CN112863544A - 基于声波分析的预警设备及预警方法 - Google Patents

基于声波分析的预警设备及预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于声波分析的预警设备及预警方法，其中该预警设备包括：第一输入模块，用于实时获取第一声波信号，将第一声波信号输入到处理模块；第二输入模块，用于实时获取语音声波信号，将语音声波信号输入到处理模块；处理模块，用于根据第一输入模块和第二输入模块的输入状态进行判断，当检测到第一声波信号和语音声波信号同时输入时，将第一声波信号和语音声波信号进行合并处理，获取第二声波信号；其中第二声波信号中，第一声波信号的占比小于语音声波信号；输出模块，用于输出第二声波信号。本发明有助于提高预警设备的智能化水平。

Description

基于声波分析的预警设备及预警方法
技术领域
本发明涉及预警设备及方法技术领域，特别是基于声波分析的预警设备及预警方法。
背景技术
目前，针对空旷地或者大范围面积场所(如车站、广场等)的预警信息广播，通常是通过设置在现场的播放设备播放预先录好音的预警信息，但是上述预警广播方式适应性较差，无法根据现场实际情况进行实时预警播报，智能化水平有所欠缺。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供基于声波分析的预警设备及预警方法。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
本发明一方面示出基于声波分析的预警设备，包括：
第一输入模块，用于实时获取第一声波信号，将第一声波信号输入到处理模块；
第二输入模块，用于实时获取语音声波信号，将语音声波信号输入到处理模块；
处理模块，用于根据第一输入模块和第二输入模块的输入状态进行判断，当检测到第一声波信号和语音声波信号同时输入时，将第一声波信号和语音声波信号进行合并处理，获取第二声波信号；其中第二声波信号中，第一声波信号的占比小于语音声波信号；
输出模块，用于输出第二声波信号。
优选地，输出模块具体包括：用于播放第二声波信号。
优选地，第一输入模块具体包括：接收由存储模块传输的第一声波信号；
第二输入模块具体包括：通过麦克风设备实时采集语音声波信号。
优选地，第二输入模块包括：
采集单元，用于实时采集语音声波信号；
预处理单元，用于对语音声波信号进行预处理，输出预处理后的语音声波信号并传输到处理模块。
优选地，处理模块包括：
检测单元，用于检测第一输入模块和第二输入模块的输入状态，当检测到第一输入模块存在输入的第一声波信号而第二输入模块没有输入信号时，直接将第一声波信号传输到输出模块；当检测到第一输入模块没有输入信号而第二输入模块存在输入的语音声波信号时，直接将语音声波信号传输到输出模块；当检测到第一输入模块存在输入的第一声波信号而且第二输入模块存在输入的语音声波信号时，将第一声波信号和语音声波信号传输到合并单元；
合并单元，用于对接收到的第一声波信号和语音声波信号进行合并处理，输出合并处理后的第二声波信号到输出模块。
优选地，处理模块还包括：
调节单元，用于实时调节合并单元中进行合并处理时第一声波信号和语音声波信号的合并占比。
优选地，预处理单元，对语音声波信号进行预处理，输出预处理后的语音声波信号并传输到处理模块，具体包括：
对接收的语音声波信号进行分帧加窗处理，获取当前音频信号帧；
对当前音频信号帧进行快速傅里叶变换，获取当前音频信号帧的幅度谱；
对当前音频信号帧的幅度谱进行谱减处理，消除当前音频信号帧的噪声干扰，输出谱减后的音频信号帧的幅度谱；
根据谱减后的音频信号帧的幅度谱进行逆快速傅里叶变换，获取预处理后的当前音频信号帧并传输到处理模块。
本发明另一方面示出基于声波分析的预警方法，包括：
第一输入模块实时获取第一声波信号，将第一声波信号输入到处理模块；
第二输入模块实时获取语音声波信号，将语音声波信号输入到处理模块；
处理模块根据第一输入模块和第二输入模块的输入状态进行判断，当检测到第一声波信号和语音声波信号同时输入时，将第一声波信号和语音声波信号进行合并处理，获取第二声波信号；其中第二声波信号中，第一声波信号的占比小于语音声波信号；
输出模块输出第二声波信号。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种基于音波分析的预警设备，通过第一输入模块获取用于循环播放的第一声波信号；当需要进行实时预警播报时，通过第二输入模块实时获取带有预警信息的语音声波信号；由处理模块自适应地对输入的声波信号进行合并处理，其中处理模块在对声波信号合并的过程中进行自适应调节，从而突出需要实时播放的预警信息，能够适应开阔场景下当管理员需要进行实时的预警信息或者穿插播放重要的预警信息时，能够自动调节原本一直在循环播放的第一声波信号的比重，从而突出语音声波信号的播放，提高了预警信息广播的智能化水平。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明基于声波分析的预警设备实施例所示框架结构图。
具体实施方式
结合以下应用场景对本发明作进一步描述。
参见图1实施例，本发明一方面示出基于声波分析的预警设备，包括：
第一输入模块，用于实时获取第一声波信号，将第一声波信号输入到处理模块；
第二输入模块，用于实时获取语音声波信号，将语音声波信号输入到处理模块；
处理模块，用于根据第一输入模块和第二输入模块的输入状态进行判断，当检测到第一声波信号和语音声波信号同时输入时，将第一声波信号和语音声波信号进行合并处理，获取第二声波信号；其中第二声波信号中，第一声波信号的占比小于语音声波信号；
输出模块，用于输出第二声波信号。
上述实施方式中，预警设备中设置有处理模块，处理模块在循环预警模式下，即第二输入模块没有输入语音声波信号时，直接将第一声波信号传输到输出模块进行输出，使得预警设备能够循环播放第一声波信号(例如是循环播放的预警信息等)当需要进行实时的预警信息播报时，管理员可以通过第二输入模块输入预警信息的语音声波信号，当处理模块检测到第二输入模块输入语音声波信号时，能够自适应地对输入的第一声波信号和语音声波信号进行合并处理，能够使得第一声波信号为语音声波信号让路，即降低第一声波信号在输出音频信号中的占比，从而突出语音声波信号，能够适应不同场合下管理员在通过第二输入模块开始广播预警信息时或者穿插播放重要信息时，能够自动调节原本一直在播放的第一声波信号的比重，从而突出语音声波信号的播放，提高了预警设备的智能化水平。
优选地，输出模块具体包括：用于播放第二声波信号。
优选地，第一输入模块具体包括：接收由存储模块传输的第一声波信号；
第二输入模块具体包括：通过麦克风设备实时采集语音声波信号。
一种场景中，第一声波信号为预先录好的预警信息播放信号，语音声波信号为管理员播报预警信息的说话声音信号。在常规状态下，第一输入模块一直播放存储于存储模块的预警信息播放文件，从而播放预警信息。当管理员通过第二输入模块开始讲话播报实时预警信息时，在接收到声音信号的时候，处理模块检测到第二输入模块存在输入信号，即实时调节当前播放的预警信息播放信号的输出比重，并将预警信息播放信号和声音信号进行合并输出。
其中一种场景中，预警信息播放信号的比重可以被设置为零，即当声音信号播放时，则停止播放原来一直在循环播放的预警信息播播放信号；
在另一种场景中，第一声波信号为背景音乐信号，语音声波信号为管理员播报预警信息的说话声音信号。在常规状态下，第一输入模块一直播放存储于存储模块的背景音乐文件，从而播放背景音乐。当管理员通过第二输入模块开始讲话播报实时预警信息时，在接收到声音信号的时候，处理模块检测到第二输入模块存在输入信号，即实时调节当前播放的背景音乐的输出比重，并将背景音乐和声音信号进行合并输出。
优选地，第二输入模块包括：
采集单元，用于实时采集语音声波信号；其中采集单元包括麦克风；
预处理单元，用于对语音声波信号进行预处理，输出预处理后的语音声波信号并传输到处理模块。
一种场景中，音频采集单元为麦克风，管理员通过麦克风输入自身的声音信号，预处理单元对输入的声音信号进行预处理，对声音信号进行增强，能够有效地去除声音信号中的噪声干扰等，并将预处理后的声音信号进一步输入到处理模块中，由处理模块进行进一步的音频信号合并处理。
优选地，预处理单元，对语音声波信号进行预处理，输出预处理后的语音声波信号并传输到处理模块，具体包括：
对接收的语音声波信号进行分帧加窗处理，获取当前音频信号帧；
对当前音频信号帧进行快速傅里叶变换，获取当前音频信号帧的幅度谱；
对当前音频信号帧的幅度谱进行谱减处理，消除当前音频信号帧的噪声干扰，输出谱减后的音频信号帧的幅度谱；
根据谱减后的音频信号帧的幅度谱进行逆快速傅里叶变换，获取预处理后的当前音频信号帧并传输到处理模块。
优选地，预处理单元，对语音声波信号进行预处理，输出预处理后的语音声波信号并传输到处理模块，具体包括：
对接收的语音声波信号进行分帧加窗处理，获取当前语音声波信号帧；
对当前语音声波信号帧进行快速傅里叶变换，获取当前语音声波信号帧的幅度谱；
对当前语音声波信号帧的幅度谱进行谱减处理，消除当前语音声波信号帧的噪声干扰，输出谱减后的语音声波信号帧的幅度谱；
根据谱减后的语音声波信号帧的幅度谱进行逆快速傅里叶变换，获取预处理后的当前语音声波信号帧并传输到处理模块。
上述实施方式中，预处理单元对输入的语音声波信号进行实时预处理，首先以设定的时间间隔对输入的语音声波信号进行分帧处理，能够在获取语音声波信号输入的同时根据输入语音声波信号的先后顺序进行依次处理，并将处理后的语音声波信号依次输出到处理模块中，一方面能够有效降低语音声波信号的噪声干扰，另一方面能够保证语音声波信号输出的实时性。
优选地，预处理单元中，对当前语音声波信号帧的幅度谱进行谱减处理，包括：
针对当前语音声波信号帧的幅度谱，采用下列谱减函数对其进行谱减处理：
Figure BDA0002892970350000051
式中，
Figure BDA0002892970350000052
表示谱减处理后当前语音声波信号帧的幅度谱中第i个频点的幅值，β(i)表示当前语音声波信号帧的幅度谱中第i个频点的幅值，τ(i)表示噪声幅度谱估计中第i个频点的幅值，μ(i)表示当前语音声波信号帧中第i个频点的先验信噪比估计；
根据谱减处理后当前语音声波信号的帧幅度谱中各频点的幅值获取谱减后的语音声波信号帧的幅度谱并输出。
上述实施方式中，提出了一种通过谱减处理对当前语音声波信号的语音声波信号帧进行预处理的技术方案，该方案中能够有效地去除语音声波信号中的噪声干扰，除噪性能好，实时性强。
优选地，上述当前语音声波信号帧中第i个频点的先验信噪比估计μ(i)由以下函数获取：
Figure BDA0002892970350000053
式中，μ(i)当前语音声波信号帧中第i个频点的先验信噪比估计，c(i)表示先验信噪比估计，其中
Figure BDA0002892970350000054
其中δ(i)表示前一帧语音声波信号帧中第i个频点的后验信噪比，α(i)表示谱减处理后的前一帧语音声波信号帧的幅度谱中第i个频点的幅值，τ(i)表示噪声幅度谱估计中第i个频点的幅值，γ表示设定的调节因子，μ′表示设定的理论信噪比估计门槛值。
针对上述提出的预处理技术方案，提出了一种先验信噪比的估计技术方案，该技术方案中能够根据前一帧语音声波信号真的特性，准确估计当前的先验信噪比估计，准确性高。
优选地，其中，噪声幅度谱估计τ采用以下方式获取：
在检测到第二输入模块被激活时，获取前3帧语音声波信号的幅度谱均值作为噪声幅度谱估计τ[3]，从第4帧语音声波信号开始，对噪声幅度谱估计进行更新，其中采用的更新函数为：
Figure BDA0002892970350000061
其中，τ[n]表示对第n帧语音声波信号处理时采用的噪声幅度谱估计，
Figure BDA0002892970350000062
表示谱减处理后第n-1帧语音声波信号帧的幅度谱，β[n-1]表示第n-1帧语音声波信号帧的幅度谱，ω表示设定的更新因子，其中ω∈(0,0.1)。
上述实施方式中，提出了一种噪声幅度谱的估计技术方案，该方案中，能够在语音声波信号帧的处理过程中，对噪声幅度谱估计进行实时的更新，有助于使得在处理的过程中贴合噪声的变化特性，提高了针对语音声波信号进行预处理的效果。
优选地，处理模块包括：
检测单元，用于检测第一输入模块和第二输入模块的输入状态，
当检测到第一输入模块存在输入的第一声波信号而第二输入模块没有输入信号时，直接将第一声波信号传输到输出模块；
当检测到第一输入模块没有输入信号而第二输入模块存在输入的语音声波信号时，直接将语音声波信号传输到输出模块；
当检测到第一输入模块存在输入的第一声波信号而且第二输入模块存在输入的语音声波信号时，将第一声波信号和语音声波信号传输到合并单元；
合并单元，用于对接收到的第一声波信号和语音声波信号进行合并处理，输出合并处理后的第二声波信号到输出模块。
优选地，处理模块还包括：
调节单元，用于实时调节合并单元中进行合并处理时第一声波信号和语音声波信号的合并占比。其中管理员能够根据实际情况通过调节单元实时调节合并单元中第一声波信号和语音声波信号的合并占比。
一种场景中，第一声波信号和语音声波信号的合并占比为0：100％；另一种场景中，第一声波信号和语音声波信号的占比为[20-30]％:[70-80]％。
处理模块中包含了分别与第一输入模块和第二输入模块连接的检测单元，检测单元用于实时检测两个声波信号输入模块的输入状态，当仅有其中一个输入模块运作时，则预警设备处于常规的播放功能，处理模块接收到的声波信号进行处理(如滤波或者调解处理)，并将处理后的声波信号直接通过输出模块进行输出(例如输出至扩音设备进行扩音播放)。当检测到同时存在两个音频输入信号时，则激活合并单元，通过合并单元将两个输入的音频信号进行合并，输出第二声波信号。通过上述不同模式的智能切换，能够提高预警设备的对预警信息声波信号的播放效果。
同时，基于上述实施方式提出的基于声波分析的预警设备，本发明还提出基于声波分析的预警方法，包括：
第一输入模块实时获取第一声波信号，将第一声波信号输入到处理模块；
第二输入模块实时获取语音声波信号，将语音声波信号输入到处理模块；
处理模块根据第一输入模块和第二输入模块的输入状态进行判断，当检测到第一声波信号和语音声波信号同时输入时，将第一声波信号和语音声波信号进行合并处理，获取第二声波信号；其中第二声波信号中，第一声波信号的占比小于语音声波信号；
输出模块输出第二声波信号。
同时，上述提出的基于声波分析的预警方法还包括上述基于声波分析的预警设备中各功能模块或者单元对应实现的方法步骤，本申请在此不作重复叙述。
需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个处理单元/模块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元/模块集成在一个单元/模块中。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元/模块的形式实现。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.基于声波分析的预警设备，其特征在于，包括：
第一输入模块，用于实时获取第一声波信号，将第一声波信号输入到处理模块；
第二输入模块，用于实时获取语音声波信号，将语音声波信号输入到处理模块；
处理模块，用于根据第一输入模块和第二输入模块的输入状态进行判断，当检测到第一声波信号和语音声波信号同时输入时，将第一声波信号和语音声波信号进行合并处理，获取第二声波信号；其中第二声波信号中，第一声波信号的占比小于语音声波信号；
输出模块，用于输出第二声波信号。
2.根据权利要求1所述的基于声波分析的预警设备及预警方法，其特征在于，输出模块具体包括：用于播放第二声波信号。
3.根据权利要求1所述的基于声波分析的预警设备，其特征在于，
第一输入模块具体包括：接收由存储模块传输的第一声波信号；
第二输入模块具体包括：通过麦克风设备实时采集语音声波信号。
4.根据权利要求3所述的基于声波分析的预警设备，其特征在于，第二输入模块包括：
采集单元，用于实时采集语音声波信号；
预处理单元，用于对语音声波信号进行预处理，输出预处理后的语音声波信号并传输到处理模块。
5.根据权利要求4所述的基于声波分析的预警设备，其特征在于，处理模块包括：
检测单元，用于检测第一输入模块和第二输入模块的输入状态，当检测到第一输入模块存在输入的第一声波信号而第二输入模块没有输入信号时，直接将第一声波信号传输到输出模块；当检测到第一输入模块没有输入信号而第二输入模块存在输入的语音声波信号时，直接将语音声波信号传输到输出模块；当检测到第一输入模块存在输入的第一声波信号而且第二输入模块存在输入的语音声波信号时，将第一声波信号和语音声波信号传输到合并单元；
合并单元，用于对接收到的第一声波信号和语音声波信号进行合并处理，输出合并处理后的第二声波信号到输出模块。
6.根据权利要求5所述的基于声波分析的预警设备，其特征在于，处理模块还包括：
调节单元，用于实时调节合并单元中进行合并处理时第一声波信号和语音声波信号的合并占比。
7.根据权利要求5所述的基于声波分析的预警设备，其特征在于，预处理单元，对语音声波信号进行预处理，输出预处理后的语音声波信号并传输到处理模块，具体包括：
对接收的语音声波信号进行分帧加窗处理，获取当前音频信号帧；
对当前音频信号帧进行快速傅里叶变换，获取当前音频信号帧的幅度谱；
对当前音频信号帧的幅度谱进行谱减处理，消除当前音频信号帧的噪声干扰，输出谱减后的音频信号帧的幅度谱；
根据谱减后的音频信号帧的幅度谱进行逆快速傅里叶变换，获取预处理后的当前音频信号帧并传输到处理模块。
8.基于声波分析的预警方法，其特征在于，包括：
第一输入模块实时获取第一声波信号，将第一声波信号输入到处理模块；
第二输入模块实时获取语音声波信号，将语音声波信号输入到处理模块；
处理模块根据第一输入模块和第二输入模块的输入状态进行判断，当检测到第一声波信号和语音声波信号同时输入时，将第一声波信号和语音声波信号进行合并处理，获取第二声波信号；其中第二声波信号中，第一声波信号的占比小于语音声波信号；
输出模块输出第二声波信号。
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