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[软件] 异音检测 - 从入门到精通

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发表于 2020-6-3 | |阅读模式
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3 F3 g1 ~; G1 W; G+ u异音检测 - 从入门到精通
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电声或机械结构的异音(杂音、rubb&buzz)或振动一直以来都是用户和工程师的梦魇。对于用户来说,任何细微的杂音都会让他对产品的美好幻想瞬间破灭。而注重品质的工程师们更是绞尽脑汁,立志揪出这些“看不见”的杀手。$ Q5 B. K; T: E. m& \8 ?

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在与异音漫长的斗争中,人们的认知也不断发展变化,随着检测手段的不断进步,我们离“真相”越来越近。+ {6 R& Q' B. z3 [' f* Z
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金耳朵
0 Q1 `2 ^7 V2 m1 R, K, L
; d: }/ }2 c* i! K4 Q相信碰到类似问题的厂商都会有这样一位“裁断人”,可能他的听音频率很广,可能他总能察觉不易发现的振动。这样一位金耳朵的存在,让客诉率下降不少,品控工程师们睡了几天安稳觉。/ Z+ l1 R$ a) y; S' O* @
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通过人耳听音,是最原始,也最接近实际的检测手段。但这个方法的问题非常明显:
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8 J7 ?) P; Q. W# e3 [4 D2 X) I1. 人的主观因素影响过大,同一个声音或许敏感的人无法接受,其他人觉得根本不是问题。或许可以让多个人参与检测以排除主观干扰,但它的成本和效率是难以承受的;
) a8 `3 A+ K9 k, K/ m8 C2. 人会疲劳,需要休息,长期听音误判率会不断提高,这不管对听音准确性还是效率都有显著影响;, b" G) a6 \% T. M( i
3. 长期听音会对人耳造成不可逆的伤害,对部分大功率扬声器生产企业尤其重要。. S+ b: g7 Z4 w/ E

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8 _/ R* e' y; B9 C8 S# |& B" ]( Z一台声级计0 ?8 Z* P) V( ?% X3 ~" i. `
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富有远见的厂家自然开始考虑使用机器替代人工。找一台靠谱的声级计,是很多工程师首先想到的方案。这很好理解,如果出现异音,声压级就会变化,只要检测出那些声音更大的害群之马,就能管控产品品质。
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640.webp (49).jpg ) t' G) o) f( m: a% z) g. M
不得不说这有一定成效,比如一台空调外机或发动机,异常音通常都会让声压级变大。只需要对比良品(黄金样)和不良品的数据,就能检测出有问题的产品。
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但细想一下就会发觉不对劲 - 很多杂音其实并不“响”,它只是让人烦躁罢了。甚至很多时候,存在异音的产品可能总声压级比良品还低,这就很难办了。
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总量不行看分量. ?$ s) d" x* G
既然总的声压级难以发现问题,看频谱分量总可以了吧。$ U) D8 J+ x: H$ U0 w$ \3 Q

. Q+ c0 s' X, T' `- w$ Z其实走到这里,检测手段已经有了质的提升,无数异音在频谱中原形毕露。它们对总声压级的贡献很小,但在频谱中通常表现抢眼。同型号批次的产品频谱通常具有一致性,所以稍有问题的产品能一眼辨认,无论它藏在高频还是低频,无论它是声音还是振动。
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! B* E7 o) S) |* W& }" {/ \橙色曲线为公差框限
5 L2 _1 g! A9 E3 K/ K频谱检测对机械振动/异音的检测尤其有效,但对于扬声器这类由外部信号激发发声的电声产品就不太凑效了,更不要提如今产量最大的手机扬声器/受话器了,某些杂音是贴在耳朵上才能听出来的。
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2 F& H2 t4 f# M% v8 {- [电声测试需要完整的信号激励和分析系统,还要兼顾其它参数,这些都让频谱分析望洋兴叹。
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% u" _  t. ?/ @3 D$ Z高次谐波失真. \+ f# O0 T: c$ m
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很多人看到这个词不免虎躯一震,其实没想象的那么复杂。对于电声产品,人们发现异音会导致失真变化。直接上图,红色和蓝色曲线分别是正常音和瑕疵音,失真法的本质,是对比两曲线包络内的面积,这个面积就是声音的能量,若后者曲线的面积与前者有不可接受的差异,机器就会认为它是不良的。
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, Z* s% J( y. ~- S5 l9 J+ M受限于当年的技术条件和成本考量,这个方法目前被广泛使用,但它属于理想很丰满,现实很骨感。& \: `( V' C3 O% H

1 Q1 L; @+ s* t, W第一,机器听不懂什么是不可接受的差异,工程师必须设置一个数据,这个数据是多少,需要大量的验证,每次修改都会对良品率造成难以估量的影响;- ?% f( b; O; l" w: A$ g
第二,能量变化了就说明有异音?或者反过来讲,异音就能让能量明显变化?显然不是。较小的异音造成的能量(面积)变化很难检测,这也是机器识别的难点之一。或者声音整体抬高或降低,但曲线本身却很平滑,这明显是没有杂音的,不过对机器来说又是一记重锤。
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+ ^8 T  f5 r, s: P* l, i: ^2 z还有普遍被忽视的一点 - 测试信号。测试采用的扫频信号是一种“步进制”信号,简单讲,比如它的起始频率是 100 Hz,下个频率就直接跳到了 200 Hz,那这之间的频率怎么办?人耳听的时候可不会跳过哪个频率。此外,扫频信号的测试速度也慢的令人难以接受。! P% B, X. F/ `  x' q3 O5 m4 Z# N& t
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大家可以感受下:
3 r1 Z) K9 @- J' x说了这么多,就没有一个“大一统”的靠谱解决方案吗?& ]6 n# O8 j* K) O& P3 t7 S4 T/ j
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2 }! B9 x& |0 J/ E当然有
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想必看到这里,有些人已经在思考一个最核心的问题了 - 异音到底是什么?上面又是测声压又是测失真的,这些都只是表象啊!异音的本质,是曲线不再“平滑”!异音的本质,是声音的突变!这种突变让声音不再和谐,人就觉得产生了异常音,反应在曲线中,就是“毛刺”或“不平滑”。
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那么问题又来了,如果把曲线画出来,人当然一眼就能看出是否平滑,可机器怎么知道呢?
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其实越难以理解的东西,说开了都很简单。大家记不记得,在初中或高中,我们都学过一个叫“斜率”的东西?如果曲线出现变形,斜率必然会突变,这样一来,找出斜率突变的那些产品,也就找到了不良品。
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' B! V* n1 W- Q  S/ W# S9 q" e 640.webp (52).jpg ' U% M6 L0 a8 k# A% @
斜率由 K1,K2 突变为 K3" Y% D2 |! e& W
至于信号,连续变频且时间可控的滑频信号几十年前就被人提出了,只是过去受限于设备的计算性能难以实现,对现在动不动就性能过剩的处理器来说简直驾轻就熟。用过扫频仪的对这个信号一定非常熟悉。
6 h( E6 B' `, m, J9 ^这项技术,就是 NTi Audio 的 PureSound 纯音测量技术,其具体实现方法自然比讲概念要复杂的多。无论是电声异音还是机械噪声,它都能一网打尽。
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" s7 v/ Z$ k0 D# n" a2 i在与异音“搏斗”的过程中,人们一路披荆斩棘,随着人工智能的不断完善,说不定在不远的未来,这一切都不需要人再操心。
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