■■技蠢 ⅣＫｉｏ啦 ｇｉｎ‘‘ｒｉ 器件与电路。 囿魄＠国嗡 ⑥６ ＠凹６ 一种改进的扬声器异常 音快速检测方法 薛燕，冯海泓，胡晓城 ・论文・ （中国科学院声学研究所嘉兴工程中心，浙江嘉兴３１４０００） 【摘要】提出了一种基于信号微分预处理ＰＥＡＱ算法的扬声器异常音检测方法。该方法首先对激励扬声器声的 响应信号进行微分预处理，通过基频归一化获取增强的异常音失真信号，最后通过计算高阶次谐波失真来判断该扬 声器是否存在异常音。实践证明：改进后的扬声器“异常音（Ｒｕｂ＆Ｂｕｚｚ）”快速检测算法优于原始计算高阶次谐波 失真算法，并且稳定性更好。 【关键词】扬声器异常音；高阶谐波失真；ＰＥＡＱ 【中图分类号】ＴＮ６４３ 【文献标志码】Ａ ＤＯＩ：１０．１６３１１／ｊ．ａｕｄｉｏｅ．２０１５．１０．１０ Ａｎ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｒａｐｉｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｂｎｏｒｍａｌ Ｓｏｕｎｄ ｏｆ Ｓｐｅａｋｅｒｓ ＸＵＥ Ｙａｎ，ＦＥＮＧ Ｈａｉｈｏｎｇ，ＨＵ Ｘｉａｏｃｈｅｎｇ （Ｊｉａｘｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，ＩＯＡＡＳ，Ｊｉａｘｉｎｇ Ｚｈｅｊｉａｎｇ ３１４０００，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｂｎｏｒｍａｌ ｓｏｕｎｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＰＥＡＱ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｆｉｒｓｔｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ａ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｉｇｎａ１．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｐｅａｋｅｒ“ａｂｎｏｒｍａｌ ｓｏｕｎｄ（Ｒｕｂ＆Ｂｕｚｚ）”ｆａｓｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ｓｐｅａｋｅｒ ａｂｎｏｒｍａｌ ｓｏｕｎｄ；ｈｉｇｈ ｏｒｄｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ；ＰＥＡＱ １ 引言 国内外扬声器生产中，产品故障检测通常是生 号，难以用传统的傅里叶变换对其进行分析；原因为 基于傅里叶变换的谱分析方法分析的系统必须是线 性的，数据必须是严格周期或平稳的，否则，给出的谱 产线的最后环节，目前大都采用正弦扫频信号激励扬 声器，由人工根据扬声器发出声音的某些特征和差异 程度，判定扬声器是否合格，称为“扬声器异音检 测”。这种依靠人工主观评价的检测方法难以保证 检测结果的一致性，会因监听人员年龄、性别和监听 经验等的不同而有所差别；即使同一个人，因长时间 监听产生听觉疲劳也会使检测结果产生差异。由于 没有统一、客观的检测标准，不利于自动化生产。长 期监听会对检测人员的听觉系统乃至神经系统造成 线不具有物理意义。此外，由于扫频频率不连续，扫 频频率点外的谐振现象可能无法激励。 在音质评价领域，ＰＥＡＱ是国际电信联盟推荐的 音质评价算法，该算法很好地建立并应用了人耳感知 模型，目前多用于评估音频信号编码器性能，在扬声 器检测领域鲜有应用。 扬声器异常音作为音质好坏的表现形式，其检测 问题也属于音质评估的一方面。将ＰＥＡＱ应用于扬 声器异常音检测，提出对应的标准算法，将客观检测 损伤，危害人体健康。因此，实现扬声器异音故障的 自动检测，对提高扬声器行业技术水平，保障检测人 员健康十分重要¨ Ｊ。 推向国际标准发布，对扬声器品质管控将是巨大的 进步 人工监听时，给扬声器的激励是正弦扫频信号， 其激励能量集中在指定频段内，有较高的信噪比。在 ２扬声器异常音分析 ２．１异常音产生机理 该信号的激励下，扬声器声响应信号的频率成分随时 间的变化而变化，即扬声器的响应信号是非平稳信 ●－＿Ｉ投一投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ．ｅｎ 在扬声器能量转换时，不可避免地在其输出声信 号中会出现相对输入电信号的各种失真。扬声器的 ２０１５￣３９卷第１０期１４３１ 器件与电路 囿 憧圈响 ＠６旷＠凹６ ■一杖■ 。Ｋｉｏ ｑ￣ｎｌｉｎ ‘ｒｉｎ６ 失真通常包括线性失真和非线性失真 Ｊ。非线性失 真中，按照失真产生的原因又可以分为常规非线性失 真（Ｒｅｇｕｌａｒ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）、异常失真（Ｉｒｒｅｇｕｌａｒ Ｄｉｓｔｏｒ— ｔｉｏｎ）及其他类型的失真。 扬声器的线性失真特性表示了该扬声器的频响 扬声器的常规非线性失真主要指扬声器本身由 于非线性特性不可避免地产生的谐波失真、互调失真 等。扬声器本身由于非线性特性主要是因为扬声器 的物理结构、材料的非线性以及装配工艺等造成。这 些失真的幅度通常比基频信号要小２０～４０ ｄＢ 。 在低频范围，扬声器振膜的振动幅度比扬声器在高频 特性。根据不同的线性失真，扬声器可以分为低频扬 声器、中频扬声器和高频扬声器，这些扬声器分别在 不同频段有不同的品相特性。图１中的实线曲线表 示了一款扬声器的线性失真的幅度特性，即该扬声器 工作时大得多，故常规非线性失真主要出现在低频 常规非线性失真是扬声器固有，无论是良品还是不良 品。图１虚线曲线表示了扬声器的总谐波失真。 ２．２扬声器异常音信号特征 的信号幅频响应。 选取一典型的含异物扬声器录音信号与标准扬 声器比对。使用连续对数扫频信号激励，在某一时 （对应某一频率）可明显听到碰撞声，截取该时刻 信号时域图对比如图２。 ３ ＰＥＡＱ算法原理 音频质量感知评价（Ｐｅｒｃｅｐｔｕａｌ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｕ— ｄｉｏ Ｑｕａｌｉｔｙ，ＰＥＡＱ）是国际电信联盟推荐的音质评 算法，该算法通过模仿人耳的听觉系统，对参考信号 和测试信号进行对比分析，得出对应于音频质量的 观差异等级（Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｇｒａｄｅ，ＯＤＧ）。目前 在评估音频信号编码器性能、评估网络音频信号传辎 品质等应用广泛。本文采用了ＰＥＡＱ基础版本的算 法。该算法流程如图３所示。 ２ 之 警ｏ ２ ３．７４ 。 ． ３．７６ ３．７８ ３．８ ３．８２ ３．８４ （ａ）合格品 Ｘｌ０－３ ２ １ｏ４ 毫。 一２ ３．６６ ３．６８ ３．７０ ３．７２ ３．７４ ３．７６ ３．７８ ３．８０ ３．８２ ３．８４ ７ｆ￥／（）不合格品 ｂ Ｈ，格ｓ品 （）不合１０图２扬声器异常音信号时域对比图 输入信号按帧截取，加窗后通过ＦＦＴ变换至频 权，计算此时参考信号和输入信号的差异生成噪声 本，用于计算后面的误差谐波结构。加权后的信号通 域，模拟中外耳对声音的频率特性进行频谱系数加 圆 生蔓塑鲞蔓 塑 ■■拄●投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ．ｃ ■一挂糠 ｉＤ￣ｎｏｉｎ＃ｓｒｉｎ０ 器件与电路 国 丽 输入 售号 ｝ 加窗ＦＦＴ Ｉ 幅度校正 Ｉ 外耳中耳模拟 计算误差 售号卜．＿一 ● ｆ 听觉滤波器分组 Ｉ 加入内部噪声 Ｉ ｔ． Ｌ ＃； ｌＩ 时域扩展 ＋ ● ｌ响度计算Ｉ 计算掩蔽参数 Ｉ调制 差异ｌ ｌ Ｉ 神经网络 Ｉ 客观差异等级 图３ ＰＥＡＱ基础版本算法流程 过听觉滤波器映射到生理感知域；在Ｂａｒｋ域进行频 域扩展模拟掩蔽效应，然后时域扩展模拟时域掩蔽效 应，最后计算得到掩蔽门限。基础版本的最后提取出 了１７个模型输出参数，经神经网络模块映射成一个 客观差异等级输出。 取扬声器标准样品录音信号作为参考信号，将 同等激励下的待’钡４扬声器录音文件作为待测信号。 结合上节所述人耳听觉模型，将两个信号分别进行 计算。 人耳听觉模型分为５个模块逐步实现，包括中外 耳频率加权模块、听觉滤波器模块、内部噪声模块、频 域扩展模块和时域扩展模块。 预处理：信号采集后需要做预处理，为保留声信 号响应幅度频率特性，幅度不做调整，仅对信号同步 处理。同步方法采用Ｎｏｔｃｈ滤波算法 ］。同步后，截 取信号以帧为单位进行计算。时域样点值记为 ［Ｉ＂ｔ］，每一帧长度为』ｖ 。 ，＾ｒ ， ［ ， ］＝ＩＬ 二 ・ ＋ ｌ，Ｊ ０≤ ＜ＮＦ （１） 设定ＮＦ＝２ ０４８，后一帧信号向后平移１ ０２４点。 在采样率 ＝４８ ｋＨｚ时，时域分辨率约为２０ ｍｓ。 ●一投一投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ．ｅｎ 加窗ＦＦＴ：为防止频谱混叠，需要对每帧信号经 汉宁窗滤波，离散汉宁窗公式为 ｍ］：』÷［１＿ｃ。ｓ（２盯南）］，０≤ｋ≤ 一 【０，其他 （２） 通过离散傅里叶变换，将加窗后的时域信号转换 到频域，即 Ｆｓ［ ，，ｎ］： （ｈ［ｋ］． ［ｋ， ］） （３） 频率加权：按照式（４）进行频域加权，模拟人中 外耳听觉特性，得到中外耳频率加权后的ＦＦＴｒ输出 （Ｏｕｔｅｒ ｅａｒ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ＦＦｒ ｏｕｔｐｕｔｓ）。 （ｄＢ）一０．６－３．６４。（１上 ０００）＋ ６．５ ・ ＿ｌ０ （ ） 。（４） ｒｅ Ｅｋ￣，ｎ］：Ｉ ］Ｉ．１０业 （５） 式中： ，为频域点数； 为帧数。 听觉滤波器分组：听觉滤波器按照ＩＴＵ—Ｒ ＢＳ． １３８７—１标准设计，分为１０９个子带，每个子带滤波器 中心频率及带宽按照式（６）换算至Ｂａｒｋ域。将每个 滤波器带内信号能量值相加得到一个子带的输 出Ｐ ［ ，，ｎ］。 （Ｂａｒｋ）＝７・ａｒｃｓｉｎ ｈ（ｆ／６５０） （６） 添加内部噪声：给各个子带添加一段内部噪声， 与上一步得到的Ｐ ［ ，，ｎ］相加得到Ｐ ［ ，凡］。 ＰＴｈ Ｅｋ］＝１０ ｍ ６４‘‘ｆ／ 。。ｏｏ （７） ［ｋ，ｎ］＝Ｐ ｋ，ｎ］＋Ｐ附 ［ｋ］ （８） 模拟频域掩蔽效应：应用Ｔｅｒｈａｒｄｔ心理声学模型 中的频率扩展函数，消除频域掩蔽效应得到最终计算 结果 ：［ｋ，ｎ］。该扩展函数上下行斜率分别为 ｓ Ｉ厂，Ｅ∽］（ｄＢ／Ｂａｒｋ）＝ ｍｉｎ（０，一２４—２３０／ｆ＋２・ｌｇ（ ∽）） （９） ， ∽］（ｄＢ／Ｂａｒｋ）＝２４ （１０） 模拟时域掩蔽效应：利用一阶低通滤波器模拟时 域掩蔽效应，计算公式如下 ｆ ［ ，几］＝０・ ［ ，ｎ一１］＋（１—０）・Ｅ：［ ，ｎ］ 【Ｅ（ｋ， ）＝ｍａｘ（ ［ｋ，ｎ］，Ｅ：［尼，ｎ］） （１１） 参数０由时间系数确定，公式如下 生篁塑鲞篁 塑圈 器件与电路 圈 ＆晷圈响 ＠６旷＠凹８ ■■技■ ＿Ｋｉｏ ｉ ｆ‘ｒｔ 式中：Ｆｅｓ＝０．２５（ｂａｒｋ），表示每个子带的临界 ２ Ｔ￣－＋＿１００（ Ｈｚ）Ｔｍｉｎ ＋ 丌ｒ’（．（１下・－。。ｏ。．Ｔｍｉｏ。 ｎ） ｆ １２） 带率。 式中：７１ｏ０：Ｏ．０３，１＿ ：０．００８。 ４ 实验研究 ４．１典型的扬声器异常音检测效果 最后计算得到信号的掩蔽值Ｍ［ｋ，ｎ］ ｆＭＥｋ ＝ ｏ ＝典型扬声器异常音有“擦圈”（音圈运动中接触 （１３、 ￣ｒ到导磁柱）、“异物”（铁粉或其他异物在扬声器磁躇 内部）、“打线”（振膜或振膜在运动中接触到引线） 检测结果如图４所示。 ｅｓ＜￣ｌ … ．—６Ｏ １＝集馨辖品ｌ ５０ ４０ 做 ３０ ｊ１１Ⅱ Ｉ Ｉ ｌ ｌ Ｉ ｌ ｌＩ ｌｌ ｌ ｌ Ｉ ｌ ＩＩ ＩＩ Ｉ ｌ １ Ｉ ＩＩ ｌｌ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ 一一ｔ—ｒ十’’ ｌ１一一一一 ｌｌ ｌ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ ｌ Ｉｌ Ｉ Ｉ Ｉ ｌ Ｉ ｌ Ｊ Ｉ １ Ｊ Ｊ Ｊ Ｊ Ｊ ｆ Ｊ ｌｌ ｌ ｌ ｌ ＩＩ ｌＩ ｌ ｌ ｌ Ｉｌ Ｉ ｌ ｌ＿＿。—。 一 一一ＩＩ ｌ Ｉ ｌ ＩＩ ＩＩ ｌ ｌ ｌ ＩＩ ＩＩ Ｉ ｌ Ｉ ｌ ｌ ２０ ‘一 ｌ ｌ４４ 一一一一 ｌＩ １ Ｉ Ｉ ｌｌ ｌｌ １ Ｉ ｌ Ｉｌ ： ＩＩ ｌ ｌ ｌ ｌ ＩＩ １０ ０ １０２ 氏 『一 － ｆ 一．一ｒ１ ｌ—ｒＩ Ｔｌ Ｔｌ ＴＩ １ｒｌ Ｉ１ｌＩ 一一一一 ； ： １０３ １０４ 频率／Ｈｚ （ａ）“打线”扬声器样品检测曲线 频率／Ｈｚ （ｂ）“擦圈”扬声器样品检测曲线 图４扬声器样品检测曲线 ４．２批量验证 可能达到与人耳听音的完全一致性。本文通过与７砉 Ｉ 皆波异音检测算法的对比得出，ＰＥＡＱ算法在漏 总计测试１ ０００个扬声器样品，验证ＰＥＡＱ检测 结果与人耳听音的一致性，并与高阶谐波Ｈ．Ｏ．Ｄ．检 测异常音的方法做比对，结果如表１所示。 表１ ＰＥＡＱ检测结果和Ｈ．Ｏ．Ｄ．检测结果对比测试结果 方法人耳听音 比较１ 率和虚警率方面都大有改善，验证了该方法在众多 际应用方面的优异性。 参考文献 ［１］钱江山，孟凯．扬声器纯音检测系统的设计［Ｊ］．电声击 术，２００９，３３（５）：２３—２８． ＰＥＡＱ检测结果 Ｈ．０．蚤 检测结果 合格 合格５００ ４９０ 不合格虚警率合格不合格虚警率 １０ ２．００％４７５ ２５ ５．００％ ［２］董校庭．扬声器单元设计与音质检测软件管窥［Ｊ］．电 技术，２００２（６）：２８—３１． 比较２不合格不合格５００ ４９３ 合格７ 漏检率不合格１．４０％ ３５０ 合格１５０ 漏检率 ３０％ ［３］郭金柱，马晓建，张侃曼．扬声器音质测试系统的设 ［Ｊ］．电声技术，２０１０，３４（９）：３０—３３． ５ 结论 本文围绕扬声器异常音检测技术进行了比较深入 ［４］杨益．扬声器异常音检测与分类［Ｄ］．北京：中国科学 博士论文，２０１０． ［５］ＹＡＮＧ Ｙ，ＷＥＩ Ｊ，ＦＥＮＧ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｏｖｅｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｄｆ 的研究工作，并成功地将人耳感知模型应用于扬声器 异常音检测当中，基于扬声器的工作原理，分析扬声器 ｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｃａｔｉｎｇ ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ ｄｅｆｅｃｔｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ．１２７ｔｈ Ａｔ ｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ．２Ｏ０９（１０）：３５８—３６２． ［６］张平，冯海泓，温周斌，等。电声测试中同步信号的设ｔ 与处理［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ．中国科学院声学研究所第三届青年 术会议．北京：中国科学院声学研究所第三届青年学７ 会议论文集，２００９． 异常音的产生机理及异常音信号特征。基于人耳声学 特Ｉ生，建立了人耳感知的信号模型。借鉴ＰＦａＱ算法的 实现原理，提出一种在扬声器异常音检测的应用方法。 考证以往所有涉及异音算法的检测设备，都不 ［责任编辑］李薇 ［收稿日期］２Ｏ１５—０７—１ ●■投●投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ．ｃ ｌ４６ｌ ２０１５年第３９卷第１０期
