楊舜堯

(阜新高等?？茖W(xué)校，遼寧阜新123000)

【應(yīng)用研究】

基于麥克與壓電裝置的綜合降噪研究

楊舜堯

(阜新高等?？茖W(xué)校，遼寧阜新123000)

麥克風(fēng)序列是在特定方向上提高一種聲音效果的有效方式，然而這種方式在有回響的音樂廳中效果甚微，為此提出一種新的聲音分割的方法，將壓電裝置加載到樂器本身，把壓電裝置所產(chǎn)生的信號作為調(diào)節(jié)器，進(jìn)而確定放置收聽麥克的位置．這種方法首先估算壓電設(shè)備產(chǎn)生信號的頻率，從麥克發(fā)出的聲音過濾后，頻率的特性發(fā)生了改變，以便使頻率控制在估算的頻率成分范圍內(nèi)．該方法是一種動(dòng)態(tài)分離的方法，可以將信噪比提高到8.7 dB．

壓電裝置；匹配濾波器；麥克風(fēng)序列；綜合降噪

0 引言

當(dāng)演奏樂器的時(shí)候，樂器的音量是不一樣的，需要放大柔和樂器的音量來聽清聲音[1]．這種情況下，就需要將特定演奏樂器的聲音從其他聲音中提取出來．延遲相加型麥克風(fēng)陣列是從某一方向上提取一種聲音的有效方法之一．然而，這需要很多的麥克才能有效地減少噪聲，而且這種方法在音樂廳中還不是提取聲音的有效手段．再者，這種傳統(tǒng)的方法不能把來自同一方向的信號和噪聲進(jìn)行分離．ICA利用獨(dú)立的聲音源進(jìn)行聲音的分離，然而，這不適用于非平穩(wěn)的聲音[2]．二元掩膜的方法也是提取聲音的有效手段，但是它需要兩只麥克從不同的位置獲得信號和噪聲的能量，而在音樂廳很難把麥克風(fēng)放在合適的位置上．二元掩膜法在信號和噪聲頻率疊加的情況下也是不適用的[3]．本文采用麥克與壓電拾音相結(jié)合的綜合降噪方法，首先估算了信號的頻率成分，信號來自于壓電裝置拾音器，然后對來自麥克風(fēng)的聲音進(jìn)行了過濾，以便去適應(yīng)估算的聲音頻率成分．除對本文所提出的算法進(jìn)行說明外，并演示了部分算法的仿真結(jié)果．

1 提出方法

1.1 麥克風(fēng)與壓電拾音相結(jié)合的降噪方法

在本文的方法中，利用了一對麥克風(fēng)和壓電拾音器，拾音器是由陶瓷材料做成的．當(dāng)壓電裝置失真的時(shí)候，電壓就在壓電裝置表面產(chǎn)生[4]．利用這一屬性，壓電裝置被當(dāng)做拾音器來使用，感知器樂本身發(fā)生的變化．從壓電拾音裝置中產(chǎn)生的信號與觀眾聽到的信號的頻譜有所不同，但是與器樂演奏的聲音有著相同的頻率成分，只是因?yàn)槭耙羝鳈z測到了樂器的整體變化，這種變化是由樂器所發(fā)出的震動(dòng)產(chǎn)生的[5]．

圖1顯示了本方法的流程，利用麥克風(fēng)和壓電拾音器提取目標(biāo)樂器的聲音．把x(t)和y(t)分別定義為由麥克風(fēng)與壓電裝置在時(shí)間t所產(chǎn)生的信號，分別表述如下[6]：

(1)

(2)

其中，*代表卷積；S(t)代表由目標(biāo)樂器產(chǎn)生的信號；ni(t)代表第i個(gè)噪聲，或者說其他背景噪聲;m1(t)和m2i(t)分別代表從信號聲音源和第i個(gè)噪聲源到麥克風(fēng)的沖擊響應(yīng)；p1(t)和p2i(t)分別代表信號聲音源和第i個(gè)噪聲源到壓電拾音器的沖擊響應(yīng)[7]．本文首先把時(shí)域信號x(t)和y(t)轉(zhuǎn)換成頻域信號X′(τ,ω)，Y′(τ,ω),其中時(shí)間t變?yōu)棣?，ω為角頻率，利用短時(shí)傅里葉變換經(jīng)過行轉(zhuǎn)換，公式如下：

(3)

(4)

S′(τ,ω)和N′(τ,ω)分別代表是s(t)和ni(t)的復(fù)合頻譜[8]．M1(ω)和M2i(ω)分別代表與信號和噪聲相關(guān)的模擬麥克風(fēng)的轉(zhuǎn)換函數(shù)．P1(ω)和p2i(ω)分別代表與信號和噪聲相關(guān)的模擬壓電拾音器的轉(zhuǎn)換函數(shù)，目的是從x(t)中提取m1(t)*s(t)．

本文首先解釋了信號與噪聲不相交的情況．假設(shè)信號和噪聲的頻率分量是不相交的，描述如下：

S(τ,ω)Ni(τ,ω)=0 (?ω,l)

(5)

如果目標(biāo)樂器的聲音不能與其他樂器的聲音產(chǎn)生共鳴，那么在y(t)中包含的噪聲可以假設(shè)為0．這種假設(shè)描述如下：

P2i(ω)Ni(τ,ω)=0 (?ω,l)

(6)

因此，能夠利用壓電拾音器來采集目標(biāo)信號的各頻率分量的功率，估算出目標(biāo)信號的頻率分量的組成，描述如下：

(7)

X′(τ，ω)代表用本方法處理后的信號，τ,ω是X′(t)通過快速傅里葉變換轉(zhuǎn)化的函數(shù)．

事實(shí)上，盡管壓電拾音器可能帶有一定的噪聲，可是噪聲的功率足夠小．因此，可以假設(shè)信號和噪聲滿足以下條件：

|P2i(ω)Ni(τ，ω)|

(8)

?ω|P1S(τ，ω)|≠0→|S′(τ，ω)|>th

(9)

th代表門限值，等式(8)說明從壓電拾音器產(chǎn)生的信號中帶有噪聲，噪聲的功率比門限值th要小，而在等式(9)中信號的功率要大于門限值．在這種情況下，就可以根據(jù)以下等式提取出信號：

(10)

在音樂會中，會演奏很多樂器，和弦音經(jīng)常相互覆蓋， 等式(5)就不能滿足這種情況．為此，本文提出的方法變換結(jié)果如下，這樣就可以在一定程度上減少噪聲．

(11)

1.2 短時(shí)平滑噪聲的減少方法

等式(11)中的處理方法，是根據(jù)Y(τ，ω)的值來進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換的．這種轉(zhuǎn)換在每種頻率分量上都產(chǎn)生了噪聲，因此這種轉(zhuǎn)換要逐步進(jìn)行．為了實(shí)現(xiàn)平滑轉(zhuǎn)換，加入一種換算系數(shù)a(τ，ω)，如下：

X′(τ，ω)=a(τ，ω)·X(τ，ω)

(12)

a(0,ω)=1

其中，0

如圖2、圖3所示，a(τ，ω)以指數(shù)方式增加或者減少．d和r分別決定著函數(shù)a(τ，ω)隨時(shí)間常量的上升和下降．d越小，噪聲減少得越快；r越大，信號通過得越快．需憑借經(jīng)驗(yàn)決定參數(shù)d和r，以便取得令人滿意的高質(zhì)量聲音．

本文方法輸出的結(jié)果x′(t)是經(jīng)過X′(t)快速傅里葉變換獲得的，描述如下：

x′(t)=F-1[X′(τ，ω)]=F-1[a(τ，ω)·X(τ，ω)]≡G[x(t)]

(13)

其中，F(xiàn)-1代表快速傅里葉變換，G( .)代表本文方法所代表的函數(shù)．

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)仿真

為了定量地衡量本文所提出的方法，做了兩種仿真實(shí)驗(yàn)，分別是計(jì)算信噪比和信號失真比率．實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了一組數(shù)據(jù)，是由麥克風(fēng)和壓電拾音裝置所記錄的，把這組數(shù)據(jù)分別叫做麥克風(fēng)采集數(shù)據(jù)和壓電拾音數(shù)據(jù)．把古箏的聲音作為有用信號，把其他樂器當(dāng)做噪聲，包括電吉他、電貝司和鼓所產(chǎn)生的噪聲．在同樣由信號和噪聲混合、并應(yīng)用混響控制來模擬有回聲的環(huán)境下，獲得麥克風(fēng)數(shù)據(jù)．通過信號和用比較分析法所獲得的噪聲，并在應(yīng)用均衡控制來模擬壓電拾音器的失真情況下，獲取壓電拾音信號．表1顯示了快速傅里葉變換的參數(shù)設(shè)置．

接下來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)來計(jì)算信噪比(SNR)．分別定義SNRO為處理之前的值，SNRp為處理之后的值，描述如下：

(14)

(15)

其中：s(t)和n(t)分別代表模擬麥克風(fēng)數(shù)據(jù)的信號和噪聲；T代表數(shù)據(jù)的長度；G[s(t)]和 G[n(t)]分別代表采用本文方法計(jì)算的結(jié)果，這種結(jié)果是在僅能利用信號和噪聲的情況下得出的．如表2所示，SNR信噪比提高了8.7 dB．定義SDRm為SDR處理之后的值，SDRm描述如下：

(16)

以SDR定義作為參考，把模擬壓電感應(yīng)數(shù)據(jù)信號的SNR作為SNRp．SNRp描述如下：

(17)

p(t)是在離散時(shí)間t的范圍內(nèi)，以模擬壓電感應(yīng)數(shù)據(jù)為信號的函數(shù)．不能輕易地比較這些值，因?yàn)閜(t)實(shí)際上不是由s(t)計(jì)算而來的．在本文中，要確定p(t)的值，以便于s(t)和p(t)在聲學(xué)水平上具有相同的響度．表3顯示了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果．

表1 FFT參數(shù)窗口大小(kHz)重疊率窗口抽樣頻率(kHz)204870%升余弦44.1 表2 仿真環(huán)境中的SNR信噪比(dB)SNR0SNRpSNR-2.56.2表3 仿真環(huán)境中的SDR信號失真比(dB)SDRmSDRpSDR15.340.44

2.2 對參數(shù)的考慮

為了量化計(jì)算參數(shù)th、d和r的測試結(jié)果，計(jì)算了SNR和SDR的相關(guān)性，圖4、圖5和圖6分別顯示了在不同th、d和r的情況下，SDR和SNR的效果圖．圖中縱坐標(biāo)標(biāo)識的是SNR和SDR的衰減分貝值，這些圖顯示了SDR和SNR之間是此消彼長、相互抵消的關(guān)系．確定參數(shù)，以便獲取高質(zhì)量的聽覺信號，th=4，d=0.95，r=0.1.

2.3 半真實(shí)環(huán)境下的試驗(yàn)

本文計(jì)算了半真實(shí)環(huán)境下的數(shù)據(jù)中的SNR和SDR，在不同時(shí)刻由真實(shí)環(huán)境下麥克風(fēng)和壓電拾音器所記錄的數(shù)據(jù)，并與噪聲復(fù)合的數(shù)據(jù)，二者形成了半真實(shí)環(huán)境下的數(shù)據(jù)．信號是古箏的聲音，噪聲包括鼓、電貝司和電吉他．人為設(shè)置參數(shù)th和r．表4和表5顯示了SNR和SDR．SNR提高了4.72 dB，而SDR提高的數(shù)值不止9.7 dB．

表4 SNR在半真實(shí)模擬環(huán)境中的值信噪比(dB)SNR0SNRpSNR1.95.8表5 SDR在半真實(shí)模擬環(huán)境中的值信噪比(dB)SDRmSDRpSNR9.21.08

2.4 真實(shí)環(huán)境下的試驗(yàn)

利用本方法在真實(shí)數(shù)據(jù)環(huán)境下進(jìn)行了試驗(yàn)．?dāng)?shù)據(jù)是在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下由麥克風(fēng)記錄的．如圖7所示．當(dāng)演奏古箏的時(shí)候，在麥克風(fēng)位置的聲壓達(dá)到83～93 dB．當(dāng)用揚(yáng)聲器來播放同樣的聲音，在相同的麥克風(fēng)位置上，聲壓達(dá)到85～90 dB．聲壓的大小是由聲量計(jì)所測得的．盡管不能計(jì)算SNR和SDR，但是，能獲得聲學(xué)仿真環(huán)境下，相同水平的SNR．

3 結(jié)論

在本文中，關(guān)注壓電裝置的特點(diǎn)，并研究了由壓電裝置與麥克相結(jié)合的降噪特性．本文所提出方法的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

(1)即使在噪聲和信號來自于同一方向的情況下，依舊可以使用本文提出的方法．

(2)應(yīng)用本文的方法，在仿真試驗(yàn)中，SNR提高了8.7 dB，SDR提高了13.64 dB．

在今后的實(shí)際應(yīng)用中，我們可以把這種方法應(yīng)用在實(shí)時(shí)的系統(tǒng)中，并優(yōu)化系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，目的是發(fā)展時(shí)域處理的過程，例如帶通濾波器，而不是去減少頻域處理過程．

[1]涂悅.基于內(nèi)容的音頻分類技術(shù)及其在多媒體檢索中的應(yīng)用[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012．

[2]韓圣龍.基于內(nèi)容的音頻音樂自動(dòng)分析和檢索技術(shù)研究[J].情報(bào)科學(xué)，2007，(3)：36-38．

[3]徐國慶,張彥鐸,王海暉,等.樂音旋律識別研究[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，(2):65-69．

[4]朱軍,胡文波.貝葉斯機(jī)器學(xué)習(xí)前沿進(jìn)展綜述[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2015，(1)：16-26．

[5]葉蕾．語音信號壓縮感知關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2014．

[6]謝智鵬.聲音事件識別中的有效特征提取方法研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2016．

[7]張康榮.基于盲源分離的設(shè)備故障音檢測算法與應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2016．

[8]林勝義．語音通信系統(tǒng)的頻帶擴(kuò)展技術(shù)研究[D].廣州：廣東技術(shù)師范學(xué)院，2016．

(審稿人 關(guān)維國 鄧景茹，責(zé)任編輯 王 巍)

Research on the reduction of integrated noise reduction based on mike and piezoelectric devices

YANG Shun-yao

(Fuxin Higher Training College，F(xiàn)uxin Liaoning 123000)

A microphone array is an effective way to improve sound effect in a particular direction. However, it has little echo effect in the musical hall. This paper presents a new method of sound segmentation, which installs the piezoelectric devices on the instrument itself. The signal generated by the piezoelectric device is regarded as a regulator. The regulator is composed of a matched filter sound, which determines the listening position placed in mike. This method firstly estimates the frequency component of the signal generated from the piezoelectric device. The frequency characteristics of the filter are changed from the sound emitted by Mike, so as to improve the signal-to-noise ratio (SNR) of the signal in the range of the estimated frequency components. This method is a dynamic separation method which can increase the signal-to-noise ratio to 8.7 db.

piezoelectric device；matched filter；microphone sequence; the reduction of integrated noise

2016—12—10

楊舜堯(1981-)，男，遼寧阜新市人，講師，主要從事通信與信息系統(tǒng)方面研究．

TN912

A

1008-5688(2017)01-0069-05