声测试与声谱分析.doc

　声谱分析是将声音 (通常指复合声 )以图形表示 ,绘出不同频率的振幅 ,得到的图形可表示各个频率分量对总体音响的相对贡献。在声乐教学中应用声谱分析 ,可将看不见的声音可视化 ,使声乐教学从传统模式转变成“口—耳—眼”相互结合的教学模式。

检查岩层的稳定性向来是用敲帮问顶的办法,主要是根据矿工的经验及矿山的特定条件来判别是否安全。然而,这种办法虽然一般都很有效,但有时也会出差错。有些因素往往使区别稳定和非稳定的岩层出现严重差错

基于声谱分析的阀门内泄漏检测系统
基于阀门内泄漏时产生的泄漏量与泄漏时湍流产生的声发射特征,研制了便携式阀门内泄漏声学检测仪.阐述了基于声学的阀门内泄漏检测系统,通过检测阀门内泄漏产生的泄漏谱估算了阀门的泄漏量. 该系统采用了2 只压电传感器对泄漏的声信号进行采集,利用DSP 技术进行谱分析,并将泄漏谱在频域相减,实现了弱小泄漏的有效检测.
　　工业阀门在自动化控制、石油、化工、电站、冶金等领域应用越来越广泛,自动化程度也越来越高.由于阀门使用量大、开闭频繁,或使用维修不当,经常发生跑、冒、滴、漏现象,尤其内漏易于引发重大事故,带来不可估量的损失. 国外从20 世纪60 年代起就开展了阀门泄漏检测技术的研究,部分研究成果已经得到了广泛应用. 目前,我国在这方面还只是处于理论研究阶段,没有实用的产品. 基于阀门内泄漏时产生的泄漏量与泄漏时湍流产生的声发射特征,笔者研制了便携式阀门内泄漏声学检测仪,能够有效检测阀门内泄漏.
1、系统构成

图1 　泄漏检测系统构成
　　泄漏检测系统构成见图1. 图1 电路分为3个部分:
　　(1) 模拟部分,包括电荷放大器、增益控制电路、带通滤波器;
　　(2) 数字部分,主要包括DSP 信号处理器、真彩色320 ×240 液晶显示器、薄膜键盘、实时时钟及大容量掉电保持存储器;
　　(3) 电源部分,采用可充电锂电池组供电,再由电源电路变换为所需的4 组电源.
　　小孔泄漏时产生的声发射强度极其微弱,加之应用环境噪声较大,所以要检测出在恶劣环境下的阀门内泄漏所发出的声信号,必须对系统模拟信号放大部分进行精心设计. 系统的前端为2 个压电传感器,其中一个用于检测阀门泄漏时湍流产生的声信号,另一个用于检测管线背景噪声. 阀门泄漏时产生的声信号谱范围较宽,能量集中在10～200 kHz. 为防止频谱混叠,在电路中设置带通滤波器,用以滤除在该频段以外的低频干扰及高频干扰. 传感器采用电荷输出的压电传感器,为减小电缆寄生电容的影响,后端接口电路采用电荷放大器. 由于信号极其微弱,电荷放大器采用低噪声高增益运算放大器构成. 阀门泄漏量的变化范围很大,产生的信号强度变化范围超过100 dB. 采用固定增益放大将导致放大电路饱和,信号失真. 因此,在设计中,DSP 信号处理器可通过增益调节电路控制放大电路增益量. 设增益量G的调节范围为Gmax～Gmin ,后端A/D分辨率为n 位二进制位,则该仪器的动态范围Df 为

由于在DSP 处理过程中需要8位有效的二进制位,所以采用16 位A/D转换器后,式(1)中的n 应取8 位, Gmax/Gmin为1000,则仪器的动态范围可达108 dB ,满足应用要求.人机交互接口采用320 ×240 彩色液晶显示器,键盘采用18 健薄膜键盘. 设置有拼音输入法,可输入汉字信息. 电路中设置有4 MB 大容量存储器及实时时钟,可对阀门数据记录. 另外,该仪器采用USB 接口,可直接同计算机相连,实现信息的传输.
　考虑到模拟电路的电源抑制能力,电源部分采用1. 5 MHz 专用开关电源芯片,产生±5 V电源供电.另外还提供+ 3.3 V数字电源. 由于液晶显示器需要800 V 供电,该电源产生的电磁干扰较强,干扰途径分为电磁辐射、感应耦合及电路传导,必须采取有力措施加以抑制. 针对不同的干扰途径,分别采取屏蔽、隔离、滤波及接地等措施,使得干扰下降50dB.
2、频谱分析
　　由于阀门安装管线易受干扰振动,虽然采用了有源模拟滤波电路,但在通带内的管线振动噪声仍然会被放大采集,影响泄漏量的估算. 当泄漏较小时,泄漏产生的声信号幅度很小,信号完全被管线噪声淹没.将一个压电传感器安装在距离阀门3～4 个管线直径处,另一个压电传感器安装在同侧较远处. 在仪器中,分别对2 路信号进行频谱分析后,将2 个频谱相减,得到的频谱即为泄漏谱. 利用该泄漏谱估算阀门的泄漏量.
　　根据采样定理、信号处理实时性及分辨率的要求,其关系为

　　式中: fs为采样频率; fmax为所需处理信号最高频率; F为频率分辨率; N为采样点数.阀门内泄漏检测系统的fmax为200 kHz , F 为0.5kHz ,依据式(2) 的关系,确定f 为512kHz , N 取1024点. 在数据处理过程中,为了减小频谱的失真,引入海明窗作为截取的窗函数,即

　　式中:w(n)为海明窗; RN(n)为矩形窗. 由于海明窗99.963%的能量集中在窗谱的主瓣内,旁瓣峰值小于主瓣峰值的1%.
3、结束语
　　阀门内泄漏检测系统中,在阀门处和下端放置2 个压电传感器,谱分析后相减,不仅有效的抑制了管线噪声,而且降低了对硬件电路的要求. 现场试验发现,对于球阀门泄漏,其泄露谱能量集中在25 KHz左右,且当压差一定时,其泄漏量与泄漏谱振幅为双对数关系. 该仪器对弱小泄漏具有良好的检测效果.
在论坛上经常听网友说利用FOOBAR2000的声谱图能分析音质，但是很多像我这样的菜鸟都很茫然，具体怎么看呢？小菜自己研究一下。下面是我的方法。初学，仅供参考。
  调出声谱图，把比率设置为“线性”，声道设置为“不更改”（最好窗口托大一点，这样便于观察），两个声道当然就是两条图谱了哦，主要观察每个声道的高频部分（就是单个图谱的上半部分）有没有被切掉（一般都这样）。被宰的越多应该就越差。
  下面是《吻别》的声谱图，前一个是用EAC从CD抓的无损格式，后一个是我把它压缩成64码率的MP3格式后的声谱，两者有很明显的差异，后者的高频部分几乎被宰成直线了......
对声波或振动进行计算或测量，以取得关于它们的组成和能量的频率分布图形的技术及工作的统称。
    研究表明，振动系统的结构特点、振动方式和声谱的形态之间存在着明显的对应关系，如周期性振动的声谱为线谱，它可以分解成许多个与基频成整倍数关系的简谐振动；撞击引起的阻尼振动的声谱则为连续谱；乐器发出的声音的频谱不仅反映曲调，而且反映乐器的品种；语言的声谱对经过训练的人或具备记忆、对比和按逻辑条件作出判断功能的机器来说,都是“可读的”,根据声谱可以辨意和识别说话人。
    声谱分析在现代人的生活中发挥着重大作用：对噪声污染的控制可通过声谱分析，了解噪声源特点后有效地采取针对性消声和减振措施；工业生产中机械的安装、调整和运转可借助声谱分析进行监察。声谱分析在乐器制作工艺的科学检验、通信和广播设备的有效利用方面都有广泛的应用。譬如说，为了使电话能够在通频带宽只有大约 100Hz的连接美欧两洲的海底电缆中传输而发展起来的，自20世纪60年代以来，在军事通信部门广泛应用的通道式声码器的使用，就需要不断地传送通话的声谱数据；目前正处于积极研制过程中的人机对话语言自动翻译机，其语言识别和语言合成(见语言声学)部分更是离不开声谱分析手段和对语言声谱知识的了解；在人身保健方面、心音、肠鸣等过去全凭医生听觉感受和经验来诊断的生理－物理现象，近年来，随着声谱分析技术的普及也开始利用它来帮助诊断；在海防线上，对于敌方潜艇的侵犯要进行的检测和识别，也依靠广泛的声谱分析。
    声谱的计算　1822年法国数学家J.B.J.傅里叶提出了一个重要概念，就是说，任何函数，尤其是周期函数，都可以表达为基本的三角函数之和，用数学表达式写出来就是
     □ (1)其中□为整数，系数□□、□□由下式给出
     □ (2)
     □ (3)□为周期函数的周期，当函数为非周期过程时，□可看成是一个很大的数,□/□连续地取值，□(□)将由密集的基本函数组合而成,取□趋于无限大的极限时可以得到相应的傅里叶积分表示式。
    实际的声或振动是有起止点的。尤其是因为任何声或振动过程只能在一有限期间受到观察和分析；在计算声谱时,这一期间被当作是相应傅里叶函数的周期□。此外，对被观察和分析过程的抽样取值总在离散的特定时刻进行,根据“上限频率为□的连续函数可由相距为1/2□的各个时刻的取样值在函数存在期间单一地代表”这一抽样定理，抽样率一般选定为等于或略大于上限频率的二倍。这样，对于具体的声或振动过程，只要上限频率已知，按照间隔为1/2□的抽样率取值可以得到□＝□/2□(□＝0，1，2，…，□-1)各点的函数值□□(□)，在离散时间情况下用求和代替积分就可以把公式(2)及(3)改写成便于用数字计算机进行幅度谱及相位谱数值计算的离散傅里叶变换(DFT)。
     □
     □ (5)
    在频率域内以1/□为基本频率的数据序列□□及□□按照公式(4)和(5)算出其数值后，相应的振幅□□及相位□□就可以按照复数的模及相角与复数的正弦和余弦分量的关系
     □得出。实际上用于表达声或振动频谱分布的是和□□相联系的功率谱，这在计算方面省去了开二次方的劳动。
    对于实际存在的声过程来说，即使给出了□(□)的记录，根据傅里叶变换算出□□、□□并得出声谱来的计算非常烦琐和费时。在60年代初期快速傅里叶变换 (FFT)尚未提出，尽管当时已有每秒能作上万次运算的电子计算机可用，但运算还很费时，输入声过程的数据，编制程序等都有一些麻烦要克服，人们仍然不能通过傅里叶变换来考察实际振动或声波的频谱。进入70年代后，由于利用公因子提出以减少乘法运算次数，常用数值可存储查表等的快速傅里叶变换问世，廉价的功能强大的小型和微型计算机的成批生产，声过程输入计算机和频谱分析结果的显示技术手段都已达到便于使用的地步，按照傅里叶变换计算频谱的方法已经成熟,专用的FFT器件和包括换能器、傅里叶变换装置、声谱显示、记录和绘图设施的成套频谱测量分析仪纷纷问世，并成为新时代频谱分析的重要手段。
    滤波测量　把声或振动信号用传声器或拾振器转换为电信号，通过具有频率选择性的滤波器系统以分离频率分量并测量其声压级或振动的位移、速度、加速度是频谱分析方法的另一个重要方面。从20世纪20年代到快速傅里叶变换算法付诸实用之前的这段时期，滤波测量是频谱分析的主要手段。
    由于频谱测量采取了先把声或振动信号转换成电信号，然后对电信号滤波，测量其大小并加以记录的办法，滤波测量技术的演变是伴随着电子技术的发展进行的。 20年代到 60年代主要用电感和电容组合的无源滤波器；60年代到70年代盛行的是电阻和电容加晶体管放大器或集成块运算放大器构成的有源滤波器。70年代以后随着电信号的处理由连续转向离散为主，出现了数字滤波器、开关电容滤波器等单片集成块。在80年代初已经制成了用16个带通开关电容滤波器组覆盖最重要的可听声频带，动态范围大于43dB，频率准确度高于1％,包括能量检测部分的单片频率分析器件。
    由无源滤波器和电子管为核心作成的频谱分析设备体积大而笨重。为了缩小这类测试仪器的尺寸，减轻重量，人们曾经提出过只用一只固定通频带的滤波器，而宽频带的覆盖任务用外差方法产生拍频效应来完成，另外，对频谱分析结果不采取多道记录，而是用单道通过快速扫描来实现顺序记录。
    有源滤波器的声谱测量设备的体积和重量较之无源滤波器的相同功能设备已经缩小和减轻很多，但是一般适宜在实验室条件下使用，从在各种条件下使用都很方便的要求衡量,单片频谱分析器件算是能满足低成本、低功耗、体积小、重量轻、性能好而稳定的新时代产品。
    数字滤波器，利用状态延时和叠加来产生波的干涉效应，达到分离不同频率分量的目的。为了实现对时间上连续变化的电（声）信号□(□)进行滤波，首先要对它按照频率范围进行适当的定时抽样以得到离散序列□(0)，□(□)，□(2□)，…，□(□□), 然后使此离散过程经过各种延时，再按照一定的组合关系给以计数和叠加，这样得到的新过程
     □ (8)所具有的频率选择性，将取决于延时量的大小和计权量□(□□)的设置情况。按照表达式（8）实现过程滤波所需的电子器件应该完成的功能只是状态延时、计权和叠加三者。60年代数字集成电路的发展情况正好提供了这种功能块。在这种情况下设计制作滤波器的问题就是如何搭配这些功能块以满足预定的选频要求。数字滤波器的选频特性可以作到和无源、有源滤波器的相当，体积较小，重量较轻，但是除了把时间上连续变化的声过程按照一定的要求进行定时抽样离散化外，还需要把离散化的数据转换成二进制数。开关电容滤波器免除了把离散化的数据转化为二进制数的麻烦，按开关电容方式工作的电荷耦合器件的出现，使数字滤波器又进入一个新阶段。
    声谱分析的一些实际问题及其解决途径　①选定适当的分析期间。实际生活中的声或振动现象除了可由确定性的参量制约，因而可以用任何一次观测对其作准确的定量描述的确定性过程外,还有因生产、传播和接收系统的参量有偶然性起伏，只能根据大量采样用统计语言描述的随机过程。对随机过程的观察要用较长的观察分析时间或者要进行多次观察以便用经过积累及平均使稳定的必然性因果关系的比重增加，保存下来而偶然性的影响由于存在相互抵消的可能性而最终大大地减小。②用方便的方法判定所考察过程的属性。人们对所考察的过程的属性往往存在疑问，经常出现检验两个过程相似性的要求。为此人们很自然地想到移动时间轴使两个时间函数尽可能地重合的办法和从相应的频谱数据在频率取样点一致情况下看看它们的振幅或能量分布是否存在差异和差距大小的办法。相关函数判断准则的出现和应用，是从时间域观点进行检验的必然结果，而在计算两帧频谱差异的时候，必然要形成和应用互谱，作为相似性判断准则。
本文简要介绍应用声谱技术研究页岩泥化程度的测试方法及结果。成果表明页岩声谱特性较好地反映了页岩造岩矿物的风化蚀变程度即泥化程度，用声谱技术划分页岩泥化程度是一种可行的方法。
【下载论文】页岩泥化程度的声谱分析
声谱分析原理
实验语音学又称为仪器语音学，是一门通过仪器来研究语音的学科，是语音学的分支。

发展历史
实验语音学最初是从对语音的实验研究发展起来的，主要以人的发音生理为主要研究对象。主要通过一些医疗器械，例如胸压计、喉头镜、X光机，来测量人类发音时声带的震动、舌头的部位等。

在20世纪5、60年代，逐渐发展为以声学试验为主，使用示波器、频率分析计、声级记录仪来测量语音的波形和频谱，研究它的物理特性。在这个时期，动态声谱仪的使用对实验语音学的发展起到了很大的促进作用。

随着计算机技术的发展，计算机被应用于语音的分析-合成研究。

研究对象
实验语音学的研究对象是语音。但是和语音学不同的是，它研究的是从说到听整个过程中的言语形式，研究的是语音在发生、传播、感知过程中的各种形式，而不仅仅是已经发出来的语音。

涉及的学科
实验语音学的内容除了涉及语言学之外，还涉及生理学、声学、心理学、电子学、数学、医学、计算机科学的理论和技术，与自然科学地结合越来越紧密。

实验仪器
在实验语音学中所使用的仪器大致可以分为这些：

测量肺部气流的压力和流量的仪器：加热流速计、热镍风速计、气压换能器
观察和测量声带振动的仪器：喉头镜、牙科镜、高速电影摄影机、肌电仪
测量和分析声腔共鸣和调节作用的仪器
对语音的声学特性进行波形分析：音鼓浪纹计、电磁音笔浪纹计、示波器
对语音的声学特性进行频谱分析：频率分析计、语图仪、音高显示器、声级记录仪
利用所建立的共振声谱测量系统，测量得到液体(变压器油)的声速和声阻抗；并与脉冲反射法所得到的测量结果进行分析对比

数字声谱分析仪
窗体顶端
窗体底端

销售单位

●工程测量及试验仪器第一站
暂无销售商信息

发布单位信息请 ieoycom@

简介：

用途：
1.同时进行A、C、F声级测量
2.快速1/3和1/1倍频程谱分析
3.8192线FFT分析
4.时域数据存盘
5.频域数据存盘
6.多种窗函数可选
技术参数：
1.符合标准：GB/T3785 1型和GB/T3241 1级
2.测量范围：30~140dB(A)(ref.20μPa)
3.传声器类型：?12.7mm予极化测试电容传声器
4.频率范围：20Hz~16kHz
5.频率计权：A,C,F(平直)
6.检波特性：RMS(有效值),峰值因数≥10
7.动态范围：70dB
8.量程：30~100dB,50~120dB,70~140dB
9.采样速率：50kHz
10.A/D:16bit
11.FFT带宽：6Hz
12.滤波器带宽：1/3、1/1 OCT.(倍频程)
13.滤波器类型:8阶巴特沃斯数字滤波器
14.滤波器中心频率：1/3 oct:25~12500Hz 共28组(set)
1/1 oct:31.5~8000Hz 共9组(set)
15.声校准：声级校准器：94dB±0.2dB,1kHz±10Hz
活塞发声器：124dB±0.2dB,250Hz±2.5Hz
16.使用温度：-10℃~+50℃
17.相对湿度：30%<RH<90%
18.电池：4×LR6/AA
19.外形尺寸(H×W×D)mm：210×72×32
20.计算机：要求主频越高越好(300MHz主频可在25ms内完成FFT分析,4s内完成1次1/3倍频程谱分析，1s内完成倍频程谱分析),打印口可以设定EPP口。

MATLAB作为一个功能强大的数值计算和可视化软件,被VC++、VB及其它语言编制的程序调用将大大提高编程效率、保证程序的准确性,并且继承VC++等软件良好的用户界面,本文介绍了通过利用MathTools公司的Matcom,实现在VC++环境下通过调用工具箱函数及自编m函数,完成对工程信号实时、可视化分析功能,并以舱音背景声中超速音频警告声为例,实现在专用音频分析软件Adobe Audition界面下实时分析,为提取舱音背景声特征提供了很大的方便.
利用有限元法模拟了脉冲激光作用于单层铝板表面,由热弹机制产生超声波及其传播过程.针对相同厚度而含有不同深度的表面裂痕与给定埋藏深度的亚表面裂痕的单层铝板进行了对比计算,初步得到了声表面波经过表面裂痕及其亚表面裂痕时产生的反射及透射波形的特征;同时基于Wigner-Ville分布的时间-频率分析,得到了在裂痕前、后激光激发的瞬态表面波形的能量在时间-频率平面内分布的情形,并就时-频分析结果提出了不同深度的表面裂痕与亚表面裂痕对声表面波的声谱特征产生的显著影响,为激光超声的无损检测技术走向定量化提供了初步的理论依据.