CN111899749B - 一种监听混凝土泵送管道作业声音的降噪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监听混凝土泵送管道作业声音的降噪方法，包括如下步骤：步骤一、在泵送管道的周围布设N个物理性能一致录音设备；步骤二、使N个录音设备采集到的泵管声音同步，并得到四个录音设备同步后的声波波形时间序列信号为B_1i、B_2i、…、B_Ni；步骤三、假定环境噪声近似为平行压缩波，泵送管道的声音近似假定为点源，得到B_1i、B_2i、…、B_Ni的表达式；步骤四，对步骤三中B_1i、B_2i、…、B_Ni的表达式的等号两边分别采用离散傅里叶变换及离散傅里叶逆变换，求解泵送管道声波波形时间序列信号R_i。该方法能够实现噪声和真实声音的分离，具有操作简单、运算时间复杂度较低、便于实际应用、降噪效果好的优点。

Description

一种监听混凝土泵送管道作业声音的降噪方法

技术领域

本发明涉及一种声音信号过滤技术，尤其涉及一种监听混凝土泵送管道作业声音的降噪方法。

背景技术

目前，在混凝土泵送中，会利用声音信号对混凝土泵送管道工作状态进行识别，这种方法可以避免复杂的混凝土-泵管系统的力学反问题分析，进行泵管内部压力的识别。

由于建筑工地环境声音复杂，噪声随机，无明显规律可循，传统的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、高斯滤波器，等等无法取得满意效果。以往的噪声过滤方法往往针对单声道信号进行处理，根据采集的声音信号中噪声特点进行降噪。传统方法实施的前提是噪声有规律和稳定的特征，比如噪声的频率稳定比待测信号频谱的主要频率范围显著高或者显著低，这样可以采用低通或高通滤波器；再者，如语音信号，在口腔发音间隙的空白区域的信号可直接抹除，实现降噪的效果。对于建筑工地各种随机的噪声，高低频率均存在，且频段分布随机，无法采用简单的滤波算法实现降噪的目的。

发明内容

针对利用声音信号对混凝土泵送管道工作状态进行识别时，由于建筑工地环境声音复杂、噪声随机且无明显规律可循，传统的滤波器难以达到较好的滤波效果的问题，本发明提供了一种监听混凝土泵送管道作业声音的降噪方法。

为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：

一种监听混凝土泵送管道作业声音的降噪方法，包括如下步骤：

步骤一、在泵送管道的周围布设N个录音设备，其中N≥3，N个录音设备的物理性能一致，且拾音元件与泵送管道的表面的距离分别为r₁、r₂、…、r_N，其中，r₁＜r₂＜…＜r_N；N个录音设备以相同的采样率SR进行录音；

步骤二、使N个录音设备采集到的泵管声音同步，并得到四个录音设备同步后的声波波形时间序列信号为B_1i、B_2i、…、B_Ni，其中i为声波波形幅值点数；分别进行离散傅里叶变换，得到傅里叶变换域内的复数离散序列：

F_B1i＝fft(B_1i)，F_B2i＝fft(B_2i)，……，F_BNi＝fft(B_Ni)；

步骤三、假定环境噪声由距离泵管较远的方位传播而来，环境噪声近似为平行压缩波，在N个录音设备范围内，环境噪声近似认为处处相同；泵送管道的声音近似假定为点源，录音设备所接收的振动信号强度与泵管-录音设备距离成反比；基于上述假定，可得

B_1i＝R_i+E_i，

其中，E_i为环境噪声声波波形时间序列信号，R_i为泵送管道声波波形时间序列信号；k_i为修正因子k_i。

步骤四，对步骤三中B_1i、B_2i、…、B_Ni的表达式的等号两边分别采用离散傅里叶变换及离散傅里叶逆变换，求解泵送管道声波波形时间序列信号R_i。

进一步，步骤二中，使N个录音设备采集到的泵管声音同步，并得到N个录音设备同步后的声波波形时间序列信号为B_1i、B_2i、…、B_4i；包括如下步骤：

(1)使N个录音设备基于相同的时钟处于录音状态，记录各自采集的音频和对应的时间信息；

(2)击打泵管1次，使之发出明显区别于环境噪声，且分贝大于环境噪声的声音；

(3)分析N个录音设备录制的波形时间序列，寻找振幅最大值出现的时刻，将第j录音设备接收到的波形最大振幅时刻分别记为t_j，其中，j＝1,2,…,i；第k录音设备接收到泵送管道的声音相对于第一录音设备接收到声音滞后的时间分别为△t_k＝t_k－t₁，k＝2,…,i；

(4)根据△t_k对N个录音设备采集的时间序列进行同步化处理；具体操作包括：

对于声音持续时间为T秒的声音时间序列片段，第一录音设备采集的声波波形时间序列信号为B_1i，其中，i＝1,2,…,T×SR；

第k录音设备采集的声波波形时间序列信号为B_ki，其中，i＝1+△t_k×SR,2+△t_k×SR,…,T×SR+△t_k×SR。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用多个声音采集传感器在被测声源附近不同距离处同时采集多个声音信号，构成多声道音频信号，利用声音传播的叠加原理和衰减原理以及傅里叶谱分析相关技术手段，实现噪声和真实声音的分离，达到降噪效果，具有操作简单、运算时间复杂度较低、便于实际应用、降噪效果好的优点。

附图说明

图1为本发明泵管声音采集设备布置示意图。

1-第一录音设备；2-第二录音设备；3-第三录音设备；4-第四录音设备；5-泵送管道；6-环境噪声。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种监听混凝土泵送管道作业声音的降噪方法作进一步详细说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本实施中以四个录音设备为例进行说明，其它数量的录音设备与之类似，布设的录音设备数量的增加，可提高虑噪效果。

在泵送管道5的周围布设四个录音设备，分别记为第一录音设备1、第二录音设备2、第三录音设备3、第四录音设备4，四个录音设备的物理性能一致，且拾音元件与泵送管道的表面的距离分别为r₁、r₂、r₃、r₄，其中，r₁＜r₂＜r₃＜r₄。录音设备的内部电路和控制软件不对声音强度进行任何修饰处理，比如不对波形时间序列进行归一化处理，以相同的采样率SR进行录音；其中，采样率SR表示每秒钟录音设备记录的声波波形幅值点数，常用的有SR＝44.1kHz、SR＝22.05kHz，即每秒记录44100次、22050次。由于四个录音设备到泵管的距离存在差异，因此，四个录音设备接收到的泵管声音存在时间差异。为了使四个录音设备采集到的泵管声音同步，采用如下方法：

(1)使四个录音设备基于相同的时钟处于录音状态，记录各自采集的音频和对应的时间信息；

(2)击打泵管1次，使之发出明显区别于环境噪声，且分贝大于环境噪声的声音；

(3)分析四个录音设备录制的波形时间序列，寻找振幅最大值出现的时刻，将第一录音设备、第二录音设备、第三录音设备、第四录音设备接收到的波形最大振幅时刻分别记为t₁、t₂、t₃和t₄，第二录音设备、第三录音设备、第四录音设备接收到泵送管道的声音相对于第一录音设备接收到声音滞后的时间分别为△t₂＝t₂－t₁、△t₃＝t₃－t₁和△t₄＝t₄－t₁；

(4)根据△t₂、△t₃、△t₄对四个录音设备采集的时间序列进行同步化处理；具体操作包括：

对于声音持续时间为T秒的声音时间序列片段，第一录音设备采集的声波波形时间序列信号为B_1i，其中，i＝1,2,…,T×SR；

第二录音设备采集的声波波形时间序列信号为B_2i，其中，i＝1+△t₂×SR,2+△t₂×SR,…,T×SR+△t₂×SR；

第三录音设备采集的声波波形时间序列信号为B_3i，其中，i＝1+△t₃×SR,2+△t₃×SR,…,T×SR+△t₃×SR；

第四录音设备采集的声波波形时间序列信号为B_4i，其中，i＝1+△t₄×SR,2+△t₄×SR,…,T×SR+△t₄×SR。

对于四个录音设备采集到的声波波形时间序列信号B_1i、B_2i、B_3i、B_4i，分别进行离散傅里叶变换，得到傅里叶变换域内的复数离散序列，分别为：

F_B1i＝fft(B_1i)、F_B2i＝fft(B_2i)、F_B3i＝fft(B_3i)和F_B4i＝fft(B_4i)。这里离散傅里叶变换采用快速傅里叶变换算法实现。

假定环境噪声6由距离泵送管道5较远的方位传播而来，那么环境噪声6可近似为平行压缩波，在四个录音设备范围内，环境噪声6近似认为处处相同，可用时间序列E_i表示。泵送管道5的声音近似假定为点源，录音设备所接收的振动信号强度与泵管-录音设备距离成反比。基于上述假定，可得

B_1i＝R_i+E_i， (1)

其中，R_i为泵管自身发出的声音信号；k_i为修正因子k_i。

由于现场环境中存在障碍物(墙壁、柱，等)的干扰，声音传播过程中存在未知的反射和衍射，为了修正这类误差，引入修正因子k_i，在具体施工现场，为确定值，k_i可在施工现场测定，或根据施工环境给出经验值。

对式(1)、(2)和(3)等号两边均进行离散傅里叶变换，同时求解关于k_i、R_i和E_i的代数方程，解得：

其中，F_Ri为泵管真实信号时间序列的离散傅里叶变换序列。

对式(1)、(2)和(4)等号两边均进行离散傅里叶变换，同时求解关于k_i、R_i和E_i的代数方程，解得：

对式(5)和(6)取平均值，作为泵管真实信号时间序列的离散傅里叶变换序列

对式(7)所得复数序列F_Ri进行离散傅里叶逆变换，可得

式中，ifft表示离散傅里叶逆变换，这里采用快速离散傅里叶变换算法实现。这里R_i为消除了环境噪声E_i之后的时间序列信号。

需要说明的是，当N＝5或6或更多个时，F_Ri表达式的个数会增加，式(7)中的求平均值的项数会发生变化，其求解原理均相同。当N＝3时，只有一个F_Ri的表达式，无需求平均值。因此，本实施例仅以4个录音设备为例进行介绍，其它数量的录音设备进行数据采集及求解R_i的过程均与本实施例类似，具体情形不再一一描述。

本发明提出的监听混凝土泵送管道作业声音的降噪方法，不同于现有的基于经验的滤波器对含有噪声的单声道信号进行噪声估计，而是借助声波传播的物理规律：叠加原理和衰减原理，进行方程解答实现，实现降噪的效果取决于现场环境声波的反射误差和环境噪声的不平行性，这一点可以通过增加录音设备数量弥补精度的损失。本发明具体是采用多个声音采集传感器在被测声源附近不同距离处同时采集多个声音信号，构成多声道音频信号，利用声音传播的叠加原理和衰减原理以及傅里叶谱分析相关技术手段，实现噪声和真实声音的分离，达到降噪效果，具有操作简单、运算时间复杂度较低、便于实际应用、降噪效果好的优点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种监听混凝土泵送管道作业声音的降噪方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、在泵送管道的周围布设N个录音设备，其中N≥3，N个录音设备的物理性能一致，且拾音元件与泵送管道的表面的距离分别为r₁、r₂、…、r_N，其中，r₁＜r₂＜…＜r_N；N个录音设备以相同的采样率SR进行录音；

步骤二、使N个录音设备采集到的泵管声音同步，并得到四个录音设备同步后的声波波形时间序列信号为B_1i、B_2i、…、B_Ni，其中i为声波波形幅值点数；分别进行离散傅里叶变换，得到傅里叶变换域内的复数离散序列：

F_B1i＝fft(B_1i)，F_B2i＝fft(B_2i)，……，F_BNi＝fft(B_Ni)；

步骤三、假定环境噪声由距离泵管较远的方位传播而来，环境噪声近似为平行压缩波，在N个录音设备范围内，环境噪声近似认为处处相同；泵送管道的声音近似假定为点源，录音设备所接收的振动信号强度与泵管-录音设备距离成反比；基于上述假定，可得

其中，E_i为环境噪声声波波形时间序列信号，R_i为泵送管道声波波形时间序列信号；k_i为修正因子；

步骤四，对步骤三中B_1i、B_2i、…、B_Ni的表达式的等号两边分别采用离散傅里叶变换及离散傅里叶逆变换，求解泵送管道声波波形时间序列信号R_i。

2.如权利要求1所述的监听混凝土泵送管道作业声音的降噪方法，其特征在于，步骤二中，使N个录音设备采集到的泵管声音同步，并得到N个录音设备同步后的声波波形时间序列信号为B_1i、B_2i、…、B_4i；包括如下步骤：

(1)使N个录音设备基于相同的时钟处于录音状态，记录各自采集的音频和对应的时间信息；

(2)击打泵管1次，使之发出明显区别于环境噪声，且分贝大于环境噪声的声音；

(3)分析N个录音设备录制的波形时间序列，寻找振幅最大值出现的时刻，将第j录音设备接收到的波形最大振幅时刻分别记为t_j，其中，j＝1,2,…,i；第k录音设备接收到泵送管道的声音相对于第一录音设备接收到声音滞后的时间分别为△t_k＝t_k－t₁，k＝2,…,i；

(4)根据△t_k对N个录音设备采集的时间序列进行同步化处理；具体操作包括：

对于声音持续时间为T秒的声音时间序列片段，第一录音设备采集的声波波形时间序列信号为B_1i，其中，i＝1,2,…,T×SR；

第k录音设备采集的声波波形时间序列信号为B_ki，其中，i＝1+△t_k×SR,2+△t_k×SR,…,T×SR+△t_k×SR。