Алгоритм измерения уровня звука и анализа его характеристик Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

А.К. Ситушкин

АЛГОРИТМ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЗВУКА И АНАЛИЗА ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК

Рассмотрен алгоритм измерения и анализа звука. В различных типах помещений установлены допустимые уровни шума в соответствии с установленными стандартами [1]. Нарушение данных норм влечет за собой сбой в работе персонала в помещении, а превышение уровня шума в 70-80 Дб может причинить вред здоровью человека, спровоцировать нарушение сна, уровня слуха или вызвать депрессию [2]. Измерять и анализировать шумовое воздействие можно с помощью смартфонов, которые оснащены встроенным микрофоном, динамиками и возможностью подключения других устройств. Разработка приложения для измерения звука осуществлялась в несколько основных этапов: получение данных с микрофона мобильного устройства; представление полученных данных в удобной и понятной для пользователя форме; анализ получаемых данных на соответствие нормам; создание пользовательского интерфейса, а именно проектирования формы для представления осцилограммы, а также создание визуальных оповещений о превышение звуковых норм. Традиционно в цифровой звукозаписи аудиодорожка представляется в виде осциллограммы, отображающей форму звуковой волны, т.е. зависимость амплитуды звука от времени. Такое представление данных достаточно наглядно для пользователя: осциллограмма позволяет увидеть основные события в звуке, такие как изменения громкости, частоты. Ключевые слова: измерения звука, спектральный анализ, звук.

Существует большое количество специального оборудования для измерения и анализа шумового воздействия. Но по причине высокой стоимости оно не всегда доступно. Решением этой проблемы является использование смартфонов. На графике (рис. 1) показана статистика использования планшетов и смартфонов с 2010 по 2015 г. [4]. Исходя из широкого распространения мобильных устройств, актуально использовать их в качестве платформы для разработки ПО. К преимуществам мобильных платформ относится их более низкая стоимость по сравнению со специальным оборудованием. Несмотря на то, что специальные устройства имеют более широкий функционал, данные, полученные с применением смартфона, достаточно точные данные для дальнейшего использования. Также мобиль-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 1. С. 404-410. © 2017. А.К. Ситушкин.

УДК 530.145.6

2013

Смартфоны

Рис. 1. Статистика использования мобильных устройств

ные устройства намного удобнее, т.к. оснащены встроенным микрофоном, динамиками и возможностью подключения других устройств. Поэтому данный способ является более доступным, удобным, а, следовательно, актуальным методом измерения шума.

Процесс анализа характеристик шума

Рассмотрим модель организации процесса анализа шума. Для данного процесса построена функциональная модель, целью которой является выявления процессов, подлежащих автоматизации. Модель приведена на рис. 2, 3.

ИСПОЛЬЗУЕТСЯ В: АВТОР: ситушкин ДАТА: 01.12.2015 1 РАЗРАБАТЫВАЕТСЯ ЧИТАТЕЛЬ ДАТА КОНТЕКСТ:

ПРОЕКТ: анализ шума РЕВИЗИЯ: 24.12.2015 ЧЕРНОВИК ВЕРХ

РЕКОМЕНДОВАНО

ЗАМЕЧАНИЯ: 123156789 10 ПУБЛИКАЦИЯ

ГОСТ 2^337-78

Анализировать

Звук характеристики шума Отчет

ЦЕЛЬ: Реорганизовать процесс анализа шума АО

ТОЧКА ЗРЕНИЯ: лицо, заинтересованное в снижении уровня шума Инженер Спец. оборудование

Ветка: А-0 Название: Номер: 1

Анализировать характеристики шума

Рис. 2. Уровень А0модели AS-IS

Рис. 3. Первый уровень декомпозиции модели AS-IS

Недостатки данной модели заключаются в том, что:

• требуется дорогостоящее оборудование для произведения измерений;

• требуется присутствие специально обученного для работы человека;

Рис. 4 Уровень А0 модели TO-BE 406

Рис. 5. Первый уровень декомпозиции TO-BE

Рис. 6. Декомпозиция блока процесса анализа в модели ТО-ВЕ

• при неправильной настройке оборудования получаются неверные данные, что влечет за собой длительную перенастройку.

Для устранения недостатков этой модели, необходимо разработать программное обеспечение, которое позволит производить процесс анализ шума с применением смартфона. Модель процесса анализа шума с применением разрабатываемого программного обеспечения приведена на рис. 4, 5, 6.

Изменения в модели TO-BE предполагают, что производить измерения и анализ шума с применением мобильного приложения может любой пользователь, при этом не потребуется никакого оборудования, кроме смартфона. Весь процесс измерений и обработки приложение выполняет автоматически. Пользователю остается только перевести данные в свой отчет.

Таким образом, автоматизация процесса анализа шума на основе специального мобильного приложения является целесообразной и делает его более удобным и доступным.

Математическое обеспечение

На данном этапе более подробно рассматривается логика приложения с точки зрения физических принципов работы. Основной функцией является измерение громкости сигнала, получаемого с микрофона мобильного устройства. В языке программирования Java имеется встроенный класс MediaRecorder, в котором имеется метод getMaxAmplitude(), возвращающий максимальное значение амплитуды сигнала в заданный момент времени в 16 битном размере. Поскольку сигнал является цифровым, то для представления максимального уровня сигнала или «полного масштаба» (full scale) используется 0dB. На экране обозначается как dBfs. Для преобразования из 16 бит, используется следующая формула:

return (int)(20.0 * Math.log10((double)mRecorder. getMaxAmplitude() / 32767.0)),

где 32767.0 — положительный диапазон 16 битной переменной.

Еще одной важной функцией является отображение частотных характеристик сигнала. Для этой процедуры используется дискретное прямое преобразование Фурье. Данное преобразование применяется к короткому интервалу, длительность которого составляет от 30 мс до 1 с. Результатом преобразования является массив комплексных чисел, содержащий информацию об амплитудном и фазовом спектрах используемого

интервала. Полученный массив используется для отображения частотных характеристик сигнала на экране.

Перед началом измерения необходимо ввести тип помещения и расстояние мобильного устройства от источника шума. В процессе измерения, все измеренные данные записываются в специальный массив. После завершения процедуры пользователю предлагается сформировать отчет с результатами. Отчет представляет собой текстовый документ, в котором содержатся максимальные значения частот за весь период измерения, а также значения в определенные интервалы времени. Также в отчете содержится информация о помещении, в котором производилось измерение, и расстояния мобильного устройства от источника шума.

Настройка заключается в калибровке микрофона и выборе количества частот, отображающихся на экране. В процессе калибровки устанавливаются возможные минимальный и максимальный уровень сигнала. По умолчанию, количество отображаемых частот — 9: 64 Гц — 16 кГц.

Заключение

В данном проекте исследована проблема шумового воздействия на человека, выявлены проблемы, связанные с измерением уровня шума и анализом его характеристик. При проектировании и разработке программного обеспечения учтены все недостатки для максимально простого и удобного использования приложения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 12.1.036-81. Система стандартов безопасности труда. Шум: допустимые уровни в жилых и общественных зданиях. — Введ. 01-0782. — Пост. Гос. комитета СССР по стандартам.

2. Шишелова Т. И. Влияние шума на организм человека. URL: http:// www.rae.m/use/?section=content&op=show_article&article_id=7787446 (дата обращения:15.11.2015).

3. Жилищный кодекс РФ // Федеральный закон о «Тишине». URL: http://www.gilkod.ru/article/zhilishnye_problemy/novyj_federalnyj_ zakon_o_tishine_v_rossii.html (дата обращения:15.11.2015).

4. UniWeb // Будущее за смартфонами. URL: http://uniofweb.ru/ analytics/911/ (дата обращения: 20.11.2015). етш

КОРОТКО ОБ АВТОРE

Ситушкин Александр Константинович — студент, НИТУ «МИСиС», e-mail: ud@msmu.ru.

UDC 530.145.6

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 1, pp. 404-410. A.K. Situshkin

MEASURING THE SOUND LEVEL ALGORITHM AND ANALYZE ITS CHARACTERISTICS

In various types of premises established permissible noise levels in accordance with established standards[1]. Violation of these rules leads to the failure of the staff room, and excess noise levels of 70-80 dB can cause damage to human health, to provoke sleep disorders, hearing level, or cause depression[2]. There is also a federal law on «Silence», which establishes the permissible noise levels in homes in the daytime and at night[3]. All this is a cause for noise measurement and analysis. There are a large number of special equipment for the measurement and analysis of noise impact. But due to the high cost they are not always available. The solution to this problem is the use of smart phones. Despite the fact that special devices have more advanced features, a smartphone can obtain enough accurate data for future use. Also, mobile devices much easier, because equipped with built-in microphone, speakers and the ability to connect other devices.

Application development for the measurement of sound is carried out in several stages. Getting data from a mobile device Microphone. Presentation of the data in an easy and understandable for the user form. Traditionally, digitally recording audio track is represented as a waveform displaying sonic wave form, that is, dependence of the sound amplitude versus time. Such reporting is quite clearly to the user: waveform allows you to see the main events in the sound, such as changes in volume, frequency. Further analysis of the data on compliance. And finally, the creation of a user interface, namely, designing forms for submission ostsilogrammy, as well as the creation of visual alerts excess sound standards.

As part of the article details the measurement and analysis of sound algorithm.

Key words: sound measurements, spectrum analysis, sound.

AUTHOR

Situshkin A.K., Student,

National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia, e-mail: ud@msmu.ru.

REFERENCES

1. Sistema standartov bezopasnosti truda. Shum: dopustimye urovni v zhilykh i obshchest-vennykh zdaniyakh. GOST 12.1.036-81 (Standards system of labor safety. Noise: permissible levels in residential and public buildings. State Standart 12.1.036-81), 01.07.82.

2. Shishelova T. I. Vliyanie shuma na organizm cheloveka, available at: http://www.rae. ru/use/?section=content&op=show_article&article_id=7787446 (accessed:15.11.2015).

3. Zhilishchnyy kodeks RF. Federal'nyy zakon o «Tishine», available at: http://www. gilkod.ru/article/zhilishnye_problemy/novyj_federalnyj_zakon_o_tishine_v_rossii.html (accessed:15.11.2015).

4. UniWeb. Budushcheezasmartfonami, available at: http://uniofweb.ru/analytics/911/ (accessed: 20.11.2015).