基于MATLAB的呼吸和氣流信號(hào)分析系統(tǒng)

李永宏

(西北民族大學(xué)中國(guó)民族語(yǔ)言文字信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730030)

基于MATLAB的呼吸和氣流信號(hào)分析系統(tǒng)

李永宏

(西北民族大學(xué)中國(guó)民族語(yǔ)言文字信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730030)

呼吸是語(yǔ)言產(chǎn)生的動(dòng)力基礎(chǔ)，通過(guò)呼吸帶傳感器和氣流氣壓計(jì)可以實(shí)時(shí)地對(duì)發(fā)音過(guò)程進(jìn)行信號(hào)采集.文章在大量分析和深入研究的基礎(chǔ)上，利用matlab編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了呼吸氣流信號(hào)分析程序，功能包括常規(guī)的語(yǔ)音信號(hào)處理功能、呼吸和氣流信號(hào)語(yǔ)言學(xué)標(biāo)記功能、呼吸和氣流參數(shù)的提取和保存等.系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)為言語(yǔ)動(dòng)力的研究提供了方便的工具.

氣流信號(hào);呼吸信號(hào);分析系統(tǒng);MATLAB

0 引言

呼吸在語(yǔ)言產(chǎn)生過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，言語(yǔ)產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的生理過(guò)程，語(yǔ)言中樞下達(dá)命令，這些命令表現(xiàn)為神經(jīng)脈沖信號(hào)，指揮發(fā)音器官的肌肉產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，因此出現(xiàn)了氣流氣壓的變化、聲門(mén)的動(dòng)作和聲腔共鳴系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，最終輸出可懂的語(yǔ)言[1].國(guó)外有大量的文獻(xiàn)研究發(fā)音的呼吸和氣流問(wèn)題，國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)80年代還進(jìn)行發(fā)音氣流的研究[2].國(guó)內(nèi)最早采用呼吸帶進(jìn)行的研究是針對(duì)不同文體朗讀的呼吸韻律研究[3].目前呼吸帶信號(hào)的氣流氣壓信號(hào)的研究逐漸地?cái)U(kuò)展到了漢語(yǔ)方言和民族語(yǔ)的研究中.通過(guò)呼吸帶傳感器和氣流氣壓計(jì)可以實(shí)時(shí)地對(duì)發(fā)音過(guò)程進(jìn)行信號(hào)采集.采集的信號(hào)通過(guò)程序處理得到研究所需的各項(xiàng)參數(shù).Matlab是一個(gè)高度集成的語(yǔ)言環(huán)境，在該環(huán)境下既可以進(jìn)行交互式的操作，又可以編寫(xiě)程序、運(yùn)行程序并跟蹤調(diào)試程序.除了在理工方面Matlab比較普及外，在言語(yǔ)科學(xué)研究方面，Matlab也發(fā)揮了比較重要的作用，開(kāi)發(fā)了大量的面向語(yǔ)言研究的程序和軟件[4].本文設(shè)計(jì)呼吸氣流信號(hào)分析程序，利用Matlab編程語(yǔ)言在Windows平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，主要用于發(fā)音動(dòng)力相關(guān)的各項(xiàng)研究.

1 信號(hào)采集與預(yù)處理

發(fā)音人佩戴面罩采集發(fā)音時(shí)的氣流氣壓信號(hào)，同時(shí)利用采集呼吸帶信號(hào).PAS6600系統(tǒng)由帶有雙手柄的面罩、氣流面具、壓力傳感器、測(cè)試管和麥克風(fēng)等組合而成.麥克風(fēng)主要用于采集語(yǔ)音信號(hào)，氣流管用于氣流的采集，入口管用來(lái)采集發(fā)音時(shí)的氣壓信號(hào).文件保存格式為系統(tǒng)默認(rèn)的nsp格式，信號(hào)采樣率為22 kHz.將兩根呼吸帶傳感器分別系在發(fā)音人的胸部和腹部，呼吸帶傳感器可以感應(yīng)到胸圍和腰圍收縮擴(kuò)張所引起的呼吸帶長(zhǎng)度變化，并由壓電設(shè)備將呼吸帶長(zhǎng)度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào).通過(guò)Powerlab采集器采集兩個(gè)通道的呼吸信號(hào)，同時(shí)采集語(yǔ)音和嗓音信號(hào)，采樣率為40 kHz.具體的信號(hào)采集過(guò)程和設(shè)備連接關(guān)系見(jiàn)圖1.

圖1 呼吸氣流信號(hào)采集框架圖

由于呼吸帶信號(hào)和氣流氣壓信號(hào)都是獨(dú)立采集的，而且采樣率也不同，所以，要同時(shí)進(jìn)行研究，就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行同步計(jì)算，并合并成同一組信號(hào).信號(hào)處理的過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟：

1) 氣流氣壓計(jì)采集的信號(hào)格式為nsp格式，編寫(xiě)信號(hào)讀取程序區(qū)分文件頭和文件數(shù)據(jù)，然后把文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三通道的矩陣向量，并保存成wav文件格式.

2) 利用Powerlab采集器采集的四通道信號(hào)的采樣率是40 kHz，可以通過(guò)利用重采樣函數(shù)改變采樣率，也可以利用一些語(yǔ)音編輯的軟件進(jìn)行采樣率的變化，最終把四通道信號(hào)的采樣率降低為22 kHz，這樣頻譜能量的分量可以到11 kHz，采樣率能夠滿足語(yǔ)音參數(shù)的分析.

3) 兩組設(shè)備采集的數(shù)據(jù)并不對(duì)齊，主要是因?yàn)閮商缀茈y同時(shí)采集數(shù)據(jù)，而且兩組數(shù)據(jù)的采樣率也不同，氣流氣壓計(jì)采集的聲音也比較悶.所以，以兩組信號(hào)中的聲音信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，利用模板匹配的方法進(jìn)行信號(hào)對(duì)齊，這樣就可以把兩組不同設(shè)備采集的信號(hào)組合在一起.

4) 呼吸信號(hào)和氣流氣壓帶有很多細(xì)微的高頻噪聲，所以需要利用低通平滑濾波的方法進(jìn)行減噪，例如濾波器可以采用零相位數(shù)字濾波filtfilt(b,a,x)，這樣提高了標(biāo)注和參數(shù)提取的準(zhǔn)確性.

5) 提供對(duì)呼吸信號(hào)和氣流氣壓信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)數(shù)的功能，這樣可以準(zhǔn)確地找到信號(hào)變化比較極端的拐點(diǎn)，這些點(diǎn)是信號(hào)物理意義的關(guān)鍵點(diǎn).

6) 利用局部最大值法或Matlab信號(hào)處理工具箱中的findpeaks函數(shù)找出一段呼吸信號(hào)和氣流氣壓信號(hào)的準(zhǔn)確峰值位置，便于后期的參數(shù)提取，在數(shù)據(jù)量比較大的情況下此函數(shù)耗時(shí)較長(zhǎng).

2 參數(shù)設(shè)置

不同信號(hào)同步研究的目的就是為從聲學(xué)或生理的不同角度來(lái)觀察聲音的特性，主要是通過(guò)提取的參數(shù)來(lái)表征.

1) 語(yǔ)音信號(hào)是最基本和最重要的信號(hào)，其他信號(hào)的采集和分析都要以語(yǔ)音信號(hào)作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).語(yǔ)音信號(hào)主要提取的聲學(xué)參數(shù)有：基頻、振幅、時(shí)長(zhǎng)、前五階共振峰及其帶寬、頻譜和語(yǔ)圖等.基頻的提取已采取自相關(guān)和倒譜法等多種方法，共振峰主要采用對(duì)數(shù)譜的算法和協(xié)方差相結(jié)合的方法.

2) 不同類型的音位氣流氣壓特征差異很大，例如輔音主要的參數(shù)有：平均氣壓(cmH2O)、呼出氣流量(Liters)、平均氣流率(Lit/Sec)、輔音成阻時(shí)間(ms)、輔音時(shí)長(zhǎng)(ms) 、氣動(dòng)阻力(ds/cm5)等參數(shù).元音參數(shù)主要包括平均聲壓(dB)、平均氣流率(Lit/Sec)、發(fā)聲效率(ppm)、氣動(dòng)阻力(ds/cm5)、基頻(Hz)和發(fā)聲功率(Watts)等.

3) 呼吸信號(hào)Powerlab公司的Chart7軟件采集，提取吸氣相參數(shù)和呼氣相參數(shù)，包括不同層級(jí)的幅度、時(shí)長(zhǎng)、呼吸斜率、呼吸節(jié)奏時(shí)長(zhǎng)等參數(shù).呼吸重置時(shí)長(zhǎng)是指從開(kāi)始吸氣到開(kāi)始呼氣之間持續(xù)的時(shí)間.呼吸重置幅度是指一次吸氣過(guò)程中呼吸信號(hào)數(shù)值的變化幅度.

3 主要功能

3.1 文件處理

1) 文件的讀入.此處的文件指已經(jīng)經(jīng)過(guò)信號(hào)預(yù)處理和合并的wav文件.文件包括語(yǔ)音信號(hào)、嗓音信號(hào)或者語(yǔ)圖(可選)、氣流信號(hào)、氣壓信號(hào)、胸呼吸信號(hào)和腹呼吸信號(hào)(可選).文件頭使用原始的國(guó)際RIFF標(biāo)準(zhǔn)定義的wav文件頭，數(shù)據(jù)為6列的矩陣數(shù)據(jù).

2) 文件的保存.可以對(duì)編輯過(guò)的信號(hào)或者用鼠標(biāo)選定一部分信號(hào)進(jìn)行保存，保存的格式6通道的wav文件.

3) 帶標(biāo)記文件的保存.程序提供了對(duì)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)記的功能，在保存文件的同時(shí)可以把標(biāo)記的位置也保存在文件信號(hào)數(shù)據(jù)的后面，這樣方便隨時(shí)查看標(biāo)記的準(zhǔn)確性.所有的標(biāo)記參數(shù)都按國(guó)際RIFF標(biāo)準(zhǔn)定義，保留在原始wav文件的后面.

4) 帶標(biāo)記文件的打開(kāi).帶標(biāo)記的wav文件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，文件的前半部分是6通道信號(hào)數(shù)據(jù)，后半部分是標(biāo)記的類型和位置.

3.2 編輯與查看功能

1) 刪除功能.利用鼠標(biāo)左鍵選中一段信號(hào)，點(diǎn)擊剪切菜單可以對(duì)6個(gè)通道的信號(hào)同步刪除掉選中的信號(hào).

2) 縮放功能.縱向放大和縮小信號(hào)，利用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊要操作的坐標(biāo)，可以對(duì)該通道的信號(hào)進(jìn)行能量的放大和縮小，并制定放大和縮放的倍數(shù).

3) 顯示功能.橫向放大和縮小信號(hào)，利用鼠標(biāo)左鍵選中一段信號(hào)，點(diǎn)擊放大菜單，可以讓6個(gè)通道的選中信號(hào)同步填滿窗口，點(diǎn)擊縮小菜單，可以讓6個(gè)通道的信號(hào)完整地在窗口中顯示.

4) 信號(hào)疊加功能.為了更好地對(duì)信號(hào)之間進(jìn)行比較，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了信號(hào)疊加功能，可以對(duì)任意選擇的多個(gè)信號(hào)進(jìn)行疊加顯示.

5) 播放功能.可以播放整個(gè)語(yǔ)音信號(hào)，也可以播放鼠標(biāo)左鍵選中部分的語(yǔ)音信號(hào).

3.3 標(biāo)記功能

標(biāo)記功能主要是為參數(shù)提取做準(zhǔn)備，不同通道的標(biāo)記都是相通的，這樣便于不同信號(hào)關(guān)鍵位置的比較.標(biāo)記分自動(dòng)標(biāo)記和人工標(biāo)記兩種.

1) 自動(dòng)標(biāo)記是利用求導(dǎo)數(shù)或者局部最大法對(duì)呼吸信號(hào)和氣流氣壓信號(hào)的波峰和波谷位置及拐點(diǎn)位置進(jìn)行標(biāo)記.

2) 人工標(biāo)記是根據(jù)研究的需要，在必要的位置，例如輔音的開(kāi)始和結(jié)束位置，元音的開(kāi)始和結(jié)束位置等進(jìn)行標(biāo)記，這樣便于后續(xù)的音位分析.

3) 標(biāo)記刪除.用鼠標(biāo)左鍵選中錯(cuò)誤的或者不需要的標(biāo)記，然后點(diǎn)擊刪除標(biāo)記菜單進(jìn)行刪除.

3.4 參數(shù)提取與保存

對(duì)標(biāo)記好的信號(hào)進(jìn)行有選擇的參數(shù)提取，不同的信號(hào)提取的參數(shù)不同，也可以根據(jù)需要臨時(shí)增加參數(shù)提取的函數(shù)到系統(tǒng)中.提取的參數(shù)值臨時(shí)存儲(chǔ)在txt文件中.另外，系統(tǒng)也提供了批量提取參數(shù)的功能，對(duì)于標(biāo)記模式相同的同類型的文件，可以統(tǒng)一存放到某一個(gè)文件夾下，批量對(duì)這些帶有標(biāo)記的文件進(jìn)行參數(shù)提取，并統(tǒng)一保存到Excel中.

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

程序的主界面如圖2所示，分為菜單部分、操作按鈕部分和信號(hào)顯示部分.菜單包括文件、標(biāo)記、查看、播放、參數(shù)提取和幫助.軟件界面共分為6個(gè)通道，從上到下分別為語(yǔ)音、語(yǔ)圖、氣流信號(hào)、氣壓信號(hào)、胸呼吸信號(hào)和腹呼吸信號(hào)，如圖2所示.橫坐標(biāo)按時(shí)間顯示，單位為毫秒.圖中的信號(hào)分別是[ba]和[pa].

5 結(jié)束語(yǔ)

言語(yǔ)發(fā)聲過(guò)程的研究一直是言語(yǔ)科學(xué)研究的重點(diǎn)，進(jìn)行比較系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)量和研究，找出基于氣流氣壓的生理參數(shù)和聲學(xué)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有著深刻的理論意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值.本軟件在Matlab環(huán)境下進(jìn)行編寫(xiě)，采用GUI框架結(jié)構(gòu)編寫(xiě)，具有交互性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn).使用者經(jīng)簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)之后，可以熟練掌握軟件操作.數(shù)據(jù)保存為表格結(jié)構(gòu)，便于后期進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)和分析.該軟件可以應(yīng)用于語(yǔ)音生理研究、語(yǔ)音教學(xué)和言語(yǔ)工程研究.呼吸氣流信號(hào)的分析程序還不夠完善.隨著研究的深入，參數(shù)的設(shè)計(jì)也要不斷地更新，氣流氣壓信號(hào)、呼吸帶信號(hào)和語(yǔ)音信號(hào)之間的關(guān)系還需要進(jìn)一步的深入探討.另外，隨著信號(hào)種類的增多，信號(hào)之間的同步也是需要解決的問(wèn)題.

[1] 吳宗濟(jì),林茂燦．實(shí)驗(yàn)語(yǔ)音學(xué)概要[M].北京：高等教育出版社，1987.5.

[2] 吳韓娜．生理語(yǔ)音學(xué)儀器—?dú)饬鳉鈮河?jì)[J].北大語(yǔ)音樂(lè)律報(bào)告，2008，12.

[3] 譚晶晶,李永宏,孔江平.漢語(yǔ)普通話不同文體朗讀時(shí)的呼吸重置特性[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.4.

[4] 李永宏，馬強(qiáng)，趙琦.語(yǔ)言科學(xué)研究的MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.4.

Analysis Sustem of Respiration and Airflow Signals Based on MATLAB

LI Yong-hong

(Key Lab of China's National Linguistic Information Technology, Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730030, China)

Breath process is the dynamics bases of language production. The signals of pronunciation course could be real-timely collected with respiratory sensor and air pressure gauge. On the bases of massive analyses and researches, in this study the signal analysis procedure of breathing airflow were designed and realized by utilizing Matlab programming language. The functions of the analysis procedure included the voice signal processing, linguistic markers of respiration and airflow signals, extraction and preservation of respiration and airflow indexes. Our findings could provide a convenient tool for further studying language dynamics.

Airflow signal; respiration signal; analysis system; MATLAB

2015-11-20

國(guó)家自然基金項(xiàng)目資助(No.11564035).

李永宏(1979—)，男，山西臨汾人，博士，副教授，主要從事實(shí)驗(yàn)語(yǔ)音學(xué)方面的研究.

TP391

A

1009-2102(2015)04-0019-04