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声信号及其分类:少数分类体现了声波的特点

2018-1-12 15:52| 发布者: weixin| 查看: 95| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 信号可以描述范围相当广泛的一类物理现象,它是信息的一种物理体现。
  信号可以描述范围相当广泛的一类物理现象,它是信息的一种物理体现。狭义地讲,所有信号都需要通过传感器进行转换,绝大多数表现为电压的形式。按传感器传感对象的物理性质,信号可以分为声信号、振动信号、光信号、磁信号等等。
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  例如,声学测量中的声波经过声学传感器(传声器)转换后,传声器的输出信号就称为声信号。在数学上,信号可以表示为一个或多个变量的函数,它可以在时间域(时域)和频率域(频域)中分别描述。声信号的分类与绝大多数信号的分类是一致的,但有少数分类体现了声波的特点,具体情况简介如下:

  1、确定性信号和随机信号
  确定性信号的每一个值都可以用有限个参量唯一地加以描述。例如:直流信号用一个幅度参量就可以加以描述,而正弦波可以用幅度、频率和相位三个参量来描述。

  确定性信号又可分为周期性信号和非周期性信号两类。随机信号是相对于确定性信号而言的一种信号,因此也称为非确定性信号。这种信号不能用确定的数学解析式表达其变化历程,也就是说不可能预见其任一瞬时所应出现的数值,所以也无法用实验的方法重复再现。

  随机信号可用统计学的方法加以描述,描述其统计特征的量主要有均值、方差、概率密度函数、功率谱密度、自相关函数、互相关函数,等等。随机信号分为平稳随机信号和非平稳随机信号两大类,而平稳随机信号又分为严平稳和宽平稳随机信号两种。
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  在信号处理领域,噪声是相对有用信号而言的,它是一种典型的随机信号。在声学领域,噪声指的是人们不希望出现的声音,将它进行电声转换后,成为分析、处理和控制的对象,实际上是一种信号。以上两种噪声有时分别称为电噪声和声学噪声,由于本书在具体指称这两个概念时,其物理意义相当明确,不易混淆,因此以后一般不再逐一指出。

  按频谱特性分,噪声分为窄带噪声、宽带噪声、白噪声、粉红噪声,等等。

  窄带噪声和宽带噪声是以噪声的频带宽窄来划分的,“白”和“粉红”是将噪声的频谱与白色光线和粉红光线的谱相类比而得名。

  白噪声是指在较宽的频率范围内,各等带宽的频带所含噪声能量相等的噪声,其频谱与白光的频谱分布类似,故定名为白噪声。采用等带宽的滤波通带,以对数分布的频率为横坐标,白噪声的频谱基本上呈水平线分布。但若采用等比带宽的滤波通带,也用对数分布的频率横坐标,这时白噪声的频谱分布基本上为每倍频程上升3分贝的斜线。白噪声的概率密度函数则可以具有各种分布形式,最常见的是具有高斯型概率密度分布的白噪声,简称为高斯白噪声。

  粉红噪声是指在较宽的频率范围内,各等比带宽所含能量相等的噪声。用频率为对数分布的横坐标,则粉红噪声的频谱分布基本上呈水平线分布。但若采用等带宽的滤波通带为频率横坐标,则粉红噪声的频谱分布基本上为每倍频程下降3分贝的斜线。由于低频成分的能量分布较多,故类似于光学中的粉红色,并引用“粉红”一词而定名为粉红噪声。
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  按时域特性分,声学测量中的噪声有无规噪声和脉冲声,其信号表现形式就是随机信号和脉冲信号。

  无规噪声的瞬时参量(如声压、声功率等)无法确定,而只能按概率分布函数给出某一时刻的相对量,它对时间的分布满足高斯分布(正态分布)曲线。无规噪声的频谱不一定是均匀的,因此,它不一定是白噪声或粉红噪声。同样,白噪声或粉红噪声的能量对时间的关系也不一定满足正态分布,因此也不一定是无规噪声。概括地说,白噪声是指能量对频率分布均匀;无规噪声是指能量对时间满足概率分布。

  脉冲声是指持续时间短促(通常指1秒以下)的噪声,如冲床加工声、枪击声都可看作脉冲声。猝发声是间断的纯音(即正弦波),故也叫正弦波列或猝发音。

  2、模拟信号、连续时间信号、离散时间信号和数字信号
  模拟信号指的是在规定的连续时间内,信号的幅值可以取连续范围内的任意数值。由传感器产生的信号都属于模拟信号。连续时间信号是指在连续时间范围所定义的信号,但它的幅值可以是连续值,也可以是离散的数值。

  离散时间信号指的是在一组特定的时间下,表示信号数值的函数,也就是说,做为独立变量的时间变量使用一组数值来表示。如果离散信号的幅值是连续值,有时又被称为“抽样数据”信号。数字信号则是在时间上和幅值上都经过量化的信号,总可以用一序列的数来表示,而每个数又可以用有限长的数值编码来表示。

  本文摘录自西北工业大学航海学院环境工程系精品课程教材《声学测量》。

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