CN102547526A - 传声器工作状态的实时监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传声器工作状态的实时监测方法及系统，该方法包括：信号发生和控制装置产生激励信号，驱动他激式蜂鸣器产生辅助信号；辅助信号通过声场强度控制装置到达传声器；辅助信号再经过放大和滤波装置、A/D转换过程进入到音频信号采集装置，成为被采集音频信号的组成部分；对被采集音频信号进行频谱分析，计算功率谱P(ω)，若能量Ф ＜ p ₀ ，则报警；通过逆傅里叶变换去除辅助信号，该系统包括：传声器工作模块、辅助信号产生模块和音频信号分析模块。本发明实现了传声器工作状态的实时监测，具有实时性高、可靠性高、不依赖于特定传声器、不依赖于是否有声音输入的优点，广泛运用于各类传声器工作状态监测领域中。

Description

传声器工作状态的实时监测方法及系统

技术领域

本发明涉及仪器监测领域，特别是传声器工作状态的实时监测方法及系统。

背景技术

传声器是一种将声音转化成电子信号的装置，按照实现原理分为动圈式、电容式和压电式等。传声器系统是指以传声器作为前端的信号采集装置所构成的应用系统，检测传声器是否能够正常工作对应用系统而言有着非常重要的价值和意义。例如，近年来新兴起的计算机辅助英语口语考试系统中，通过传声器采集考生的录音答案，考试结束后评阅人回放录音进行评分，如果在考试过程中传声器的工作状态出现异常，会造成录音文件无法重现考生答题情况，产生无法评分的严重后果。再如，在大型的演唱会中，曾经出现过只见到演员张嘴而听不见其声音的尴尬场面，问题的原因也在于传声器在工作过程中发生故障而没有被实时发现。

造成传声器工作状态异常的原因有许多方面，电子元器件老化、焊点接触不良、连接线断路、接插件的接触不良等都是非常重要的原因，在实际的应用中也时常会遇到这些问题。现有的技术仅能从一定程度上检测传声器的状态，但无法做到实时监控。已有的传声器工作状态检测技术主要分为以下三类：

(1)事前验证技术，即在使用传声器之前对其进行测试。虽然事前验证技术是行之有效的，但却不能保证在测试完成之后传声器总能够正常工作。

(2)语音处理芯片主动探测技术，即通过检测传声器的输出阻抗、电容量、电感量、空间距离等物理量来判断扬声器的工作状态。这类技术依赖于对物理量的检测，因此仅能识别部分传声器的部分故障，不能作为通用的方法。例如具有语音功能的工业人机界面(201020167258.8)公开了基于AC97音频芯片的音频控制电路通过内部总线连接嵌入式工业控制主板上设置的中央处理器单元，音频控制电路连接音频接口，由中央处理器单元控制音频芯片，通过从下位机通信获取的数据信息(即对于物理量的检测)判别报警与否，并向音频芯片发出相应指令，从而触发音频芯片发出语音报警提示。

(3)语音识别技术，即通过对语音进行频谱分析，将传声器采集到的时域信息转化为频域信息，利用人类所能发出和听到的声音主要集中在50Hz～20000Hz的特性，结合语音识别算法判断传声器的工作状态。但这类技术需要知道被检测的时域内是否包含有效的语音数据。只有当被检测的样本中包含有效语音数据时才能根据其特征进行分析，以判别传声器的工作状态。因此这类方法是无法区分设备故障和无声源两类情况的。例如语音识别装置、语音识别方法及语音识别程序(01801963.3)公开了利用话筒采集说话者发出的语音，通过A/D变换器提供给信号延迟单元及声级推定单元，声级推定单元根据提供的数字语音信号进行声级推定值的计算，信号延迟单元将延迟了预定的声级上升沿时间得数字语音信号提供给声级调整单元，声级调整单元根据声级推定值进行数字语音信号的声级调整，将声级调整后的输出提供给语音识别单元，语音识别单元根据提供的声级调整后的输出，进行语音识别。

可见现有的传声器状态检测技术无法做到实时监控。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种实时性高、可靠性高的传声器工作状态的实时监测方法。

本发明的另一个目的是一种传声器工作状态的实时监测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

传声器工作状态的实时监测方法，包括以下步骤：

A、信号发生和控制装置产生激励信号，驱动他激式蜂鸣器产生频率为f₀的辅助信号；

B、他激式蜂鸣器产生的辅助信号经过声场强度控制装置到达传声器，声场强度控制装置将传声器获得的频率为f₀的辅助信号的声场强度控制在s₀db；

C、辅助信号经过放大和滤波装置、A/D转换过程进入到音频信号采集装置，成为被采集音频信号的组成部分；

D、对被采集音频信号进行频谱分析，通过傅里叶变换计算被采集信号的功率谱函数P(ω)，若在频率区间ω∈[αf₀，(2-α)f₀]上的能量Φ＜p₀则驱动传声器异常报警装置报警；

E、对被采集的音频信号进行逆傅里叶变换去除步骤B中增加的频率为f₀、声场强度为s₀的辅助信号。

进一步，如果除辅助信号外，还有其他音频信号被传声器所采集成为被采集音频信号的另一部分，则还包括以下步骤：

F、将传声器所采集的其他音频信号交给基于应用的处理过程；

若应用的目标是将音频信号保存为二进制文件则不需要进行D/A转换过程，而是直接交给基于应用的处理过程；若应用的目标是对传声器拾取的声音进行放大并输出，则步骤C中的A/D转换过程也可以省略。

进一步，所述步骤A中的激励信号可以为正弦波、方波、锯齿波或三角波信号。

进一步，所述步骤A中f₀的取值取决于A/D转换部分的采样率R_s和传声器的频率响应范围R_f，所述步骤B中s₀取决于所选传声器的固有噪声s_n，典型值是s₀＝s_n+3db。

进一步，所述步骤D中p₀为报警阀值，选取p₀时需要考虑传声器的频响特性、灵敏度和应用系统的功能等，通常取p₀≥s₀ ²，ω表示信号频率，α∈(0，1)表示元器件的一致性水平。

进一步，所述步骤D中P(ω)的计算公式为

$P\left(\mathrm{\ω}\right)=i_{\mathrm{\ω}}^2+j_{\mathrm{\ω}}^2$

i，j分别是频率为ω的声音分量的实部和虚部；

P(ω)在[αf₀，(2-α)f₀]区间内的能量表示为

$\mathrm{\Φ}={\∫}_{(2-\mathrm{\α})f_0}^{\mathrm{\α}{f}_0}P\left(f\right)\mathrm{df}$

其中，[αf₀，(2-α)f₀]为连续的频率区间，α为元器件的一致性水平且α∈(0，1)，f₀为辅助信号频率。

传声器工作状态的实时监测系统，包括传声器工作模块，还包括：

辅助信号产生模块，用于产生辅助信号；

音频信号分析模块，用于对音频信号进行分析。

进一步，所述传声器工作模块包括传声器、放大和滤波装置、音频信号采集装置、A/D转换模块、D/A转换模块及基于应用的处理模块。

进一步，所述辅助信号产生模块包括：

信号发生和控制装置，用于产生激励信号；

他激式蜂鸣器，用于产生频率为f₀的辅助信号；

声场强度控制装置，用于将传声器获得的频率为f₀的辅助信号的声场强度控制在s₀db。

进一步，所述音频信号分析模块包括：

音频信号先处理模块，用于对音频信号进行频谱分析，计算功率谱函数P(ω)和2(1-α)f₀频宽对应的能量Φ；

传声器状态异常报警装置，用于报警传声器的异常状态；

音频信号后处理模块，用于去除步骤B中增加的频率为f₀、强度为s₀的辅助信号。

本发明的有益效果：本发明传声器工作状态的实时监测方法，在传声器的前端增加频率、强度等技术指标满足一定条件的辅助信号，采集经过A/D转换后的声音信号通过傅立叶分析检测辅助信号，并以此为依据监测传声器的工作状态，这一方法由于完整的利用了传声器正常工作时所依赖的各种介质和装置，以对传声器所拾取的音频信号进行微小的失真变换为代价实现了传声器工作状态的实时监测，同其他方法相比具有实时性高、可靠性高、不依赖于特定传声器、不依赖于是否有声音输入等优点。

本发明的另一个有益效果：本发明传声器工作状态的实时监测系统，在传声器的前端增加频率、强度等技术指标满足一定条件的辅助信号，采集经过A/D转换后的声音信号通过傅立叶分析检测辅助信号，并以此为依据监测传声器的工作状态，这一系统由于完整的利用了传声器正常工作时所依赖的各种介质和装置，以对传声器所拾取的音频信号进行微小的失真变换为代价实现了传声器工作状态的实时监测，同其他系统相比具有实时性高、可靠性高、不依赖于特定传声器、不依赖于是否有声音输入等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明传声器工作状态的实时监测方法步骤流程图；

图2是本发明传声器工作状态的实时监测方法第一实施例步骤流程图；

图3是本发明传声器工作状态的实时监测方法第二实施例步骤流程图；

图4是本发明传声器工作状态的实时监测系统模块方框图；

图5是本发明传声器工作状态的实时监测系统一实施例模块方框图。

图中：传声器工作模块1、辅助信号产生模块2、音频信号分析模块3、传声器11、放大和滤波装置12、音频信号采集装置13、A/D转换模块14、D/A转换模块15、基于应用的处理模块16、信号发生和控制装置21、他激式蜂鸣器22、声场强度控制装置23、音频信号先处理模块31、传声器状态异常报警装置32、音频信号后处理模块33。

具体实施方式

参照图1，传声器工作状态的实时监测方法，包括以下步骤：

A、信号发生和控制装置产生激励信号，驱动他激式蜂鸣器产生频率为f₀的辅助信号；

B、他激式蜂鸣器产生的辅助信号经过声场强度控制装置到达传声器，声场强度控制装置将传声器获得的频率为f₀的辅助信号的声场强度控制在s₀db；

C、辅助信号经过放大和滤波装置、A/D转换过程进入到音频信号采集装置，成为被采集音频信号的组成部分；

D、对被采集的音频信号进行频谱分析，通过傅里叶变换计算被采集信号的功率谱函数P(ω)，若在频率区间ω∈[αf₀，(2-α)f₀]上的能量Φ＜p₀则驱动传声器异常报警装置报警；

E、对被采集音频信号进行逆傅里叶变换去除步骤B中增加的频率为f₀、声场强度为s₀的辅助信号。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中的激励信号可以为正弦波、方波、锯齿波、三角波信号等其他类型的信号。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中f₀的取值取决于A/D转换部分的采样率R_s和传声器的频率响应范围R_f，设定参考值为传声器在2700Hz时的频率响应，记为R₂₇₀₀ db，则f₀的取值方法为f₀＝αmax{R_s，max{R_f|R_f≤βR₂₇₀₀}}其中α为该类传声器的一致性指标，典型值为95％，β为频响的允许衰减指标，典型值为50％。f₀取值应尽可能的取大于7kHz，这是因为后序处理过程中对传声器所拾取的原始声音在f₀附近进行有损处理，f₀越大人耳所能感受到的损失就越小；所述步骤B中s₀取决于所选传声器的固有噪声s_n，典型值是s₀＝s_n+3db。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤D中p₀为报警阀值，选取p₀时需要考虑传声器的频响特性、灵敏度和应用系统的功能等，通常取p₀≥s₀ ²，ω表示信号频率，α∈(0，1)表示元器件的一致性水平。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤D中P(ω)的计算公式为

$P\left(\mathrm{\ω}\right)=i_{\mathrm{\ω}}^2+j_{\mathrm{\ω}}^2$

i，j分别是频率为ω的声音分量的实部和虚部；

P(ω)在[αf₀，(2-α)f₀]区间内的能量表示为

$\text{\Φ=}{\∫}_{(2-\mathrm{\α})f_0}^{\mathrm{\α}{f}_0}P\left(f\right)\mathrm{df}$

其中，[αf₀，(2-α)f₀]为连续的频率区间，α为元器件的一致性水平且α∈(0，1)，f₀为辅助信号频率。

进一步作为优选的实施方式，传声器异常报警装置的实现可以采用故障灯提示，触发某个特定事件等形式。

进一步作为优选的实施方式，通过逆傅里叶变换去除步骤A中增加的频率为f₀、声场强度为s₀的噪声信号，由于器件一致性水平α总是低于100％，因此这里只能进行近似处理，即去除ω，ω∈[αf₀，(2-α)f₀]的所有强度高于固有噪声s_n的分量。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，如果除辅助信号外，还有其他音频信号被传声器所采集成为被采集音频信号的另一部分，则还包括以下步骤：

F、将传声器所采集的其他音频信号交给基于应用的处理过程；

若应用的目标是将音频信号保存为二进制文件则不需要进行D/A转换过程，而是直接交给基于应用的处理过程。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，如果除辅助信号外，还有其他音频信号被传声器所采集成为被采集音频信号的另一部分，则还包括以下步骤：

F、将传声器所采集的其他音频信号交给基于应用的处理过程；

若应用的目标是对传声器拾取的声音进行放大并输出，则步骤C中的A/D转换过程也可以省略。

参照图4，传声器工作状态的实时监测系统，包括传声器工作模块1，还包括：

辅助信号产生模块2，用于产生辅助信号；

音频信号分析模块3，用于对音频信号进行分析。

参照图5，进一步作为优选的实施方式，所述传声器工作模块1包括传声器11、放大和滤波装置12、音频信号采集装置13、A/D转换模块14、D/A转换模块15及基于应用的处理模块16。

进一步作为优选的实施方式，所述辅助信号产生模块2包括：

信号发生和控制装置21，用于产生激励信号；

他激式蜂鸣器22，用于产生频率为f₀的辅助信号；

声场强度控制装置23，用于将传声器获得的频率为f₀的辅助信号的声场强度控制在s₀db。

进一步作为优选的实施方式，所述音频信号分析模块3包括：

音频信号先处理模块31，用于对音频信号进行频谱分析，计算功率谱P(ω)和2(1-α)f₀频宽对应的能量Φ；

传声器状态异常报警装置32，用于报警传声器的异常状态；

音频信号后处理模块33，用于去除步骤B中增加的频率为f₀、强度为s₀的辅助信号。

当然，本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.传声器工作状态的实时监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、信号发生和控制装置产生激励信号，驱动他激式蜂鸣器产生频率为f₀的辅助信号；

B、他激式蜂鸣器产生的辅助信号经过声场强度控制装置到达传声器，声场强度控制装置将传声器获得的频率为f₀的辅助信号的声场强度控制在s₀db；

C、辅助信号经过放大和滤波装置、A/D转换过程进入到音频信号采集装置，成为被采集音频信号的组成部分；

D、对被采集音频信号进行频谱分析，通过傅里叶变换计算被采集信号的功率谱函数P(ω)，若在频率区间ω∈[αf₀，(2-α)f₀]上的能量Φ＜p₀则驱动传声器异常报警装置报警；

E、对被采集的音频信号进行逆傅里叶变换去除步骤B中增加的频率为f₀、声场强度为s₀的辅助信号。

2.根据权利要求1所述的传声器工作状态的实时监测方法，其特征在于：如果除辅助信号外，还有其他音频信号被传声器所采集成为被采集音频信号的另一部分，则还包括以下步骤：

F、将传声器所采集的其他音频信号交给基于应用的处理过程；

若应用的目标是将音频信号保存为二进制文件则不需要进行D/A转换过程，而是直接交给基于应用的处理过程；若应用的目标是对传声器拾取的声音进行放大并输出，则步骤C中的A/D转换过程也可以省略。

3.根据权利要求1所述的传声器工作状态的实时监测方法，其特征在于：所述步骤A中的激励信号可以为正弦波、方波、锯齿波或三角波信号。

4.根据权利要求1所述的传声器工作状态的实时监测方法，其特征在于：所述步骤A中f₀的取值取决于A/D转换部分的采样率R_s和传声器的频率响应范围R_f，所述步骤B中s₀取决于所选传声器的固有噪声s_n，典型值是s₀＝s_n+3db。

5.根据权利要求1所述的传声器工作状态的实时监测方法，其特征在于：所述步骤D中p₀为报警阀值，选取p₀时需要考虑传声器的频响特性、灵敏度和应用系统的功能等，通常取p₀≥s₀ ²，ω表示信号频率，α∈(0，1)表示元器件的一致性水平。

6.根据权利要求1所述的传声器工作状态的实时监测方法，其特征在于：所述步骤D中P(ω)的计算公式为

$P\left(\mathrm{\ω}\right)=i_{\mathrm{\ω}}^2+j_{\mathrm{\ω}}^2$

i，j分别是频率为ω的声音分量的实部和虚部；

P(ω)在[αf₀，(2-α)f₀]区间内的能量表示为

$\mathrm{\Φ}={\∫}_{(2-\mathrm{\α})f_0}^{\mathrm{\α}{f}_0}P\left(f\right)\mathrm{df}$

其中，[αf₀，(2-α)f₀]为连续的频率区间，α为元器件的一致性水平且α∈(0，1)，f₀为辅助信号频率。

7.传声器工作状态的实时监测系统，包括传声器工作模块(1)，其特征在于：还包括：

辅助信号产生模块(2)，用于产生辅助信号；

音频信号分析模块(3)，用于对音频信号进行分析。

8.根据权利要求7所述的传声器工作状态的实时监测系统，其特征在于：所述传声器工作模块(1)包括传声器(11)、放大和滤波装置(12)、音频信号采集装置(13)、A/D转换模块(14)、D/A转换模块(15)及基于应用的处理模块(16)。

9.根据权利要求7所述的传声器工作状态的实时监测系统，其特征在于：所述辅助信号产生模块(2)包括：

信号发生和控制装置(21)，用于产生激励信号；

他激式蜂鸣器(22)，用于产生频率为f₀的辅助信号；

声场强度控制装置(23)，用于将传声器获得的频率为f₀的辅助信号的声场强度控制在s₀db。

10.根据权利要求7所述的传声器工作状态的实时监测系统，其特征在于：所述音频信号分析模块(3)包括：

音频信号先处理模块(31)，用于对音频信号进行频谱分析，计算功率谱函数P(ω)和2(1-α)f₀频宽对应的能量Φ；

传声器状态异常报警装置(32)，用于报警传声器的异常状态；

音频信号后处理模块(33)，用于去除步骤B中增加的频率为f₀、强度为s₀的辅助信号。

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