聲信號(hào)的頻率分析：倍頻程分析和臨界帶寬

2017-05-04 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

噪聲頻譜

如果在同一地點(diǎn),聲壓隨時(shí)間的變化都是正弦形式的,那么這聲音是只含有單一頻率的純音。實(shí)際上,只有音叉、音頻振蕩器等少數(shù)聲源才能發(fā)出純音,一般的聲音,尤其對(duì)于噪聲都是由許多頻率聲波組成的復(fù)合聲。不同的聲音,其含有的頻率成分及各個(gè)頻率上的能量分布是不同的,這種頻率成分與能量分布的關(guān)系稱為聲的頻譜。聲音的頻率特性,常用頻譜來(lái)描述,各個(gè)頻率或各個(gè)頻段上的聲能量分布繪成的圖形稱為頻譜圖。

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在噪聲控制等聲學(xué)問(wèn)題中,頻譜圖的構(gòu)成通常是以頻率為橫坐標(biāo),以頻率的對(duì)數(shù)為標(biāo)度,用聲壓級(jí)(或聲強(qiáng)級(jí)、聲功率級(jí))做縱坐標(biāo),單位是分貝。實(shí)際中有幾種典型噪聲頻譜,如寬頻率連續(xù)譜、窄頻率連續(xù)譜和不連續(xù)線狀譜,也有連續(xù)譜中雜有能量較高的純音頻率(線狀)的復(fù)合頻譜,這些頻譜反映了噪聲能量在各個(gè)頻率上的分布特性。

由于頻率不同的聲波是不相干的,所以即使這些不同頻率成分的聲波是由同一個(gè)聲源發(fā)出的,也不會(huì)形成相干干涉,因此,總的聲能量是各個(gè)頻率分量上的能量疊加之和。

倍頻程分析

對(duì)噪聲作頻譜分析時(shí),一般并不需要每一個(gè)頻率上聲能量的詳細(xì)分布。為方便起見(jiàn),常在連續(xù)頻率范圍內(nèi)把它劃分為若干個(gè)相連的小段,每一小段叫做頻帶或頻程,每個(gè)小頻帶內(nèi)的聲能量被認(rèn)為是均勻的,然后研究不同頻帶上的分布情況。

根據(jù)不同的要求,聲學(xué)量的分析頻率帶寬的選擇也不一樣。若分析精度要求高時(shí),分析頻帶應(yīng)選用窄頻帶寬;若是簡(jiǎn)單測(cè)量,則頻率分析帶寬可以放寬。實(shí)際測(cè)量中最為常用的頻率分析帶寬為窄頻帶寬、倍頻程和1/3倍頻程帶寬。窄頻帶寬是恒定頻率分析帶寬,它的大小由頻譜分析儀類型和分析頻率上限值確定。倍頻程帶寬和1/3倍頻程帶寬為百分比帶寬,其頻率帶寬總是中心頻率的恒定百分比,中心頻率f0與帶寬上、下限截止頻率fh和fi的關(guān)系為:

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式中n可以為任何值。對(duì)于倍頻程帶寬,n=1,對(duì)于1/3倍頻程帶寬,n=1/3。下表是倍頻程和1/3倍頻程帶寬中各中心頻率值與其上、下限截止頻率值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

中心頻率與其上下限截止頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

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由表可以看出:倍頻程和1/3倍頻程的頻率帶寬隨中心頻率的增加而增大。

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當(dāng)聲學(xué)信號(hào)在各個(gè)頻帶內(nèi)的頻率分量幅值相對(duì)恒定時(shí),用倍頻程或1/3倍頻程帶寬為頻率分析帶寬是可以滿足要求的,當(dāng)不是這種情況時(shí),某些頻率分量大大超過(guò)其它頻率分量而起支配作用,則應(yīng)采用窄頻帶寬為分析帶寬更為恰當(dāng)。

臨界帶寬

當(dāng)考慮到人對(duì)聲音的主觀反應(yīng)時(shí),聲音的“掩蔽效應(yīng)”需要特別重視。所謂掩蔽效應(yīng),指的是由于一個(gè)聲音的存在(掩蔽音,masking tone),使得另一個(gè)聲音(被掩蔽音,masked tone)的聽(tīng)閾抬高的現(xiàn)象。被掩蔽音單獨(dú)存在時(shí)的聽(tīng)閾分貝值,或者說(shuō)在安靜環(huán)境中能被人耳聽(tīng)到的純音的最小值稱為絕對(duì)聞閾。

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在掩蔽情況下,提高被掩蔽弱音的強(qiáng)度,使人耳能夠聽(tīng)見(jiàn)時(shí)的聞閾稱為掩蔽聞閾(或稱掩蔽門(mén)限),被掩蔽弱音必須提高的分貝值稱為掩蔽量(或稱閾移)以dB表示。掩蔽量與聲音的性質(zhì)和頻率都有關(guān)。

掩蔽分成時(shí)域掩蔽和頻域掩蔽兩種。時(shí)域掩蔽指的是在時(shí)間上相鄰的聲音之間出現(xiàn)的掩蔽現(xiàn)象,又分為超前掩蔽(pre-masking)和滯后掩蔽(post-masking)兩種。產(chǎn)生時(shí)域掩蔽的主要原因是人的大腦處理信息需要花費(fèi)一定的時(shí)間。一般來(lái)說(shuō),超前掩蔽很短,只有大約5~20ms,而滯后掩蔽可以持續(xù)50~200ms。

頻域掩蔽是指時(shí)間上同時(shí)出現(xiàn)的兩種不同頻率的聲音之間的掩蔽現(xiàn)象,也稱同時(shí)掩蔽(simultaneous masking)。例如,一個(gè)聲強(qiáng)為60dB、頻率為1000Hz的純音,另外還有一個(gè)1100Hz的純音,前者比后者高18dB,在這種情況下我們的耳朵就只能聽(tīng)到那個(gè)1000Hz的強(qiáng)音。如果有一個(gè)1000Hz的純音和一個(gè)聲強(qiáng)比它低18dB的2000Hz的純音,那么我們的耳朵將會(huì)同時(shí)聽(tīng)到這兩個(gè)聲音。要想讓2000Hz的純音也聽(tīng)不到,則需要把它降到比1000Hz的純音低45dB。一般來(lái)說(shuō),弱純音離強(qiáng)純音越近就越容易被掩蔽。

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