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声学检测、音频分析与DSSF3操作详解·10

第5章 噪声测量(EA)

传统的环境噪声测量(噪音污染监测)是一项浩大而复杂的工程,需要大量的时间、人力、资金和设备,而且专业性较强,受天气、气温、场地等多种因素的制约和影响也多。特别是普通个人或家庭,有这方面需求的时候,要么花大钱求助于专业机构或政府部门,要么“数据基本靠估”,十分不便。计算机软件和数字音频技术发展起来以后,这种情况有所改观,不少公司相继开发了一系列的噪声监测类应用程序,面向专业用户的同时又大力向民用领域和个人用户拓展。

SSF3的噪声测量系统(EA)就是在这个背景下开发出来的。经过数年的更新完善,目前已经发展的相当成熟。笔者在长期的实际应用中摸索出,该系统不仅可替代传统的环境噪声监测设备,甚至还可作为军事、交通、司法、刑侦、公安等领域的调查取证、声纹鉴别、安防监控等方面的辅助系统来使用,功能比较强大,具有很高的实用价值。

5.1 功能简介

专业未必复杂。EA使用比较简单。启动软件后,点击“测量”菜单下的“开始自动测量”,或者点击工具栏中的按钮 就可以干活了。见图1所示:

图1:噪声测量系统—操作主界面

这种方式属于触发式启动,当系统检测到环境中的噪声达到所设置的电平阈值时,自动开始记录,噪声低于阈值,自动停止。启动阈值在我做该软件的汉化时,统一翻译为“触发声压级”,可在图2所示的“配置测量条件”对话框中设置(点击“测量”菜单下的“测量条件”)。

图2:噪声测量系统—配置测量条件对话框

使用自动测量功能有一个前提,那就是话筒已经进行了声压级校准(响度标定。这个校准和数字音频领域广泛采用的0dBFS满刻度电平不是一回事。如果所有周边硬件已知并确定,两者可以建立对应式关联。声压级校准和阈值设置,也可使用相对于0dBFS满刻度的电平负值,这种电平模式适合于检测音频设备和周边器材的底噪)。DSSF3的实时分析系统和噪声测量系统均提供了强大的校准功能。

当然还可以使用手动方式来启动。这种方式称为“人工测量”,点击工具栏中的按钮 ,或者“测量”菜单下的“人工测量”,均可。手动方式下,停止测量也需要人工干预,否则就没完没了,一地鸡毛了。

还有一种方式是定时测量,只需指定开始和结束的日期时间(精确到秒),而后确定。只要不关机,并且内存和硬盘够大,一切无需操心。

测量完成,有关数据自动进行统计分析和相关运算,同时,测量记录出现在主窗口的列表区(注意,不是波形图,而是文本数据列表),并显示出本次测量的有关数据,比如测量日期、噪声来源、最大声压级等等。测量数据保存后将自动添加到DSSF3数据库中,供用户在声学分析系统中进行更精细的计算和更全面的统计分析。鼠标右键点击,弹出噪声模板对话框,以确定该数据所属的噪声类型(声纹类别),双击该记录,则打开图3所示的参数对话框,以各声学参数的二维图示和数据列表两种方式显示更多信息,可以精确查看测量记录(声音)在每个时间点的数据分析,时间精度可由用户自行设置。

图3:噪声测量系统—参数对话框

测量时,可打开电平表实时观察,如图4所示。EA有两种模式的电平表,一是采用0dBFS满刻度的峰值电平LED指示灯,二是标识实际响度的声压计。

图4:噪声测量系统—电平表

对ACF自相关函数和IACF双耳间互相关函数比较了解并能熟练运用者,可将不同类型但具有显著特点的声源信息保存为噪声模板(声纹模板)。如果将EA用于特殊领域,榨干该软件的最后一滴血并超水平发挥其实用价值,那么科学使用噪声模板将会带来巨大的实用效益,同时,所要建立的模板也是越多越好。关于这个功能,话不在多,点到即止。测量数据一旦和已有的模板相吻合,主界面列表区中将自动显示该数据所属的声纹类别(噪声来源)。可配合本系统的人工学习或自动学习功能,提高声纹鉴别率。

5.2 操作重点

1、系统连接,检查走线、信号流程、进出电平等。确保无误。

2、点击菜单“测量”下的“配置输入设备”,或者工具栏中的对应按钮,设置音频端口。而后点击【编辑】按钮进行测量前的校准。主要是声压级对应、灵敏度调整、校准幅频响应。具体操作、使用和原理参见前文。

3、配置测量条件。点击“测量”菜单下或工具栏中的对应项目。

图5:噪声测量系统—配置测量条件对话框

图5所示的对话框是噪声测量系统运行的核心,正确设置与合理的时间精度能使测量结果更加准确和实用。一个较常用的时间设置:卷积时间0.1秒、卷积间隔0.05秒、最大延时0.05秒。当然,精度越高,所需要的计算时间越长,占用的系统资源越多。

模数转换

•采样率:记录数据时的数字音频采样率(模数转换采样率)。

测量对象

•触发声压级:自动测量和定时测量模式下,触发启动的电平阈值。信号电平达到该值,开始测量并记录数据;信号电平小于该值,停止记录。此处可按实际声压级响度值设置,也可按0dBFS满刻度电平值设置(此时数值一定为负数,并且需勾选下面的“相对电平”)。

•时间常数:系统监视信号峰值电平的间隔时间。

•定时测量:设置定时测量模式下,是按启动阈值自动开始和结束测量,还是按定时的时间范围之内的信号峰值(最大电平)开始和结束测量。开始和结束测量的时间点由下面的测量时段设置。

•测量时段:信号达到启动阈值之前多少时间即开始记录(向前)。信号达到启动阈值之后,继续记录多长时间(向后)。比如:向前设置为3,向后设置为4。开始测量,信号在第9秒的时候,电平达到了启动阈值或最大峰值,那么此时记录下的时间范围是:从第6秒开始,到第13秒结束。见图6所示:

图6:以启动阈值为基准,向前和向后各记录一段时间

计算ACF函数

•卷积时间:计算ACF函数(自相关)和IACF函数(耳间互相关)的卷积时间。其值越大,需要的计算时间越长。根据噪声类型来设置。

•卷积间隔:上一个卷积计算完毕之后,进行下一个卷积计算之前的缓冲时间,也即相邻数据卷积计算的间隔时间。

•计权算法:设置平均计算时的频率计权规则。平直为无计权,A计权为符合人类听觉生理学的频响计权法。

•最大延时:设置ACF自相关的最大延迟时间,要得到正确的结果,此值必须大于ACF的预期值,但是数值太大的话,将导致计算时间过长。通常设置为0.2秒即可。

Tau-e算法

•峰值间隔: ACF自相关有效峰值的间隔时间。

•衰减电平:确定峰值衰减多少dB之后停止计算。

•衰减延时:如果没有检测到足够的衰减电平(比如一直保持某个峰值电平),则多长时间之后停止计算。

鉴定

•最大声压级:确定噪声类型时,以测量期间的最大声压级为标准。此选项对较大音量的噪声比较有用。

•最小Tau-e:确定噪声类型时,ACF间隔时间以声压级为标准(声音特性变化越大,Tau-e值越小)。勾选后,必须指定有效时间之内的最大声压级和最小声压级。

测量时间

•开始时间:定时测量的开始日期和时间,精确到秒。

•结束时间:定时测量的结束日期和时间,精确到秒。

•【当前时间】:点击该按钮,对应值设置为当前日期和时间。

5.3 测量分析

根据实际情况和需要采用自动模式、人工模式和定时模式中的一种。测量时可打开LED电平表和文本声压计,实时观察电平和响度的变化情况。采用人工模式测量,首先弹出对话框,输入测量时间,而后点击【开始】按钮。如图7所示:

图7:噪声测量系统—人工测量对话框

测量过程中可随时点击【停止】,点击【关闭】则不保留本次测量的所有数据。测量完成或停止测量后,数据出现在主界面的列表区并自动计算和统计分析,正在计算的数据将给出“精确计算”字样,数据行红色显示;尚未计算的数据将给出“稍等”字样,数据行蓝色显示。可取消数据记录后的自动计算功能,点击“测量”菜单下的“自动计算”,取消该菜单项前面的√。如图8所示:

图8:噪声测量系统—取消数据记录后的自动计算功能

计算完成的数据可保存下来,添加到系统数据库中。这个过程在DSSF3中称为记录入库。可选择只保存统计结果,还是统计结果和音频数据一起保存。已经入库的数据,可在DSSF3声学分析系统中读取和二次计算,以进行更全面的声学分析。见图9所示。

图9:噪声测量系统—保存测量数据

主窗口中双击数据,或者选中数据后点击“查看”菜单下的“ACF/IACF参数”,弹出参数对话框,给出数据的统计结果和相关声学参数的二维图示,供用户观察分析。此对话框中有【播放】按钮,点击后可对记录的数据进行试听。

除了对本身所记录和测量的数据进行统计分析之外,EA还可以加载并分析外部的音频数据(WAV格式的音频文件。仅5.0以上版本有此功能),具体操作见图10所示。

图10:噪声测量系统—加载外部的WAV音频文件