聲信號的頻率分析：倍頻程分析和臨界帶寬

2017-05-04 by:CAE仿真在線來源:互聯網

噪聲頻譜

如果在同一地點,聲壓隨時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。實際上,只有音叉、音頻振蕩器等少數聲源才能發出純音,一般的聲音,尤其對于噪聲都是由許多頻率聲波組成的復合聲。不同的聲音,其含有的頻率成分及各個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系稱為聲的頻譜。聲音的頻率特性,常用頻譜來描述,各個頻率或各個頻段上的聲能量分布繪成的圖形稱為頻譜圖。

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在噪聲控制等聲學問題中,頻譜圖的構成通常是以頻率為橫坐標,以頻率的對數為標度,用聲壓級(或聲強級、聲功率級)做縱坐標,單位是分貝。實際中有幾種典型噪聲頻譜,如寬頻率連續譜、窄頻率連續譜和不連續線狀譜,也有連續譜中雜有能量較高的純音頻率(線狀)的復合頻譜,這些頻譜反映了噪聲能量在各個頻率上的分布特性。

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聲源發出的,也不會形成相干干涉,因此,總的聲能量是各個頻率分量上的能量疊加之和。

倍頻程分析

對噪聲作頻譜分析時,一般并不需要每一個頻率上聲能量的詳細分布。為方便起見,常在連續頻率范圍內把它劃分為若干個相連的小段,每一小段叫做頻帶或頻程,每個小頻帶內的聲能量被認為是均勻的,然后研究不同頻帶上的分布情況。

根據不同的要求,聲學量的分析頻率帶寬的選擇也不一樣。若分析精度要求高時,分析頻帶應選用窄頻帶寬;若是簡單測量,則頻率分析帶寬可以放寬。實際測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的關系為:

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式中n可以為任何值。對于倍頻程帶寬,n=1,對于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應關系。

中心頻率與其上下限截止頻率的對應關系

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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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當聲學信號在各個頻帶內的頻率分量幅值相對恒定時,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,當不是這種情況時,某些頻率分量大大超過其它頻率分量而起支配作用,則應采用窄頻帶寬為分析帶寬更為恰當。

臨界帶寬

當考慮到人對聲音的主觀反應時,聲音的“掩蔽效應”需要特別重視。所謂掩蔽效應,指的是由于一個聲音的存在(掩蔽音,masking tone),使得另一個聲音(被掩蔽音,masked tone)的聽閾抬高的現象。被掩蔽音單獨存在時的聽閾分貝值,或者說在安靜環境中能被人耳聽到的純音的最小值稱為絕對聞閾。

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在掩蔽情況下,提高被掩蔽弱音的強度,使人耳能夠聽見時的聞閾稱為掩蔽聞閾(或稱掩蔽門限),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和頻率都有關。

掩蔽分成時域掩蔽和頻域掩蔽兩種。時域掩蔽指的是在時間上相鄰的聲音之間出現的掩蔽現象,又分為超前掩蔽(pre-masking)和滯后掩蔽(post-masking)兩種。產生時域掩蔽的主要原因是人的大腦處理信息需要花費一定的時間。一般來說,超前掩蔽很短,只有大約5~20ms,而滯后掩蔽可以持續50~200ms。

頻域掩蔽是指時間上同時出現的兩種不同頻率的聲音之間的掩蔽現象,也稱同時掩蔽(simultaneous masking)。例如,一個聲強為60dB、頻率為1000Hz的純音,另外還有一個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到那個1000Hz的強音。如果有一個1000Hz的純音和一個聲強比它低18dB的2000Hz的純音,那么我們的耳朵將會同時聽到這兩個聲音。要想讓2000Hz的純音也聽不到,則需要把它降到比1000Hz的純音低45dB。一般來說,弱純音離強純音越近就越容易被掩蔽。

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