舰船辐射噪声节拍音色特征研究
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舰 船辐射 噪 声最突 出 的特 点首 先就 是节 拍声 ， 它 是 由舰 船 的某 些 周 期性 振 动 的 调 幅效 应 引起 的
的关 系 。这种 方法 避 开 了听 觉系 统尤 其 是听觉神经 的复杂 处理 ，是研 究人 的听 觉 系统 的经验方 法 。心 理 声学 中对 声 音 主 观 听 觉 感 觉 的 描 述 主要 包 括 响 度 、音 调 、音 色三 个 方面 。其 中，音色 对于噪 声源
双 重频 率功 率 谱 （ 称 双重谱 ）是 自相 关函数 简 的双重 Ｆ ｕｉ 变换 ： ｏｒ ｒ ｅ
音 色 差异更 加 明显 。本文将 通 过 听感分 析和信 号分 析相 结合 的； ，寻 求可 以表 征节 拍音 色特 征 的特 手段 征量 ，并分 析它 与节拍 音色 的 关系 。
１心 理 声学 方 法
心理 声学主 要通过 大量 试验 资料 系统地 、定量
地 研 究 声音 的客 观 物 理 参数 与 主 观 听 觉描 述 之 间
４
ＱＦｆ ＝Ｉ Ｉ （ｒｅｐ一２（ｒ Ｆ） ｒｔ （，） ， ） ［ ｎ ＋ ｔｄｄ ， ｘ ｊ ｆ ］
＝
Ｉ尸， ）ｘ［ ２Ｆ］ （ｆ ｅｐ ｊ ｔ ｔ ， －ｎ ｄ
量” 。但 是 ，这 个 定 义 对 于舰 船 辐 射 噪声 的描 述 是 不尽合 宜 的 ，因为 ，舰船 辐 射 噪声并 非乐音 ，往往 没有 明显 的音 调 。德 国慕 尼黑 大学 的 心理 声学教授
Hale Waihona Puke Baidu
辐 射噪 声响度 周期性 变化 形成 的 。节拍 的主 要类 型 有 ：桨拍 声 ，主 机节 拍 ，轴 摩擦 节 拍等 。节 拍 声是 声 呐 员听音识 别的重 要依 据 。 中 ， 其 根据 螺旋 桨“ 桨 拍 数 ”将 目标分类 和估 计速 度 ，是 目前声呐 中 已采 用 的一种 有效 的方法 。在 噪 声的 Ｄ ＭＯ 分析 中， Ｅ Ｎ 往 往也可 以得 到舰船 的轴频 、叶频 以及螺旋 桨桨叶 数 等特征 。 虽然 桨拍数 、 桨叶 数可 以粗 略区分 目标 ，
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２０ 年 第 ２ 期 ０７
声学与 电子工程
总第 ８ ６期
舰船辐射 噪声节拍音色特 征研 究
刘 鹏 刘孟庵
（ 第七一五研 究所 杭 州 ３０１ ） １０２
摘要 ：听音识别是 一种有 效的 目标识别手段。其中，节拍音色特征 是听音识别的重要依据 。从 心理 声 学研究的角度 出发 ，利用信 号的双重谱分析 ，结合传统的功率谱分析，研 究 了影 响节 拍音色的参数 ，并提 出了构建并提取节拍音色特征参数的思路。
一
２ 双重谱分析 方法
舰 船辐 射 噪声 是 非平 稳 随机过 程 ，但可近 似认
的 另一重要特 性 。许多优 秀 的声 呐 员不数节 拍 、不 测转速 ，往往 在一 听之 下 ，就 能准 确 判 出类 型 ，他 们 凭借 的正是桨 拍音 色特 点…。当然 ，不 同类 型的
节拍 ，例如螺 旋桨 空化节 拍 和柴 油机 汽缸节 拍 ，其
但 由于 不 同类 型 的舰 船 往 往 出现 相 同或相 近 的螺 旋 桨转速 ，桨 叶数 相 同更加 常 见 。因此在 实 际中 ，
Ｈａｄｌ 音色 简单 的 定义 是 “ ｎ ｅ将 听起 来 是什么样 感觉 （ ａ ｉｓｕｄ ｉｅ ” ｗｈｔｔ ｏｎ ｓｌ ） 。对 于 利用 舰船辐 射噪 声进 ｋ 行 目标 识别而 言 ，这 个 定义 更加 合适 。 音 色是 多维 的 ，它又 包含 很 多方面 。例如 ，在
的识别尤 为 重要 。
音色 是 声音最 重要 的特 性 ，也可 以说是声音 的 综合 特性 或整 体特 性 。人们 常 常用音 色差 别来辨 别 和描 述一 个声 音 。关 于音 色 （ ｉ ｒ）的定义 ，美 Ｔｍｂｅ 国国家标准 化 组织 （ ＮＳ）将音 色 定义 为 “ Ａ Ｉ 能够 区 别 具 有 相 同 响 度 和 音 调 的 两 个 声 音 的 听 觉 特 征
关键 词：节拍音色 ；心理声学：双重谱 ；特征提取
水 声 目标 分类 识别可 以分为 两 大类 ：人工识 别 和机 器识 别 。人工 识别 又可 以分为 听音识 别和视 觉 识别 。事实证 明，听音 识别 是一 种 比较有效 的识 别 手段 。听音 识别之 所 以有效 ，在 于人 的听觉 系统可 以有 效 的接 受和 处理 音频信 号 ，听觉神 经系 统将 声 音信 号转化 为人 的听 觉感 觉 ，而 人 的听觉感 觉中包 含大 量的识 别信 息 ，大脑 可 以利用 各种 听觉 感觉特 征进 行 目标 识别 。那 么 ，我们 能否 将人 的主观 听觉 感觉 特 征 引入 到 需 要 数据 精 确 量 化 的 机器 识 别 中 呢 ？ 心理 声 学研 究 为 人 的主 观 感 觉 的 客观 度 量 和 量 化提 供 了依据 。
为是 周期 性局部 平 稳过 程 ，因此可 以采 用时 变功率 谱分析 方 法 。舰 船 辐射 噪 声 是周期 局部 平稳过程 ， 其周期 体现 在 节拍 上 （ 即每 个 频率 分析 ｂ ｉ ｎ的幅度 随时 间 周期 性变 化 ） ，所 以要 分 析 噪 声 “ 节拍 ”的 听觉感 觉特 征 ，我们 将 采用 双 重谱 分析方 法Ｉ。 ２ ｊ
噪 声 控制 领 域 ，人 们 常 常 利 用 心 理 声学 参 数尖 锐
度 、粗 糙度 来 描述 音 色 。本 文将 针 对舰船辐 射噪 声 的特 点和 听音 识 别 的经验 ，提 取 可 以表征节 拍音色
的特 征参 数 ，作 为 目标识 别 的特征 量 。
单凭 桨拍数 和桨 叶数很 难将 目标类 型分开 。听音识 别 的实践证 明 ，桨 拍数 、桨 叶数仅 是 桨拍声特 点 的 部 分 ，是其 数量 特性 。而桨 拍 声的音 色特 点是它
的关 系 。这种 方法 避 开 了听 觉系 统尤 其 是听觉神经 的复杂 处理 ，是研 究人 的听 觉 系统 的经验方 法 。心 理 声学 中对 声 音 主 观 听 觉 感 觉 的 描 述 主要 包 括 响 度 、音 调 、音 色三 个 方面 。其 中，音色 对于噪 声源
双 重频 率功 率 谱 （ 称 双重谱 ）是 自相 关函数 简 的双重 Ｆ ｕｉ 变换 ： ｏｒ ｒ ｅ
音 色 差异更 加 明显 。本文将 通 过 听感分 析和信 号分 析相 结合 的； ，寻 求可 以表 征节 拍音 色特 征 的特 手段 征量 ，并分 析它 与节拍 音色 的 关系 。
１心 理 声学 方 法
心理 声学主 要通过 大量 试验 资料 系统地 、定量
地 研 究 声音 的客 观 物 理 参数 与 主 观 听 觉描 述 之 间
４
ＱＦｆ ＝Ｉ Ｉ （ｒｅｐ一２（ｒ Ｆ） ｒｔ （，） ， ） ［ ｎ ＋ ｔｄｄ ， ｘ ｊ ｆ ］
＝
Ｉ尸， ）ｘ［ ２Ｆ］ （ｆ ｅｐ ｊ ｔ ｔ ， －ｎ ｄ
量” 。但 是 ，这 个 定 义 对 于舰 船 辐 射 噪声 的描 述 是 不尽合 宜 的 ，因为 ，舰船 辐 射 噪声并 非乐音 ，往往 没有 明显 的音 调 。德 国慕 尼黑 大学 的 心理 声学教授
Hale Waihona Puke Baidu
辐 射噪 声响度 周期性 变化 形成 的 。节拍 的主 要类 型 有 ：桨拍 声 ，主 机节 拍 ，轴 摩擦 节 拍等 。节 拍 声是 声 呐 员听音识 别的重 要依 据 。 中 ， 其 根据 螺旋 桨“ 桨 拍 数 ”将 目标分类 和估 计速 度 ，是 目前声呐 中 已采 用 的一种 有效 的方法 。在 噪 声的 Ｄ ＭＯ 分析 中， Ｅ Ｎ 往 往也可 以得 到舰船 的轴频 、叶频 以及螺旋 桨桨叶 数 等特征 。 虽然 桨拍数 、 桨叶 数可 以粗 略区分 目标 ，
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２０ 年 第 ２ 期 ０７
声学与 电子工程
总第 ８ ６期
舰船辐射 噪声节拍音色特 征研 究
刘 鹏 刘孟庵
（ 第七一五研 究所 杭 州 ３０１ ） １０２
摘要 ：听音识别是 一种有 效的 目标识别手段。其中，节拍音色特征 是听音识别的重要依据 。从 心理 声 学研究的角度 出发 ，利用信 号的双重谱分析 ，结合传统的功率谱分析，研 究 了影 响节 拍音色的参数 ，并提 出了构建并提取节拍音色特征参数的思路。
一
２ 双重谱分析 方法
舰 船辐 射 噪声 是 非平 稳 随机过 程 ，但可近 似认
的 另一重要特 性 。许多优 秀 的声 呐 员不数节 拍 、不 测转速 ，往往 在一 听之 下 ，就 能准 确 判 出类 型 ，他 们 凭借 的正是桨 拍音 色特 点…。当然 ，不 同类 型的
节拍 ，例如螺 旋桨 空化节 拍 和柴 油机 汽缸节 拍 ，其
但 由于 不 同类 型 的舰 船 往 往 出现 相 同或相 近 的螺 旋 桨转速 ，桨 叶数 相 同更加 常 见 。因此在 实 际中 ，
Ｈａｄｌ 音色 简单 的 定义 是 “ ｎ ｅ将 听起 来 是什么样 感觉 （ ａ ｉｓｕｄ ｉｅ ” ｗｈｔｔ ｏｎ ｓｌ ） 。对 于 利用 舰船辐 射噪 声进 ｋ 行 目标 识别而 言 ，这 个 定义 更加 合适 。 音 色是 多维 的 ，它又 包含 很 多方面 。例如 ，在
的识别尤 为 重要 。
音色 是 声音最 重要 的特 性 ，也可 以说是声音 的 综合 特性 或整 体特 性 。人们 常 常用音 色差 别来辨 别 和描 述一 个声 音 。关 于音 色 （ ｉ ｒ）的定义 ，美 Ｔｍｂｅ 国国家标准 化 组织 （ ＮＳ）将音 色 定义 为 “ Ａ Ｉ 能够 区 别 具 有 相 同 响 度 和 音 调 的 两 个 声 音 的 听 觉 特 征
关键 词：节拍音色 ；心理声学：双重谱 ；特征提取
水 声 目标 分类 识别可 以分为 两 大类 ：人工识 别 和机 器识 别 。人工 识别 又可 以分为 听音识 别和视 觉 识别 。事实证 明，听音 识别 是一 种 比较有效 的识 别 手段 。听音 识别之 所 以有效 ，在 于人 的听觉 系统可 以有 效 的接 受和 处理 音频信 号 ，听觉神 经系 统将 声 音信 号转化 为人 的听 觉感 觉 ，而 人 的听觉感 觉中包 含大 量的识 别信 息 ，大脑 可 以利用 各种 听觉 感觉特 征进 行 目标 识别 。那 么 ，我们 能否 将人 的主观 听觉 感觉 特 征 引入 到 需 要 数据 精 确 量 化 的 机器 识 别 中 呢 ？ 心理 声 学研 究 为 人 的主 观 感 觉 的 客观 度 量 和 量 化提 供 了依据 。
为是 周期 性局部 平 稳过 程 ，因此可 以采 用时 变功率 谱分析 方 法 。舰 船 辐射 噪 声 是周期 局部 平稳过程 ， 其周期 体现 在 节拍 上 （ 即每 个 频率 分析 ｂ ｉ ｎ的幅度 随时 间 周期 性变 化 ） ，所 以要 分 析 噪 声 “ 节拍 ”的 听觉感 觉特 征 ，我们 将 采用 双 重谱 分析方 法Ｉ。 ２ ｊ
噪 声 控制 领 域 ，人 们 常 常 利 用 心 理 声学 参 数尖 锐
度 、粗 糙度 来 描述 音 色 。本 文将 针 对舰船辐 射噪 声 的特 点和 听音 识 别 的经验 ，提 取 可 以表征节 拍音色
的特 征参 数 ，作 为 目标识 别 的特征 量 。
单凭 桨拍数 和桨 叶数很 难将 目标类 型分开 。听音识 别 的实践证 明 ，桨 拍数 、桨 叶数仅 是 桨拍声特 点 的 部 分 ，是其 数量 特性 。而桨 拍 声的音 色特 点是它