基于聲源信號技術的電纜防外破預警系統研究設計

梁琦 肖棽柏 胡志文

摘要：根據城市快速發展有可能對地下電纜造成破壞而展開的電纜通道防外力破壞監測研究。主要通過典型機械、汽車、動物及噪聲聲源特征量的分析，構建一套基于統計分析的識別算法并建立聲紋庫，針對聲源特征量運用聲音處理技術及模式識別技術，對地下電纜周圍可能存在的工程機械，如切割機、液壓沖擊錘、手持電動鎬和挖掘機信號進行識別分類。針對每一類工程機械聲音信號的特點，設計相應的分類器。這樣可以對各類工程機械信號進行實時監測，一旦檢測到某一類目標信號立即發出警報，并給出信號的類型編號，最終實現大、中、小型破碎錘、挖掘機、打樁機、切割機、風鎬等5類機械作業聲音強度和方位角的判定，完成基于聲源識別定位的防外破預警系統的研制。

1音頻識別技術研究

聲音信號處理技術是建立在聲音的數學模型和數字信號處理技術基礎上，它涉及數字信號處理、模式識別等多個不同的領域，是一門綜合性學科。所謂聲音識別技術就是讓機器能夠識別和理解的過程，它是指在這個過程中把聲音信號轉化為相應的文本或指令的高技術，也就是讓機器設備能懂得聲音信號中的信息。對聲音識別系統來說，如果電腦配置有識別功能的程序組，那么當聲音通過采集裝置輸入電腦內部、并以數字形式儲存后，識別程序便開始將剛輸入的聲音信號進行一些處理，通過特定的算法提取到輸入的聲音信號的特征，之后將提取得到的特征與事先存儲好的多個聲音樣本的特征進行對比。聲音特征比對工作完成之后，電腦就會輸出一個它認為最“像”的聲音樣本特征的序號，這樣我們就可以知道剛才聲音信號是什么，有什么意義，進而執行后續操作。

2典型工程機械作業音頻研究

聲音是一種波，它是由物體振動產生。當拍打某一物體時，物體自身發生振動，振動使它周圍的空氣分子隨之有規律的振動。空氣分子的振動形成了疏密相間的波紋，這就是聲波。聲波從產生的那一刻起，不斷向外傳播，在傳播的過程中逐漸衰減。聲音可以通過不同的介質傳播，每一種介質中聲音的傳播速度不同。一般而言，聲音在固體介質中的傳播速度最快，可以達到幾千米每秒;液體介質次之，也可以達到一千米每秒;空氣中，聲音的傳播速度大致為340米每秒。聲音作為波的一種，頻率和振幅就成了描述波的重要屬性。聲音信號具有以下三個主要特性：

（1）響度：它指人主觀上感覺聲音的大小，又稱為音量。它由信號的振幅以及離聲源的距離決定：振幅越大相應的響度就越大，信號接收端離聲源的距離越小，相應的響度就越大。

（2）音調：聲音的高低由頻率決定。頻率越高音調就越高，頻率指的是每一秒經過一個定點的聲波數量，它的單位是赫茲，這是以海因里希·魯道夫·赫茲的名字命名的。

（3）音色：又稱音品，它由聲音信號的波形決定。聲音信號因不同物質材料的特性而具有不同的特性。音色是一個抽象的概念，但是運用波形可以把這個抽象的概念直觀的表現出來。音色不同，波形就不同。典型音色的波形有方波，鋸齒波，正弦波，脈沖波等等。不同的音色完全可以通過波形將其分辨出來。 本次研究的目標信號來自手持電動鎬、液壓破碎錘、挖掘機和切割機等工程開挖機器械作業時產生。下圖給出這四種工程機械的實物圖。這些設備產生的信號有不同的來源：沖擊地面時與地面產生的碰撞聲，自身機械結構之間的碰撞聲，電機或者發動機的聲音等等。

3聲源識別算法研究

傳統的語音識別算法中，如LPCC、MFCC等在語音識別領域得到了很好的發展應用。然而語音信號與本發明中的工程器械聲音信號還是存在很大的不同，語音信號具有短時平穩的特性，一般認為10ms到30ms認為語音信號是穩定的，而工程器械聲音信號是非穩定的信號，所以從信號分幀環節就存在著一些問題。另一方面，這幾種工程器械聲音信號的頻譜非常相似，它們都屬于非穩定的帶寬信號。隨著目標信號距離的增加，頻譜會有很大的變化，如果使用傳統的語音識別算法，那么其同一種工程器械的特征也會存在很大的不同。單單時域或者頻域的識別算法不能將所有目標器械信號分類識別。

在采集大量數據（包括各類設備不同型號，同種設備不同距離，還有大量噪聲信號等）的基礎上對算法設計提出了兩個方向：

1. 使用傳統語音識別算法，對其做一些針對性的改進。由于信號在不同距離上會有不同程度的差別，當使用語音識別算法提取特征時即使同一種設備之間的特征會存在不同程度的差異。但是這沒有關系，只是我們這里建立的聲音指紋庫會相應的比一般語音指紋庫大很多。
2. 針對工程器械各自的特點設計相應的分類器，每種器械有自己對應的分類器。如電鎬和液壓沖擊錘信號具有明顯的周期性，挖掘機信號的產生具有不規則性，切割機信號具有持續穩定性，最重要的一點是所有器械信號都屬于帶寬信號。

4線性預測倒譜系數計算

線性預測分析從發聲機理分析，認為發聲模型傳遞函數符合全極點形式如公式4-1所示，音頻信號經直線傳播、反射等多種路徑到達傳感器，公式4-1即是對音頻傳播過程的表示模型。

5定位算法設計

由于挖掘機、破碎錘工作時一直伴隨有沖擊性噪聲，這些沖擊性噪聲是背景噪聲中所沒有的，因此可以考慮用多個沖擊性噪聲作為檢測的依據;并且這些沖擊性噪聲信噪比高，更有利于下一步的測向估計。

這些沖擊性噪聲可以根據信噪比進行檢測，只需要實時估計出周圍噪聲的功率譜，然后利用信號譜和噪聲譜的比值作為判斷依據即可。

檢測到沖擊性噪聲后，可以進行長時間的統計，以此作為檢測的依據。一般在背景噪聲中，一段時間內連續出現沖擊性噪聲的情況不多，并且即使在該段時間內出現多個沖擊性噪聲，多個沖擊性噪聲的方向也不能一致，由此可以得出所測數據。

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