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關(guān)于tonal噪聲，你了解多少？（二）

2020-03-31 08:05:48·  來源：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（點擊此回顧文章），小伙伴們有回去好好復習嗎？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（點擊此回顧文章），小伙伴們有回去好好復習嗎？

但具體什么樣算是tonal信號，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)展過程，相信對于tonal信號會有更深的了解。退一步講，就算搞不清楚啥是tonal信號，只要知道算法，會用軟件，那也是整條街（gai）最靚的仔/囡。

現(xiàn)有計算Tonal信號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)

接下來我們會依次介紹每一種算法的用途和優(yōu)缺點。對于急性子的同學，看到最后那個斜體加粗的重點嘛，不要問，問就是最牛的！我們公眾號以前也有一篇專門介紹這個算法的，等不及的同學可以先去看看電動車NVH的法寶：HEAD專利算法Tonality(Hearing Model)，要記得看完再回來。

Tone-to-Noise Ratio (TNR: ECMA-74，ISO 7779)，有些翻譯成純音噪聲比。ECMA-74標準規(guī)定了其詳細的算法和流程。ECMA可能有些小伙伴不太熟，全稱是“European Computer Manufacturers Association（歐洲計算機制造商協(xié)會）”。聽起來是不是很山寨？我們村里的微商都叫自己全球企業(yè)了。實際上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)范和標準的規(guī)劃制定，實力不容小覷。“ISO國際標準化組織”我們都很熟悉了，汽車家電行業(yè)的很多標準都是ISO制定的，我們的國標GB也有很多參考或者直接引用ISO標準的。ISO 7779也規(guī)定了TNR算法，不過，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噪聲問題了。風扇、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，人們對于這些噪聲更加敏感。而其他行業(yè)則沒有這么迫切的要求，所以現(xiàn)有的tonal噪音算法大都是從IT行業(yè)發(fā)展來的。到了現(xiàn)階段，其他行業(yè)就直接拿過來先用著，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，基本概念其實很簡單。由于IT行業(yè)都是單頻噪聲，所以TNR就是計算單頻峰值聲壓和周圍剩下聲壓的差別，如果差別比較大，那就是有問題的單頻噪音，如果差別小，那就沒問題。看起來很簡單明了吧。具體的計算過程也沒啥好說，ECMA-74里面寫的可詳細了?？梢哉襾砜纯?，當然懶得看也沒關(guān)系，反正軟件會幫我們算的。（注：TNR的計算可以用聲壓譜也可以用能量譜，以下內(nèi)容寫的時候沒有嚴格區(qū)分）。

根據(jù)上面對于TNR的描述，大家有么有想到一些問題呢？下面是答疑時間。

什么是單頻峰值？

這個說起來輕松，實際操作起來可沒那么好辦的。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，總歸不會遺漏的。造成計算效率差，想看個結(jié)果等老半天。有些軟件取巧，需要用戶手工指定譜線位置，你想我計算哪個頻率，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習一下，嘿嘿，反正我寫公式你們也不會看。稍微提個醒，這個軟件FFT有個平滑功能，字面作用就是讓FFT的結(jié)果平滑柔順一些，看起來像用了飄柔。但是在計算TNR的時候，可以減少大量不重要的毛刺，同時保留能量比較高的單頻峰值。（計算TNR的時候此功能自動完成）。

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，很多單頻峰值會算不出來，即便算出來，頻率精度也有點問題，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%。

當然太窄也不行，如果分辨率太窄，計算的頻譜線密集，那能量勢必會分配到多根譜線上，會影響TNR結(jié)果。最主要的問題：頻率分辨率和時間數(shù)據(jù)塊長度成反比，分辨率窄就會造成所需的時間信號長，這就意味著信號要足夠持續(xù)穩(wěn)定，才能進行分析。

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，這個要求對于IT行業(yè)來說毫無壓力！但是對于其它行業(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，是整個頻譜嗎，還是一半的頻譜？這里就用到了前面說的臨界頻帶的概念。TNR的計算是在一個臨界頻帶之內(nèi)的，可以計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。如果在一個臨界頻帶之內(nèi)有多個峰值，那用TNR的結(jié)果就不太合適了。還有一個問題，標準規(guī)定單頻峰值的寬度要小于15%的對應(yīng)臨界頻帶。這條規(guī)定對于IT行業(yè)挺好，但對于其他行業(yè)就要考慮一下了，如果寬度超過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，并沒有把絕對幅值考慮在內(nèi)。另外，對于頻率的區(qū)分也很粗放，ECMA規(guī)定的閾值如下圖所示，聲壓差別超過閾值才算是突出的單頻信號。1kHz以上的閾值是一條直線，無論是人耳最敏感的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特征（臨界頻帶），并不是真正的心理聲學函數(shù)，無法正確描述人耳對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“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的人都能聽到16kHz以上的聲音！但現(xiàn)實是殘酷的，中老年的生活慢慢向你我走來！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：對于每個算出來的tonal信號，都要經(jīng)過主觀聽覺評價，聽得見的才能是符合標準的TNR結(jié)果。是不是甩得一口好鍋！

ECMA-74 Standard: D.10.8 Audibility requirements

主觀聽覺評價啊！聽起來是不是很熟悉，一下子回到了我們的主場：人耳現(xiàn)場聽到的聲音，和用麥克風錄下來的聲音是一樣的嗎？要不我們再插播一條廣告？算了，植入廣告太多影響收視率。公眾號里面有太多介紹了，同學們自行查閱吧。
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，表示信號的tonal噪音成分，但有非常多的限制。在應(yīng)用該算法的時候，需要預(yù)先考慮好是否能用于分析對象。這個對于工程師來說，還是很有挑戰(zhàn)的。
 
 
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