汽车鸣笛声、雨声和警笛声的频谱分析

        

                                              声音频谱分析

1. 实验内容

       本次实验将通过matlab绘制各种声音的频谱图去推算其频谱范围。其各种声音来源于ESC-50声音集，其采样频率为44.1KHz,采样位数为16位，时长，音频格式为WAV。

1. 种声音的频谱分析
   1.  汽车鸣笛声

         对声音库中的两段汽车鸣笛声进行频谱分析，然后对其采样率进行降采样然后再分析其频谱变化。首先听一下鸣笛声1和鸣笛声2，然后查看其时域波形和频谱图如下图。

                                                                                图2.1 汽车鸣笛声的频谱

                                                                                图2.2 汽车鸣笛声时域图

       从上面频谱图可以看出来，鸣笛声1的频率最高能达到19KHz，而鸣笛声2的频率最高能达到16KHz，其相同之处在鸣笛声频率以一定间隔重复出现。而从时域波形来看，很明显鸣笛声1为被截断，而鸣笛声2被以某种方式截断了，这应该是鸣笛声2频谱频率未达到19KHz的原因。2原因：按键按的方式、移动中录制、采样频率

然后我们对鸣笛声1进行降采样为8KHZ，然后听一听鸣笛声1的声音变化。最后看其频谱图如下。

 

                                                                     图2.3 鸣笛声1降采样后与原声的对比频谱

       从上图中可以看出，被降采样到8K之后的鸣笛声频谱只保存到4KHz，不仅丢失了4KHz之外的频谱细节，而且在0.7s后的频谱也丢失了。其对分类影响还需要以后验证。虽然频谱被降采样到4KHz，但是人耳还是能辨别出其声音，可见仅仅鸣笛声的特点用其对频率的变化并不敏感，我们需要寻找除频谱之外的特征来用于分类。

1. 1. 雨声

我同样在ESC-50声音集中寻找到三条雨声用来分析频谱，首先听一下，雨声1、雨声2、雨声3，然后观察其频谱和时域波形，如下图。

                                                                                    图2.4 雨声频谱图

 

图2.5 雨声时域图

               通过上面频谱图可以看出，雨声1频谱只能达到8KHz，而雨声2和雨声3均能达到16KHz，且其在频谱范围内，功率分布均匀如同白噪声。从这三个频谱图中还可以看出，其在最高频处截断的很平整，所以猜测录制雨声的机器并没有采用44.1KHz的采样率，而是后来经过了解释采样才达到44.1KHz的采样率。为此，我将雨声2进行降采样到16KHz，然后保存到rain1_resample,然后观察其频谱图和时域波形，见下图。

                                                                    图 2.6 雨声降采样前后频谱对比图

                                                                   图2.7 雨声降采样前后时域波形对比图

从上面频谱对比图可以看出，降采样之后的频谱范围限制在8KHz之内，而且其功率谱密度变小了。其时域波形变化并不大，仅仅有些数据没有采到。

1. 1. 消防车警报和警车警报

   我对消防车警报和警车警报进行了分析，其频谱图与时域波形如下图。

图2.7 消防车与警车的警报频谱图

                                                                    图2.8 警车与消防车警报的时域波形图

     从上面警车与消防车的频谱图可以看出，其基频与谐振频率区分度很高，而且警车的频率从600Hz到1.4KHz之间随时间线性变化，而消防车从600Hz到1.2KHz之间随时间缓慢变化。对于这类声音可以根据基频来作为特征进行分类。

1. 总结

        通过上述实验认识到，对于不同的声音，对其进行降采样会影响到其音色，即谐波分量，使其丢失声音的高频细节，在一定范围内不会影响到人耳对他的识别，但在频谱成分上就会出现有很大的差别。

        通过查阅资料以及对这些实验分析可以估计，32KHz的采样率已经可以比较完整的保存声音的完整度了，因此在实际的声音采集设备中采用32KHz的采样率即可。

（如有错误，请批评指正）