基于malab的艙音信息提取與處理

基于malab的艙音信息提取與處理

0即環(huán)境音的應(yīng)用飛機爆炸后，研究人員在事故發(fā)生的地方發(fā)現(xiàn)了同樣的東西，即黑匣子。飛機黑匣子包括駕駛艙話音記錄器和飛行數(shù)據(jù)記錄器,其記錄的信息是調(diào)查飛行事故最主要也是最直接的證據(jù)。本文討論艙音記錄器所記錄的特征艙音信號。飛機艙音信號是飛機艙音記錄器(CVR)記錄的,但由于空氣氣流等因素的影響,使得CVR記錄的艙音十分復(fù)雜。艙音包括話語聲、各類背景聲和各種噪聲等。從話語聲中可以了解到一些很直觀的信息,比如飛機的飛行狀態(tài)、發(fā)生的故障、飛行員的情感等,這些對事故調(diào)查很有幫助。但大多數(shù)情況下僅僅靠話語聲來判斷飛行事故是遠遠不夠的,在調(diào)查事故的時候人們更多的是關(guān)注飛機艙音信息中的各類背景聲(150Hz—6800Hz),如:各種儀器的開關(guān)聲、警告警示聲、飛行員操縱部件等聲音,這些背景聲彌補了話語聲在事故調(diào)查中的不足,是飛行事故調(diào)查的最有價值的信息(如不同背景聲的特征頻率等)。根據(jù)這些背景聲我們可以判斷失事飛機上曾有過的各種操作、事件、狀況、設(shè)備故障、特定操作發(fā)生的時間和飛行環(huán)境等等。噪聲是飛行事故調(diào)查中的干擾項,特別是飛機失事時噪聲異常強烈,有擾事故調(diào)查的進程。在調(diào)查飛行事故的時候,人們會采取一些降噪措施,以還原最有利用價值的背景聲。另外,由于飛機事故的艙音樣本不宜對外公布、同一機型的異常背景聲不易在飛行過程中測錄到,檢測已獲背景聲的特征信息同樣十分重要。本文基于MATLAB對典型艙音信號進行了分析與處理,基于MATLAB強大的數(shù)學(xué)運算和數(shù)據(jù)可視化很容易進行時頻分析,得出一些有用結(jié)論,如典型艙音的特征頻率、譜線特征等。最后從用戶角度基于MATLABGUI平臺設(shè)計了特征艙音分析系統(tǒng),為分析此類問題提供了一種便捷的軟件方法。1基于matlab的模型數(shù)學(xué)建模MATLAB是MathWorks公司出品的專業(yè)數(shù)學(xué)軟件,全稱是矩陣實驗室(MatrixLaboratory),和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。MATLAB擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力,且編程簡單、交互性好、操作容易,它將數(shù)值分析、信號處理和圖形顯示有機地融合為一體,形成了一個極其方便、用戶界面友好的操作環(huán)境,可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界而、連接其他編程語言的程序等,廣泛應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域,主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。經(jīng)過三十年多年的發(fā)展,如今的MATLAB有非常強大的工具箱,在很多領(lǐng)域都有一些特殊的優(yōu)勢。此外,用戶也可將自己編寫的實用程序列入到MATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用,許多MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序,用戶可以直接進行下載就可以用。MATLAB最新版本是MATLABR2014a?；贛ATLAB數(shù)學(xué)軟件強大功能以及在很多領(lǐng)域應(yīng)用的特殊優(yōu)勢,結(jié)合飛機黑匣子中特殊艙音聲信息,本文提出了基于MATLAB數(shù)學(xué)軟件分析艙音樣本的特征信息,獲取艙音特征的理念。具體以測錄到的飛機艙音樣本中的“火警警鈴”為對象,在MATLABR2013a環(huán)境下開展艙音聲信號的分析與處理。2材料的規(guī)范執(zhí)法注意事項開展分析研究前,在某機場空客飛機上錄制多種典型艙音樣本,如空速極限警告、(輪艙)火警警鈴、高度警示、近地警告和警報、風(fēng)切變警告和警報、防撞系統(tǒng)警告、座艙高度音響、起落架形態(tài)警告、起飛形態(tài)警告、自動駕駛脫開音響、機組座位的移動聲、風(fēng)檔玻璃刮水器的馬達聲、各種開關(guān)聲、襟翼、縫翼和起落架操縱手柄等。2.2帶阻濾波器的設(shè)計艙音樣本的語音增強就是通過盡量多的降低艙音樣本中的噪聲達到提高艙音樣本純度的目的。噪聲是我們不希望有的但是在現(xiàn)實中又是幾乎無法避免的,可采取一些消噪手段來達到除去噪聲以得到我們想要的聲信號的目的。比如在收集到的音頻文件中某些音頻夾雜了一些沒有用的人聲信號,干擾對艙音背景聲的分析。為達到降低噪聲、增強艙音背景聲目的,設(shè)計了MATLAB巴特沃斯帶阻濾波器,程序如下:濾波結(jié)果所得圖形如圖1所示。由時域?qū)Ρ葓D可以看出,濾波后的聲信號的振幅比原始聲音小了一些,波形保持不變,在1.25s至2.5s的語音部分被濾去了大部分,但并沒有完全濾去(這是濾波器設(shè)計的主要內(nèi)容,這里不詳細分析)。在頻譜圖上我們可以很直觀地發(fā)現(xiàn)300—3000Hz頻段的語音信號被濾去了,保留了該音頻的特征頻率。此外,還研究了用sound(y,fs,bits)命令來試聽濾波后的聲信息效果。在本例中,濾波效果在聽覺上是比較明顯的。3典型門音b加載方案的及時頻率分析3.1matlab環(huán)境分析特征分析時,本文僅選取其中的“火警警鈴”為研究對象進行分析處理。先通過命令函數(shù)wavread()將wav格式的“火警警鈴”音頻文件讀取至MATLAB中,再通過plot()函數(shù)繪制其時域圖,時域圖是信號隨時間的變化圖,即能量分布隨時間的變化。得到時域信號后,利用MATLAB提供的fft()函數(shù)對時域信號數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換,最后結(jié)合abs函數(shù)得到頻譜圖(見圖2)。這樣完成了艙音樣本的MATLAB載入,在MATLAB環(huán)境中對艙音樣本開展各種分析。以下為典型艙音樣本“火警警鈴”轉(zhuǎn)換為MATLAB下波形、頻譜圖的程序代碼:3.2求解頻率分布圖2是由波形圖和頻譜圖兩圖組成,上部分的是波形圖,表明了“火警警鈴”艙音樣本隨時間的變化,從波形圖中只能知道某個時刻聲音的強弱,很難直接觀測到一些有用信息,而頻譜圖正好彌補了不足,為分析“火警警鈴”艙音樣本特性,主要是從頻域入手得到時域得不到的信息。觀察圖2下部分的頻譜圖,很容易地觀察出本段聲信息的頻率基本在900Hz、2100Hz、3800Hz和5500Hz左右的四個頻段。下面我們分析如何基于MATLAB求特征頻率。利用MATLAB軟件支持數(shù)組操作的特點,編寫如下程序:同樣可以得出特征頻率是908Hz、2184Hz、3718Hz、5494Hz這四個頻帶,與目測的基本吻合。這兩種編程方法巧妙利用了MATLAB的特點,避免了類似于C語言的循環(huán)語句,既使得程序簡單明了,又避開了循環(huán)語句的時間運算長的問題,在大型程序中,這將會使運行速度提高。同時我們也可看出MATLAB自身提供了很多函數(shù),可以很方便地供使用者調(diào)用,大大縮短了時間,方便我們交流使用。3.3“危險警報鈴”艙音樣本的聲譜分析3.3.1聲紋的定義和特性時域分析和頻域分析是語音分析的兩種重要方法,但這兩種分析方法均有局限,因此人們致力于研究語音的時頻分析特征,聲譜圖可以解決這一問題。聲譜圖是采用二維平面表達三維信息的圖:橫坐標(biāo)是時間,縱坐標(biāo)是頻率,坐標(biāo)點值為語音數(shù)據(jù)能量,通過顏色的深淺來表示,顏色越深,表示該點的聲能量越強。聲譜圖上因其顏色的不同程度形成了同個紋路,稱之為聲紋。聲紋是聲音的特征,同指紋的原理是一樣的。在語音分析中,人們也常分析語音的語譜圖,現(xiàn)代科學(xué)研究表明,聲紋不僅具有特定性,而且有相對穩(wěn)定性的特點。在成年以后,人的聲音可保持長期相對穩(wěn)定不變,無論講話者是故意模仿他人聲音和語氣,還是耳語輕聲講話,即使模仿得惟妙惟肖,其聲紋卻始終相同,所以聲譜圖常被用于司法鑒定工作。基于聲紋的這兩個特征,偵查人員就可將獲取的犯罪分子的聲紋和嫌疑人的聲紋,通過聲紋鑒定技術(shù)進行檢驗對比,迅速認定罪犯,為偵查破案提供可靠的證據(jù)。在艙音聲信息分析中也是一樣,不同器件發(fā)出的聲音的語譜圖是不同的,我們可以依據(jù)此來進行背景聲信息的辨別。3.3.2聲譜圖的形成在MATLAB中,選用specgram()函數(shù)得到“火警警鈴”艙音樣本聲信號的聲譜圖。具體設(shè)計了specgram(x)程序,x表示之前讀入的“火警警鈴”聲信息?；趕pecgram(x)程序得到如圖3所示的聲譜圖。如圖所示的聲紋是橫向的,且大致有四根。不同器件發(fā)出的聲音的聲紋是不同的,橫向的、縱向的、斜向的、無規(guī)律的,且特征譜線的根數(shù)也是不一定的,亦可以依據(jù)此來進行背景聲的辨聽。圖中四根譜線對應(yīng)的頻率就是剛才通過MATLAB求出的四個頻段(圖中縱坐標(biāo)是經(jīng)過歸一化的,經(jīng)過還原符合頻段)。4matlab簡介如前所述,MATLAB的一大優(yōu)勢在于其有非常強大的工具箱與圖形用戶界面。在這里,MATLAB提供了直觀易用的使用界面FDATool和SPTool工具,方便用戶快速地完成數(shù)字信號的載入、觀察和濾波分析,這里不詳述這兩個工具箱。筆者在研究MATLAB圖形用戶界面基礎(chǔ)上,基于圖形用戶界面設(shè)計出用戶操作界面,為艙音樣本分析處理提供方便。4.1matlab與用戶界面的界面組合MATLAB是一個面向科學(xué)與工程的計算軟件,它將不同領(lǐng)域的計算用函數(shù)的形式提供給用戶,用戶在使用時只需調(diào)用這些函數(shù)并賦予實際參數(shù)就能解決實際問題。前面我們介紹了處理聲信號可以用戶一步步編程,也可以利用FDATool或者SPTool工具,但是用戶每次都要編程會比較繁瑣,且MATLAB提供的這兩個工具界面單一,用戶無法根據(jù)需要設(shè)計滿意的界面,有沒有適合方便用戶操作且“一勞永逸”的方法呢?有。當(dāng)然,這里的“一勞永逸”是指在同類且特定問題中的一勞永逸。MATLAB提供的圖形用戶界面(GraphicalUserInterface,簡稱GUI)是非常靈活的,它將所有GUI支持的空間都集成在這個環(huán)境中,并可以進行各項屬性設(shè)置。GUI很好地解決了用戶編程繁瑣、給定工具界面單一的問題。MATLAB提供了圖形用戶界面設(shè)計向?qū)?利用該向?qū)?用戶非常方便和快捷地設(shè)計一個GUI,如同在一張紙上繪圖?？梢园褕D形界面的外觀,包括所有的按鈕以及圖形的位置確定下來,然后就可以利用MATLAB的回調(diào)程序編輯器來編寫其函數(shù)代碼,從而可以使該圖形界面完成預(yù)定的任務(wù)。與計算機命令行界面相比,圖形界面對于用戶來說在視覺上和操作上更易于接受。4.2軟件的軟件設(shè)計由于要求不同,設(shè)計出來的界面也會千差萬別,但主要會遵循以下設(shè)計原則:簡單性:設(shè)計界面力求簡潔清晰,刪去可有可無的設(shè)計,保持整潔;一致性:界面風(fēng)格盡量一致,不要有一些風(fēng)格異常的界面;其他因素:比如一些等待提示、允許用戶中斷運算的操作等等。使用guide命令打開GUI設(shè)計的頁面,經(jīng)過設(shè)計,設(shè)計出如下圖的人機交互界面(圖4)。在這個界面上,用戶能快捷地得到之前的分析操作。按如下步驟進行GUI設(shè)計:1)新建一個空白GUI模板,通過guide命令,選擇BlankGUI(Default)即可;2)拖拉左邊GUI對象選擇區(qū)的按鈕至右邊GUI布局區(qū),進行控件布局;(1)建立6個靜態(tài)文本,用來顯示標(biāo)題、采樣頻率、特征頻率等;控件的標(biāo)識(Tag)是對于各控件的識別,每個控件創(chuàng)建時都會由開發(fā)環(huán)境自動產(chǎn)生一個標(biāo)識,在程序設(shè)計中,為方便編輯、記憶和維護,一般為控件標(biāo)識設(shè)置新的標(biāo)識。(1)設(shè)置“讀入聲音文件”的標(biāo)識為read_pushbutton;“顯示分析結(jié)果”的標(biāo)識為result_pushbutton;“關(guān)閉”的標(biāo)識為close_pushbutton;(2)設(shè)置第一個編輯文本的標(biāo)識為status;“特征頻率”和“Hz”之間的編輯文本的標(biāo)識為fre;添加菜單建立一級菜單文件,設(shè)置三個子菜單項打開,分析結(jié)果和關(guān)閉,菜單項打開的Tag設(shè)置為open_menu,調(diào)用讀入聲音功能;菜單項分析結(jié)果的Tag設(shè)置為result_menu,調(diào)用顯示分析結(jié)果功能;菜單項關(guān)閉的Tag設(shè)置為close_menu,執(zhí)行關(guān)閉的功能(圖5)。編寫回調(diào)函數(shù);系統(tǒng)自動生成的M文件程序代碼如下:(1)調(diào)用read_pushbutton_Callback函數(shù)來讀入聲音文件,代碼如下:(2)調(diào)用result_pushbutton_Callback來分析并顯示對讀入聲音的分析,代碼如下:(3)調(diào)用close_pushbutton_Callback來關(guān)閉系統(tǒng),代碼如下:(4)菜單項打開調(diào)用函數(shù)read_pushbutton_Callback來打開聲音文件,代碼如下:菜單項分析結(jié)果調(diào)用函數(shù)result_pushbutton_Callback來分析處理,代碼如下:反復(fù)調(diào)試,檢查并修改錯誤。如圖4是利用guide命令打開的GUI設(shè)計窗口,圖4中顯示的是初步設(shè)計的GUI飛機艙音處理分析的布局,圖5是菜單項的設(shè)置界面,圖6是最后完成設(shè)計時的分析圖。通過“讀入聲音文件”和“顯示分析結(jié)果”兩個按鈕,用戶能快速地得到之前的時域圖、頻譜圖、語譜圖和特征頻率,非常方便,且易于被用戶接受。經(jīng)過多次試驗,得出的結(jié)果符合之前運算,結(jié)果上、程序上均沒有出現(xiàn)錯誤或錯誤提示,且設(shè)計符合前述幾項原則,設(shè)計較好。5matlab環(huán)境