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關(guān)于tonal噪聲，你了解多少？（二）

2020-03-31 08:05:48·  來(lái)源：海德聲科 HEAD acoustics  
　
NVH技術(shù)部海德聲科 HEAD acoustics4天前上一次介紹了我們生活中出現(xiàn)的tonal噪聲和臨界頻帶（點(diǎn)擊此回顧文章），小伙伴們有回去好好復(fù)習(xí)嗎？但具體什么樣算是tona
上一次介紹了我們生活中出現(xiàn)的tonal噪聲和臨界頻帶（點(diǎn)擊此回顧文章），小伙伴們有回去好好復(fù)習(xí)嗎？

但具體什么樣算是tonal信號(hào)，我們現(xiàn)在還一頭霧水，讓我們從算法講起吧。哈哈哈，你們怕了嗎？不過(guò)放心，小編也是一看到公式就犯怵，所以我決定不寫公式，全靠忽悠！算法是以前的聰明人總結(jié)出來(lái)的，總歸有些道理，如果我們能了解這些算法的原理以及發(fā)展過(guò)程，相信對(duì)于tonal信號(hào)會(huì)有更深的了解。退一步講，就算搞不清楚啥是tonal信號(hào)，只要知道算法，會(huì)用軟件，那也是整條街（gai）最靚的仔/囡。

現(xiàn)有計(jì)算Tonal信號(hào)的主要算法有以下幾類：

1. Tone-to-NoiseRatio (TNR: ECMA-74，ISO 7779)

2. DIN 45681 Tonality(similar to TNR)

3. Prominence Ratio(PR: ECMA-74, ISO 7779).

4. Psychoacoustic tonality (“Tonality”: Aures/Terhardt)

5. Tonality Hearing Model of Sottek (ECMA-74)

接下來(lái)我們會(huì)依次介紹每一種算法的用途和優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于急性子的同學(xué)，看到最后那個(gè)斜體加粗的重點(diǎn)嘛，不要問(wèn)，問(wèn)就是最牛的！我們公眾號(hào)以前也有一篇專門介紹這個(gè)算法的，等不及的同學(xué)可以先去看看電動(dòng)車NVH的法寶：HEAD專利算法Tonality(Hearing Model)，要記得看完再回來(lái)。

Tone-to-Noise Ratio (TNR: ECMA-74，ISO 7779)，有些翻譯成純音噪聲比。ECMA-74標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其詳細(xì)的算法和流程。ECMA可能有些小伙伴不太熟，全稱是“European Computer Manufacturers Association（歐洲計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)）”。聽起來(lái)是不是很山寨？我們村里的微商都叫自己全球企業(yè)了。實(shí)際上ECMA是IT行業(yè)非常知名的組織，致力于信息行業(yè)各種規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃制定，實(shí)力不容小覷。“ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織”我們都很熟悉了，汽車家電行業(yè)的很多標(biāo)準(zhǔn)都是ISO制定的，我們的國(guó)標(biāo)GB也有很多參考或者直接引用ISO標(biāo)準(zhǔn)的。ISO 7779也規(guī)定了TNR算法，不過(guò)，ISO 7779幾乎是照抄ECMA-74的作業(yè)。怎么樣，本以為是青銅，結(jié)果是王者！

IT行業(yè)很早就開始研究tonal噪聲問(wèn)題了。風(fēng)扇、硬盤等主要是單頻噪聲，而且電腦工作的環(huán)境一般比較安靜，人們對(duì)于這些噪聲更加敏感。而其他行業(yè)則沒(méi)有這么迫切的要求，所以現(xiàn)有的tonal噪音算法大都是從IT行業(yè)發(fā)展來(lái)的。到了現(xiàn)階段，其他行業(yè)就直接拿過(guò)來(lái)先用著，有些不合適的地方，那就要優(yōu)化以前的算法，或者想出新的算法才行了。

關(guān)于TNR算法，基本概念其實(shí)很簡(jiǎn)單。由于IT行業(yè)都是單頻噪聲，所以TNR就是計(jì)算單頻峰值聲壓和周圍剩下聲壓的差別，如果差別比較大，那就是有問(wèn)題的單頻噪音，如果差別小，那就沒(méi)問(wèn)題。看起來(lái)很簡(jiǎn)單明了吧。具體的計(jì)算過(guò)程也沒(méi)啥好說(shuō)，ECMA-74里面寫的可詳細(xì)了?？梢哉襾?lái)看看，當(dāng)然懶得看也沒(méi)關(guān)系，反正軟件會(huì)幫我們算的。（注：TNR的計(jì)算可以用聲壓譜也可以用能量譜，以下內(nèi)容寫的時(shí)候沒(méi)有嚴(yán)格區(qū)分）。

根據(jù)上面對(duì)于TNR的描述，大家有么有想到一些問(wèn)題呢？下面是答疑時(shí)間。

什么是單頻峰值？

這個(gè)說(shuō)起來(lái)輕松，實(shí)際操作起來(lái)可沒(méi)那么好辦的。想象一下，某根頻率線要比兩旁的頻率線高，就是單頻峰值。如果連續(xù)兩根三根高譜線，邊上是矮的，那算不算單頻峰值？最多幾根能算？

因此，有些軟件就每根譜線都算一遍TNR，反正高的也在里面，總歸不會(huì)遺漏的。造成計(jì)算效率差，想看個(gè)結(jié)果等老半天。有些軟件取巧，需要用戶手工指定譜線位置，你想我計(jì)算哪個(gè)頻率，我就算那根譜線。

以下插播一條廣告：用HEAD acoustics 的ArtemiS軟件分析TNR速度很快的，具體怎么算的可以打開幫助文件學(xué)習(xí)一下，嘿嘿，反正我寫公式你們也不會(huì)看。稍微提個(gè)醒，這個(gè)軟件FFT有個(gè)平滑功能，字面作用就是讓FFT的結(jié)果平滑柔順一些，看起來(lái)像用了飄柔。但是在計(jì)算TNR的時(shí)候，可以減少大量不重要的毛刺，同時(shí)保留能量比較高的單頻峰值。（計(jì)算TNR的時(shí)候此功能自動(dòng)完成）。

FFT分析參數(shù)

FFT的參數(shù)有啥影響？

TNR算法需要分析頻率，所以首先得計(jì)算FFT。那頻率分辨率怎么設(shè)置呢？太寬肯定不行的，很多單頻峰值會(huì)算不出來(lái)，即便算出來(lái)，頻率精度也有點(diǎn)問(wèn)題，等等等等。ECMA-74建議頻率分辨率小于單頻噪聲中心頻率的1%。

當(dāng)然太窄也不行，如果分辨率太窄，計(jì)算的頻譜線密集，那能量勢(shì)必會(huì)分配到多根譜線上，會(huì)影響TNR結(jié)果。最主要的問(wèn)題：頻率分辨率和時(shí)間數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度成反比，分辨率窄就會(huì)造成所需的時(shí)間信號(hào)長(zhǎng)，這就意味著信號(hào)要足夠持續(xù)穩(wěn)定，才能進(jìn)行分析。

因此，ECMA-74規(guī)定的TNR算法僅適合于分析穩(wěn)定的單頻噪聲，這個(gè)要求對(duì)于IT行業(yè)來(lái)說(shuō)毫無(wú)壓力！但是對(duì)于其它行業(yè)，比如轉(zhuǎn)速變化的新能源車，那可就很不友好了。

周圍剩下的聲壓怎么算？

周圍到底是多寬的范圍，是整個(gè)頻譜嗎，還是一半的頻譜？這里就用到了前面說(shuō)的臨界頻帶的概念。TNR的計(jì)算是在一個(gè)臨界頻帶之內(nèi)的，可以計(jì)算單頻峰值能量和以此頻率為中心的臨界頻帶剩下能量的差別，這是TNR的特點(diǎn)。如果在一個(gè)臨界頻帶之內(nèi)有多個(gè)峰值，那用TNR的結(jié)果就不太合適了。還有一個(gè)問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定單頻峰值的寬度要小于15%的對(duì)應(yīng)臨界頻帶。這條規(guī)定對(duì)于IT行業(yè)挺好，但對(duì)于其他行業(yè)就要考慮一下了，如果寬度超過(guò)15%就不是tonal噪聲了嗎？

聲音的大小和頻率有影響嗎？

從前的介紹發(fā)現(xiàn)，TNR只考慮峰值聲壓和周圍聲壓的差別，并沒(méi)有把絕對(duì)幅值考慮在內(nèi)。另外，對(duì)于頻率的區(qū)分也很粗放，ECMA規(guī)定的閾值如下圖所示，聲壓差別超過(guò)閾值才算是突出的單頻信號(hào)。1kHz以上的閾值是一條直線，無(wú)論是人耳最敏感的4kHz左右的聲音，還是20kHz人基本聽不到的聲音，只要超過(guò)閾值，都是一樣的結(jié)果。所以TNR的算法僅考慮了部分心理聲學(xué)特征（臨界頻帶），并不是真正的心理聲學(xué)函數(shù)，無(wú)法正確描述人耳對(duì)于不同單頻噪聲的主觀感受。

ECMA-74建議的TNR和PR的閾值

The Tone Is Audible！

我提高了音量，為什么還是聽不清？中曾經(jīng)提到過(guò)“20歲的青年人的可聽頻率范圍大約20-16kHz”，我衷心希望看這篇公眾號(hào)的人都能聽到16kHz以上的聲音！但現(xiàn)實(shí)是殘酷的，中老年的生活慢慢向你我走來(lái)！如果聲音都聽不到，那算它還有什么意義！
ECMA-74為了避免這種尷尬，特意做了如下規(guī)定，如下圖所示：對(duì)于每個(gè)算出來(lái)的tonal信號(hào)，都要經(jīng)過(guò)主觀聽覺評(píng)價(jià)，聽得見的才能是符合標(biāo)準(zhǔn)的TNR結(jié)果。是不是甩得一口好鍋！

ECMA-74 Standard: D.10.8 Audibility requirements

主觀聽覺評(píng)價(jià)?。÷犉饋?lái)是不是很熟悉，一下子回到了我們的主場(chǎng)：人耳現(xiàn)場(chǎng)聽到的聲音，和用麥克風(fēng)錄下來(lái)的聲音是一樣的嗎？要不我們?cè)俨宀ヒ粭l廣告？算了，植入廣告太多影響收視率。公眾號(hào)里面有太多介紹了，同學(xué)們自行查閱吧。
以下是本期總結(jié)：TNR ECMA-74算法可以用于穩(wěn)定的離散單頻信號(hào)，表示信號(hào)的tonal噪音成分，但有非常多的限制。在應(yīng)用該算法的時(shí)候，需要預(yù)先考慮好是否能用于分析對(duì)象。這個(gè)對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，還是很有挑戰(zhàn)的。
 
 
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