去除厅堂脉冲响应测量声信号中噪声的方法及装置

摘要

本发明涉及一种去除厅堂脉冲响应测量声信号中噪声的方法及装置，包括：1)信号发射模块向厅堂内发出加权扫频或多频正弦声信号；2)信号采集模块采集厅堂的声压信号；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去除混入信号内的异时频域噪声和同时频域非稳态噪声，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；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数字信号做相关计算，获得厅堂的脉冲响应；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功率，然后在能量脉冲响应中将其扣除；6)显示及存储模块显示计算结果。与现有技术相比，本发明显著提高了现场音质测量的精度和抗噪性能。

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

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：

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；

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；

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；

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；

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；

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。

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：

其中，A是信号幅值；T是信号总时长；t是时间变量；f₁是低截止频率；f₂是高截止频率；

所述的信号加权单元对信号进行加权的计算过程如下：

其中，T是信号总时长；t是时间变量；e₀(t)是线性扫频信号；ω是角频率。

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。

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：

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：

其中，W＝exp(j2π/N)；是时频分析系数的幅值；是采集的声压时域信号；ΔM是时域分析步长；ΔN是频域分析步长；是Gabor变换的分析函数；

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；

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；

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：

其中，W＝exp(j2π/N)；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；是Gabor变换的合成函数。

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e₀(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)为时域信号含部分同时同频噪声n(t)：

y(t)*e₀^-1(t)＝e₀(t)*p(t)*e₀^-1(t)+n(t)*e₀^-1(t)＝p(t)+n(t)*e₀^-1(t)

p(t)仍然与噪声n(t)*e₀^-1(t)混合在一起，影响测量精度，其中n(t)*e₀^-1(t)基本表现为统计意义上的稳态噪声。

所述的噪声平均声功率去噪模块的工作原理如下：

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：

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：

p(t)＝p(0)e^-σt+N(t)

p(0)是脉冲响应函数的初值；N(t)是稳态噪声，即噪声n(t)*e₀^-1(t)；

对于噪声占主导地位的末期信号，可求其平均声功率得：

其中t₁为信号声能被背景噪声淹没的时刻，T为t₁时刻后噪声总时长，通常情况下T的长度能够使得得到较为稳定的估计值即可，由此，长度为T₀滑动窗内的声能表示为：

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：

一种去除厅堂脉冲响应测量声信号中噪声的装置，其特征在于，包括信号发射模块、信号采集模块、信号时频去噪模块、脉冲响应计算模块、噪声平均声功率去噪模块和结果显示及存储模块；所述的信号发射模块负责向厅堂内发出加权扫频声信号；所述的信号采集模块、信号时频去噪模块、脉冲响应计算模块、噪声平均声功率去噪模块、结果显示与存储模块依次连接，所述的脉冲响应计算模块还与信号发射模块相连接。

所述的信号发射模块包括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，用于完成向厅堂内发射加权扫频或多频正弦声信号的任务，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分别进行了正弦调制，使信号的幅值在起始端和结束端平滑地衰减至零；

所述的信号采集模块包括依次连接的传声器、前置放大器、模数转换卡和数字信号接收单元，来完成厅堂内声压信号采集的任务，并将采集信号发送给信号时频去噪模块。

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：

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；

阈值去噪子模块，用于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；

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；

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。

所述的噪声平均声功率去噪模块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平均噪声声功率。

选择信号发射通道和采集通道；输入发射信号时长、采集信号时长、采样频率、信号幅值、扫频信号的起始频率和截止频率。

时频分析时选择窗函数类型、窗函数宽度、时间分析步长、频率分析步长、通过对偶窗函数计算工具箱计算得到分析和合成函数。

所述的结果显示及存储模块包括显示所采集的去噪前的声压曲线显示单元、去噪前的脉冲响应显示单元、去噪后的声压曲线显示单元、去噪后的脉冲响应显示单元；以及去噪前的声压信号存储单元、去噪前的脉冲响应存储单元、去噪后的声压信号存储单元、去噪后的脉冲响应存储单元；

其中，所述的采集声压曲线显示单元显示采集声压曲线图，所述的脉冲响应显示单元显示声压及能量脉冲响应曲线图；所述的声压信号存储单元存储在厅堂内采集到的声压信号，所述的脉冲响应存储单元存储声压脉冲响应。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、使用加权的扫频或多频正弦声信号激励声场，通过接收信号与数字扫频或多频正弦数字信号相关计算得到脉冲响应；扫频或多频正弦声信号与大部分噪声信号在时频域上分布特点不同，通过时频分析和阈值去噪，容易区分和消除大部分与信号时频域分布不同的噪声信号，得到有效信号。

2、对数个时段的有效信号进行比较，相同的时频点选择幅值最低的时频系数，即被噪声污染程度最低的声信号，得到重构的时频系数组，即含噪最少的时频信号(所含噪声大部分是稳态噪声)；因为不同时频点的声信号是不变的，而噪声信号是变的，选择幅值最低的时频系数可以去除与信号同时频域内的噪声的非稳态分量，该方法对于非稳态噪声去噪效果显著。

3、利用重构信号得到时域信号，通过相关计算得到含有稳态噪声的脉冲响应，再利用末期脉冲响应噪声占主导地位的信号段计算噪声的平均声功率，并在全时段能量脉冲响应中扣除噪声的平均声功率，去除能量脉冲响应中的稳态噪声分量。

经过上述对含噪声信号的综合去噪处理，可以有效去除语音、交通、设备和施工等各类稳态、非稳态和脉冲噪声，可将测量必须的信噪比由35dB降至10dB，显著提高脉冲响应现场测量的精度和可靠性，降低了现场测量的难度，测量人员不必为得到35dB信噪比而调用大功率的声信号发射装置(可将声信号发射装置的功率降低100倍)，也不必等到深夜再开展测量。

4、对线性扫频信号进行正弦加权的优点是(1)所得到的脉冲响应更加尖锐，更接近理想的脉冲响应，可显著提高厅堂声压脉冲响应测量的精度；(2)提高电声系统(声源)响应过程的平顺性，如果信号突然大幅上升或终止，会使电声系统产生显著的非线性失真，严重影响测量精度。(3)抗畸变能力强，可将非线性谐波成分排列在声脉冲之前，易于剔除，从而提高脉冲响应的信噪比。

市场上国内外相似的脉冲响应测量系统大部分采用未调制的扫频信号，经常导致电声系统产生显著的非线性失真，严重影响测量精度。

5、针对不同噪声的特点，采用以时频分析为主的综合去噪法，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有效性和可靠性，降低了对声信号发射系统功率的要求，实现测量系统的便携性。

市场上国内外相似的脉冲响应测量系统大部分没有采用完备的声信号去噪系统，必须在信噪比大于35dB的条件下进行测量。这种缺陷大大限值了测量系统在现场测量中的应用。

6、具有数据发射、采集、存储、处理分析一体化，避免了传统测量方法中人工处理数据所产生的误差和错误，显著提高了测量的精度和效率。本发明信号发射、去噪分析和脉冲结果显示的全过程只需要2分钟的时间。利用脉冲响应计算100～8000Hz范围内1/3OTC混响时间等厅堂音质参量只需更短的时间。

市场上国内外采用稳态噪声中断法测量混响时间的设备，测量100～8000Hz范围内1/3OTC混响时间需要30-45分钟，且不能测量其他的音质参量。

市场上国内外采用自然脉冲(戳气球、电火花等)测量脉冲响应的设备，费时费力，且信噪比严重不足，特别是低频部分。在实验室内也经常导致信噪比不足、测量失效的问题。

7、去噪过程和结果可视化，测试人员可通过观察脉冲响应和各频带声压级下降曲线的形态即可初步判断测试及去噪结果的有效性，发现截波、信噪比不足、声场扩散程度差导致错误测试结果的问题，及时调整测试及去噪方案，得到正确的脉冲响应测试结果。独创的显示界面将参数设置、关键的去噪及测量结果进行图像化显示，使操作者可根据图像实时判断去噪及测量结果是否正确，克服了国内外目前测量系统对信号进行黑箱操作，导致测试人员无从判定测量结果可靠性的缺陷。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明信号时频去噪模块的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，基于时频分析去除厅堂脉冲响应测量声信号中噪声的装置，包括信号发射模块1、信号采集模块2、信号时频去噪模块3、脉冲响应计算模块4、噪声平均声功率去噪模块5、结果显示及存储模块6；所述的信号发射模块1负责向厅堂内发出加权扫频等声信号；所述的信号采集模块2、信号时频去噪模块3、脉冲响应计算模块4、噪声平均声功率去噪模块5、结果显示与存储模块6依次连接，脉冲响应计算模块还与信号发射模块相连接；

所述的信号发射模块包括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，来完成向厅堂内发射扫频或多频正弦等声信号的任务。其中，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。

所述的信号采集模块包括依次连接的传声器、前置放大器、模数转换卡和数字信号接收单元，来完成厅堂内声压信号采集的任务，并将采集信号发送给信号时频去噪模块。

所述的信号时频去噪模块包括时频变换子模块31、阈值去噪子模块32、有效信号重构子模块33及时频逆变换子模块34。

11)所述的时频变换子模块31：该模块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：

其中，W＝exp(j2π/N)；是时频分析系数的幅值；是采集的声压时域信号；ΔM是时域分析步长；ΔN是频域分析步长；是Gabor变换的分析函数。

12)阈值去噪子模块32：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。该模块可有效去除同时不同频域内的噪声。

13)有效信号重构子模块33：将在不同时段测量的、按上述方法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(即噪声污染程度最小的信号)，得到重构的时频变换系数组。该模块可去除部分同时同频域内的噪声信号中的非稳态分量，对于非稳态噪声去噪效果较好；

14)时频逆变换子模块34：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：

其中，W＝exp(j2π/N)；是逆变换后的采集声压时域信号；c_m,n是重构时频分析系数的幅值；是Gabor变换的合成函数。

所述的噪声平均声功率去噪模块是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平均噪声声功率(即噪声中的稳态分量)。

基于时频分析去除厅堂脉冲响应测量声信号中噪声的装置，选择信号发射通道和采集通道；输入发射信号时长、采集信号时长、采样频率、信号幅值、扫频信号的起始频率和截止频率等。

时频去噪分析时选择窗函数类型、窗函数宽度、时间分析步长、频率分析步长、通过对偶窗函数计算工具箱计算得到分析和合成函数。

所述的结果显示及存储模块包括显示所采集的去噪前的声压曲线显示单元、去噪前的脉冲响应显示单元、去噪后的声压曲线显示单元、去噪后的脉冲响应显示单元；以及去噪前的声压信号存储单元、去噪前的脉冲响应存储单元、去噪后的声压信号存储单元、去噪后的脉冲响应存储单元。

其中，所述的采集声压曲线显示单元显示采集声压曲线图，所述的脉冲响应显示单元显示声压及能量脉冲响应曲线图；所述的声压信号存储单元存储在厅堂内采集到的声压信号，所述的脉冲响应存储单元存储声压脉冲响应。

本发明的测量步骤为：

1)参数设置：选择信号发射通道和采集通道；输入发射信号时长为10s、采集信号时长为20s、采样频率为44100Hz(应大于最高截止频率至少2倍)、信号幅值为1、扫频信号的起始频率为20Hz和截止频率为20kHz，脉冲响应截断起始时间为9s和截止时间为20s、脉冲到达时刻判据为10dB、环境温度为25℃、混响室体积为268m³；

2)实验是在同济大学声学研究所混响室中进行的，通过调节混响室内的吸声量来获得不同的混响时间，其中1000Hz的混响时间分别为1.5s、2.4s和6.0s。在测量房间混响时间时，在测量频率范围内，传声器位置上的背景噪声声压级应比声源产生的声压级至少低35dB。

3)实验数据表明，有用信号经时频分析后，变换系数的大小随时间和频率有明显的变化趋势，而噪声的变换系数在时频分析图上分布均匀且相对较小。二者在时频域上的分布有显著差异。从含噪信号的时频分析图中可以明显辨别出有用信号和噪声部分。由此，我们可以根据有用信号的时频分析系数变化趋势人为地选择并保留有用信号的时频变换系数，而将噪声部分的时频分析系数置零，从而实现信号去噪。

4)实验还分别处理分析了1.5s、2.4s和6.0s混响时间条件下信噪比分别为25dB、20dB、15dB、10dB和5dB时的含噪信号。现以1/3倍频程1000Hz频带为例，给出不同混响时间、不同信噪比条件下利用理想信号、含噪信号和去噪信号计算得到的混响时间值及其相对误差，如表1-3所示(注：混响时间的计算均利用脉冲响应反向积分法获得衰减曲线，并计算T20)：

表1

表2

表3

上述实验结果表明：无论是在短混响、中混响还是长混响条件下，利用本发明提供的声信号去噪法对信号进行去噪处理，都能达到较好的去噪效果，说明此法切实可行，即便是在信噪比为5dB的条件下(比规范规定的小30dB)也可以得到较为可信的测试数据，误差在可控范围之内。