正版現貨 環境聲的聽覺感知與自動識彆 陳剋安 科學齣版社 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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基本信息

書名：環境聲的聽覺感知與自動識彆

：128元

作者：陳剋安

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2014-06-01

ISBN：9787030409911

字數：440000

頁碼：364

版次：1

裝幀：精裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

適讀人群 ：目標識彆領域的科技工作者，聲學、信號與信息處理、心理物理學等相關學科的研究生
　　《“十二五”國傢重點圖書齣版規劃項目·現代聲學科學與技術叢書：環境聲的聽覺感知與自動識彆》與聽覺科學、心理聲學、模式識彆與信號處理、水聲學等學科有關的高年級本科生、碩士研究生、博士研究生，以及科研人員，本書既可作為上述專業研究生教材，亦可作為有關研究人員和應用工程師的參考書。

內容提要

環境聲的聽覺感知與自動識彆以環境聲的聽覺感知及其利用為主綫，全麵介紹瞭聽覺感知的心理聲學基礎、聲音聽覺屬性的感知機理與建模、環境聲辨識的聽覺機理及其應用。環境聲的聽覺感知與自動識彆共分七章，涉及三個方麵的內容：環境聲的物理特性與聽覺感知機理、環境聲的主觀評價方法與數據處理、聽覺係統的結構與功能；環境聲聽覺屬性（響度與音色）的感知與建模；聲源的聽覺感知與基於聽覺特徵的環境聲自動識彆。

目錄

作者介紹

文摘

第1 章聲音特性與聽覺感知
人類生活在一個被聲音包圍的世界裏，其中既有自然現象發齣的聲音，如大海
的波濤聲、叢林中的鳥鳴聲、山澗的流水聲、狂風暴雨的呼嘯聲，又有人類活動發
齣的聲音，如人的講話聲和演唱聲、演奏樂器的樂麯聲、車輛和航行器發齣的噪聲、
建築施工的嘈雜聲。聲音源於物體或特定區域介質振動發齣的聲波，廣義上講，聲
音既包括人類可以感覺得到的聲波，也包括人類感覺不到、其他動物能夠感覺到或
現代儀器能檢測到的聲波，如次聲和超聲。不過，本書主要針對人類聽覺係統能夠
感受到的聲音，即可聽聲或音頻聲。
按聲音的産生方式和所攜帶信息的特性分類，可聽聲又分為語音聲(speech
sound)、音樂聲(music sound) 和環境聲(environmentAl sound) 三大類。前兩種聲
音分彆簡稱為語聲和樂聲，它們是在人類大腦有意識的主動控製之下、由人的發
聲器官或操縱樂器發齣的聲音，是人類智慧的産物，也是傳遞人類思想和情感的載
體。環境聲是除語聲和樂聲以外所有聲音的總稱，也是人類必須麵對的重要的聲音
類彆。任何聲音的産生都源於聲源，而聲源的辨彆在人類生活、生産與軍事鬥爭中
均發揮著極其重要的作用。利用現代信號與信息處理技術實現環境聲的自動識彆，
在人類科學技術迅猛嚮前推進的進程中，其作用與地位日漸突齣，是當今信息化和
智能化儀器與設備必不可少的功能。
要實現環境聲的自動識彆，關鍵問題是提取環境聲中蘊含的有效特徵，其中的
一個重要研究方嚮是基於人類聽覺原理的特徵提取，也就是聽覺特徵的提取。對於
這一問題的解決，必須對環境聲的特性與發聲機理、人類的聽覺感知機理，以及模
式識彆理論與技術有充分的理解與認識，也就是要對與環境聲識彆相關的物理聲
學、心理聲學及信息科學融會貫通，從中尋找創新的源泉。
本章介紹環境聲的物理特性及與聽覺感知相關的知識。
1.1 可聽聲的特性與發聲機理
站在人類的立場上看，所謂的可聽聲是指人類聽覺係統能夠感受得到的聲波，
它是強度在一定水平之上，頻率範圍受限的一類聲波。概略地講，在空氣介質中，
要求聲壓級在0dB 以上、頻率範圍在20Hz?20kHz。
1.1.1 聲音的産生與基本特性
1. 聲波的産生
1) 聲波的基本特性
聲波是機械波的一種，其産生源於物體或一定區域內介質的振動，這些振動的
物體或介質區域稱為聲源。換句話說，聲波是具有機械性質的波動狀態在介質中的
傳播，因此，産生聲波的必要條件有兩項：聲源和介質。聲源可以是某個具體的物
體(如振動的球體)，也可以是某個區域的介質(如紊流擾動的某個區域)；介質可
以是氣體、固體或液體，如耳道中的空氣、中耳中的聽小骨、內耳中的淋巴液等。
真空中沒有介質存在，因而不能傳播聲波。
聲波在介質中的傳播，隻是介質振動狀態的傳遞，在宏觀上介質本身並沒有嚮
前運動。在聲波的傳播過程中，其介質在其平衡位置附近往復振動，傳播齣去的是
物質的運動形態，這種運動形式是一種機械性質的波動。在氣體、液體等理想流體
介質中，聲振動傳播的方嚮與介質質點振動方嚮一緻，此類聲波稱為縱波，在固體中
還會存在介質質點振動方嚮與傳播方嚮垂直的橫波，以及成一定角度的剪切波等。
擁有聲波的介質空間形成聲場。在聲場中，定量描述聲波的基本的物理量是
聲壓，此外還有介質的質點振速，以及反映聲波攜帶能量特性的物理量|| 聲強。
需要注意的是，聲壓實質上是聲波擾動引起的偏離大氣壓的逾量壓強，單位為帕斯
卡(PA)。
在聲場中，描述聲波物理屬性的參量(如聲壓、質點振速) 的時間、空間變化
規律及其相互聯係的數學方程稱為聲波的波動方程，它是一切聲學理論研究的基
礎。聲波方程的推導在聲學教科書中一般都有詳細敘述，本書不再贅述，僅給齣
相關結論。
對於人耳能夠忍受的聲音，其聲波強度在理論研究中被歸類為小振幅聲波，同
時為瞭使研究問題得到簡化，一般僅討論所謂的理想流體介質情況，也就是介質中
不存在黏滯性，同時介質在宏觀上是均勻的、靜止的，並假定聲波在介質中的傳播
為絕熱過程，這種類型的聲波歸於綫性聲學研究的範疇。由此推導齣來的波動方程
稱為綫性聲波方程。
在理想流體介質中，聲波擾動的傳播必然滿足三個基本物理定律：牛頓第二定
律、質量守恒定律和物態方程。由此得到小振幅聲波遵守的三個基本方程為運動方
程、連續性方程和物態方程。在一維空間中(如x 方嚮)，上述三個方程可分彆錶示
為式中，?0; c0 為無聲波擾動時介質的密度和聲波的傳播速度；p; v; ?0 分彆為聲場中
某一點由於聲波擾動引起的聲壓、質點振速和介質密度，它們都是x 和t 的函數。
以上三個方程分彆給齣瞭三個聲波物理量(聲壓、振速和密度) 中兩兩之間的
關係，尤其是被稱為運動方程的式(1.1.1)，給齣瞭聲壓與質點振速之間的關係，在
實際中有廣泛應用。消去以上三式中的任意兩個變量，如質點振速和介質密度變
量，剩下的兩個式子分彆對x 和t 求導，綜閤整理後可以得到@ 2
p(x; t)
@x2 =
1
c20
@ 2
p(x; t)
@t2 (1.1.4)
這就是一維聲場中的聲波方程。
在三維空間中，式(1.1.4) 可以推廣錶示為如下形式
r2p =
1
c20
@ 2
p
@t2 (1.1.5)
其中，r2 為拉普拉斯算子，在直角坐標係中為
r2 = div(grAd) = @ 2
@x2 + @ 2
@y2 + @ 2
@z2
式(1.1.5) 就是在不考慮聲源所在區域，小振幅聲波在理想介質中遵從的物理規律，
它錶明聲壓在空間中的二階梯度與在時間上的二階導數成比例，比例常數為聲速
平方的倒數。上述關係反映瞭物理規律與數學定律的完美統一。
2) 結構振動與聲輻射
現實生活中，絕大部分聲音源於物體的機械振動。如樂麯來自樂器的振動聲輻
射，揚聲器發聲源於紙盆的振動，機械噪聲來自機器零部件的振動。雖然實際物體
的幾何形狀和大小韆差萬彆，但它們都可以分為規則結構和復雜結構兩大類。規則
結構的幾何形狀及振動量可以用數學公式進行解析錶達，通常的研究對象有棒、平
闆、圓柱等；復雜結構的振動與聲響應通常需要采用數值算法求解，如有限元法、
邊界元法等。另外，振動係統又可分為集中參數係統和分布參數係統兩大類。集
中參數係統是實際工程結構的簡化，又稱為質點振動係統，它假設構成振動係統的
基本元件(慣性、彈性和阻尼元件) 可以看成是物理性質集中的係統；分布參數係
統的基本元件在空間位置上是連續分布的，用於描述彈性體的振動。不管是哪類係
統，其基本振動特性都可以用單自由度係統加以說明，所謂自由度是指確定一個振
動係統空間位置所需獨立坐標的個數。
A. 單自由度係統的振動
假定有一單自由度係統，其基本元件為質量塊和彈簧，其質量和彈性係數分彆
記為Mm 和Km。實際係統在振動時總是會受到阻尼力的作用，大多數情況下，阻尼力與速度成正比，比例係數Rm 稱為阻力係數或力阻。當質量塊被施加作用力
離開平衡位置後，在彈性範圍內，質量塊的振動位移w(t) 可用如下方程錶示
d2w(t)
dt2 + 2±
dw(t)
dt
+ !2
0w(t) = 0 (1.1.6)
其中，!0 = 2 f0 =
p
Km=Mm ，f0 為係統的固有頻率或特徵頻率；± = Rm=2Mm
為衰減係數。式(1.1.6) 為單自由度係統的衰減振動方程，其一般解為
w(t) = A(t) cos(!00
t ? '0) (1.1.7)
式中，A(t) = A0e?±t，A0 為初始位移。式(1.1.7) 錶明，位移振幅將隨時間而衰減，
並以幾何級數規律進行，每隔一個周期，振幅的衰減為e±T 。此外，係統的固有頻
率也發生瞭變化，為!00
=
p
!2
0 ? ±2。
當係統受到外部激擾力或強迫力的持續作用時，係統的振動稱為強迫振動。如
果外力為簡諧力，有FF = FA cos !t，則強迫振動方程為
d2w(t)
dt2 + 2±
dw(t)
dt
+ !2
0w(t) = Hej!t (1.1.8)
其中，H = FA=Mm。強迫振動方程的通解由特解和相應的自由振動方程解綫性相
加而成，有
w(t) = A0e?±t cos(!00
t ? '0) + wA cos(!t ? ?) (1.1.9)
上式項為瞬態解，第二項為穩態解。穩態解的振幅與外部激擾力振幅和係統特
性有關，即
wA = FA
!Zm
(1.1.10)
其中，Zm 為係統的力阻抗，一般為復數，其實部和虛部分彆稱為力阻和力抗，力
抗又包括質量抗和彈性抗兩部分。力阻抗的數學錶達式為

式中，Rm 和Xm 分彆為力阻和力抗，而力抗中!Mm 為質量抗，Km=! 為彈性抗。
質點係統的穩態振動特性主要由係統的力學品質因數Qm 決定，其錶達式為
Qm = !0Mm
Rm
(1.1.12)
上式錶明，Qm 與力阻Rm 成反比。Qm 越大，係統發生共振時的位移振幅越大。
B. 彈性體的振動
彈性體可以看成由無數個質點組成的連續係統，其中的每個質點都具有獨立
的自由度。在一個無限大的彈性體內部，激擾力産生的彈性波主要有縱波、橫波
(彎麯波) 和扭轉波。下麵分彆介紹部分規則結構的振動響應。
A. 棒的縱振動
考慮一橫截麵均勻的細直棒，其橫嚮尺寸比它的長度小。設棒的長度為l，截
麵積為A，單位體積的質量為?，材料的彈性模量為E。取棒的縱嚮為x 軸，棒的
縱嚮振動位移為w(x; t)，於是縱波振動方程為

以上方程的解為
w(x; t) = (Acos kx + B sikx) cos(1t ? ') (1.1.14)
式中，k = 1=cL，1 為常數，cL =
p
E=? 為縱波沿棒縱嚮的傳播速度；待定常數
A;B 和' 由係統的邊界條件和初始條件決定。典型的邊界條件有簡支邊界、固支
邊界和自由邊界。
b. 棒的彎麯振動
如果棒受到一個與軸綫垂直方嚮的力的作用，就會發生彎麯。由於棒本身的勁
度，這種彎麯形變要恢復其平衡狀態，由此引起瞭棒的與軸垂直方嚮的振動，稱為
橫振動或彎麯振動。自由彎麯振動方程為

其中，c2 = E=?。在數學上，它是一個四階偏微分方程，要完整地求解，必須結閤
邊界條件和初始條件。
c. 薄闆的彎麯振動
闆是棒的二維推廣，由於闆的聲輻射主要源於其彎麯振動，因此，我們著重研
究薄平闆的彎麯振動。所謂薄，指的是闆的厚度相對於闆錶麵尺寸較小，並且與闆
材料中相應的波長相比也小得多。直角坐標下闆的彎麯自由振動方程為
EI
'

設矩形闆沿平麵X 和Y 方嚮的長度分彆為lx 和ly，闆的厚度為h，單位體
積的質量為?。對於簡支邊界條件，式(1.1.16) 的解可以錶示為
式中，m 和分彆為沿X 和Y 軸方嚮簡正波的序數，這種振動狀態也稱為振動模
態。因此，(m; n) 就稱為模態序數，Wm則稱為(m; n) 階模態的模態幅度，?m; ?n
為模態函數。
以上描述說明，不管是單自由度係統、多自由度係統還是連續係統，其基本振
動特性是一緻的。也就是說，當結構受到外力作用後，其振動響應分為穩態響應和
瞬態響應兩部分，其中瞬態響應是由初始位移與初始速度激發的振動狀態，它隨時
間而逐漸衰減，衰減的快慢取決於係統阻尼；穩態響應反映瞭振動係統對外力作用
的響應，由係統的固有特性和外力特性兩者共同決定。係統的固有特性主要有特徵
頻率(或共振頻率) 和阻尼，前者與結構的幾何形狀、材料、邊界條件及周圍介質
有關，結構自身的阻尼可用內損耗因子描述，它反映瞭由熱彈性、黏彈性及聲輻射
引起的能量損耗。
C. 結構振動聲輻射
聲波的産生來源於聲源對周圍介質的擾動。不同形式的擾動可以等效為質量
源、力源和應力源，這三種擾動源的聲輻射可以分彆等效為單極子、偶極子和四極
子。偶極子和四極子可以由不同振動相位的單極子組閤而成。
A. 簡單源的聲輻射
簡單的聲源是脈動球源。采用球坐標係，設有一球形聲源，其半徑為A，球
錶麵的振動速度為u(t) = uAej(!t?kA)。當球源半徑遠小於聲波波長時，該球形聲源
稱為點聲源，在自由空間中，點聲源産生的聲波為球麵波，其聲壓錶達式為
p(r; t) =
jk?0c0
4 r
qej(!t?kr) (1.1.18)
其中，?0，c0 分彆為介質密度和聲速；q = 4 A2uA 為脈動球源的容積速度幅值，稱
為點聲源強度。點聲源産生的聲壓在同一半徑上是均勻的，也就是該聲源沒有指嚮
性，因此點聲源也被稱為單極子聲源，它既是實際聲源的一種抽象化，又是復雜聲
源的基本組成形式。
b. 復雜結構振動聲輻射
已知結構錶麵任一點rs 的法嚮振動速度為v(rs)，則遠場任一點的聲壓為
p(r; t) = ej!t
Z
S
j!?0v(rs)e?jkR
2 R
dS (1.1.19)
其中，R = jr ? rsj，錶示觀察點r 至結構振動錶麵rs 點的距離。式(1.1.19) 稱為
瑞利方程，它說明已知結構錶麵任一點的振動速度，就可以計算齣聲場任一點的輻
射聲壓。同時可以證明，對於實際中存在的任意形狀的結構，其聲輻射均可等效為
有限個點聲源聲輻射的疊加，也就是說，復雜結構聲源可以等效為有限個點聲源的
集閤。

序言

序言
前言
第1 章聲音特性與聽覺感知 1
1.1 可聽聲的特性與發聲機理 . 1
1.1.1 聲音的産生與基本特性 . 2
1.1.2 樂聲與語聲 8
1.1.3 環境聲 16
1.2 聲音的感知與聽覺效應 29
1.2.1 聲音的聽覺感知屬性 29
1.2.2 人類的聽覺感知能力 34
1.2.3 聽覺效應 36
1.2.4 環境聲的感知 39
1.3 聽覺感知的研究方法與手段 .40
1.3.1 聲音的客觀度量 40
1.3.2 聲信號分析與處理 . 41
1.3.3 聽覺感知與心理聲學 43
參考文獻 . 47
第2 章主觀評價方法與數據處理 49
2.1 聲刺激與聲音閤成 . 49
2.1.1 典型聲刺激及其特性 49
2.1.2 基於互聯網的環境聲獲取 .57
2.1.3 環境聲的閤成 62
2.1.4 聲音的呈現 . 74
2.2 聽覺測試與評價方法 77
2.2.1 概述 . 77
2.2.2 感覺閾限的測量 78
2.2.3 閾上感覺的測量 79
2.2.4 信號檢測理論 87
2.3 實驗數據的統計分析 89
2.3.1 實驗數據的評價與檢驗 892.3.2 相關與迴歸分析 91
2.3.3 聚類分析 92
2.3.4 主成分分析 . 94
2.3.5 多維尺度分析 96
2.3.6 多元統計分析軟件 102
參考文獻 105
第3 章聽覺係統的結構與功能 . 107
3.1 聽覺係統概述 107
3.1.1 聽覺外周 107
3.1.2 聽覺中樞 111
3.1.3 聽覺係統建模 . 115
3.2 聽覺掩蔽 .119
3.2.1 聽覺閾限 119
3.2.2 臨界頻帶 121
3.2.3 能量掩蔽 123
3.2.4 信息掩蔽 126<

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