去除厅堂脉冲响应测量声信号中噪声的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及声学领域的测量技术，尤其是涉及一种基于时频分析去除厅堂脉冲响 应测量声信号中噪声的方法及装置。
【背景技术】
[0002] 脉冲响应是反映厅堂音质的重要物理量，从脉冲响应中可以直接计算出混响时间 (RT60)、早期衰变时间（EDT)、清晰度因子（D50)、明晰度因子（C50)、响度因子（G)、双耳相 关系数（IACC)等厅堂音质参量。准确地测量厅堂脉冲响应声信号对室内声学设计、音质验 收和环境噪声控制技术的发展以及工程实践具有重要意义。现场脉冲响应测量经常受到语 音、交通和施工设备噪声干扰，特别是有观众的现场或施工期间的现场测量，噪声对测试的 干扰几乎不可避免。对于混响时间等音质参量的测量，规范规定测试要在信噪比达到35dB 的情况下测量才有效，然而除了实验室及深夜安静的环境以外，现场测量很难达到这么高 的信噪比。通常在信噪比小于25dB的情况下可导致测试无效，因此抗噪技术对于脉冲响应 现场测量十分重要的。
[0003]目前相关技术被广泛地应用在脉冲响应测量技术中。相对于稳态噪声中断法，针 对稳态噪声该法可有效地提高测量的信噪比，但是这一技术对于非稳态噪声、脉冲噪声等 的去噪效果并不好，而环境噪声如语音、交通和施工噪声大部分是非稳态噪声、脉冲噪声。 因此发展针对非稳态噪声、脉冲噪声的去噪方法对于提高现场脉冲响应测量的精度和可靠 性是十分必要的。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精确、快速、自 动化程度高的去除厅堂脉冲响应测量声信号中噪声的方法及装置，在100~8000Hz范围 内，可将测量脉冲响应所需的信噪比减小至10dB，大大提高了现场测量的精度和可靠性。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种去除厅堂脉冲响应测量声信号中噪声的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007] 1)信号发射模块通过依次连接的数字信号生成及加权单元、数模转换卡、功率放 大器和扬声器向厅堂内发出加权扫频声信号或多频正弦声信号，所示的声信号与厅堂内的 噪声在时频域分布特征上有显著差别；
[0008] 2)信号采集模块通过依次连接的传声器、前置放大器、模数转换卡和数字信号接 收单元，采集厅堂的声压信号，并将其发送给信号时频去噪模块；
[0009] 3)信号时频去噪模块通过时频分析、阈值去噪和有效信号重构方法去除混入信号 内的异时频域噪声，以及同时频域内的非稳态噪声分量，并将去噪后的时频信号返回到时 域，发送给脉冲响应计算模块；
[0010]4)脉冲响应计算模块把去噪后的声压信号与扫频或多频正弦声信号的数字信号 做相关计算，获得厅堂的脉冲响应，并将响应发送给噪声平均声功率去噪模块；
[0011] 5)噪声平均声功率去噪模块首先计算脉冲响应中的稳态噪声声功率，然后在能量 脉冲响应中将其扣除；
[0012] 6)结果显示及存储模块显示在厅堂中测量到的声压信号曲线、声压脉冲响应曲 线、能量脉冲响应曲线，并存储其数字信号。
[0013] 所述的数字信号生成及加权单元包括数字信号生成单元和加权单元，所述的数字 信号生成单元生成信号的计算过程如下，以线性扫频信号为例：
[0014]
[0015] 其中，A是信号幅值；T是信号总时长；t是时间变量；是低截止频率；f2是高截 止频率；
[0016] 所述的信号加权单元对信号进行加权的计算过程如下：
[0017]
[0018] 其中，T是信号总时长；t是时间变量；ejt)是线性扫频信号；ω是角频率。
[0019] 所述的数字信号生成及加权单元对时域和频域上有限的线性扫频信号在时域的 起始和结束段进行了正弦调制，使信号的幅值在起始端和结束端平滑地衰减至零，调制的 原则是保证调制后的信号在测量要求的频带范围内能量基本没有衰减，避免滤波过程的频 谱泄露，降低频域幅值的震荡，使滤波后的信号能量计算更准确，使自相关计算得到的脉冲 更尖锐。
[0020] 所述的信号时频去噪模块包括时频变换子模块、阈值去噪子模块、有效信号重构 子模块以及时频逆变换子模块，其中：
[0021] 11)时频变换子模块，用于把采集的声压时域信号变换为时频域信号，目的是使混 入信号内的异时频域噪声在时频域上与信号分离，其变换方法是利用离散Gabor变换得到 时频分布：
[0022]
[0023] 其中，W=exp(j2π/N); 是时频分析系数的幅值；^U]是采集的声压时域信 号；ΔΜ是时域分析步长；ΔN是频域分析步长；fU-Mi/]是Gabor变换的分析函数；
[0024] 12)阈值去噪子模块，用于有效去除异时频域噪内的噪声，具体为：根据信号与噪 声的时频域分布特征差异性对计算得到的时频变换系数进行处理，确定时频域内的去噪 阈值，高于阈值的信号保留，低于阈值的信号置零，构成新的时频变换系数组，形成有效信 号；
[0025] 13)有效信号重构子模块，用于将在不同时段测量得到的数个有效信号的时频变 换系数的幅值进行比较，同一时频点选择能量幅值最小的系数，得到重构的时频变换系数 组，其中能量幅值最小的系数为噪声污染程度最小的信号，该模块可有效去除同时频域内 噪声的非稳态分量；
[0026] 14)时频逆变换子模块，用于对重构后得到的时频变换系数组进行时频逆变换，将 时频脉冲响应信号变换到时域内，利用离散Gabor展开得：
[0027]
[0028] 其中，W=expUSJi/N);避幻是逆变换后的声压时域信号是重构的时频分 析系数的幅值；石|> - 是Gabor变换的合成函数。
[0029] 所述的脉冲响应计算模块是利用信号发射模块中调制的数字线性扫频信号e<:(t) 与所接收的时频分析去噪后的声压信号y(t)作相关计算，获得该测点关于房间的含噪声 压脉冲响应P(t)，其中y(t)为时域信号乳幻，含部分同时同频噪声n(t):
[0030]y(t) *e。1 (t) =e。（t)*p(t) *e。1 (t)+n(t) *e。1 (t) =p(t)+n(t) *e。1 (t)
[0031]p(t)仍然与噪声n(t)*e。Yt)混合在一起，影响测量精度，其中n(t)*e。Yt)基本 表现为统计意义上的稳态噪声。
[0032] 所述的噪声平均声功率去噪模块的工作原理如下：
[0033] 利用脉冲响应末期噪声占主要地位的信号计算噪声平均声功率，然后将脉冲响应 转换为能量脉冲响应，并在能量脉冲响应全时段内扣除噪声平均声功率，具体过程如下：[0034] 利用时间滑动窗平滑法对能量脉冲响应进行积分，获得平滑化的能量脉冲响应声 能衰减曲线，并在整个积分时域内扣除窗内噪声平均声功率，去除噪声中的稳态分量，假定 厅堂内的脉冲响应P(t)由信号及稳态噪声构成：
[0035] p(t) =p(0)e°t+N(t)
[0036] p(0)是脉冲响应函数的初值；N(t)是稳态噪声，即噪声n(t)*e。^t);
[0037] 对于噪声占主导地位的末期信号，可求其平均声功率得：
[0038]
[0039]其中^为信号声能被背景噪声淹没的时刻，T为ti时刻后噪声总时长，通常情况 下T的长度能够使得T得到较为稳定的估计值即可，由此，长度为T。滑动窗内的声能表示 为：
[0040]
[0041] 去掉噪声的平均声功率后，则得到能量脉冲响应声能衰减曲线为：
[0042]
[0043] -种去丨琢;」里脈仲明/^测垔尸1a亏
栄尸tf」茨直