基于冲击声的声源物理属性辨识及声线索提取

发布时间：2017-09-28 11:16

  本文关键词：基于冲击声的声源物理属性辨识及声线索提取

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【摘要】：声目标识别中，如何提取有效特征以提高识别率一直是研究的热点。长期以来，研究者主要使用两种方法提取特征，一种是基于信号处理和变换提取时域、频域及非线性特征，另一种通过模拟听觉系统的听音过程提取响度、音调和音色等听觉感知特征。这两类特征虽然可以从不同角度对声音给予描述，但并未建立与声源的直接联系，因此最终的识别对象只能是“声音”而非“声源”，从而影响了目标识别能力的提高。近年来，声源的听觉辨识问题受到研究者的关注，发展出一种新的特征提取方法，即提取与构成声源的材料、尺寸和形状等物理属性有关的信息，由此获得的特征具有更加明确的物理意义，对声源的描述和分类也更加深入细致，从而有助于提高声目标的自动识别能力。 本文针对声源物理属性辨识问题，围绕声源、声信号及听觉感知三者之间的联系，以合成冲击声和主观评价实验为手段，模拟了声源的受击振动与声辐射过程，给出了基于物理模型的时域冲击声合成方法，研究了听觉系统辨识声源材料和尺寸的性能，以及对声信息的整合特性，最终获得描述声源物理属性的恒定声线索。论文主要内容包括： （1）建立了球-板撞击的时域模型，提出一种将时域有限差分法（FDTD）和模态展开法（MEM）相结合的时域混合方法，求解板的振动方程，解决了混合方法中的模态截断和阻尼一致性问题，并对方法的高效性和有效性进行了仿真及实验验证。 （2）以复杂结构受击振动响应的时域计算为目的，给出了结构模态阻尼的理论计算和实验测量方法，提出一种基于有限元（FEM）、模态展开（MEM）和边界元（BEM）的综合数值方法用于声音合成。实验结果表明，合成声与实际录音的时域包络、频谱结构以及衰减趋势基本一致，从而验证了该方法的有效性。 （3）设计和完成了一系列主观评价实验，研究了听觉系统辨识声源物理属性的能力。首先研究了现场声、录音和合成声下的材料辨识结果；其次分析了尺寸和边界条件变化对材料辨识的影响；最后研究了合成声和录音下平板尺寸的辨识水平。 （4）设计了冲击声连续统模型，通过在铝、玻璃和木材三种材料之间进行插值的方法，产生了材料连续变化的冲击声序列。利用不相似性评价实验和多维尺度分析，获得了材料辨识的感知空间，并对感知空间维度进行了物理解释。分别从时域、频域和听觉感知角度提取出一系列声特征，给出了特征的信息精确度和感知权重的计算方法，从而分别从客观和主观两种角度量化了声特征描述材料变化的能力，并分析了信息精确度和感知权重在材料自动识别中所起的作用，，最终获得声源材料感知中的声信息整合策略。 （5）利用铝和木材的合成冲击声，研究了受击板的尺寸感知空间维度，获得了尺寸的力学参数表征。通过对比不同声特征的信息精确度和感知权重，给出了尺寸辨识的可靠声线索，并分析了听者的尺寸感知策略。 （6）对复杂结构的材料辨识展开研究，通过对比平板、加筋平板和圆柱壳的特征精确度计算结果，给出了不受声源类型影响的辨识材料的恒定声线索。综合信息精确度和感知权重的计算结果表明：听觉感知中，听者善于利用与材料有关的恒定声线索来完成感知任务，而忽略那些容易受声源类型和其它声源物理属性影响的声信息。
【关键词】：声源辨识 特征提取 冲击声合成 主观评价
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN912.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 符号说明8-10
• 目录10-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 声信号特征提取的发展历史和现状13-16
• 1.1.1 时频域特征提取方法13-15
• 1.1.2 基于听觉感知的特征提取15-16
• 1.1.3 基于声源物理属性的特征提取16
• 1.2 声源物理属性辨识的研究进展16-21
• 1.2.1 声源辨识的研究内容17
• 1.2.2 冲击声的合成方法17-19
• 1.2.3 人类辨识声源物理属性的能力19
• 1.2.4 声源辨识的声线索提取19-21
• 1.3 本论文研究内容21-24
• 第二章 基于物理模型的冲击声合成方法24-44
• 2.1 阻尼受击板的时域建模及声音合成24-36
• 2.1.1 球-板碰撞模型25-26
• 2.1.2 板振动的时域求解方法26-28
• 2.1.3 数值计算及结果对比28-34
• 2.1.4 实验验证34-36
• 2.2 复杂结构的冲击声合成36-42
• 2.2.1 FEA-MEM-BEM 声音合成方法36-37
• 2.2.2 模态阻尼的获取37-38
• 2.2.3 受击板的时域仿真对比38-41
• 2.2.4 圆柱壳冲击声的实验验证41-42
• 2.3 本章小结42-44
• 第三章 冲击声连续统的建立及在材料辨识中的应用44-58
• 3.1 声连续统的建模及感知验证44-48
• 3.1.1 虚拟材料参数的计算方法45-46
• 3.1.2 材料控制策略的感知评估46-48
• 3.2 合成声在材料辨识中的应用48-57
• 3.2.1 主观实验中的声刺激48-51
• 3.2.2 不同声刺激对材料辨识率的影响51-53
• 3.2.3 物理机理分析53-56
• 3.2.4 实验结果分析56-57
• 3.3 本章小结57-58
• 第四章 听觉系统辨识平板材料和尺寸的能力58-71
• 4.1 板边界条件对材料辨识的影响58-67
• 4.1.1 数值计算中边界条件的近似处理59-60
• 4.1.2 材料和边界条件共同变化时对冲击声的主观评价实验60-63
• 4.1.3 不同边界条件下的材料辨识实验63-67
• 4.1.4 实验结果分析67
• 4.2 板尺寸变化对材料辨识的影响67-69
• 4.3 阻尼受击板的尺寸辨识实验69
• 4.4 本章小结69-71
• 第五章 辨识平板材料的声线索及声信息整合71-92
• 5.1 冲击声的特征提取72-77
• 5.1.1 时域特征72-74
• 5.1.2 频域特征74
• 5.1.3 听觉感知特征74-77
• 5.2 材料辨识的力学参数表征77-81
• 5.2.1 声连续统的不相似性评价实验78-80
• 5.2.2 感知空间维度的物理解释80-81
• 5.3 声特征描述声源材料变化的信息精确度81-82
• 5.4 材料辨识中声特征的感知权重82-85
• 5.4.1 基于感知空间维度的感知权重量化方法82-84
• 5.4.2 基于不相似度的感知权重量化方法84-85
• 5.5 信息精确度和感知权重对材料自动识别率的影响85-90
• 5.5.1 自动识别过程86-87
• 5.5.2 信息精确度对识别率的影响87-89
• 5.5.3 感知权重对识别率的影响89-90
• 5.6 本章小结90-92
• 第六章 辨识平板尺寸的声线索及声信息整合92-100
• 6.1 特征描述板尺寸变化的信息精确度92-95
• 6.1.1 尺寸不相似性的主观评价实验92-94
• 6.1.2 辨识尺寸的力学维度94-95
• 6.1.3 信息精确度95
• 6.2 材料变化对尺寸辨识的影响95-97
• 6.3 辨识尺寸的声线索及在感知中所起的作用97-98
• 6.4 本章小结98-100
• 第七章 复杂结构的材料辨识及恒定声线索提取100-115
• 7.1 基于 VIRTUALLAB和 ANSYS 的复杂结构冲击声合成100-103
• 7.2 复杂结构材料辨识的力学参数表征103-106
• 7.2.1 不相似性评价实验及分析103-104
• 7.2.2 加筋平板的材料力学维度104-105
• 7.2.3 圆柱壳的材料力学维度105-106
• 7.3 复杂结构下特征的信息精确度和感知权重106-108
• 7.3.1 加筋平板106-107
• 7.3.2 圆柱壳107-108
• 7.4 辨识复杂结构材料的恒定声线索及听觉感知策略108-113
• 7.4.1 恒定声线索提取108-111
• 7.4.2 听觉感知策略111-113
• 7.5 本章小结113-115
• 第八章 全文总结115-119
• 8.1 论文工作总结115-116
• 8.2 主要创新点116-117
• 8.3 进一步的工作117-119
• 参考文献119-127
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况127-129
• 一 发表论文127-128
• 二 参加科研情况128-129
• 致谢129-130

【参考文献】

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本文编号：935530