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关于tonal噪声，你了解多少？（二）
2020-03-31 08:05:48· 来源：海德声科 HEAD acoustics
NVH技术部海德声科 HEAD acoustics4天前上一次介绍了我们生活中出现的tonal噪声和临界频带（点击此回顾文章），小伙伴们有回去好好复习吗？但具体什么样算是tona
上一次介绍了我们生活中出现的tonal噪声和临界频带（点击此回顾文章），小伙伴们有回去好好复习吗？
但具体什么样算是tonal信号，我们现在还一头雾水，让我们从算法讲起吧。哈哈哈，你们怕了吗？不过放心，小编也是一看到公式就犯怵，所以我决定不写公式，全靠忽悠！算法是以前的聪明人总结出来的，总归有些道理，如果我们能了解这些算法的原理以及发展过程，相信对于tonal信号会有更深的了解。退一步讲，就算搞不清楚啥是tonal信号，只要知道算法，会用软件，那也是整条街（gai）最靓的仔/囡。
现有计算Tonal信号的主要算法有以下几类：
1. Tone-to-NoiseRatio (TNR: ECMA-74，ISO 7779)
2. DIN 45681 Tonality(similar to TNR)
3. Prominence Ratio(PR: ECMA-74, ISO 7779).
4. Psychoacoustic tonality (“Tonality”: Aures/Terhardt)
5. Tonality Hearing Model of Sottek (ECMA-74)
接下来我们会依次介绍每一种算法的用途和优缺点。对于急性子的同学，看到最后那个斜体加粗的重点嘛，不要问，问就是最牛的！我们公众号以前也有一篇专门介绍这个算法的，等不及的同学可以先去看看电动车NVH的法宝：HEAD专利算法Tonality(Hearing Model)，要记得看完再回来。
Tone-to-Noise Ratio (TNR: ECMA-74，ISO 7779)，有些翻译成纯音噪声比。ECMA-74标准规定了其详细的算法和流程。ECMA可能有些小伙伴不太熟，全称是“European Computer Manufacturers Association（欧洲计算机制造商协会）”。听起来是不是很山寨？我们村里的微商都叫自己全球企业了。实际上ECMA是IT行业非常知名的组织，致力于信息行业各种规范和标准的规划制定，实力不容小觑。“ISO国际标准化组织”我们都很熟悉了，汽车家电行业的很多标准都是ISO制定的，我们的国标GB也有很多参考或者直接引用ISO标准的。ISO 7779也规定了TNR算法，不过，ISO 7779几乎是照抄ECMA-74的作业。怎么样，本以为是青铜，结果是王者！
IT行业很早就开始研究tonal噪声问题了。风扇、硬盘等主要是单频噪声，而且电脑工作的环境一般比较安静，人们对于这些噪声更加敏感。而其他行业则没有这么迫切的要求，所以现有的tonal噪音算法大都是从IT行业发展来的。到了现阶段，其他行业就直接拿过来先用着，有些不合适的地方，那就要优化以前的算法，或者想出新的算法才行了。
关于TNR算法，基本概念其实很简单。由于IT行业都是单频噪声，所以TNR就是计算单频峰值声压和周围剩下声压的差别，如果差别比较大，那就是有问题的单频噪音，如果差别小，那就没问题。看起来很简单明了吧。具体的计算过程也没啥好说，ECMA-74里面写的可详细了。可以找来看看，当然懒得看也没关系，反正软件会帮我们算的。（注：TNR的计算可以用声压谱也可以用能量谱，以下内容写的时候没有严格区分）。
根据上面对于TNR的描述，大家有么有想到一些问题呢？下面是答疑时间。
什么是单频峰值？
这个说起来轻松，实际操作起来可没那么好办的。想象一下，某根频率线要比两旁的频率线高，就是单频峰值。如果连续两根三根高谱线，边上是矮的，那算不算单频峰值？最多几根能算？
因此，有些软件就每根谱线都算一遍TNR，反正高的也在里面，总归不会遗漏的。造成计算效率差，想看个结果等老半天。有些软件取巧，需要用户手工指定谱线位置，你想我计算哪个频率，我就算那根谱线。
以下插播一条广告：用HEAD acoustics 的ArtemiS软件分析TNR速度很快的，具体怎么算的可以打开帮助文件学习一下，嘿嘿，反正我写公式你们也不会看。稍微提个醒，这个软件FFT有个平滑功能，字面作用就是让FFT的结果平滑柔顺一些，看起来像用了飘柔。但是在计算TNR的时候，可以减少大量不重要的毛刺，同时保留能量比较高的单频峰值。（计算TNR的时候此功能自动完成）。
FFT分析参数
FFT的参数有啥影响？
TNR算法需要分析频率，所以首先得计算FFT。那频率分辨率怎么设置呢？太宽肯定不行的，很多单频峰值会算不出来，即便算出来，频率精度也有点问题，等等等等。ECMA-74建议频率分辨率小于单频噪声中心频率的1%。
当然太窄也不行，如果分辨率太窄，计算的频谱线密集，那能量势必会分配到多根谱线上，会影响TNR结果。最主要的问题：频率分辨率和时间数据块长度成反比，分辨率窄就会造成所需的时间信号长，这就意味着信号要足够持续稳定，才能进行分析。
因此，ECMA-74规定的TNR算法仅适合于分析稳定的单频噪声，这个要求对于IT行业来说毫无压力！但是对于其它行业，比如转速变化的新能源车，那可就很不友好了。
周围剩下的声压怎么算？
周围到底是多宽的范围，是整个频谱吗，还是一半的频谱？这里就用到了前面说的临界频带的概念。TNR的计算是在一个临界频带之内的，可以计算单频峰值能量和以此频率为中心的临界频带剩下能量的差别，这是TNR的特点。如果在一个临界频带之内有多个峰值，那用TNR的结果就不太合适了。还有一个问题，标准规定单频峰值的宽度要小于15%的对应临界频带。这条规定对于IT行业挺好，但对于其他行业就要考虑一下了，如果宽度超过15%就不是tonal噪声了吗？
声音的大小和频率有影响吗？
从前的介绍发现，TNR只考虑峰值声压和周围声压的差别，并没有把绝对幅值考虑在内。另外，对于频率的区分也很粗放，ECMA规定的阈值如下图所示，声压差别超过阈值才算是突出的单频信号。1kHz以上的阈值是一条直线，无论是人耳最敏感的4kHz左右的声音，还是20kHz人基本听不到的声音，只要超过阈值，都是一样的结果。所以TNR的算法仅考虑了部分心理声学特征（临界频带），并不是真正的心理声学函数，无法正确描述人耳对于不同单频噪声的主观感受。
ECMA-74建议的TNR和PR的阈值
The Tone Is Audible！
我提高了音量，为什么还是听不清？中曾经提到过“20岁的青年人的可听频率范围大约20-16kHz”，我衷心希望看这篇公众号的人都能听到16kHz以上的声音！但现实是残酷的，中老年的生活慢慢向你我走来！如果声音都听不到，那算它还有什么意义！
ECMA-74为了避免这种尴尬，特意做了如下规定，如下图所示：对于每个算出来的tonal信号，都要经过主观听觉评价，听得见的才能是符合标准的TNR结果。是不是甩得一口好锅！
ECMA-74 Standard: D.10.8 Audibility requirements
主观听觉评价啊！听起来是不是很熟悉，一下子回到了我们的主场：人耳现场听到的声音，和用麦克风录下来的声音是一样的吗？要不我们再插播一条广告？算了，植入广告太多影响收视率。公众号里面有太多介绍了，同学们自行查阅吧。
以下是本期总结：TNR ECMA-74算法可以用于稳定的离散单频信号，表示信号的tonal噪音成分，但有非常多的限制。在应用该算法的时候，需要预先考虑好是否能用于分析对象。这个对于工程师来说，还是很有挑战的。
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