摘要：首先介紹了EN50332規(guī)范對便攜式設(shè)備的要求，研究了了最大聲壓與響度之間的關(guān)系，提出了一種將將聲音的時(shí)域信號轉(zhuǎn)化為頻域得到功率譜的方法，并以MP3、WAV文件為例，給出了根據(jù)PCM數(shù)據(jù)流，用FFT運(yùn)算，實(shí)時(shí)檢測最大聲壓的具體算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法可以實(shí)時(shí)檢測便攜式設(shè)備的聲壓，從而及時(shí)對用戶進(jìn)行干預(yù)。

關(guān)鍵詞：EN50332；聲壓；響度；實(shí)時(shí)檢測

EN50332 Based Algorithm of Real-time Detection of Maximum Sound Pressure

DIAO Wen-xing

（Nanjing Institute of Industry Technology，Nanjing 210046，China）

Abstract：The paper firstly introduces requirements of EN50332 standard for portable equipment，studies the relationship between the maximum sound pressure and the sound volume，and puts forward a method of getting power spectrum by transforming sound time domain signal into frequency domain. It also presents the specific algorithm of real-time detection of maximum sound pressure，according to the PCM data stream and with the FFT arithmetic method，taking MP3 and WAV files as examples. The experimental results show that the algorithm can real-time detect the sound pressure of portable equipment，so as to make timely intervention to user.

Key words：EN50332；sound pressure；loudness；real-time detection

引言：

EN50332規(guī)范將在2013年1月1日實(shí)行新標(biāo)準(zhǔn)，而新增條目主要考慮到便攜式音頻輸出設(shè)備有可能對人耳造成聽力損傷，故對耳機(jī)的輸出響度進(jìn)行了更為嚴(yán)格的要求。當(dāng)耳機(jī)輸出聲壓到達(dá)85dBA的時(shí)候，必須在界面上顯示警告信息，然后由用戶自行選擇是否接受更高的音量。針對此項(xiàng)變更，本質(zhì)上就是要我們對耳機(jī)輸出聲壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

一、響度檢測

響度是一個(gè)主觀概念，單位為Phon（方），是對客觀聲壓的主觀量化。即一個(gè)主觀響度可以由客觀聲壓，經(jīng)加權(quán)處理獲得。

我們一般使用A加權(quán)，A加權(quán)是一種用于音頻測量的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重曲線，用于反映人耳的響應(yīng)特性。A加權(quán)的結(jié)果較為貼近大多數(shù)人的感官，故聲壓常以dBA為單位，dB表示分貝，A則表示A加權(quán)。

獲得耳機(jī)輸出的響度方法就是用Microphone進(jìn)行聲音采集，再經(jīng)放大、整形、濾波等一系列處理后，進(jìn)行A加權(quán)，得到最終的響度值。3GPP協(xié)議中的RLR/SLR就是在聲壓～頻率曲線上抽樣13個(gè)點(diǎn)，然后逐點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，從而獲得響度值。所以，響度檢測問題就轉(zhuǎn)化為聲壓檢測，可參見下圖2-1所示的聲壓～頻率曲線：

圖1-1是儀器測試得到的聲壓～頻率曲線，對普通用戶的日常使用而言，根本就沒有可操作性。所以，我們必須另辟蹊徑。

我們已經(jīng)知道，響度檢測可以等價(jià)為聲壓檢測，聲壓主觀上是和輸出功率P是成正比的。只要在受話器的功率承受范圍內(nèi)，我們可以通過采集輸出功率來等效輸出聲壓.于是，聲壓檢測就轉(zhuǎn)化為功率檢測的問題了

二、功率檢測

響度與信號的功率有直接關(guān)系，但響度同時(shí)與信號的頻率也有直接關(guān)系。直觀上，在同等功率的情況下，1KHz的響度比100Hz的響度要高得多，但比3KHz的響度要稍低一些，比10KHz的響度要稍高些。所以，人們提出了等響曲線的概念。

圖中每條曲線上對應(yīng)于不同頻率的聲壓級是不相同的，但人耳感覺到的響度卻是一樣的。每條曲線上注有一個(gè)數(shù)字，為響度單位Phon（方），由等響曲線族可以得知，當(dāng)音量較小時(shí)，人耳對高低音感覺不足而音量較大時(shí)，高低音感覺充分，人耳對1000Hz-4000Hz之間的聲音最為敏感。

在圍繞1000Hz的中頻范圍內(nèi)，等響度曲線相對比較低，說明人耳對中頻的響應(yīng)敏感。在這個(gè)范圍之外的低頻和高頻兩邊，等響度曲線翹起，說明人耳對低頻和高頻聲音的敏感下降，以致當(dāng)很低或很高的頻率時(shí)，需要很大的聲強(qiáng)才有可能感覺聲音的存在。人耳能聽到聲音的最微弱強(qiáng)度，稱為聽覺閾（即圖中虛線）。

從上面的等響曲線可以看出，在同等功率的情況下（聲壓和功率成正比），1KHz的響度比20Hz的響度要高得多，但比3KHz的響度要稍低一些，比10KHz的響度要稍高些。故聲音的響度還與信號的頻率相關(guān)。

由上述可知，聲壓同時(shí)與信號的輸出功率，和信號的頻率相關(guān)，即唯一與功率譜相關(guān)。

綜上，要想實(shí)現(xiàn)響度的實(shí)時(shí)檢測，我們需要知道：1、信號的功率譜。2、聲壓與功率之間的關(guān)系。功率變大2倍，聲壓上升3dB。3、聲壓與頻率之間的關(guān)系。這個(gè)我們可以利用標(biāo)準(zhǔn)音源，在同等功率情況下（例如1W），從100Hz到20kHz每50Hz取一標(biāo)準(zhǔn)音源進(jìn)行測試，利用聲壓儀記錄對應(yīng)的聲壓值的變化情況，從而建立聲壓與頻率之間的關(guān)系

所以實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵在于如何得到信號的功率譜。在時(shí)域上，我們只能得到功率P=U^2/R，故我們需要將信號從時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域上，得到信號的功率譜。由Parseval定理知道，時(shí)域功率與頻域功率相等，這樣就可以通過功率譜，獲得相應(yīng)頻率下的平均功率值，進(jìn)而通過聲壓與功率及頻率的關(guān)系，轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的聲壓值，解決實(shí)時(shí)監(jiān)測的問題。

三、獲得信號的功率譜

時(shí)域信號轉(zhuǎn)到頻域，只需要做Fourier變換，而實(shí)際的音源文件均為離散時(shí)間信號，我們就應(yīng)該采用DTFT（離散時(shí)間傅里葉變換）進(jìn)行處理。

但DTFT的結(jié)果是連續(xù)頻譜，類似圖2中的連續(xù)曲線，不適合計(jì)算器做進(jìn)一步處理，而時(shí)域和頻域都離散的情況是可以進(jìn)行計(jì)算器運(yùn)算的。參考3GPP協(xié)議中計(jì)算RLR/SLR的方法，它把聲壓～頻率曲線的連續(xù)頻譜抽樣為一個(gè)個(gè)離散的頻點(diǎn)，然后對這個(gè)離散頻譜的各個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)處理就可換算出響度。所以，我們可以對DTFT進(jìn)行離散抽樣，即DFT（離散傅里葉變換）。

而對于DFT，我們可以采用FFT（Fast Fourier Transform）進(jìn)行快速求解。實(shí)際上，我們直接對音源文件所代表的時(shí)域離散信號進(jìn)行FFT處理，就可以獲得對應(yīng)的頻域信號，即離散的功率譜。

無論是DTFT還是DFT、FFT，只要屬于FT家族，就一定是正交變換，而正交變換就一定滿足Parseval定理，實(shí)時(shí)域功率與頻域功率相等。所以，經(jīng)FFT處理所得的頻域信號必然并不會改變時(shí)域信號的功率，它僅僅是在頻域中把原時(shí)域信號所包含的各頻率成份顯示出來。

由此，我們完成了響度檢測到聲壓檢測，聲壓檢測到功率檢測，然后又從功率檢測細(xì)化到功率譜檢測等一系列轉(zhuǎn)換之后，下一個(gè)問題是解決實(shí)時(shí)檢測，只有實(shí)時(shí)檢測到當(dāng)前便攜式設(shè)備如耳機(jī)輸出的聲壓，才能進(jìn)行必要的干預(yù)。

四、檢測算法

輸出響度是隨著輸出信號變化而變化的。在同樣的音量設(shè)置等級，由于音源的不同，輸出響度有著巨大的差別。所以，我們還必須做到實(shí)時(shí)檢測。只要我們不停地采集輸出功率，就可以做到實(shí)時(shí)。那么到底采樣頻率是多少才能做到實(shí)時(shí)呢？

根據(jù)Nyquist采樣理論，當(dāng)采樣信號頻率兩倍于帶限信號最高頻率的時(shí)候，可在頻域?qū)崿F(xiàn)無失真的頻譜搬移，再經(jīng)低通濾波器后，可恢復(fù)出原始信號。所以，理論上，只要我們確定了音源的頻譜范圍，就可以定出采樣頻率。

由于MP3、WAV等音源文件均為PCM數(shù)據(jù)流，而且該P(yáng)CM數(shù)據(jù)流本身就是一個(gè)個(gè)離散的時(shí)域采樣信號（多為44.1KHz或48KHz）。我們無需進(jìn)行額外的采樣處理，直接從PCM數(shù)據(jù)流中解析出音源對應(yīng)的時(shí)域信號，然后對這些離散時(shí)域信號進(jìn)行FFT運(yùn)算就可以。

在耳機(jī)左右聲道輸出端D/A轉(zhuǎn)換前，讀取音源文件的PCM數(shù)據(jù)流，即獲得音源文件的離散時(shí)域采樣信號。因?yàn)轫懚扰c信號的功率和頻率相關(guān)，即唯一與信號的功率譜相關(guān)，故對于這些離散的時(shí)域采樣信號，需進(jìn)行FFT，將時(shí)域信號轉(zhuǎn)化到頻域，得到功率譜。對功率譜進(jìn)行分析，設(shè)置采樣周期時(shí)間，對信號功率譜，進(jìn)行抽樣求出平均功率。并且周期性地進(jìn)行采樣和功率計(jì)算，直到停止播放音頻文件，得到信號的功率譜，對應(yīng)聲壓與頻率的關(guān)系，及聲壓與功率的關(guān)系，從而獲得信號的聲壓值。將獲得的信號的聲壓值與預(yù)先設(shè)置好的85dB對應(yīng)的門限值進(jìn)行比較，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前設(shè)備輸出是否符合EN50332標(biāo)準(zhǔn)。

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作者簡介：刁文興，1972年9月，男，江蘇常州人，南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院基建處工程師。

（作者單位：南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基建處）