李金林，代品宣，李　震

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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基于Android的手機(jī)分貝儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李金林，代品宣，李震

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

為了提高室內(nèi)外環(huán)境中噪聲監(jiān)測(cè)的便捷性，針對(duì)Android平臺(tái)，設(shè)計(jì)手機(jī)分貝儀軟件。研究Android系統(tǒng)音頻架構(gòu)和錄音原理，實(shí)時(shí)處理麥克風(fēng)采集到的PCM編碼的音頻流，使用聲壓級(jí)公式計(jì)算分貝值大小。按照軟件開(kāi)發(fā)流程，對(duì)手機(jī)分貝儀進(jìn)行需求分析、界面設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，最終編碼實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)介紹了Android平臺(tái)上音頻采集、儀表盤(pán)、噪聲值曲線的實(shí)現(xiàn)方法。測(cè)試結(jié)果表明，手機(jī)分貝儀軟件基本達(dá)到普通聲級(jí)計(jì)精度要求，有效降低了噪聲監(jiān)測(cè)工作的成本。

Android；音頻系統(tǒng)；分貝儀；聲壓級(jí)

引用格式：李金林，代品宣，李震. 基于Android的手機(jī)分貝儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(16)：91-94.

0　引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)、建筑業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，噪聲污染日益嚴(yán)重，它影響和破壞了人們的正常生活和工作，危害人體健康，已成為當(dāng)今社會(huì)四大公害之一。聲級(jí)計(jì)是聲學(xué)測(cè)量中常用的基本儀器，可廣泛用于環(huán)境噪聲、機(jī)器噪聲、車(chē)輛噪聲以及其他各種噪聲的測(cè)量[1]。隨著現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理和芯片技術(shù)的進(jìn)步，電子音頻技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到移動(dòng)終端中，把手機(jī)作為聲級(jí)計(jì)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與聲學(xué)領(lǐng)域的有益結(jié)合。

Android是Google公司推出的一款專(zhuān)門(mén)為移動(dòng)平臺(tái)定制的、到目前為止最熱門(mén)的嵌入式手機(jī)操作系統(tǒng)[2]。2015年上半年中國(guó)智能手機(jī)市場(chǎng)分析報(bào)告中指出，Android機(jī)型關(guān)注量高達(dá)71.9%。為了提高室內(nèi)外環(huán)境中噪聲監(jiān)測(cè)的便捷性，在Android上進(jìn)行音頻信號(hào)處理相關(guān)的研究與開(kāi)發(fā)成為一種必要。本文以Android移動(dòng)終端為平臺(tái)，設(shè)計(jì)手機(jī)分貝儀軟件。

1　Android音頻系統(tǒng)

Android設(shè)備的音頻系統(tǒng)[3-5]由ALSA框架實(shí)現(xiàn)，該框架在Linux內(nèi)核中為聲卡提供了OSS驅(qū)動(dòng)組件，輸入/輸出組件負(fù)責(zé)播放PCM聲音輸出和從外部獲取的PCM聲音，用Java層管理聲音設(shè)備和對(duì)應(yīng)的屬性設(shè)置。ALSA自上而下由Audio應(yīng)用程序、Audio Java框架層、Audio本地框架層、Audio Flinger、Audio硬件抽象層、ALSA-LIB和底層Audio驅(qū)動(dòng)組成。

1.1錄音功能實(shí)現(xiàn)

Android錄音工作亦通過(guò)分層的方法實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，每層向上提供對(duì)應(yīng)的調(diào)用接口，并調(diào)用下層提供的接口，保證了Android音頻系統(tǒng)的健壯性和穩(wěn)定性。

圖1　Android錄音過(guò)程

Android使用錄音功能時(shí)，先設(shè)置輸入源、采樣格式等參數(shù)，然后建立音軌，獲得服務(wù)代理端。

在Android音頻相關(guān)類(lèi)中，Audio Record和Audio Track分別完成音頻數(shù)據(jù)的采集和輸出。

Audio Track提供兩種數(shù)據(jù)加載模式，即流模式和靜態(tài)模式，及多種音頻流類(lèi)型，如Alarm等，通過(guò)共享內(nèi)存方式完成與Audio Flinger之間的數(shù)據(jù)傳遞。

而Audio Flinger是Audio系統(tǒng)的核心，它處理各種數(shù)據(jù)并最終寫(xiě)入Audio的硬件抽象層。Audio Flinger包含Duplicating Thread、Record Thread、Direct Output Thread三個(gè)內(nèi)部類(lèi)和一些外部類(lèi)(如Mixer Thread、Client等)。Audio Flinger駐留于Media Server。

Audio Policy Service是控制Audio系統(tǒng)的，包括HAL對(duì)象Audio Policy Interface，它與硬件相關(guān)，提供一切設(shè)備切換管理和音量控制接口。

Android音頻錄入系統(tǒng)動(dòng)建立過(guò)程如圖2所示。

圖2　Android音頻錄入系統(tǒng)活動(dòng)建立圖

1.2音頻格式

音頻流的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼后對(duì)應(yīng)的音頻文件分別為AMR格式和PCM格式，前者數(shù)據(jù)是被壓縮的，后者可以直接讀取音頻數(shù)據(jù)。WAV文件(*.wav)中存放的就是PCM數(shù)據(jù)。文件格式分為3個(gè)部分：Riff塊描述、FMT子塊、Data子塊。MP3文件(*.mp3)由3部分組成：TAG_V2(ID3V2)，F(xiàn)rame，TAG_VI(ID3V1)。這3部分順序存放在文件，但并不是所有的MP3文件都同時(shí)具有這3部分。

2　分貝儀原理

噪聲測(cè)量技術(shù)中直接測(cè)量噪聲的聲強(qiáng)是比較困難的，而聲壓則是比較容易測(cè)量的物理量[1]。

人耳是對(duì)聲壓產(chǎn)生反應(yīng)的，同時(shí)聲波的傳輸規(guī)律也主要是由聲壓的變化規(guī)律來(lái)描述。

一般的聲壓測(cè)量系統(tǒng)由傳聲器、聲級(jí)計(jì)、示波器、數(shù)據(jù)記錄儀、信號(hào)分析儀組成。傳聲器將聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；聲級(jí)計(jì)將電壓信號(hào)放大、加權(quán)、倍頻程濾波、均方根檢波和對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，最后給出噪聲的聲壓級(jí)、計(jì)權(quán)聲壓級(jí)或倍頻聲壓級(jí)；示波分儀器則將聲壓測(cè)量結(jié)果可視化，并有效存儲(chǔ)和管理[6]。

聲壓級(jí)的定義為，均方根聲壓與基準(zhǔn)聲壓之比的以10為底的對(duì)數(shù)乘以20，以分貝(dB)表示[7]。對(duì)于空氣中的聲音傳播，基準(zhǔn)聲壓量通常定為20 μPa，即0 dB。

時(shí)間計(jì)權(quán)的定義是規(guī)定時(shí)間常數(shù)的時(shí)間指數(shù)函數(shù)，該函數(shù)是針對(duì)瞬時(shí)聲壓的平方而進(jìn)行計(jì)算[8]。對(duì)于任何瞬時(shí)時(shí)間上的A計(jì)權(quán)和時(shí)間計(jì)權(quán)聲級(jí)用LAτ(t)表示：

(1)

式(1)表明，聲學(xué)測(cè)量的聲壓級(jí)是交變聲壓的有效值，有效值指的是一段時(shí)間內(nèi)信號(hào)的均方值根。

對(duì)于起伏的或者是不連續(xù)的噪聲，很難確定A聲級(jí)的大小，為此可用能量平均的方法來(lái)評(píng)價(jià)噪聲對(duì)人的影響。以一個(gè)A聲級(jí)表示間歇變化出現(xiàn)的A聲級(jí)，即：

(2)

在公式(2)中，LA是變化的A聲級(jí)瞬時(shí)值，單位為dB；T是某段時(shí)間內(nèi)的總量。

在電子線路中可以采用積分電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行一段時(shí)間內(nèi)的平均。但是實(shí)際測(cè)量噪聲時(shí)，是通過(guò)不連續(xù)的采樣進(jìn)行測(cè)量[8]。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，采樣時(shí)間間隔相等，則：

在公式(3)中：N是測(cè)量的聲級(jí)總個(gè)數(shù)。本文設(shè)計(jì)的分貝儀軟件通過(guò)等效聲壓級(jí)公式計(jì)算出分貝值。將聲音緩存中的數(shù)據(jù)取出，用平方和除以總數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，得到分貝值大小。

3　手機(jī)分貝儀設(shè)計(jì)

3.1界面設(shè)計(jì)

分貝儀的功能包括：分貝值、儀表盤(pán)、環(huán)境判別、噪聲曲線。頁(yè)面分為3部分，上部為儀表盤(pán)，中部為文字，下部為曲線圖。中部的左半部分為實(shí)時(shí)數(shù)值顯示，中部的右半部分為當(dāng)前環(huán)境的判別顯示結(jié)果。

3.2音頻采集

在Eclipse中， DB Activity.java對(duì)應(yīng)db_screen.xml視圖。在清單文件中加入RECORD _AUDIO 、RESTART_PACKAGE等權(quán)限，同時(shí)聲明最低SDK版本、硬件支持和音頻轉(zhuǎn)換所需的函數(shù)庫(kù)。

DB Activity初始化后，調(diào)用getNoiseLevel()函數(shù)。函數(shù)中不斷循環(huán)地啟動(dòng)mAudioRecord線程，使用getMinBufferSize方法創(chuàng)建音頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，該對(duì)象的3個(gè)參數(shù)分別為采樣頻率、聲道設(shè)置和編碼制式。根據(jù)公式(3)，將buffer中內(nèi)存取出，進(jìn)行平方和運(yùn)算，把實(shí)時(shí)分貝值賦值給公共變量DB Value。延時(shí)100 ms后，結(jié)束mAudioRecord線程。

3.3儀表盤(pán)設(shè)計(jì)

手機(jī)分貝儀的儀表盤(pán)使用needle圖片作為指針、panel圖片作為背景表盤(pán)，它們?cè)赿b_screen.xml視圖上中心位置重合在一起。在DB Activity初始化后，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，設(shè)置進(jìn)度表為100 ms，在這個(gè)子線程中發(fā)送數(shù)據(jù)消息給handler，就在handle中配合主線程更新分貝儀的UI。本文使用的儀表盤(pán)的最大角度是172°，而儀表盤(pán)實(shí)際刻度是從0到100均勻的，因此把公共變量DB Value乘以1.72賦值角度變量Degree，然后使用旋轉(zhuǎn)RotateAnimation方法更新needleview視圖，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分貝值在儀表盤(pán)上的精確顯示。

3.4環(huán)境判定

根據(jù)實(shí)際測(cè)得的分貝值，對(duì)一般噪聲的危險(xiǎn)接觸級(jí)別進(jìn)行劃分，進(jìn)而判定用戶(hù)所處噪音環(huán)境，比如0～20 dB是非常安靜，20～40 dB是低語(yǔ)等，在儀表盤(pán)所依賴(lài)的定時(shí)器中，用if…else進(jìn)行判定，并使用SpannableString- Builder方法高亮顯字文本字段。實(shí)時(shí)分貝值也是在這一線程更新到分貝儀UI中的TextView上。

3.5噪聲值曲線

在儀表盤(pán)功能實(shí)現(xiàn)所依賴(lài)的定時(shí)器中，實(shí)現(xiàn)噪聲值曲線的繪制功能。在DB Activity中定義DBValueChart數(shù)組，使用移位方法進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。把該數(shù)組中的內(nèi)容賦給PathViewChart，調(diào)整好線、點(diǎn)、文字、連接線的類(lèi)型以及間隔、比例尺后，在Canvas上繪制橫軸、縱軸和曲線實(shí)現(xiàn)曲線圖。噪聲值曲線的定時(shí)器每隔100 ms自動(dòng)更新一次，從而實(shí)現(xiàn)曲線的快速動(dòng)態(tài)變化。

3.6數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

為便于離線分析，在手機(jī)分貝儀中建立采集結(jié)果SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)。以當(dāng)前天數(shù)為表名， 將實(shí)時(shí)采集分貝數(shù)值存入表中。因?yàn)閿?shù)據(jù)采集量大，全部存入會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存溢出，所以設(shè)計(jì)按鍵，長(zhǎng)按時(shí)，音頻才會(huì)保存。

4　APK生成與測(cè)試

將工程文件導(dǎo)出，生成APK安裝包，安裝到HTC M7手機(jī)上，將手機(jī)分貝儀和TES-52A噪音計(jì)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。以較大的聲音說(shuō)話，檢測(cè)到聲壓大小為61 dB，指針指到儀表盤(pán)61刻度的位置上，環(huán)境判別部分60～70 dB這一行文本高亮顯示，同時(shí)，下方也留下分貝值軌跡曲線。經(jīng)過(guò)吹氣、咳嗽、鼓掌、敲玻璃、說(shuō)話等操作，得到的噪音測(cè)量對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表1所示。

5　校園環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近年來(lái)，交通行駛、校園活動(dòng)等所引起的環(huán)境噪聲污染嚴(yán)重影響了高校教職工及學(xué)生們的學(xué)習(xí)、工作和生活。噪聲污染具有即時(shí)性和隨機(jī)性，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方式易受到非技術(shù)因素的干擾，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較差。而傳統(tǒng)的有線方式則存在布網(wǎng)困難、成本高、易被破壞等問(wèn)題[9]。針對(duì)上述問(wèn)題，將該手機(jī)分貝儀用于校園環(huán)境噪聲監(jiān)控系統(tǒng)，如圖3所示。

表1　噪音測(cè)量對(duì)比測(cè)試結(jié)果

圖3　校園環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

校園環(huán)境噪聲檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)位置站點(diǎn)進(jìn)行7×24小時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，手機(jī)監(jiān)測(cè)終端通過(guò)3G/4G網(wǎng)絡(luò)接入到服務(wù)器機(jī)房，客戶(hù)端采用Web方式實(shí)時(shí)查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析，以及對(duì)監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行管理[10]。當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的噪聲超標(biāo)或者設(shè)備故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行告警操作，如發(fā)送短信至噪聲排放單位責(zé)任人的另一部手機(jī)上，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)區(qū)域噪聲防護(hù)的目的。

依據(jù)需求，對(duì)Android分貝儀作如下拓展：

(1)結(jié)合Baidu Maps，使用Location Manager函數(shù)獲取當(dāng)前測(cè)量區(qū)域的經(jīng)緯度位置[11]，然后添加MAC地址和實(shí)時(shí)分貝值數(shù)據(jù)，將所有的數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換為XSD格式，以待上報(bào)至服務(wù)器。

(2)通過(guò)Web Service實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上傳功能。通過(guò)SOAP協(xié)議將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)封裝后，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)上層的用戶(hù)設(shè)置返回消息到Android手機(jī)監(jiān)測(cè)終端。終端根據(jù)下發(fā)的指令提示責(zé)任人采取降噪措施。

使用JavaEE + JBoss + MySQL構(gòu)建校園環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的服務(wù)器端，經(jīng)過(guò)部署，得到某時(shí)刻?hào)|校區(qū)的部分地點(diǎn)的環(huán)境噪聲分布如圖4所示。此時(shí)，正門(mén)口的夢(mèng)溪路的噪聲分貝值為79 dB，電信學(xué)院大廳為61 dB，自習(xí)教室為47 db，籃球場(chǎng)上噪音分貝值為50 dB。

圖4　校園內(nèi)各區(qū)域環(huán)境噪聲分布

中華人民共和國(guó)城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[12]，居住、文教機(jī)關(guān)為主的區(qū)域，白天噪音不得超過(guò)55 dB，夜間不超過(guò)45 dB。根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果，應(yīng)在夢(mèng)溪路上采取禁止鳴笛、安裝隔音板等措施，以降低教學(xué)環(huán)境中的交通噪音污染。

6　結(jié)論

本文基于Android平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)手機(jī)分貝儀。首先介紹Android音頻系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)和錄音原理，接著分析APP實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)及聲壓級(jí)計(jì)算公式，然后進(jìn)行需求分析、模塊設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，最后詳細(xì)敘述了分貝值儀表盤(pán)和分貝值曲線的實(shí)現(xiàn)方法并生成APK安裝包。

本文將Android分貝儀與TES-52A噪音計(jì)對(duì)比使用，達(dá)到了普通聲級(jí)計(jì)的精度要求。Android分貝儀的便捷性、廣泛性、普適性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通聲級(jí)計(jì)。

本文對(duì)Android分貝儀的位置獲取、網(wǎng)絡(luò)傳輸、閾值告警的功能進(jìn)行擴(kuò)展，應(yīng)用到校園環(huán)境噪聲監(jiān)控系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本方案能有效減低環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)工作的成本。

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Design and implementation of mobile phone DB instrument based on Android

Li Jinlin，Dai Pinxuan，Li Zhen

(School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

In order to improve the convenience of indoor and outdoor noise monitoring, this paper designs a mobile phone DB instrument based on Android. Firstly, this paper studies on Android audio structure and Android audio record principle, processes the PCM audio stream captured by MIX timely, and uses the sound pressure level formula to calculate the DB value. Then, according to software development process, it analyses the demands, and designs the interface, each modules and databases. Finally it encodes the software. This paper introduces the implementation of sound collection, panel design, and noise value curve. Test results show that the mobile phone DB instrument can reach the precision of sound level meter basically, and effectively reduce the cost of noise detection work.

Android; audio system; DB instrument; sound pressure level

TP311.5

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.027

2016-03-29)

李金林(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)軟件及其應(yīng)用。

代品宣(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：通信技術(shù)及其應(yīng)用工程。E-mail:daipinxuan@foxmail.com。

李震(1977-)，男，博士，副教授，主要研究方向：系統(tǒng)安全性、系統(tǒng)可靠性、軟件測(cè)試。