在早晨和傍晚的交通擁堵時間，墨西哥城的大型車輛和飛機都會發(fā)出噪音，這可能導(dǎo)致人們聽力受損。 航空運輸委員會由此提出一個新的飛機分類系統(tǒng)，今后航空公司可能根據(jù)飛機發(fā)出的噪音量來支付費用而不是根據(jù)重量或類型。因此，我們提出了一種新的計算模型，該模型不僅可以測量噪音量，還能根據(jù)飛機發(fā)出的噪音辨別飛機。
無線監(jiān)控系統(tǒng)中的每個節(jié)點包含一個半英寸預(yù)極化麥克風(fēng)、一張測量噪音水平的數(shù)據(jù)采集卡、一臺工業(yè)計算機和Wi-Fi或3G無線連接互聯(lián)網(wǎng)。 麥克風(fēng)安裝在離地4米的防水箱內(nèi)。 節(jié)點每30秒測量一次噪音水平，每5分鐘將數(shù)據(jù)傳回至控制中心。
圖1.分布式無線監(jiān)控系統(tǒng)圖
現(xiàn)實世界中根據(jù)飛機產(chǎn)生的噪聲頻譜特性來辨別飛機十分復(fù)雜，因為背景噪音、天氣、起飛速度和飛機的負載都可能會干擾分析。 近期，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨別噪音的測量設(shè)備已經(jīng)上市，但這個設(shè)備只能用來分辨噴氣飛機、螺旋槳飛機、直升機和背景噪音。 因此 我們決定創(chuàng)建一個計算模型來測量和分析噪音。 我們的系統(tǒng)只需采集飛機起飛24秒內(nèi)產(chǎn)生的噪音，就能夠正確識別飛機。
系統(tǒng)開發(fā)
在設(shè)定監(jiān)測系統(tǒng)時采用無線拓撲可降低成本，并提高靈活性。 每個監(jiān)控節(jié)點都建立在無須人工干預(yù)的Windows XP系統(tǒng)的工業(yè)PC上，它還配備有Wi-Fi適配器和NI USB-9234。 在硬件評估過程中，我們決定使用NI產(chǎn)品，因為相比那些低成本的聲級儀表，NI的產(chǎn)品測量質(zhì)量好、堅固耐用，且十分可靠。
盡管每個節(jié)點都連接著城市的電力系統(tǒng)，我們?nèi)钥墒褂貌婚g斷的電源供應(yīng)防止數(shù)據(jù)丟失。 節(jié)點每30秒測量一次噪音水平，系統(tǒng)最多可在本地保存14天的數(shù)據(jù)。 政府計劃使用我們的數(shù)據(jù)來識別墨西哥城中產(chǎn)生最高噪音水平的時間和地點，并創(chuàng)建噪音地圖、實施監(jiān)管行動控制噪音，為公民創(chuàng)建更健康的生活環(huán)境。
我們的系統(tǒng)可記錄用于道路交通噪音的傳統(tǒng)統(tǒng)計信息，如連續(xù)等效聲級（LEQ），而且還可以記錄分數(shù)倍頻程分析并測量明顯的噪音。 此外，該系統(tǒng)可以將WAV文件傳至一個中央服務(wù)器，用于研究可能觸發(fā)警報的瞬態(tài)信號，這有助于辨別干擾準確測量的獨立聲源。
圖2. 墨西哥城城市廣場兩周時間的噪音情況
我們原先計劃使用政府在2008年安裝的公共Wi - Fi，但一些節(jié)點必須轉(zhuǎn)換成由無線運營商提供的較慢的3G系統(tǒng)。 雖然我們可以同步使用3G網(wǎng)絡(luò)的語音和數(shù)據(jù)服務(wù)，但它的數(shù)據(jù)傳輸速率相當緩慢。
通過TCP/IP進行通信
我們的控制中心有一個靜態(tài)的IP地址。 每個節(jié)點都有一個DHCP服務(wù)器分配的動態(tài)地址。 簡單的說，控制中心就是一個服務(wù)器，而節(jié)點則是客戶端。 節(jié)點會嘗試打開TCP連接，如果控制中心收到了連接請求和節(jié)點的確認，連接便會成功。
圖3. 控制中心中央服務(wù)器界面
圖4. 超過閾值的音頻信號分析
圖5. 噪音級別、時間、日期和dBA振幅
圖6. 3D噪音地圖顯示噪音級別、時間、日期和幅度
下面是我們用于模式生成和識別的系統(tǒng)框圖。 由于飛機起飛噪聲的起點和止點都為零且時間長度有限，我們因此認為它屬于非平穩(wěn)瞬態(tài)信號。 如圖8所示，大部分的信號能量低于2kHz。 在這種情況下，我們注意到背景噪音在信號兩端更為強烈，因為飛機產(chǎn)生的噪聲覆蓋了背景噪音的中間部分。
圖7.模式生成和識別系統(tǒng)框圖
圖8.波音747飛機起飛時典型的噪音信號和頻譜
我們觀察發(fā)現(xiàn)，對于所有的飛機噪音，典型的幅度譜值為0到5000Hz。 我們選擇使用11025Hz的采樣頻率，將24秒內(nèi)采集的樣本數(shù)量減少至264600個。 對于其他飛機噪音分析，建議選擇25kS/s的采樣頻率和D-、C-和A-加權(quán)濾波器。
降低頻譜分辨率
由于幅度譜有132300次諧波，這會導(dǎo)致處理過程非常復(fù)雜，因此我們決定降低頻譜分辨率。 此外，我們只對收集有關(guān)頻譜形式的數(shù)據(jù)感興趣。
我們提出了以下假設(shè)：
結(jié)論
我們的10節(jié)點系統(tǒng)成功地測量了墨西哥國際機場飛機起飛時產(chǎn)生的噪音。 該系統(tǒng)創(chuàng)造了許多不同類型的頻譜分析，并獲得了最常用的dB(A)或dB(C)表示形式的統(tǒng)計指標，用于噪聲測量。 我們可以存儲系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)，隨后再執(zhí)行更深入的分析，通過噪音來確定潛在的健康危險，并知曉噪音水平在全天的波動情況。
在未來，我們想要在分割原始信號后運用這項技術(shù)，測量所得結(jié)果的差異。 我們還計劃測試新的參數(shù)來創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
