本發(fā)明涉及噪聲源可視化數(shù)據(jù)累積顯示方法及聲學照相機系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

聲學照相機作為使聲音可視化的尖端測量裝備，是多媒體信息通信設(shè)備、家電、汽車、建筑等多樣的領(lǐng)域中需要的新技術(shù)裝備。

麥克風陣列波束形成(Microphone Array Beamformer)作為噪聲源位置探明方法之一，是利用多個麥克風傳感器測量噪聲源發(fā)生的聲波，通過對其的信號處理，使噪聲源的分布象照片一樣可視化的方法。使用的方式是根據(jù)各麥克風接收的信號的特性，以在特定發(fā)信位置發(fā)生的信號進行再構(gòu)成，測量其的聲壓大小，把測量的聲壓級圖示成空間上的分布，測量噪聲源的位置。雖然聲學照相機的測量技法出于特殊領(lǐng)域的研究目的而進行了開發(fā)，但由于能夠直觀地確認噪聲源分布的優(yōu)點，因而正在擴大應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域的研究/開發(fā)階段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(要解決的技術(shù)問題)

本發(fā)明旨在提供一種聲學照相機系統(tǒng)，能夠有效發(fā)現(xiàn)在互不相同地點、不同瞬間發(fā)生的噪聲、雜音，并使使用者可以輕松識別。

當使用單純利用聲壓大小的觸發(fā)方法時，成為測量分析對象的噪聲源在無噪聲發(fā)生的瞬間，在周圍噪聲導致的背景噪聲增大時觸發(fā)，發(fā)生分析對象噪聲特性被不需要的噪聲(背景噪聲)埋沒而不顯示的問題，本發(fā)明旨在提供一種解決這種問題的噪聲源可視化數(shù)據(jù)累積顯示方法及聲學照相機系統(tǒng)。

本發(fā)明旨在提供一種噪聲源可視化數(shù)據(jù)累積顯示方法及聲學照相機系統(tǒng)，把機械類、電子裝置類、汽車等在不同地點不同瞬間發(fā)生的噪聲累積顯示于一個畫面，不僅能夠明確掌握多個噪聲源的位置，而且能夠依次顯示噪聲源的噪聲程度，可以借助于固有的觸發(fā)或有效數(shù)據(jù)甄別法，把并非噪聲源區(qū)域的外部噪聲的影響從音場可視化畫面上排除。

(解決問題的手段)

本發(fā)明的噪聲源可視化數(shù)據(jù)累積顯示方法，對使用多個麥克風陣列在互不相同瞬間取得的聲音信號進行波束形成，生成至少兩個以上的聲場可視化數(shù)據(jù)后，將其映射于一個光學圖像上進行累積顯示。

本發(fā)明的噪聲源可視化數(shù)據(jù)累積顯示方法包括：步驟S10，提供聲音及圖像信號收集手段100，所述聲音及圖像信號收集手段100包括：MEMS聲音感知傳感器10，其在曲面上或平面上按均一間隔隔開配置，感知噪聲源的聲音信號；聲音信號收集部20，其把從所述MEMS聲音感知傳感器10接收的聲音信號變換成數(shù)字信號，傳送給中央處理部40；攝影鏡頭30，其拍攝所述噪聲源的光學影像；初始信號收集步驟S20，在第1時間幀T1期間，所述聲音及圖像信號收集手段100收集噪聲源的聲音信號和影像；初始分析步驟S30，所述中央處理部40以在第1時間幀T1期間收集的聲音信號為基礎(chǔ)，計算各地點的波束功率P_ij，生成第1聲音數(shù)據(jù)D1，以所述攝影鏡頭30的信號為基礎(chǔ)，生成影像數(shù)據(jù)；初始顯現(xiàn)步驟S40，顯示部50對所述中央處理部40演算的第1聲音數(shù)據(jù)D1與圖像數(shù)據(jù)進行協(xié)調(diào)、覆蓋，在視覺上顯現(xiàn)；累積信號收集步驟S50，在比所述第1時間幀T1時間更以后的第2時間幀T2期間，所述聲音信號收集部20收集噪聲源的聲音信號；累積信號分析步驟S60，所述中央處理部40以在第2時間幀T2期間收集的聲音信號為基礎(chǔ)，計算各地點的波束功率P_ij，生成第2聲音數(shù)據(jù)D2；累積顯現(xiàn)步驟S70，所述顯示部50把利用第2聲音數(shù)據(jù)D2和初始聲音數(shù)據(jù)D1或第2聲音數(shù)據(jù)D2和初始聲音數(shù)據(jù)D1演算的聲音矩陣M3映射于圖像數(shù)據(jù)，在視覺上顯現(xiàn)。

優(yōu)選在初始分析步驟或累積信號分析步驟中，中央處理部以在一個時間幀期間收集的聲音信號為基礎(chǔ)，計算各地點的波束功率值，在利用在其中選擇的至少兩個波束功率值計算差異值而計算的值大于預先設(shè)置的值的情況下，當作有效的聲音數(shù)據(jù)進行處置，映射于圖像數(shù)據(jù)，進行重疊顯示，或當作數(shù)據(jù)存儲的觸發(fā)信號。

優(yōu)選在初始分析步驟或累積信號分析步驟中，中央處理部在波束功率P_ij值中最大值P_max與最小值P_min的差異大于預先設(shè)置的基準值△P1或最大值P_max與平均值P_mean的差異大于預先設(shè)置的基準值△P2的情況下，當作有效的聲音數(shù)據(jù)進行處置，映射于圖像數(shù)據(jù)，進行重疊顯示，或當作數(shù)據(jù)存儲的觸發(fā)信號。

以在一個時間幀期間收集的聲音信號為基礎(chǔ)計算的各地點的波束功率P_ij值的標準偏差值大于預先設(shè)置的基準時，中央處理部判斷為發(fā)生了有效的噪聲，當作有效的聲音數(shù)據(jù)進行處置，映射于圖像數(shù)據(jù)，進行重疊顯示，或當作數(shù)據(jù)存儲的觸發(fā)信號。

(發(fā)明效果)

根據(jù)本發(fā)明，提供一種聲學照相機系統(tǒng)，能夠有效發(fā)現(xiàn)在互不相同地點、不同瞬間發(fā)生的噪聲、雜音，并使使用者可以輕松識別。

本發(fā)明的噪聲源可視化數(shù)據(jù)累積顯示方法及聲學照相機系統(tǒng)，利用在一個時間段測量的一幀的聲音數(shù)據(jù)矩陣的構(gòu)成要素間的差異值，根據(jù)是否在對象噪聲源發(fā)生有效的噪聲而實施觸發(fā)，或只有在該情況下才當作有效數(shù)據(jù)進行處置，解決了如下問題，即，成為測量分析對象的噪聲源在無噪聲發(fā)生的瞬間，在周圍噪聲導致的背景噪聲增大時觸發(fā)，發(fā)生分析對象噪聲特性被不需要的噪聲(背景噪聲)埋沒而不顯示的問題。

本發(fā)明的噪聲源可視化數(shù)據(jù)累積顯示方法及聲學照相機系統(tǒng)，把機械類、電子裝置類、汽車等在不同地點不同瞬間發(fā)生的噪聲累積顯示于一個畫面，不僅能夠明確掌握多個噪聲源的位置，而且能夠依次顯示噪聲源的噪聲程度，具有的有利效果是，可以借助于固有的觸發(fā)或有效數(shù)據(jù)甄別法，把并非噪聲源區(qū)域的外部噪聲的影響從音場可視化畫面上排除。

附圖說明

圖1a、圖1b、圖1c是波束形成概念說明圖。

圖2a、圖2b是噪聲源可視化數(shù)據(jù)累積顯示聲學照相機系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖3是噪聲源可視化數(shù)據(jù)累積顯示方法流程圖。

圖4a(Over All Level:45.1dB)、圖4b(Over All Level:57.7dB)是在相同位置不同時間測量分析的兩個聲音數(shù)據(jù)幀示意圖。

圖5a、圖5b是從按行列顯示的聲音數(shù)據(jù)的波束功率電平值(行列要素值，Pij)中去除平均值的聲音數(shù)據(jù)幀示意圖。

圖5c是對圖5a、圖5b的聲音數(shù)據(jù)幀的各行列要素值進行平均而顯示的聲音數(shù)據(jù)幀示意圖；

圖5d是進行平均作業(yè)的M_ij示意圖。

符號說明

10:MEMS聲音感知傳感器

20:聲音信號收集部

30:攝影鏡頭

40:中央處理部

50:顯示部

100:聲音及圖像信號收集手段

具體實施方式

圖1a、圖1b、圖1c是波束形成概念說明圖?？梢酝ㄟ^下面的數(shù)式說明波束形成方法。yi(t)是第i號麥克風測量的信號，z(t)是波束輸出。在M個麥克風測量的各個信號中，給予向虛擬聲源方向的時間遲延，按傳感器乘以加權(quán)值后，如果加上信號，則可以獲得波束功率。如果實際聲源與虛擬聲源方向一致，則信號被放大。通過這種方法，可以推定噪聲源的位置?？梢匀缦掠脭?shù)式表現(xiàn)波束功率。

$b\left(t\right)=\underset{j}{\Σ}{p}_{m(t-{\mathrm{\Δt}}_j)}$

當在任意的位置存在虛擬噪聲源時，可以如下用數(shù)式表現(xiàn)噪聲源的大小。

$s\left(t\right)=\underset{j}{\Σ}\frac{1}{r_j}ei\[{\mathrm{kr}}_j-\mathrm{\ω}(t+{\mathrm{\Δt}}_j)\]$

$z\left(t\right)=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{p}_m(t-{\mathrm{\Δ}}_m)$

其中，M為麥克風數(shù)量，w_M為振幅加權(quán)(＝1/M)。

通過下式定義聲音壓力水平(SPL(Sound Pressure Level)，L_P)

$SPL\left(L_p\right)=10{\log }_{10}{\left(\frac{p_{rms}}{p_{ref}}\right)}^2$

p_ref：20μPa(20×10^-6N/m²)

可以根據(jù)加權(quán)函數(shù)(考慮距離)表現(xiàn)為預想水平，波束功率水平BPL(Beam-Power Level)如下式：

$BPL=10{\log }_{10}{\left(\frac{z_{rms}}{p_{ref}}\right)}^2$

如圖2至圖6所示，本發(fā)明的噪聲源可視化數(shù)據(jù)累積顯示方法包括提供聲音及圖像信號收集手段100的步驟S10、初始信號收集步驟S20、初始分析步驟S30、初始顯現(xiàn)步驟S40、累積信號收集步驟S50、累積信號分析步驟S60和累積顯現(xiàn)步驟S70構(gòu)成。

<步驟S10、S20>

如圖2(a,b)、圖3所示，在提供聲音及圖像信號收集手段100的步驟S10中提供的裝置包括：MEMS聲音感知傳感器10，其在曲面上或平面上按均一間隔隔開配置，感知噪聲源的聲音信號；聲音信號收集部20，其把從所述MEMS聲音感知傳感器10接收的聲音信號變換成數(shù)字信號，傳送給中央處理部40；攝影鏡頭30，其拍攝所述噪聲源的光學影像。

其中，與MEMS聲音感知傳感器10相關(guān)，微機電系統(tǒng)(MEMS,Micro Electro Mechanical System)是應(yīng)用半導體制造工序，同時集成微米大小的超微機械部件與電子回路的技術(shù)。MEMS麥克風利用加裝于薄膜傳感器的電極之間的靜電容量的變化，測量作用于薄膜的壓力導致的薄膜的機械性變形，具有與普通電容器麥克風相同的工作原理。MEMS麥克風利用ADC，把模擬信號直接測量為數(shù)字PDM(Pulse Density Modulation)，因而具有不需要利用模擬傳感器進行測量時所需的另外的昂貴ADC測量裝置的優(yōu)點。

在初始信號收集步驟S20中，在第1時間幀T1期間，聲音及圖像信號收集手段100收集噪聲源的聲音信號和影像。實際上，聲音信號收集部20可以無休止期地按連續(xù)的時間間隔進行測量。隨后根據(jù)中央處理部的分析判斷，只顯示、存儲認定為有效數(shù)據(jù)的時間區(qū)間的數(shù)據(jù)。

<步驟S30、S40>

在一個實施例中，如圖4a和圖6a所示，在第1聲音數(shù)據(jù)生成步驟中，中央處理部40生成如圖4a所示的關(guān)于噪聲源各地點的波束功率水平矩陣。在初始分析步驟S30中，中央處理部40以在第1時間幀T1期間收集的聲音信號為基礎(chǔ)，計算各地點的波束功率P_ij，生成第1聲音數(shù)據(jù)，以所述攝影鏡頭30的信號為基礎(chǔ)，生成影像數(shù)據(jù)。

其中，所謂聲音數(shù)據(jù)，可以是各地點的波束功率P_ij水平自身，或以各地點的波束功率P_ij水平為基礎(chǔ)生成的矩陣形態(tài)的聲音數(shù)值。其中，所謂以波束功率P_ij水平為基礎(chǔ)生成的矩陣形態(tài)的聲音數(shù)值，例如，如圖5(a,b)所示，可以是從各地點的波束功率P_ij水平去除平均值后的值?；蛘?，可以分為最大值、平均值、總水平等，或是利用最大值、平均值、總水平等進行規(guī)范化的值。

在一個實施例中，初始顯現(xiàn)步驟S40顯現(xiàn)第一個影像。在初始顯現(xiàn)步驟S40中，顯示部50對中央處理部40演算的第1聲音數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)進行協(xié)調(diào)，重疊地覆蓋，在視覺上顯現(xiàn)。

<步驟S50>

在一個實施例中，在累積信號收集步驟S50中，MEMS聲音感知傳感器10與聲音信號收集部20在比第1時間幀T1時間更以后的第2時間幀T2期間，收集噪聲源的聲音信號。實際上，聲音信號收集部20是無休止期地按連續(xù)的時間間隔進行測量。隨后根據(jù)中央處理部的分析判斷，只顯示或存儲認定為有效數(shù)據(jù)的時間區(qū)間的數(shù)據(jù)。

<步驟S60>

在一個實施例，如圖4b所示，在累積信號分析步驟S60中，中央處理部40生成如圖4b所示的聲音矩陣。中央處理部40以在第2時間幀T2期間收集的聲音信號為基礎(chǔ)，計算各地點的波束功率P_ij，生成累積聲音數(shù)據(jù)。其中，所謂聲音數(shù)據(jù)，可以是各地點的波束功率P_ij水平自身，或是以各地點的波束功率P_ij水平為基礎(chǔ)生成的矩陣形態(tài)的聲音數(shù)值。其中，所謂以波束功率P_ij水平為基礎(chǔ)生成的矩陣形態(tài)的聲音數(shù)值，例如，如圖5(a,b)所示，可以是從各地點的波束功率P_ij水平去除平均值后的值?；蛘?，分為最大值、平均值、總水平等，或是利用最大值、平均值、總水平等進行規(guī)范化的值。

<步驟S70>

在一個實施例中，如圖5c所示，在累積顯現(xiàn)步驟S70中，顯示部50把第2聲音數(shù)據(jù)D2和初始聲音數(shù)據(jù)D1或者把第5、4、3、2聲音數(shù)據(jù)(D5,D4,D3,D2)和初始聲音數(shù)據(jù)D1映射于一個光學圖像上進行顯示。

其中，如圖5c所示，中央處理部40可以生成利用第2聲音數(shù)據(jù)D2和初始聲音數(shù)據(jù)D1演算的聲音矩陣M3，可以將其映射于光學圖像上進行顯示。在圖5c中，所謂利用第2聲音數(shù)據(jù)D2和初始聲音數(shù)據(jù)D1演算的聲音矩陣M，是指對圖5a和圖5b的數(shù)據(jù)進行平均。此時，所謂演算意味著進行平均的作業(yè)的M_ij，如圖5d所示。

然后，步驟S50、S60、S70例如可以反復1次～10次，在某些情況下，反復遠遠更多的次數(shù)，把不同時段的噪聲源發(fā)生程度顯示于一個畫面上。

<有效數(shù)據(jù)判斷、觸發(fā)>

在初始分析步驟S30或累積信號分析步驟S60中，中央處理部40可以以在一個時間幀期間收集的聲音信號為基礎(chǔ)，計算各地點的波束功率P_ij值，在利用在其中選擇至少兩個波束功率值計算差異值而計算的值大于預先設(shè)置的值的情況下，當作有效的聲音數(shù)據(jù)進行處置，映射于圖像數(shù)據(jù)，進行重疊顯示，或當作數(shù)據(jù)存儲的觸發(fā)信號。在初始分析步驟S30或累積信號分析步驟S60中，中央處理部40在波束功率P_ij值中最大值P_max與最小值P_min的差異大于預先設(shè)置的基準值△P1或最大值P_max與平均值P_mean的差異大于預先設(shè)置的基準值△P2的情況下，可以當作有效的聲音數(shù)據(jù)進行處置，映射于圖像數(shù)據(jù)，進行重疊顯示，或當作數(shù)據(jù)存儲的觸發(fā)信號。以在一個時間幀期間收集的聲音信號為基礎(chǔ)計算的各地點的波束功率P_ij值的標準偏差值大于預先設(shè)置的基準時，所述中央處理部40可以判斷為發(fā)生了有效的噪聲，當作有效的聲音數(shù)據(jù)進行處置，映射于圖像數(shù)據(jù)，進行重疊顯示，或當作數(shù)據(jù)存儲的觸發(fā)信號。

如圖2至圖6所示，本發(fā)明的噪聲源可視化數(shù)據(jù)累積顯示方法包括MEMS聲音感知傳感器10、聲音信號收集部20、攝影鏡頭30、中央處理部40和顯示部50。如圖2b所示，MEMS聲音感知傳感器10在曲面上或平面上(圖中未示出)按均一間隔隔開配置，感知噪聲源的聲音信號。聲音信號收集部20把從MEMS聲音感知傳感器10接收的聲音信號變換成數(shù)字信號，傳送給中央處理部40。

攝影鏡頭30拍攝所述噪聲源的光學影像。中央處理部40以在時間幀期間收集的聲音信號為基礎(chǔ)，計算各地點的波束功率P_ij，生成聲音數(shù)據(jù)，以攝影鏡頭30的信號為基礎(chǔ)，生成影像數(shù)據(jù)。顯示部50對所述中央處理部40演算的聲音數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)進行協(xié)調(diào)并重疊覆蓋，在視覺上顯現(xiàn)。

此時，中央處理部40對使用所述MEMS聲音感知傳感器10與聲音信號收集部20而在互不相同瞬間取得的聲音信號進行波束形成，生成至少兩個以上的聲場可視化影像后，映射于從攝影鏡頭30獲得的一個光學圖像上進行顯示。中央處理部40可以對在互不相同瞬間取得的聲音信號進行波束形成，生成至少兩個以上的聲音數(shù)據(jù)后，對其進行規(guī)范化后，映射于光學圖像上進行累積顯示。

本發(fā)明就以上言及的優(yōu)選實施例進行了說明，但本發(fā)明的范圍并非限定于這種實施例，本發(fā)明的范圍根據(jù)以下的權(quán)利要求書而確定，包括屬于與本發(fā)明均等范圍的多樣的修訂及變形。

需要指出的是，下面的權(quán)利要求書中記載的附圖符號單純用于輔助發(fā)明的理解，不影響權(quán)利范圍的解釋，不得根據(jù)記載的附圖符號，縮窄解釋權(quán)利范圍。