楊慧　羅來武

[摘 要]針對(duì)聲發(fā)射源定位中的時(shí)延估計(jì)問題，從理論的角度提出將語音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用于聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)間的測(cè)定。希爾伯特-黃變換（HHT）是一種適用于非線性、非平穩(wěn)信號(hào)分析與處理的方法，采用該方法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)和語音信號(hào)進(jìn)行分析，從理論的角度闡述了兩種信號(hào)的共同特性。為將語音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用到聲發(fā)射信號(hào)時(shí)延估計(jì)中提供理論依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]聲發(fā)射；時(shí)延估計(jì)；端點(diǎn)檢測(cè)；HHT

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.45.164

1 引 言

聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）是指結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷源迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬間彈性波的物理現(xiàn)象[1]，絕大多數(shù)材料在發(fā)生斷裂或形變等結(jié)構(gòu)損傷時(shí)都伴隨著聲發(fā)射現(xiàn)象的產(chǎn)生。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)主要包括對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定性、定量、定位等多方面的檢測(cè)與判斷，聲發(fā)射源定位是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和難點(diǎn)之一。

在眾多定位方法中，基于時(shí)延估計(jì)的定位方法由于簡(jiǎn)單易行，計(jì)算量小而被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的時(shí)延估計(jì)方法往往是對(duì)兩個(gè)傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行處理來求得二者之間的時(shí)間差，如金留念等人[2]在基本互相關(guān)的基礎(chǔ)上對(duì)基于二次相關(guān)的時(shí)延估計(jì)方法進(jìn)行了研究；欒風(fēng)虎[3]等人提出了基于高階累計(jì)量的時(shí)延估計(jì)方法；王江[4]提出了基于遺傳算法的自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)。

然而，這些傳統(tǒng)的時(shí)延估計(jì)方法涉及兩路傳感器信號(hào)，無法避免由傳感器之間的特性差異而造成的時(shí)延估計(jì)及定位結(jié)果誤差。針對(duì)這一問題，文獻(xiàn)[5]初步提出了將語音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)用以測(cè)定每一路傳感器信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，進(jìn)而求得兩路信號(hào)之間的時(shí)間差，并就短時(shí)能量法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該方法的可行性。

本文將在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，運(yùn)用希爾伯特-黃變換（HHT）對(duì)語音信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析處理，從瞬時(shí)幅值、瞬時(shí)頻率等多個(gè)角度驗(yàn)證二者的相似性，從而為將端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用于聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)間測(cè)定提供理論依據(jù)。

2 幾種常用端點(diǎn)檢測(cè)原理

端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)是語音信號(hào)處理中的一種基本技術(shù)，用于從一段包含語音的信號(hào)中確定語音的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，其最終目的可以歸結(jié)為區(qū)分信號(hào)中的語音和噪聲。常見的端點(diǎn)檢測(cè)方法主要從語音信號(hào)的短時(shí)能量、短時(shí)過零率、倒譜特征和熵等方面入手，下面對(duì)這幾點(diǎn)分別進(jìn)行介紹。

2.1 短時(shí)能量

在一段語音信號(hào)中，語音段的能量是噪聲能量和有用語音信號(hào)能量疊加之和，因此語音段和噪聲段在能量大小上有著明顯的差別。通過計(jì)算輸入信號(hào)的短時(shí)能量可以有效區(qū)分信號(hào)的語音段和噪聲段，從而實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的端點(diǎn)檢測(cè)。

2.2 短時(shí)平均過零率

對(duì)于連續(xù)的聲發(fā)射信號(hào)來說，過零意味著時(shí)域上的波形穿過時(shí)間軸；而對(duì)于離散的波形信號(hào)來說，則是指其相鄰的采樣值的符號(hào)的改變。短時(shí)過零率就是樣本采樣值改變符號(hào)的次數(shù)。

信號(hào)x（n）的短時(shí)平均過零率定義為：

2.3 倒譜距離和熵

信號(hào)倒譜可以定義為信號(hào)的能量譜密度函數(shù)的對(duì)數(shù)的傅里葉反變換，基于倒譜距離的端點(diǎn)檢測(cè)是將倒譜距離代替短時(shí)能量來作為特征參數(shù)，該方法與基于能量的端點(diǎn)檢測(cè)方法類似。

由于語音信號(hào)中語音段的幅度相對(duì)于噪聲段的幅度動(dòng)態(tài)范圍大，可以認(rèn)為語音段在信號(hào)范圍中的隨機(jī)事件大，即熵值大，而噪聲的幅度小、分布相對(duì)集中，因而熵值小。常用的信息熵和譜熵分別從時(shí)域和頻域來計(jì)算熵值。

通過上述對(duì)幾種常用端點(diǎn)檢測(cè)方法的闡述和分析，可以看出這幾種方法都可以歸結(jié)為是從語音信號(hào)的語音段和噪聲段在能量或頻率上的較大差異出發(fā)進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)的。因此，要驗(yàn)證語音信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)的相似性，從而將端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用于聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)延估計(jì)，可以通過證明聲發(fā)射信號(hào)的有用信號(hào)段和噪聲段在能量和頻率上也存在和語音信號(hào)一樣的差異來實(shí)現(xiàn)。

3 聲發(fā)射信號(hào)和語音信號(hào)相似性論證

非平穩(wěn)信號(hào)是指分布參數(shù)或者分布律隨時(shí)間發(fā)生變化的信號(hào)。非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征是時(shí)間的函數(shù)。與平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)描述相似，傳統(tǒng)上使用概率與數(shù)字特征來描述，工程上多用相關(guān)函數(shù)與時(shí)變功率譜來描述，近年來還發(fā)展了用時(shí)變參數(shù)信號(hào)模擬描述的方法。此外，還需根據(jù)問題的具體特征規(guī)定一些描述方法。目前，非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)還很難有統(tǒng)一而完整的描述方法。

聲發(fā)射信號(hào)和語音信號(hào)均屬于非平穩(wěn)、非線性信號(hào)，其頻率結(jié)構(gòu)隨時(shí)間發(fā)生變化，F(xiàn)ourier變換是將信號(hào)分解成多個(gè)固定頻率和固定幅值的正弦信號(hào)的加權(quán)和，用于分析頻率不隨時(shí)間變化的平穩(wěn)信號(hào)有較好的效果。因此，F(xiàn)ourier變換對(duì)此種信號(hào)不再適用。

3.1 瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率

HHT是1998年提出的一種適用于非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的分析方法[6]。根據(jù)該方法，可以求得信號(hào)的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率，具體過程如下。

設(shè)u（t）為實(shí)信號(hào)，其希爾伯特變換為：

3.2 兩種信號(hào)的相似性論證

按照上文所述，為了驗(yàn)證語音信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)的相似性，可以通過證明這兩種信號(hào)的噪聲段和有用信號(hào)段在頻率和能量（或幅值）上都有著明顯的區(qū)別。根據(jù)上述方法分別對(duì)語音信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率進(jìn)行求解，結(jié)果如圖1和圖2所示。

從圖1和圖2中可以看出，通過求解聲發(fā)射信號(hào)和語音信號(hào)的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率，二者的噪聲段和有用信號(hào)段在幅值和頻率上均發(fā)生了突變，存在較大的差異。根據(jù)上文分析，常用的端點(diǎn)檢測(cè)方法正是從這種差異性入手來實(shí)現(xiàn)的，因此可以將端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用于聲發(fā)射信號(hào)達(dá)到時(shí)間的測(cè)定。

4 結(jié) 論

聲發(fā)射信號(hào)時(shí)延估計(jì)，即計(jì)算出兩路聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)不同傳感器的時(shí)間差。信號(hào)到達(dá)傳感器的時(shí)間的測(cè)定就是有用信號(hào)的起始點(diǎn)，可以看成是區(qū)分聲發(fā)射信號(hào)中的噪聲段和有用信號(hào)段。因此語音信號(hào)的端點(diǎn)檢測(cè)和聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)傳感器時(shí)間的測(cè)定在本質(zhì)上都是為了區(qū)分有用信號(hào)和噪聲。本文通過運(yùn)用HHT求得兩種信號(hào)的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率，從能量（或幅值）兩個(gè)角度證明了二者的相似性，從而為將語音信號(hào)端點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于聲發(fā)射信號(hào)時(shí)延估計(jì)提供了理論依據(jù)。

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