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《振動噪音科普專欄》甚麼是濾波器(Filter)?

 

這個單元的主題要來探討,甚麼是濾波器(filter)?要回答這個問題,先來看「濾波器」有哪些類型?參閱圖示,討論如下:

 

1.      低通濾波器(Low-Pass Filter, LPF):「低通濾波器」是將信號中,高於某一個𝒇𝑯頻率的信號,濾除。或是說,保留低於𝒇𝑯頻率的信號。

2.      高通濾波器(High-Pass Filter, HPF):「高通濾波器」是將信號中,低於某一個𝒇L頻率的信號,濾除。或是說,保留高於𝒇L頻率的信號。

3.      帶通濾波器(Band-Pass Filter, BPF):「帶通濾波器」是將信號中,高於某一個𝒇𝑯頻率的信號,以及低於某一個𝒇L頻率的信號,濾除。或是說,保留高於𝒇L頻率的信號,以及低於𝒇𝑯頻率的信號。

4.      「帶阻濾波器」(Band-Stop Filter, BSF):「帶阻濾波器」是將信號中,高於某一個𝒇L頻率的信號,以及低於某一個𝒇𝑯頻率的信號,濾除。或是說,保留高於𝒇𝑯頻率的信號,以及低於𝒇L頻率的信號。

 

所以,甚麼是濾波器(filter)?簡單的說,就是保留、或濾除所指定頻率範圍的「濾波(filtering)裝置,有以上4種典型的「濾波器」:「低通」、「高通」、「帶通」、「帶阻」等4種「濾波器」。

 

實際」的「濾波器(real filter)和「理想」的「濾波器(ideal filter)之間,有甚麼差異呢?實務上,沒有辦法做到,如圖示紅色線條的垂直陡升或陡降的「理想」「濾波器」頻譜,「實際」的「濾波器」頻譜,會有如圖示綠色線段的斜線效應。此斜線效應對應的頻率,稱為「截止頻率(cut-off frequency),也就是「有效頻率(effective frequency)

 

接下來看,實務上以甚麼方式來施予「濾波」處理,主要有兩種方式:

 

1.      類比濾波器(Analog Filter):參閱圖示第一個「系統方塊圖」,一般以「感測器(sensor)量測到的信號,就是「類比信號」,直接對「感測器」信號,進行「濾波」處理,就稱之為「類比濾波(analog filtering),再以DAQ數據採集器(data acquisition device),轉換為「數位信號」。通常DAQ就含有內建的「類比濾波器」功能,所以也有稱為「硬體濾波」。

2.      數位濾波器(Digital Filter):參閱圖示第二個「系統方塊圖」,「數位濾波器」顧名思義,就是一般以「感測器」量測到的信號,先以DAQ擷取「類比信號」,轉換為「數位信號」之後,再進行「數位濾波(digital filtering),這裡的作業,通常是透過軟體的分析程式處理,故也有稱為「軟體濾波」。

 

綜合一下這個單元的討論,甚麼是濾波器(filter)?簡單的說,就是保留、或濾除所指定頻率範圍的「濾波(filtering)裝置。有4種典型的「濾波器」,包括:「低通」、「高通」、「帶通」、「帶阻」等4種「濾波器」。

 

另外,也要理解「實際」和「理想」的「濾波器」之差異,並且知道「截止頻率」的意義。以及認知有兩種施予「濾波」處理的方式,包括:「類比濾波器」以及「數位濾波器」兩種「濾波」方式。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2020.12.14

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《振動噪音科普專欄》如何應用濾波,解析一個“警報聲”的聲音特徵?

 

這個單元的主題要來探討,如何應用濾波」,解析一個警報聲」的「聲音特徵」?

 

首先,觀看影片可以聽出來這個「警報聲」,有相當的警示作用。

 

要解讀這警報聲」的聲音之前,先回顧一下,採用屏科大機械系振動噪音實驗室開發的【SM軟體】,進行「頻譜分析」以及「時頻分析」,參閱圖示左上方,所得到的4個重要圖示,重點說明如下:

 

1.          聲音壓力時間域波形圖 (time waveform):在圖示上方,呈現所分析聲音WAVE檔案的原始「時間域波形」信號。代表的物理意義是「聲音壓力(sound pressure)。此「時間域波形圖」可呈現聲音的「波動」現象。

2.          時間域聲音壓力位準(響度) (sound pressure level):可以簡稱「聲音響度圖」,在圖示下方,呈現此聲音隨時間變化的「聲音振幅大小(dB),此「聲音振幅」的物理意義是「聲音壓力位準(sound pressure level)。【聲音壓力位準dBdB(A)有甚麼不同?

3.          頻譜圖 (spectrum):因為解析的信號是「聲音」,所以稱為「聲音頻譜圖」,在圖示左方,呈現此聲音信號的「頻譜」,也就是頻率與其振幅的組成。圖示的垂直軸為頻率,單位:Hz,水平軸是聲音的振幅大小,單位:dB。可以觀察「聲音頻譜」的分佈特徵。【常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼?

4.          時頻圖 (spectrogram):在圖示正中央,水平軸是對應「時間域波形」的時間(sec),垂直軸是頻率(Hz),彩色的分布圖示為聲音振幅大小(dB)。可以觀察隨時間變動時,「聲音頻譜」的分布狀態與趨勢。【甚麼是時頻圖?

 

日常生活中,可聽到各種不同的聲音,先前單元:#130,【聲音有甚麼特徵?】指出,探討一個聲音,主要有三大特徵

 

1.      音調(pitch):聲音的頻率。

2.      響度(loudness):聲音的大小。

3.      音色(timbre):聲音的頻率組成。

 

除了「音調」、「響度」、及「音色」外,要觀察「聲音特徵」,也可以由兩個角度探討:

 

1.      時間域(time domain):可以由「時間域波形圖」及「聲音響度圖」,觀察信號的「波動(fluctuation),以及聲音特徵的「持續時間(duration)

2.      頻率域(frequency domain):可以由「聲音頻譜圖」或「時頻圖」,觀察聲音的「峰值(peaks)及其對應的「頻率」。在這個「警報聲」,會觀察到有「簡諧倍頻(harmonics)的聲音,也可簡稱「諧頻」。也會觀察到「掃描簡諧倍頻」、或稱為「掃描諧頻(swept harmonics)的聲音。

 

由左側圖示的「聲音響度圖」,以及聲音聽感,可以知道此「警報聲」有重複的現象。同時觀察「聲音頻譜圖」,主要的高貢獻度頻帶在0~4000 Hz之間,所以,放大頻率區間,如中間上方圖示,可以更清楚的觀察這個「警報聲」的特徵。

 

為了再詳細解析這個「警報聲」的頻率特徵,再放大時間區間,只取兩個重複的波動區間,也聽其對應的聲音,討論如下:

 

1.      由「聲音響度圖:兩個不同聽感的區間,其「響度」大小差不多。

2.      由「時頻圖:可以看出來,兩個不同聽感的區間,其「頻率」組成,有相同不同處。有相同頻率特徵:是在高頻區域,有明顯的紅色斜線,從低頻率到高頻率的漂移現象,這就是典型的「掃描簡諧倍頻」,或稱「掃描諧頻」。不同頻率特徵:是在低頻率區域,一段有、一段則無,重複循環。此低頻率頻譜,呈現出「簡諧倍頻」、或稱「諧頻」的特性。

 

為了區別出兩個不同聽感區間的聲音,在此運用【SM軟體】的「濾波」功能,參閱圖示右下方的兩個圖示,說明如下:

 

1.      高通濾波(high pass filter):讓 > 600 Hz的信號通過,也就是將 < 600 Hz的信號濾除。觀看影片可聽出來就是,高頻率的「掃描諧頻」聲音特性。

2.      低通濾波(low pass filter):讓 < 600 Hz的信號通過,也就是將 > 600 Hz的信號濾除。觀看影片可聽出來就是,低頻率的「諧頻」聲音特性。

 

透過以上「濾波」的比較分析,可以知道,這個「警報聲」的頻率特徵如下:

 

1.      高頻率的「掃描諧頻」聲音:其「持續時間」約0.5秒,每一段聲音,均有此「掃描諧頻」聲音,持續重複出現。

2.      低頻率的「諧頻」聲音:其「持續時間」也是約0.5秒,此低頻率的「諧頻」聲音,是間歇式的出現,一段有、一段沒有,呈現循環的特徵。

3.      完整的「警報聲:是以上兩個聲音的合成。

 

最後,總結本單元對這個「警報聲」的聲音特徵解析:(1) 時間域,可以觀察到「波動」以及「持續時間」的現象。(2)頻率域,可以觀察到這個「警報聲」有低頻率的「諧頻」聲音,而且是間歇式的出現,而高頻率的「掃描諧頻」聲音,則是每一段聲音都有。進而合成了這個「警報聲」。

 

綜合來說,本單元以「時頻分析」對ㄧ個「警報聲」探討其聲音特徵的解析,觀察了4個圖示,包括:「時間域波形圖」、「聲音響度圖」、「聲音頻譜圖」、及「時頻圖」。並且透過控制不同「頻率區間」和「時間區間」,以及「濾波」功能,包括:「高通濾波」和「低通濾波」,可以解析出此「警報聲」的聲音頻率組成及特徵。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2020.12.11

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《振動噪音科普專欄》如何解析一個“警報聲”的聲音特徵?

 

這個單元的主題要來探討,如何解析一個警報聲」的「聲音特徵」?

 

要解讀這警報聲」的聲音之前,先回顧一下,採用屏科大機械系振動噪音實驗室開發的【SM軟體】,進行「頻譜分析」以及「時頻分析」,參閱圖示左上方,所得到的4個重要圖示,重點說明如下:

 

1.          聲音壓力時間域波形圖 (time waveform):在圖示上方,呈現所分析聲音WAVE檔案的原始「時間域波形」信號。代表的物理意義是「聲音壓力(sound pressure)。此「時間域波形圖」可呈現聲音的「波動」現象。

2.          時間域聲音壓力位準(響度) (sound pressure level):可以簡稱「聲音響度圖」,在圖示下方,呈現此聲音隨時間變化的「聲音振幅大小(dB),此「聲音振幅」的物理意義是「聲音壓力位準(sound pressure level)。【聲音壓力位準dBdB(A)有甚麼不同?

3.          頻譜圖 (spectrum):因為解析的信號是「聲音」,所以稱為「聲音頻譜圖」,在圖示左方,呈現此聲音信號的「頻譜」,也就是頻率與其振幅的組成。圖示的垂直軸為頻率,單位:Hz,水平軸是聲音的振幅大小,單位:dB。可以觀察「聲音頻譜」的分佈特徵。【常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼?

4.          時頻圖 (spectrogram):在圖示正中央,水平軸是對應「時間域波形」的時間(sec),垂直軸是頻率(Hz),彩色的分布圖示為聲音振幅大小(dB)。可以觀察隨時間變動時,「聲音頻譜」的分布狀態與趨勢。【甚麼是時頻圖?

 

日常生活中,可聽到各種不同的聲音,先前單元:#130,【聲音有甚麼特徵?】指出,探討一個聲音,主要有三大特徵

 

1.      音調(pitch):聲音的頻率。

2.      響度(loudness):聲音的大小。

3.      音色(timbre):聲音的頻率組成。

 

除了「音調」、「響度」、及「音色」外,要觀察「聲音特徵」,也可以由兩個角度探討:

 

1.      時間域(time domain):可以由「時間域波形圖」及「聲音響度圖」,觀察信號的「波動(fluctuation),以及聲音特徵的「持續時間(duration)

2.      頻率域(frequency domain):可以由「聲音頻譜圖」或「時頻圖」,觀察聲音的「峰值(peaks)及其對應的「頻率」。在這個「警報聲」會觀察到有「簡諧倍頻(harmonics)的聲音,也可簡稱「諧頻」。

 

由左側圖示的「聲音響度圖」,以及聲音聽感,可以知道此「警報聲」有重複的現象。參閱中間圖示,是放大時間區間,取三個重複的波動區間,討論如下:

 

1.      由「聲音響度圖:有兩個不同的「響度」,一為較低「響度」,一為較高「響度」,其「持續時間」均大約為0.1 秒。

2.      由「時頻圖:對應於較低及較高「響度」的時間,可以觀察出都是「簡諧倍頻」或稱「諧頻」,較低「響度」的「基頻(fundamental frequency)比較低。

 

接著,再放大時間區間,進行「時頻分析」,如右上方圖示,也可以透過影片聽這個「警報聲」的聲音,主要是兩個聲響的組成,都是非常短暫的聲音。如上討論,這兩個聲響,特徵:

 

1.      響度」來看:一個有較低「響度」,另一有較高「響度」。

2.      音調」來看:較低「響度」的「基頻」頻率,比較低。而較高「響度」的「基頻」頻率,比較高。

3.      音色」來看:較低及較高「響度」的兩個聲音,都是「諧頻」音,也都有數個倍數頻率。

 

再次放大時間區間,如圖示右下方的兩個圖示,可分別觀察較低及較高「響度」的兩個聲音,也可以由影片,實際區別出這個「警報聲」的主要兩個聲音的差異,可以確認都是有數個倍數頻率的「諧頻」音。

 

最後,總結本單元對這個「警報聲」的聲音特徵解析:(1) 時間域,可以觀察到「波動」以及「持續時間」的現象。(2)頻率域,可以觀察到聲音的「峰值頻率」以及有數個倍數頻率的「諧頻」音之現象。

 

綜合來說,本單元以「時頻分析」對ㄧ個「警報聲」探討其聲音特徵的解析,觀察了4個圖示,包括:「時間域波形圖」、「聲音響度圖」、「聲音頻譜圖」、及「時頻圖」。並且透過控制不同「時間區間」,可以解析出此「警報聲」的聲音頻率組成及特徵。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2020.12.11

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