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《振動噪音產學技術聯盟》如何應用SM軟體時頻分析模組於國家級警報的聲音特徵分析?

這個單元要來探討的主題是:如何應用【SM軟體】的「時頻分析(Spectrogram analysis)模組,進行國家級警報的聲音特徵分析?

 

先前幾個單元,都在談國家級警報音的特徵與分析結果,首先參閱1,右下方的【SM軟體】之「時頻分析」介面,看起來已經是很完整的分析結果,已經可以觀察到這個國家級警報音的聲音特徵。其中,呈現了:

 

1.      𝒑(𝒕):「聲音壓力時間波形(time waveform of sound pressure)

2.      𝑳𝒑(𝒕):「聲音壓力位準(Sound pressure level, SPL)

3.      𝑮𝒑𝒑(𝒇):「聲音自身功率頻譜(Auto power sound spectrum),可簡稱「聲音頻譜(sound spectrum)

4.      𝑮𝒑𝒑(𝒕,𝒇):「時頻圖(Spectrogram),英文也可稱為time-frequency plot

 

這個單元就很實務的來看應用【SM軟體】,以其「時頻分析(Spectrogram analysis)模組,進行國家級警報的聲音特徵分析的細節步驟流程。

 

探討分析步驟之前,先來看【4What】心法,這是有順序的,引導的思考如下:

 

1.      What to know? 知道甚麼?對這樣的國家級警報聲音,想要知道甚麼?

2.      What to get? 得到甚麼?又,明確的想要得到甚麼呢?

3.      What to do? 需要甚麼? 那麼,又需要些甚麼樣的分析,才能夠得到想要的東西呢?

4.      What to show? 應該呈現甚麼?最後,做了聲音的特徵分析,應該要呈現出甚麼數據呢?

 

1顯示的國家級警報音的聲音特徵分析結果,確實已經可以解讀出主要的資訊:

 

1.      𝒑(𝒕):由原始的時間波形,可以看出,長--短的間歇性的聲音特徵。

2.      𝑳𝒑(𝒕):由聲音總量隨時間的變化,也可觀察到長--短的間歇性的聲音特徵,以及最高音量約80dB

3.      𝑮𝒑𝒑(𝒇):由聲音頻譜在1000Hz左右,有兩個峰值頻率,並且有倍數頻率的諧頻(harmonics)效應。

4.      𝑮𝒑𝒑(𝒕,𝒇):由時頻圖,可觀察到主要的高音量,在1000Hz左右的兩個峰值頻率。而,較高頻率的響應,則相對比較小。

 

要得到1的分析結果,其實做了很多事,這個單元,就來討論如何進行分析,主要步驟說明如下:

 

1.      取得【SM軟體】:或是等同【SM軟體】分析功能的工具程式。

2.      取得國家級警報聲音檔案:網路上找到的是MP3聲音檔案。

3.      MP3音檔,轉為WAV音檔:主要是,配合【SM軟體】的輸入數據方式。轉為WAV音檔的設定:取樣頻率 = 44100 Hz。可選擇:雙聲道/單聲道,不過【SM軟體】只能分析單聲道的聲音。

4.      開啟【SM軟體】–時頻分析模組:需要載入WAV檔案,即可進行相關分析

5.      分析步驟:需要瞭解【SM軟體】的幾個分析功能,包括:(1) 頻譜分析(Spectral analysis)(2) 自身功率頻譜分析(Auto power spectrum analysis)(3) 時頻圖分析(Spectrogram analysis)(4) 聲音壓力位準分析(Sound pressure level (SPL) analysis)

 

針對這個國家級警報音的WAV檔案之分析,具體步驟與流程,說明如下:

 

(1)       檢視原始WAV檔案的有效頻寬:觀察2左邊的原始音檔特徵分析,可知:取樣頻率=𝑭𝒔 = 44100 Hz,來自轉為WAV音檔的設定。因此,可分析的最高有效頻率=𝑭_𝑵𝒚𝒒 = 𝑭𝒔/𝟐=𝟐𝟐𝟎𝟓𝟎 Hz。原始WAV音檔,在大約𝟏𝟓𝟎𝟎𝟎 Hz以上,音量非常小,可能是原始音檔就是如此。因此,有效最高頻率=𝑭_𝑬𝒇𝒇≅𝟏𝟓𝟎𝟎𝟎 Hz。另外,由時間波形,也可確認時間波形區間=兩個循環=10

(2)       檢視時間波形訊號 𝒑(𝒕):參閱2右邊的𝒑(𝒕)圖示,可瞭解原始WAV的時間波形特徵。其循環週期:長=2秒、短=1秒、短=1秒。每一個區間,間隔0.5秒。一個循環週期,共5

(3)       檢視噪音總量𝑳𝒑 (𝒕):參閱2右邊的𝑳𝒑 (𝒕)圖示,可觀察隨時間的dBdBA的噪音總量變化,因為是高頻率的聲音,兩者的量值相當,都是80 dB。同時,也間接佐證,時間波形的循環週期特徵。

(4)       檢視頻譜圖𝑮𝒑𝒑 (𝒇):參閱3𝑮𝒑𝒑 (𝒇)圖示,顯示技巧,調整了頻率上限=5000 Hz,終止時間=10。觀察峰值頻率,主要的組成頻率是:8529602558288042644800 Hz。有兩個主要基礎頻率(fundamental frequency),而且似乎都有倍數頻率的諧頻(harmonics)效應,實際上是135倍的關係。

(5)       檢視時頻圖𝑮𝒑𝒑 (𝒕,𝒇):參閱3的圖示,可看出頻率組成,隨時間之變化,在此案例,是穩定的聲音特徵。其中,852960 Hz兩個頻率的音量,比其他高頻率的峰值較大,所以,主導的基音頻率就是852960 Hz兩個頻率合成的音量

 

總結一下這個單元的討論,如何應用【SM軟體】的「時頻分析(Spectrogram analysis)模組,進行國家級警報的聲音特徵分析?重點摘錄如下:

 

1.          參閱1,右下方的【SM軟體】之「時頻分析」介面,看起來已經是很完整的分析結果。

2.          進行實務的聲音特徵分析之前,採用【4What】心法思考重點的分析工作:(1) What to know?(2) What to get?(3) What to do?(4) What to show?

3.          參閱1,彙整了【SM軟體】的「時頻分析(Spectrogram analysis)模組的應用步驟流程。分別參閱23,歸納了主要的5個分析步驟:(1) 檢視原始WAV檔案的有效頻寬,(2) 檢視時間波形訊號 𝒑(𝒕)(3) 檢視噪音總量𝑳𝒑 (𝒕)(4) 檢視頻譜圖𝑮𝒑𝒑 (𝒇)(5) 檢視時頻圖𝑮𝒑𝒑 (𝒕,𝒇)

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2025.04.01

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1、如何應用SM軟體時頻分析模組於國家級警報的聲音特徵分析?

2、應用SM分析國家級警報音過程(1/2)

3、應用SM分析國家級警報音過程(2/2)