噪声增大时触发，发生分析对象噪声特性被不需要的噪声(背景噪声)埋没而不显示的问题，本发明旨在提供一种解决这种问题的噪声源可视化数据累积显示方法及声学照相机系统。

本发明旨在提供一种噪声源可视化数据累积显示方法及声学照相机系统，把机械类、电子装置类、汽车等在不同地点不同瞬间发生的噪声累积显示于一个画面，不仅能够明确掌握多个噪声源的位置，而且能够依次显示噪声源的噪声程度，可以借助于固有的触发或有效数据甄别法，把并非噪声源区域的外部噪声的影响从音场可视化画面上排除。

(解决问题的手段)

本发明的噪声源可视化数据累积显示方法，对使用多个麦克风阵列在互不相同瞬间取得的声音信号进行波束形成，生成至少两个以上的声场可视化数据后，将其映射于一个光学图像上进行累积显示。

本发明的噪声源可视化数据累积显示方法包括：步骤S10，提供声音及图像信号收集手段100，所述声音及图像信号收集手段100包括：MEMS声音感知传感器10，其在曲面上或平面上按均一间隔隔开配置，感知噪声源的声音信号；声音信号收集部20，其把从所述MEMS声音感知传感器10接收的声音信号变换成数字信号，传送给中央处理部40；摄影镜头30，其拍摄所述噪声源的光学影像；初始信号收集步骤S20，在第1时间帧T1期间，所述声音及图像信号收集手段100收集噪声源的声音信号和影像；初始分析步骤S30，所述中央处理部40以在第1时间帧T1期间收集的声音信号为基础，计算各地点的波束功率P_ij，生成第1声音数据D1，以所述摄影镜头30的信号为基础，生成影像数据；初始显现步骤S40，显示部50对所述中央处理部40演算的第1声音数据D1与图像数据进行协调、覆盖，在视觉上显现；累积信号收集步骤S50，在比所述第1时间帧T1时间更以后的第2时间帧T2期间，所述声音信号收集部20收集噪声源的声音信号；累积信号分析步骤S60，所述中央处理部40以在第2时间帧T2期间收集的声音信号为基础，计算各地点的波束功率P_ij，生成第2声音数据D2；累积显现步骤S70，所述显示部50把利用第2声音数据D2和初始声音数据D1或第2声音数据D2和初始声音数据D1演算的声音矩阵M3映射于图像数据，在视觉上显现。

优选在初始分析步骤或累积信号分析步骤中，中央处理部以在一个时间帧期间收集的声音信号为基础，计算各地点的波束功率值，在利用在其中选择的至少两个波束功率值计算差异值而计算的值大于预先设置的值的情况下，当作有效的声音数据进行处置，映射于图像数据，进行重叠显示，或当作数据存储的触发信号。

优选在初始分析步骤或累积信号分析步骤中，中央处理部在波束功率P_ij值中最大值P_max与最小值P_min的差异大于预先设置的基准值△P1或最大值P_max与平均值P_mean的差异大于预先设置的基准值△P2的情况下，当作有效的声音数据进行处置，映射于图像数据，进行重叠显示，或当作数据存储的触发信号。

以在一个时间帧期间收集的声音信号为基础计算的各地点的波束功率P_ij值的标准偏差值大于预先设置的基准时，中央处理部判断为发生了有效的噪声，当作有效的声音数据进行处置，映射于图像数据，进行重叠显示，或当作数据存储的触发信号。

(发明效果)

根据本发明，提供一种声学照相机系统，能够有效发现在互不相同地点、不同瞬间发生的噪声、杂音，并使使用者可以轻松识别。

本发明的噪声源可视化数据累积显示方法及声学照相机系统，利用在一个时间段测量的一帧的声音数据矩阵的构成要素间的差异值，根据是否在对象噪声源发生有效的噪声而实施触发，或只有在该情况下才当作有效数据进行处置，解决了如下问题，即，成为测量分析对象的噪声源在无噪声发生的瞬间，在周围噪声导致的背景噪声增大时触发，发生分析对象噪声特性被不需要的噪声(背景噪声)埋没而不显示的问题。

本发明的噪声源可视化数据累积显示方法及声学照相机系统，把机械类、电子装置类、汽车等在不同地点不同瞬间发生的噪声累积显示于一个画面，不仅能够明确掌握多个噪声源的位置，而且能够依次显示噪声源的噪声程度，具有的有利效果是，可以借助于固有的触发或有效数据甄别法，把并非噪声源区域的外部噪声的影响从音场可视化画面上排除。

附图说明

图1a、图1b、图1c是波束形成概念说明图。

图2a、图2b是噪声源可视化数据累积显示声学照相机系统构成图。

图3是噪声源可视化数据累积显示方法流程图。

图4a(Over All Level:45.1dB)、图4b(Over All Level:57.7dB)是在相同位置不同时间测量分析的两个声音数据帧示意图。

图5a、图5b是从按行列显示的声音数据的波束功率电平值(行列要素值，Pij)中去除平均值的声音数据帧示意图。

图5c是对图5a、图5b的声音数据帧的各行列要素值进行平均而显示的声音数据帧示意图；

图5d是进行平均作业的M_ij示意图。

符号说明

10:MEMS声音感知传感器

20:声音信号收集部

30:摄影镜头

40:中央处理部

50:显示部

100:声音及图像信号收集手段

具体实施方式

图1a、图1b、图1c是波束形成概念说明图。可以通过下面的数式说明波束形成方法。yi(t)是第i号麦克风测量的信号，z(t)是波束输出。在M个麦克风测量的各个信号中，给予向虚拟声源方向的时间迟延，按传感器乘以加权值后，如果加上信号，则可以获得波束功率。如果实际声源与虚拟声源方向一致，则信号被放大。通过这种方法，可以推定噪声源的位置。可以如下用数式表现波束功率。

$b\left(t\right)=\underset{j}{\Σ}{p}_{m(t-{\mathrm{\Δt}}_j)}$

当在任意的位置存在虚拟噪声源时，可以如下用数式表现噪声源的大小。

$s\left(t\right)=\underset{j}{\Σ}\frac{1}{r_j}ei\[{\mathrm{kr}}_j-\mathrm{\ω}(t+{\mathrm{\Δt}}_j)\]$

$z\left(t\right)=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{p}_m(t-{\mathrm{\Δ}}_m)$

其中，M为麦克风数量，w_M为振幅加权(＝1/M)。

通过下式定义声音压力水平(SPL(Sound Pressure Level)，L_P)

$SPL\left(L_p\right)=10{\log }_{10}{\left(\frac{p_{rms}}{p_{ref}}\right)}^2$

p_ref：20μPa(20×10^-6N/m²)

可以根据加权函数(考虑距离)表现为预想水平，波束功率水平BPL(Beam-Power Level)如下式：

$BPL=10{\log }_{10}{\left(\frac{z_{rms}}{p_{ref}}\right)}^2$

如图2至图6所示，本发明的噪声源可视化数据累积显示方法包括提供声音及图像信号收集手段100的步骤S10、初始信号收集步骤S20、初始分析步骤S30、初始显现步骤S40、累积信号收集步骤S50、累积信号分析步骤S60和累积显现步骤S70构成。

<步骤S10、S20>

如图2(a,b)、图3所示，在提供声音及图像信号收集手段100的步骤S10中提供的装置包括：MEMS声音感知传感器10，其在曲面上或平面上按均一间隔隔开配置，感知噪声源的声音信号；声音信号收集部20，其把从所述MEMS声音感知传感器10接收的声音信号变换成数字信号，传送给中央处理部40；摄影镜头30，其拍摄所述噪声源的光学影像。

其中，与MEMS声音感知传感器10相关，微机电系统(MEMS,Micro Electro Mechanical System)是应用半导体制造工序，同时集成微米大小的超微机械部件与电子回路的技术。MEMS麦克风利用加装于薄膜传感器的电极之间的静电容量的变化，测量作用于薄膜的压力导致的薄膜的机械性变形，具有与普通电容器麦克风相同的工作原理。MEMS麦克风利用ADC，把模拟信号直接测量为数字PDM(Pulse Density Modulation)，因而具有不需要利用模拟传感器进行测量时所需的另外的昂贵ADC测量装置的优点。

在初始信号收集步骤S20中，在第1时间帧T1期间，声音及图像信号收集手段100收集噪声源的声音信号和影像。实际上，声音信号收集部20可以无休止期地按连续的时间间隔进行测量。随后根据中央处理部的分析判断，只显示、存储认定为有效数据的时间区间的数据。

<步骤S30、S40>

在一个实施例中，如图4a和图6a所示，在第1声音数据生成步骤中，中央处理部40生成如图4a所示的关于噪声源各地点的波束功率水平矩阵。在初始分析步骤S30中，中央处理部40以在第1时间帧T1期间收集的声音信号为基础，计算各地点的波束功率P_ij，生成第1声音数据，以所述摄影镜头30的信号为基础，生成影像数据。

其中，所谓声音数据，可以是各地点的波束功率P_ij水平自身，或以各地点的波束功率P_ij水平为基础生成的矩阵形态的声音数值。其中，所谓以波束功率P_ij水平为基础生成的矩阵形态的声音数值，例如，如图5(a,b)所示，可以是从各地点的波束功率P_ij水平去除平均值后的值。或者，可以分为最大值、平均值、总水平等，或是利用最大值、平均值、总水平等进行规范化的值。

在一个实施例中，初始显现步骤S40显现第一个影像。在初始显现步骤S40中，显示部50对中央处理部40演算的第1声音数据与图像数据进行协调，重叠地覆盖，在视觉上显现。

<步骤S50>

在一个实施例中，在累积信号收集步骤S50中，MEMS声音感知传感器10与声音信号收集部20在比第1时间帧T1时间更以后的第2时间帧T2期间，收集噪声源的声音信号。实际上，声音信号收集部20是无休止期地按连续的时间间隔进行测量。随后根据中央处理部的分析判断，只显示或存储认定为有效数据的时间区间的数据。

<步骤S60>

在一个实施例，如图4b所示，在累积信号分析步骤S60中，中央处理部40生成如图4b所示的声音矩阵。中央处理部40以在第2时间帧T2期间收集的声音信号为基础，计算各地点的波束功率P_ij，生成累积声音数据。其中，所谓声音数据，可以是各地点的波束功率P_ij水平自身，或是以各地点的波束功率P_ij水平为基础生成的矩阵形态的声音数值。其中，所谓以波束功率P_ij水平为基础生成的矩阵形态的声音数值，例如，如图5(a,b)所示，可以是从各地点的波束功率P_ij水平去除平均值后的值。或者，分为最大值、平均值、总水平等，或是利用最大值、平均值、总水平等进行规范化的值。

<步骤S70>

在一个实施例中，如图5c所示，在累积显现步骤S70中，显示部50把第2声音数据D2和初始声音数据D1或者把第5、4、3、2声音数据(D5,D4,D3,D2)和初始声音数据D1映射于一个光学图像上进行显示。

其中，如图5c所示，中央处理部40可以生成利用第2声音数据D2和初始声音数据D1演算的声音矩阵M3，可以将其映射于光学图像上进行显示。在图5c中，所谓利用第2声音数据D2和初始声音数据D1演算的声音矩阵M，是指对图5a和图5b的数据进行平均。此时，所谓演算意味着进行平均的作业的M_ij，如图5d所示。

然后，步骤S50、S60、S70例如可以反复1次～10次，在某些情况下，反复远远更多的次数，把不同时段的噪声源发生程度显示于一个画面上。

<有效数据判断、触发>

在初始分析步骤S30或累积信号分析步骤S60中，中央处理部40可以以在一个时间帧期间收集的声音信号为基础，计算各地点的波束功率P_ij值，在利用在其中选择至少两个波束功率值计算差异值而计算的值大于预先设置的值的情况下，当作有效的声音数据进行处置，映射于图像数据，进行重叠显示，或当作数据存储的触发信号。在初始分析步骤S30或累积信号分析步骤S60中，中央处理部40在波束功率P_ij值中最大值P_max与最小值P_min的差异大于预先设置的基准值△P1或最大值P_max与平均值P_mean的差异大于预先设置的基准值△P2的情况下，可以当作有效的声音数据进行处置，映射于图像数据，进行重叠显示，或当作数据存储的触发信号。以在一个时间帧期间收集的声音信号为基础计算的各地点的波束功率P_ij值的标准偏差值大于预先设置的基准时，所述中央处理部40可以判断为发生了有效的噪声，当作有效的声音数据进行处置，映射于图像数据，进行重叠显示，或当作数据存储的触发信号。

如图2至图6所示，本发明的噪声源可视化数据累积显示方法包括MEMS声音感知传感器10、声音信号收集部20、摄影镜头30、中央处理部40和显示部50。如图2b所示，MEMS声音感知传感器10在曲面上或平面上(图中未示出)按均一间隔隔开配置，感知噪声源的声音信号。声音信号收集部20把从MEMS声音感知传感器10接收的声音信号变换成数字信号，传送给中央处理部40。

摄影镜头30拍摄所述噪声源的光学影像。中央处理部40以在时间帧期间收集的声音信号为基础，计算各地点的波束功率P_ij，生成声音数据，以摄影镜头30的信号为基础，生成影像数据。显示部50对所述中央处理部40演算的声音数据与图像数据进行协调并重叠覆盖，在视觉上显现。

此时，中央处理部40对使用所述MEMS声音感知传感器10与声音信号收集部20而在互不相同瞬间取得的声音信号进行波束形成，生成至少两个以上的声场可视化影像后，映射于从摄影镜头30获得的一个光学图像上进行显示。中央处理部40可以对在互不相同瞬间取得的声音信号进行波束形成，生成至少两个以上的声音数据后，对其进行规范化后，映射于光学图像上进行累积显示。

本发明就以上言及的优选实施例进行了说明，但本发明的范围并非限定于这种实施例，本发明的范围根据以下的权利要求书而确定，包括属于与本发明均等范围的多样的修订及变形。

需要指出的是，下面的权利要求书中记载的附图符号单纯用于辅助发明的理解，不影响权利范围的解释，不得根据记载的附图符号，缩窄解释权利范围。