一种基于听觉感知的飞机舱内噪声合成方法与流程

1.本发明涉及噪声模拟技术领域，具体涉及一种基于听觉感知的飞机舱内噪声的合成方法。


背景技术：

2.在飞机噪声控制与评价研究中，常常需要大量的噪声样本，然而实际飞行测试人力物力耗费巨大、时间周期长，且受到各种条件限制。而声音合成技术是一种成本低、实现方便的方法，受到研究者们的重视。
3.现有的飞机噪声合成研究大多以飞机舱外噪声即飞越噪声为对象，主要为飞越噪声的噪声烦恼感研究提供样本，舱内噪声合成研究相对较少。并且飞机噪声合成方法大多以正弦 噪声模型为基础，分别合成线谱及基于1/3倍频程合成宽带谱。同时声音合成方法的评价指标大多为声压级、a声级等物理属性，关于人耳实际听觉感知方面的研究较少。


技术实现要素：

4.为解决现有技术存在的问题，本发明基于传统的正弦 噪声模型合成方法，从人耳听觉感知角度出发，提出了一种基于听觉感知的飞机舱内噪声合成方法，以飞机舱内噪声为参考噪声，合成听觉感知相似的各种机型的飞机舱内噪声。
5.本发明的技术方案为：
6.所述一种基于听觉感知的飞机舱内噪声合成方法，包括以下步骤：
7.步骤1：获取飞机舱内参考噪声样本，获取参考噪声样本的峰值信息；
8.步骤2：利用步骤1提取到的峰值信息，合成舱内噪声信号的线谱成分；
9.步骤3：从参考噪声样本中剔除线谱成分，得到残余宽带谱；获取残余宽带谱在每个临界频带的幅值分布；根据每个临界频带的幅值分布确定各个临界频带的权重系数；利用权重系数设计具有对应频响曲线的滤波器；
10.步骤4：生成高斯白噪声，调节白噪声的幅值，使得白噪声经过滤波器后与参考噪声样本幅值一致，作为合成的宽带谱；
11.步骤5：将步骤2得到的线谱和步骤4得到的宽带谱叠加合成，得到合成声。
12.进一步的，步骤1中获取的参考噪声样本峰值信息包括频率、幅度和相位信息。
13.进一步的，步骤1中对参考噪声样本进行峰值检测的过程包括以下步骤：
14.步骤1.1：对参考噪声样本进行fft变换；
15.步骤1.2：检测参考噪声样本信号频谱中所有的峰值和谷值，计算每一个峰值与其左右相邻的谷值的差值，得到峰值高度h(k
a
)；
16.步骤1.3：设定阈值m，比较峰值高度h(k
a
)和阈值m，如果峰值高度大于阈值，则保留该峰值；如果峰值高度小于或等于阈值，则剔除该峰值；
17.步骤1.4：设定最小峰值幅度n，比较最小峰值幅度n和峰值幅度x
db
(k
a
)，如果峰值幅度大于最小峰值幅度，则该峰值通过筛选，如果峰值幅度小于或等于最小峰值幅度，则剔
除该峰值。
18.进一步的，对于频谱中的一个频率索引k
a
，在幅值频谱|x(k)|中满足
19.|x(k
a
‑
i)|≤|x(k
a
)|≥|x(k
a
i)|,i∈r
20.则对应峰值高度h(k
a
)为
[0021][0022]
|x(k
a
)|为检测到的峰值，|x(k
β
‑
)|和|x(k
β
)|则是峰值|x(k
a
)|附近的谷值；将线性幅值|x(k)|转换为分贝幅值x
db
(k)后：x
db
(k)＝20log
10
|x(k)|，重新定义峰值高度为
[0023]
进一步的，步骤2中采用加法合成法来合成舱内噪声信号的线谱成分：
[0024][0025]
其中xp是合成的线谱成分，n是检测到的峰值个数，a
i
是第i个峰值的幅度，f
i
是第i个峰值的频率，是第i个峰值的相位。
[0026]
进一步的，步骤5中采用傅里叶合成法叠加线谱和宽带谱成分，得到合成声：
[0027][0028]
其中hcs表示合成声，c表示合成的宽带谱成分，xp为合成的线谱成分。
[0029]
有益效果
[0030]
本发明可以有效合成各种型号飞机巡航状态下的舱内噪声；而且与传统的1/3倍频程合成方法相比，从频谱和声压级等物理角度来看，两种方法合成效果基本一致，但从人耳听觉感知角度考虑，本发明提出的听觉临界频带合成法效果优于传统方法。
[0031]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0032]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0033]
图1本发明流程图；
[0034]
图2峰值提取结果；
[0035]
图3线谱合成结果；
[0036]
图4残余宽带谱临界频带幅值分布；
[0037]
图5基于听觉临界频带设计滤波器频响曲线；
[0038]
图6临界频带宽带合成结果；
[0039]
图7实测噪声和两种合成声的对比图；(a)实测噪声与1/3倍频程合成声对比，图(b)实测噪声与临界频带合成声对比图；
[0040]
图8 35个测点的相似度得分；
[0041]
图9 15位被试的相似度得分。
具体实施方式
[0042]
本发明基于正弦 噪声模型，使用线谱 宽带谱的合成模型，将飞机舱内噪声根据频谱特性分为线谱部分和宽带谱部分，然后分别合成两部分噪声，最后叠加得到合成声。
[0043]
其中线谱成分通过对实测飞机舱内噪声信号展开频谱分析，检测提取其相关的峰值信息，然后合成线谱成分。宽带谱通常在某一频带内研究，一般研究中常采用1/3倍频程。然而，从心理声学角度考虑，人耳听觉系统具有带通滤波器特性，1bark临界频带约等于沿耳蜗基底膜1.3mm长的距离，传统的1/3倍频带没有考虑到人耳的听觉感知。基于此，本发明使用听觉临界频带的方法建模合成宽带谱。最后叠加线谱和宽带谱，得到合成声。步骤如下：
[0044]
(1)峰值检测：采集飞机舱内参考噪声样本，对该样本进行fft变换，检测提取其中的峰值信息，包括频率、幅度和相位信息。峰值定义为在幅值频谱|x(k)|中的局部最大值。如果k
a
是频谱中的一个频率索引，那么它只有满足
[0045]
|x(k
a
‑
i)|≤|x(k
a
)|≥|x(k
a
i)|,i∈r
ꢀꢀꢀ
(1)
[0046]
才是局部最大值。但并不是所有的峰值在频谱中都同样明显和重要，因此需要对峰值进行一定的筛选，采用设置阈值搜索局部峰值的方法筛选峰值，峰值高度设为峰值和邻近谷值的差值，计算如式(2)所示
[0047][0048]
其中h(k
a
)是峰值高度，|x(k
a
)|为检测到的峰值，|x(k
β
‑
)|和|x(k
β
)|则是峰值|x(k
a
)|附近的谷值。
[0049]
从听觉感知的角度考虑，通常将线性幅值|x(k)|转换为分贝幅值x
db
(k)，
[0050]
x
db
(k)＝20log
10
|x(k)|
ꢀꢀꢀ
(3)
[0051]
转换为分贝幅值后，重新定义峰值高度为
[0052][0053]
在峰值检测算法中需要设置一个阈值m，m就是设定的允许通过的最小峰值高度，即要求h(k
a
)＞m，该峰值才能通过筛选。
[0054]
除了比较峰值高度外，还需要对峰值的幅度进行筛选，设定n为最小峰值幅度，如果x
db
(k
a
)≤n，则该峰值不能通过筛选。
[0055]
因此峰值检测的步骤如下：
[0056]
(a)峰值谷值检测：检测信号频谱中所有的峰值和谷值，计算每一个峰值与其左右相邻的谷值的差值，即峰值高度h(k
a
)；
[0057]
(b)阈值设定：设定阈值m，比较峰值高度h(k
a
)和阈值m，如果峰值高度大于阈值，即h(k
a
)＞m，继续进行筛选；如果峰值高度小于等于阈值，即h(k
a
)≤m，则剔除该峰值；
[0058]
(c)最小峰值幅度设定：设定最小峰值幅度n，比较最小峰值幅度n和峰值幅度x
db
(k
a
)，如果峰值幅度大于最小峰值幅度，即x
db
(k
a
)＞n，则该峰值通过筛选，如果峰值幅度小
于等于阈值，即x
db
(k
a
)≤n，则剔除该峰值。
[0059]
(2)线谱合成：利用提取到的峰值信息，合成线谱成分。
[0060]
检测并提取了峰值的频率、幅度和相位信息后，使用加法合成法来合成舱内噪声信号的线谱成分，计算方法如式(5)所示
[0061][0062]
其中xp是合成的线谱成分，n是检测到的峰值个数，a
i
是第i个峰值的幅度，f
i
是第i个峰值的频率，是第i个峰值的相位。
[0063]
(3)滤波器设计：从噪声样本中剔除线谱成分，对于残余宽带谱基于听觉临界频带形式进行分析，提取相关参数，设计滤波器。
[0064]
通常将人耳可听范围内的20hz～16khz分成24个临界频带，用临界频带级来表示临界频带的宽度，单位为巴克(bark)：1bark＝一个临界频带的宽度。当频率f＜500hz时，1bark＝f/100，临界频带宽几乎恒定为100hz；当频率f＞500hz时，1bark＝4log(f/100)，临界频带宽随中心频率的升高而增加，约为中心频率的20％。不同中心频率的临界频带宽、频率边界、临界频带级，如表1所示。根据获得的残余宽带谱在每个临界频带的幅值分布确定各个临界频带的权重系数，进一步的基于权重系数即可设计具有对应频响曲线的滤波器。
[0065]
表1不同中心频率的临界频带宽
[0066][0067][0068]
(4)宽带谱合成：将高斯白噪声通入滤波器后，调节幅值，合成宽带谱。
[0069]
使用matlab生成与参考噪声样本同样时长的高斯白噪声，将高斯白噪声通过基于听觉临界频带设计的滤波器，对照噪声样本，调节白噪声幅值，使白噪声经过滤波器后与参考噪声样本幅值一致，得到合成的宽带谱。
[0070]
(5)叠加合成：使用傅里叶合成法叠加线谱和宽带谱成分，得到合成声。
[0071]
使用加法合成法合成线谱，以及基于听觉临界频带合成舱内噪声信号的宽带谱成分后，使用傅里叶合成法也称作线谱迭加法叠加线谱和宽带谱，得到飞机舱内噪声合成声，
如式(6)所示
[0072][0073]
其中hcs表示合成声，c表示合成的宽带谱成分，xp为合成的线谱成分。
[0074]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。该实例中选用参考噪声为波音737
‑
800型号巡航状态下舱内飞机噪声，步骤如下：
[0075]
(1)收集数据。收集波音737
‑
800巡航状态飞机舱内噪声测试数据。
[0076]
(2)峰值检测。对于波音737
‑
800飞机，阈值m设定为5db，最小峰值幅度n设定为40db，然后进行峰值检测提取，测点峰值检测结果如图2所示，从图中可知共筛选出了9个峰值，分别是18hz、61hz、65hz、69hz、130hz、194hz、353hz、488hz和2060hz，并提取各个峰值频率所对应的幅值和相位。
[0077]
(3)线谱合成。检测并提取了峰值的频率、幅度和相位信息后，使用加法合成法来合成舱内噪声信号的线谱成分，如式(5)所示，结果如图3所示。
[0078]
(4)滤波器设计。首先从原始噪声信号的频谱中去掉线谱成分，以听觉临界频带的形式对残余宽带谱进行分析，并对每bark的临界频带幅值求平均，得到残余宽带谱在每bark临界频带内的幅值分布，图4给出了测点残余宽带谱在各个临界频带内的幅值分布。根据获得的残余宽带谱在每个临界频带的幅值分布确定各个临界频带的权重系数，基于权重系数设计具有对应频响曲线的滤波器，图5是对应测点1临界频带幅值分布所设计的滤波器频响曲线。
[0079]
(5)宽带谱合成。将高斯白噪声通过设计的滤波器，并经过幅值调节得到合成的宽带谱，测点基于临界频带的宽带合成结果如图6所示。
[0080]
(6)叠加得到合成声。使用傅里叶合成法叠加线谱和宽带谱，得到舱内噪声合成声。图7是测点实测噪声与1/3倍频程合成声和临界频带合成声两种合成声的对比，从图中可以看出两种合成声与实测噪声的频谱曲线基本一致。
[0081]
(7)设计开展主观评价实验。使用成对比较法，选取了16位被试，选取35个测点的舱内实测噪声样本，共105对声样本做了相似度评价实验，实验采用5级评价尺度，评价尺度如表2所示，得分从1
‑
5对应相似程度为非常不相似、比较不相似、有点相似、比较相似、完全相似。实验前，实验者进行讲解并对被试进行试听训练。实验过程中，被试每次听到一对声音，第一个声音播放后间隔2s播放第二个声音，每对声音播放完后，被试将有5s的时间对声音的相似度感知进行评分。
[0082]
表2成对比较实验相似度评价尺度
[0083][0084]
实验回收了16份问卷，其中有1位被试的得分与其他被试的打分有明显不同，剔除该份问卷。对于每个测点，取15位被试对3种情况下的相似度打分，分别对每种情况下的15个得分做平均，对35个测点均重复此操作，得到35个测点在每种情况下的相似度得分，如图
8所示。两种合成声的相似度得分整体低于实测噪声的重复，但整体仍在4分左右，并且在部分测点合成声与实测噪声的相似度得分一致；临界频带合成声与1/3倍频程合成声整体得分基本一致，但在部分测点优于1/3倍频程合成声。
[0085]
对于每位被试，分别在三种情况下取35个测点的相似度得分，并对每种情况分别求平均，对15位被试均重复此操作，得到15位被试在每种情况下的相似度得分，如图9所示。5位被试的相似度打分虽然不完全相同，但总体趋势为两种合成声的相似度得分基本一致，且大都低于实测噪声的重复，但差距较小，其中8号和15号被试临界频带合成声得分与实测噪声重复基本相同。
[0086]
对三种情况下的15位被试对35个测点的相似度打分总体进行平均，结果如表3所示，1/3倍频程合成声与临界频带合成声得分低于实测噪声重复，但差距较小，临界频带合成声得分优于1/3倍频程合成声。因此，从人耳听觉感知的角度，临界频带合成方法合成效果优于1/3倍频程合成声，更接近实测噪声。
[0087]
表3三种情况下相似度平均得分
[0088][0089]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。