CZ209895A3 - Sound evaluation method - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu vyhodnocování zvuku, který se převádí na odpovídající digitální signál a potom se podrobí Fourierově časové transformaci, přičemž z výsledku se pro předem stanovené frekvence uvnitř rovněž předem stanoveného vyhodnocovacího intervalu zjistí dílčí tóny.

Dosavadní stav techniky

V článku W. Heinbacha Aurally adequate signál representation: The Part-Tone-Time-Pattern, v časopise Acustica, sv. 67 (1988), str. 113 až 120, je popsán způsob reprezentace zvukových signálů, orientovaný na vnímání, s použitím časově proměnných frekvencí a úrovní dílčích tónů. Dílčí tóny se mohou sdružit do jednoho vzoru. Jako psycho-fyzikální základ slouží koncepce vnímání výšek spektrálních tónů, u níž výškám spektrálních tónů přísluší význam sluchových obrysů. Zjišťování dílčích tónů jako fyzikálního ekvivalentu ke vnímání výšek spektrálních tónů se provádí v několika stupních. Nejprve se zvukový signál podrobí Fourierově časové transformaci, která umožní spektrální analýzu vhodnou pro sluch, jejímž výsledkem je všeobecné časově proměnné komplexní spektrum. Po časovém vyhlazení výkonového spektra se zjistí spektrální maximální hodnoty. Podrobnosti Fourierovy časové transformace jsou uvedeny v článku E. Terhardta Fourier Transformation of Time Signals: Conceptual Revisíon, časopis Acustica, sv. 57 (1985), str. 242 až 256.

Další vyhodnocování zvuku je umožněno zjišťováním výšek virtuálních tónů, které se odvodí z dílčích tónů. Vnímání výšky virtuálních tónů lidským uchem nastává na vyšší úrovni zpracování akustických informací. Výšky virtuálních tónů jsou vnímány, aniž by fyzikálně musely existovat odpovídající spektrální podíly.

Úkolem vynálezu je vytvořit způsob vyhodnocování zvuku, který je vhodný zejména pro vyhodnocování neustálených zvuků.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje způsob vyhodnocování zvuku, který se převádí na odpovídající digitální signál a potom se podrobí Fourierově časové transformaci, přičemž z výsledku se pro předem stanovené frekvence uvnitř rovněž předem stanoveného vyhodnocovacího intervalu zjistí dílčí tóny, podle vynálezu, jehož podstatou je, že vyhodnocovací interval předem stanovený pro zjišťování dílčího tónu se stanoví rovněž v závislosti na frekvenci.

Způsob podle vynálezu vede k reprezentaci signálů orientované lidmi na vnímání zejména technického zvuku. Zejména je možno dosáhnout zlepšení a objektivnosti subjektivního akustického přezkoušení kvality při průmyslové výrobě. Dále se podpoří rozvoj způsobů manipulace s hlukem průmyslových výrobků. Například je možno systematicky dosahovat cíleného snižování hluku nebo optimalizování hluku.

Výhodná vytvoření a provedení způsobu podle vynálezu jsou uvedena ve vedlejších patentových nárocích.

Vyhodnocení náležitého pro sluch lze dosáhnout tehdy, když jednotlivé vyhodnocovací intervaly pro zjišťování dílčích tónů jsou u hlubokých frekvencí delší než u vysokých frekvencí. Zvlášť výhodně se vyhodnocovací intervaly stanoví podle vlastností sluchu, přičemž vyhodnocovací intervaly jsou vůči sobě při různých frekvencích ve stejném poměru, jako odpovídající šířky frekvenčních skupin. Pro akustické vnímání se vytvořilo čtyřiadvacet frekvenčních skupin jako podstatných skupin, které jsou v jednotce bark (1 bark) vždy ekvidistantní. Tyto skupiny určují příslušnou frekvenční a časovou rozlišovací schopnost lidského ucha. Pokusy se zjistilo, že nej lepších výsledků se dosáhne tehdy, když vyhodnocovací interval má délku v rozsahu od 1 ms do 10 ms.

Podle zvlášt výhodného provedení se stanoví odstup frekvencí analýzy, parametru Fourierovy časové, transformace, na hodnoty menší nebo rovnající se 0,35 bark. Podle dalšího zvlášt výhodného provedení je okénková funkce, předem daná ve Fourierově časové transformaci, okénkem druhého řádu, u něhož má funkce v okamžiku analýzy nulovou hodnotu, přičemž šířka pásma analýzy se stanoví v rozsahu od 0,2 do 0,3 bark. Touto experimentálně zjištěnou volbou parametrů a použitím okénkové funkce druhého řádu je umožněno zpracování signálů, vhodné pro sluch, u libovolných technických zvuků.

Podle výhodného provedení vynálezu se ze zjištěných dílčích tónů zvolí jednotlivé dílčí tóny, které se mohou sdružit do čar z dílčích tónů. Zjištování čáry z dílčích tónů se považuje za rozšíření zjištování dílčích tónů. Zjištování čar z dílčích tónů je omezeno na relevantní dílčí tóny. Tímto opatřením se dosáhne zmenšení počtu dat. S výhodou se zvolí ty dílčí tóny, které mají minimální délku závislou na frekvenci. Dále se zohlední ty dílčí tóny, které se v časovém průběhu liší frekvencí jen nepatrně. Čáry z dílčích tónů mohou být vyhledány pomocí algoritmu pro rozpoznávání obrazců a následně uloženy jako vzory čar z dílčích tónů.

Podle dalšího výhodného provedení vynálezu se dílčí tóny zvolí v předem stanovených okamžicích a jednotlivé z nich se zjistí výšky virtuální tónů. Výšky virtuálních tónů odpovídají výškám tónů vnímaných lidským sluchem, které ve skutečnosti nemusí ve spektru zvuku existovat. Zjišťování výšek virtuálních tónů proto umožňuje pokračující vyhodnocování zvuku.

Způsob podle vynálezu je, jak již bylo uvedeno, vhodný zejména k vyhodnocování technických zvuků. Způsob podle vynálezu umožňuje výpočet dynamických výšek virtuálních tónů neustálených zvuků.

Další výhodné provedení vyhodnocování technických zvuků je zvlášť vhodné k rozpoznávání klepavých zvuků. Podle tohoto způsobu se vyhodnocuje časový průběh úrovně zvolené čáry z dílčích tónů.

Další výhodná provedení a vytvoření způsobu podle vynálezu určeného k vyhodnocování zvuku vyplývají z dalších závislých patentových nároků ve spojení s následujícím popisem.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladném provedení podle přiloženého výkresu, na němž je znázorněn vývojový diagram způsobu vyhodnocování zvuku.

Příklady provedení vynálezu

Po začátku 10 způsobu podle vynálezu je upravena přeměna

11. která přemění zvuk na příslušný elektrický signál. Při přeměně 11 se použije například mikrofon, který reaguje buď na tlak nebo na rychlost. Po přeměně 11 se provede uložení 12 snímaných hodnot elektrického signálu do paměti. Ačkoli je principiálně možné zpracování analogového signálu, použije se pro technicky relevantní provedení zpracování digitálního signálu, které předpokládá kvantovaný signál, který se v předem stanovených snímacích okamžicích z analogového signálu odvodí.

Pro vyhodnocení zvuku je nejprve upravena Fourierova časová transformace 14., pro kterou se stanoví parametry. Po uložení 12 do paměti je proto upraveno stanovení 13 parametrů. Potom se provede Fourierova časová transformace 14. Fourierova časová transformace 14 digitálního signálu, odpovídajícího zvuku, je prvním krokem matematického uskutečnění zpracování akustických informaci ve vnitřním uchu člověka. Vhodná volba parametrů Fourierovy časové transformace 14 umožní přizpůsobení na podstatné vlastnosti sluchu, zejména může být uskutečněno frekvenční a časové rozlišení závislé na frekvenci. U Fourierovy časové transformace 14 se časově závislý signál násobí příčinnou okénkovou funkcí a výsledek se podrobí Fourierově časové transformaci 14 na konečný interval analýzy. Fourierova časová transformace 14 je podrobně popsána v článku E. Terhardta Fourier Transformation of Time Signals: Conceptual Revision, časopis Acustica, sv. 57 (1985), str. 242 až 256, zmíněném v úvodu. Na tento článek se zde uvádí výslovný odkaz.

Prvním parametrem určeným při stanovení 13 parametrů je odstup frekvencí analýzy. Fourierova časová transformace 14 se musí provádět zvlášt pro každou frekvenci analýzy. Experimenty by mohly ukázat, že odstup frekvencí analýzy, který je menší nebo roven 0,035 bark pro vyhodnocování technických zvuků a jejich zvláštních vlastností, je nejvhodnější.

Pro provádění Fourierovy časové transformace 14 je dále zapotřebí stanovení okénkové funkce. Principiálně jsou vhodné okénkové funkce, které se exponenciálně ustalují ve směru k minulým okamžikům, zejména s předem stanovenou časovou konstantou ustálení závislou na frekvenci. Pro zamezení vzniku okrajových efektů u integračních mezí, které pro příčinné signály leží mezi okamžikem nula a okamžikem analýzy, je výhodné, když má okénková funkce v okamžiku analýzy nulovou hodnotu. Další podrobnosti okénkové funkce jsou uvedeny v článku M. Schlanga a M.Mummerta Die Bedeutung der Fensterfunktion fur die Fourier-t-Transformation ais gehórgerechte Spektralanalyse, v časopise Fortschritté der Akustik DAGA 1990, str. 104 3 až 1046. V uvedeném článku je vhodné okénko označeno jako okénko druhého řádu. S předběžným stanovením okénkové funkce se ve stanovení 13 parametrů stanoví šířka pásma analýzy. Šířka pásma analýzy se s výhodou stanoví v rozsahu od 0,2 do 0,3 bark.

Zavedení frekvencí analýzy a jejich odstupu od sebe vede ke stanovení nespojitosti frekvence analýzy, která sama o sobě může být při Fourierově časové transformaci 14 principiálně plynulá. Tato nespojitost nemá co činit s časovou nespojitosti původního signálu v uložení 12 do paměti.

Fourierova časová transformace 14 dodává komplexní, pro sluch náležité, spektrum s informacemi o hodnotách a fázích. Kontinuální komplexní spektrum se zredukuje na akusticky relevantní, nespojité, časově proměnné dílčí tóny. Sada dílčích tónů v pevném okamžiku analýzy definuje vzor z dílčích tónů. Toto sdružené znázornění Fourierovy časové transformace 14 v různých časově postupných okamžicích analýzy vytvoří vzor z dílčích tónů. Tento vzor z dílčích tónů zohledňuje jak časovou závislost, tak i frekvenční závislost libovolného zvuku podle vlastností sluchu. Vnímání barvy zvuku a výšky tónů může být prováděno nezávisle na fázové poloze spektrálních komponent. Zjištování vzoru z dílčích tónů je proto založeno na výkonovém spektru, přičemž fázová informace komplexního spektra z Fourierovy časové transformace 14 se zanedbá. Vnímání výšek spektrálních tónů nezávisí na

Ί harmoničnosti spektra. Extrakce časově závislých dílčích tónů, které jsou definovány výškou a úrovní, se proto může provést prostřednictvím jednodušší detekce maximálních hodnot v časově vyhlazeném výkonovém spektru Fourierovy časové transformace

14. Po Fourierově časové transformaci 14 je proto upraveno vyhlazení 15, které umožní potlačení vedlejších maximálních hodnot, vyvolaných přechodnými stavy neboli zakmitáváním, na základě konečného trvání signálu při nekonečném intervalu vyhodnocení. Vyhlazení 15 se provede například filtrováním přes dolní propust, s výhodou prvního řádu, přičemž časová konstanta dolní propusti se zvolí podle frekvenčně závislé časové rozlišovací schopnosti lidského sluchu.

Před tím, než mohou být zjištěny dílčí tóny, se stanoví doba intervalu vyhodnocení pro zjištění dílčích tónů při předem daných frekvencích. Po vyhlazení 15 je proto upraveno stanovení 16 vyhodnocovacích intervalů. Zjišťování dílčích tónů je podrobně popsáno v článku W. Heinbacha Aurally adequate signál representation: The Part-Tone-Time-Pattern, v časopise Acustica, sv. 67 (1988), str. 113 až 120, zmíněného v úvodu.

Zde se ukázalo, že zvlášť podstatné je to, aby předem stanovený interval vyhodnocení, potřebný pro zjištění dílčího tónu, byl stanoven v závislosti na frekvenci. Pomocí tohoto opatření se dosáhne přizpůsobení se technickým zvukům, které jsou v podstatě neustálenými zvuky. Vyhodnocovací intervaly, které se stanoví ve stanovení 16 vyhodnocovacích intervalů, jsou u nízkých frekvencí delší, než u vysokých frekvencí. Stanovení intervalu vyhodnocení v závislosti na frekvenci umožňuje další přizpůsobení na zpracování informací lidským sluchem. Vzniklé dílčí tóny jsou tóny, které jsou principiálně vnímatelné z hlediska svého trvání a frekvence. Proto je volba intervalu vyhodnocení možná podle meze vnímatelnosti časově proměnných signálů.

Zvlášt výhodné při tom je stanovit vyhodnocovací intervaly při různých frekvencích v témže poměru vůči sobě, jako příslušné šířky skupin frekvencí. Pro akustické vnímání se jako podstatným ukázal počet 24 frekvenčních skupin, které jsou v jedné jednotce bark (1 bark) vždy ekvidistantní. Těchto 24 skupin určuje příslušnou frekvenční a časovou rozlišovací schopnost lidského sluchu. Frekvenční skupiny jsou blíže popsány v publikaci E. Zwickera a H. Fastla Psychoacoustics, Facts and Models, nakladatelství Spring-Verlag 1990, str. 133 až 155. V praxi se ukázalo, že vyhodnocovací interval by měl mít při vysokých frekvencích minimální hodnotu 1 ms a při hlubokých frekvencích maximální hodnotu 10 ms. Při ještě vyšších nebo ještě nižších frekvencích se uvedené meze intervalu dodrží a již se nemění.

Ze zjištěných dílčích tónů je možno s výhodou vytvořit vzor z dílčích tónů.

Podle zvlášt výhodného provedení se provádí zjištování čar z dílčích tónů ve zjištování 18 čar z dílčích tónů, které navazuje na zjištování 17 dílčích tónů. Ze zjištěných čar z dílčích tónů je možno podle vzoru z dílčích tónů vytvořit vzor 19 z čar z dílčích tónů. Tento vzor 19 z čar z dílčích tónů se považuje za rozšíření vzoru z dílčích tónů. Cílem koncepce čar z dílčích tónů je omezení vzoru z dílčích tónů na relevantní dílčí tóny. Tímto strukturním vytvořením se dosáhne snížení počtu nadbytečných informací, a proto i snížení počtu dat. Relevantní dílčí tóny se sdruží do čar z dílčích tónů. Akustická relevantnost dílčích tónů vzoru z dílčích tónů závisí na sítovém propojení s časově sousedními dílčími tóny. Prvním kritériem pro volbu čar z dílčích tónů je předem stanovená frekvenčně závislá minimální délka sdružovaných dílčích tónů. Dalším kritériem je frekvenční odstup mezi dvěma časově za sebou následujícími dílčími tóny. S těmito parametry se vždy stanoví maximálně dovolený frekvenční skok podél čar z dílčích tónů, jakož i frekvenčně závislé časové minimální délky čar z dílčích tónů.

Za zjišťováním 18 čar z dílčích tónů nebo vytvořením vzoru 19 z čar z dílčích tónů může s výhodou navazovat zjištování 20 výšek virtuálních tónů. Zatímco fyzikální dílčí tóny ve vzoru z dílčích tónů zcela odpovídají vnímatelným výškám spektrálních tónů, udrží se ve sluchu vjemy výšek virtuálních tónů na vyšší úrovni zpracování akustických informací. Podstatné je, že k výškám virtuálních tónů nemusí existovat žádné příslušné spektrální podíly zvuku. Výchozím bodem pro určení výšek virtuálních tónů jsou dílčí tóny a pro určení vzoru z výšek virtuálních tónů vzory 19 z čar z dílčích tónů. Ve vždy předem stanovených okamžicích se zvolí jednotlivé dílčí tóny a z nich se zjistí výšky virtuálních tónů. Matematický způsob zjištování výšek tónů je uveden v článku E. Terhardta, G. Stolla a M. Seewanna Algorithm for extraction of pitch and pitch salience from complex tonal signals, v časopise J. Acoust. Soc. Am. 71(3), březen 1982, str. 679 až 688.

Další zvlášt výhodné vyhodnocování čar z dílčích tónů se , provádí tak, že se vyhodnotí časový průběh úrovně zvolené čáry z dílčích tónů. Předem určená může být změna úrovně v předem stanoveném vyhodnocovacím intervalu vztaženém na celkovou délku čáry z dílčích tónů, přičemž prahové hodnoty se stanoví například v závislosti na úrovni samotné a/nebo na frekvenci a/nebo na době trvání změny úrovně ve vyhodnocovacím intervalu. Tento způsob je speciálně přizpůsoben na rozpoznání impulsových podílů signálů. U průmyslových zvuků, zejména u motorů, dochází ke klepání, což se uvádí jako příklad zvuku s takovými impulsovými podíly signálů, způsobenému například změnou v ložisku nebo například poškozením ložiska. Ke klepání dochází dále v převodech, zejména v takových převodech, které jsou poškozené. Způsob podle vynálezu proto umožňuje objektivní rozpoznání a vyhodnocení v identifikaci 21 klepání.

Po zjištění výšek virtuálních identifikace 21 klepání se způsob v konci 22.

tónů nebo po provedení podle vynálezu zakončí

Ό	r~ %>
	> CS>
	tc 2 O
	~1
-	z CO >
	o c O
	£
	< IE
	O

to· σ>

E-N A R OX Y

O czx j rc

I ►— σ:

zvuku, který se převádí na a potom se podrobí Fourierově

Claims (9)

1. PATENTOV

   1. Způsob vyhodnocování odpovídající digitální signál časové transformaci (14), přičemž z výsledku se pro předem stanovené frekvence uvnitř rovněž předem stanoveného vyhodnocovacího intervalu zjistí dílčí tóny (17), vyznačující se tím, že vyhodnocovací interval předem stanovený pro zjištování dílčího tónu (17) se stanoví rovněž v závislosti na frekvenci.

   2. Způsob podle nároku 1, vyznačuj í c í s e tím, že jednotlivé vyhodnocovací intervaly jsou u hlubokých frekvencí delší než u vysokých frekvencí. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačuj í c í s e

   t í m, že vyhodnocovací intervaly se stanoví podle vlastností sluchu, přičemž časové intervaly při různých frekvencích jsou vůči sobě ve stejném poměru jako odpovídající šířky frekvenčních skupiny.
2. 4. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že vyhodnocovací interval je nejméně 1 ms a nejvíce 10 ms.
3. 5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že okénková funkce, určená pro Fourierovu časovou transformaci (14) je okénkovou funkcí 2. řádu, a že šířka pásma analýzy je v rozsahu od 0,2 do 0,3 bark.
4. 6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že odstup frekvencí analýzy, určený pro Fourierovu časovou transformaci (14), se stanoví na hodnotu menší nebo rovnající se 0,035 bark.
5. 7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se zvolí jednotlivé dílčí tóny (17), které se sdruží do čar (18) z dílčích tónů.
6. 8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že v předem stanovených okamžicích se zvolí jednotlivé dílčí tóny (17) a z nich se zjistí výšky virtuálních tónů.
7. 9. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 8, vyznačují c í se použitím pro vyhodnocování technických zvuků.
8. 10. Způsob podle nároku 7 a 9, v y z n a č u j í c í se použitím k rozpoznání klepání, při němž se vyhodnocuje časový průběh úrovně zvolené čáry (18) z dílčích tónů.
9. 11. Způsob podle nároku 10,vyznačující se tím, že změna úrovně vyhodnocovacího intervalu, vztaženo na celkovou délku čar z dílčích tónů, je dána předem, a že změna úrovně se porovná s alespoň jednou prahovou hodnotou, přičemž prahová hodnota se stanoví v závislosti na úrovni samotné a/nebo na frekvenci a/nebo na době trvání změny úrovně v předem stanoveném vyhodnocovacím intervalu.