[發明專利]音頻分析儀器自動化計量檢定系統及識別算法

在審

• 申請號: 201910198525.3
• 申請日: 2019-03-15
• 公開（公告）號: CN109935239A
• 公開（公告）日: 2019-06-25
• 發明（設計）人: 金暉;何潔
• 申請（專利權）人: 浙江大學城市學院
• 主分類號: G10L25/03
• 分類號: G10L25/03;G10L25/27
• 代理公司: 杭州九洲專利事務所有限公司 33101
• 代理人: 張羽振

1.一種音頻分析儀器自動化計量檢定系統，其特征在于：包括標準聲源發生系統、測量結果識別系統和計算機程控系統；

標準聲源發生系統包括：ZigBee收發單元、ARM系統、程控信號源、功放電路、發聲器件和檢測電路；程控信號源通過ARM系統控制AD9850輸出相應的信號波形、幅度和頻率，該信號一路輸出給標準電信號接口，一路送到功放電路，通過功率放大送給發聲器件，采用標準傳聲器進行接收，通過檢測電路實現聲信號幅度檢測，如果達不到要求，通過程控信號源進行調節，最終達到標準的聲信號；當達到輸出標準的聲信號時，通過ZigBee收發單元發送信號準備就緒命令給測量結果識別系統；

測量結果識別系統包括:被測儀器顯示屏、攝像頭、圖像電信號接口單元、ARM系統、檢測電路、AC接口、DC接口和ZigBee收發單元；ARM系統通過Zigbee收發單元接收到標準聲源發生系統發來的準備就緒的命令，ARM系統通過圖像電信接口單元實現攝像頭對被測儀器顯示屏的測量結果進行圖像識別，通過檢測電路對被測儀器的AC接口、DC接口進行測量；ARM系統獲取到測量結果后通過ZigBee收發單元將測量結果發送到計算機程控系統；

計算機程控系統包括：ZigBee收發單元、ARM系統和計算機上位機；ARM系統通過ZigBee收發單元獲取測量結果識別系統的測量結果，通過USB接口或RJ45接口將數據送到計算機上位機，計算機上位機將測量結果送到預置的檢定報告的輸出條目中，通過USB接口或RJ45接口發送下一條檢定規程中要求的輸出信號源要求的波形、幅度和頻率到測量結果識別系統，測量結果識別系統再通過ZigBee收發單元將輸出信號源要求發送到標準聲源發生系統。

2.一種如權利要求1所述的音頻分析儀器自動化計量檢定系統的測量結果識別系統的識別算法，其特征在于，包括以下步驟：

S1.首先通過AC接口進行音頻信號頻率計權以及時間計權數字化分析，具體如下：

頻率計權的數字化實現過程如下：

對于頻率計權如C計權，國際標準都有相應的傳遞函數，根據傳遞函數可以將其數字化，然后通過軟件實現；如：C計權的傳遞函數如下：

將Ω＝2πf帶入上式得：

從上式可以得到：

s＝±jΩ₁(為2階),s＝±jΩ₄(為2階),零點為s＝0(為2階)；

選出左半平面的極點，s＝Ω₁和s＝Ω₄及零點s＝0，并設增益系數為K，則可以得到：

由H_C(s)|_s＝j＝H_C(jΩ)|_Ω＝1可以得到：

K＝Ω₄²

以其傳遞函數為：

然后利用模擬濾波器和數字濾波器之間的變換關系，可以得到，系統函數的Z變換為：

通過上述的方法處理就可以實現A、C計權的數字化；

Y＝X-RC(dY/dt) (9)

由微分方程可以寫出相應的差分方程為:

Y(n)＝X(n)-RC(Y(n)-Y(n-1))/t其中t為采樣間隔時間,

整理后得到:

設則上式又變為

Y(n)＝αX(n)+(1-α)Y(n-1) (11)

時間計權F檔的設計:

在F檔的測試中,最小的猝發生的持續時間為0.25ms,采樣時間間隔采用0.25ms,RC＝125ms,則a＝0.008；A/D轉換的速度為48kHz,12個A/D結果平方后累加值作為輸入X；利用公式(11)計算的結果在計算機上仿真后,表明時間計權可以滿足1型聲級的要求；

時間計權S檔的設計：

因為在S檔的測試中,最小的猝發生的持續時間為2ms,所以采樣時間間隔采用1ms,RC＝1s,則a＝0.001；A/D轉換的速度為48kHz,48個A/D結果平方后累加值作為輸入X；利用公式(11)計算的結果在計算機上仿真后,表明時間計權可以滿足1型聲級的要求；

時間計權I檔的設計:

因為在I檔的測試中,最小的猝發生的持續時間為2ms,所以采樣時間間隔采用1ms,RC＝35ms,則a＝0.026；A/D轉換的速度為48kHz,48個A/D結果平方后累加值作為輸入X；利用公式(11)計算的結果在計算機上仿真后,表明時間計權滿足1型聲級的要求；I檔的指數平均時間常數為35ms,但顯示部分的下降沿為1.5S,所以進行指數平均后,如發現數據是降低的用公式(11)代入a＝0.00067得出顯示值，該顯示值不參與下一次指數平均；如數據是上升的則當前結果即是顯示值；

S2.根據音頻信號的測量參數公式獲得相應的測量結果,通過這個測量結果形成光學識別算法中的相應頻率計權(A或C)和時間計權(F)字符匹配模塊:

如聲壓級:

式中:p為聲壓(Pa.),p₀＝2x10^-5Pa是參考聲壓,它是人耳剛剛可以聽到聲音的聲壓；

如等效連續聲壓級:

式中:p_A(t)是瞬時A計權聲壓；p₀是參考聲壓(2x10^-5Pa)；L_A是變化A聲級的瞬時值,單位dB；T是某段時間的總量；

實際測量噪聲是通過不連續的采樣進行測量,假如采樣時間間隔相等,則:

式中:N是測量的聲級總個數；

對于連續的穩定噪聲,等效連續聲級就等于測得的A聲級；

通過這些測量結果形成相應的字符匹配模塊；

S3.通過DC接口,經ARM系統采樣分析,獲得相應的Z計權的測量結果,該結果形成光學識別測量結果中的Z計權的相應字符匹配模塊；

S4.將被測儀器的測量結果顯示屏通過數字攝像頭通過RS232接口實現ARM系統的讀取，進行光學識別。

3.根據權利要求2所述的測量結果識別系統的識別算法，其特征在于：所述步驟S4的光學識別的算法為：

識別對象的圖像獲取通過攝像頭結合圖像電信號單元實現灰度化，針對字符識別，選用中值濾波技術實現圖像平滑，通過閾值設定實現圖像的二值化，從二值化數據中進行字符分割，選用的方法是模板匹配法，再通過圖像細化后采用骨架特征提取進行字符識別；采用骨架特征提取，減少相應的計算量，只把提取出的字符特征與上述S1、S2、S3步驟中形成的測量結果字符模板的特征進行匹配即可；給定一個待識別的圖像，經過細化處理的字符骨架圖像，或沒有細化的去除了噪聲的二值圖像，橫向和縱向都以固定的間隔劃線，然后依次記下穿過字符圖像的次數，也就是交叉次數；事先收集好模板圖像，提取出每個模板的穿過次數，以矩陣的形式存放，作為特征矩陣，提取完每個字符的特征以后，作為數據庫保存下來；獲取了待識別的單個字符圖像以后，同樣提取出穿越次數，載入模板數據，和模板的穿越次數矩陣，依次作比較，計算相關系數，相關系數最大的就是識別結果；長和寬等分成五份，不能等分的，取整數部分，在每個等分位置計算穿越次數，每一次交叉，記為一次穿越，這樣共有十個特征值；計算差別的方法：

式中X可以代表待識別的二值字符，P為模板的特征矩陣，得到的差值矩陣為D；d＝d₁₁²+…+d₂₅²為兩者相關性衡量的數，該數最大的那個對應模板就表示識別結果。