基于聲卡的新型虛擬鋼琴調(diào)音儀設(shè)計(jì)

張曉朋

(平頂山學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467000)

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基于聲卡的新型虛擬鋼琴調(diào)音儀設(shè)計(jì)

張曉朋

(平頂山學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467000)

針對(duì)目前鋼琴調(diào)音技術(shù)中存在設(shè)備復(fù)雜、成本高、不易推廣等缺點(diǎn)，提出了一種基于聲卡和LabVIEW工具的新型鋼琴調(diào)音儀的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)聲卡進(jìn)行琴音數(shù)據(jù)的采集，在PC機(jī)上，以LabVIEW工具為核心，開發(fā)系統(tǒng)操作界面及操作程序，接收聲卡采集的琴音數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種算法處理，并將相關(guān)數(shù)據(jù)和比較結(jié)果進(jìn)行顯示，并給出合理的意見和提示，指導(dǎo)操作人員進(jìn)行相關(guān)操作，完成鋼琴的調(diào)音工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的要求，可用于鋼琴調(diào)音，也為今后同類鋼琴調(diào)音儀的設(shè)計(jì)提出了一條新思路。

鋼琴調(diào)音；聲卡；LabVIEW；基頻檢測(cè)

由于鋼琴的琴弦具有金屬延展性，長(zhǎng)期使用或周圍環(huán)境因素的影響，使鋼琴各個(gè)鍵經(jīng)常會(huì)偏離應(yīng)有的頻率，這就需要定期進(jìn)行調(diào)音。傳統(tǒng)的鋼琴調(diào)音方法是用音叉或需要提供標(biāo)準(zhǔn)音，由經(jīng)驗(yàn)豐富的校音師通過聽力比較兩個(gè)音階的差別進(jìn)行調(diào)校，但容易受生理、心理和客觀條件的影響，易出現(xiàn)較大誤差；隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，利用嵌入式技術(shù)輔助鋼琴調(diào)音逐漸成為新的趨勢(shì)，但這些方法一般都是基于ARM、DSP、單片機(jī)或者FPGA等技術(shù)，存在設(shè)備復(fù)雜、成本高、不易推廣等缺點(diǎn)[1]。

基于此，本文提出了一種基于計(jì)算機(jī)聲卡和LabVIEW工具的全新設(shè)計(jì)方法，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)出了一款鋼琴調(diào)音儀。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包含兩個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊和上位PC機(jī)主控模塊。(1)數(shù)據(jù)采集模塊。以計(jì)算機(jī)聲卡為核心，采用麥克風(fēng)來拾取琴音信號(hào)，完成聲音信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后送入聲卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[2]；(2)上位PC機(jī)主控模塊。在PC機(jī)上，利用圖形化的編程軟件LabVIEW開發(fā)鋼琴調(diào)音儀的操作界面和相關(guān)程序模塊，接收聲卡采集的琴音數(shù)據(jù)，進(jìn)行琴音數(shù)據(jù)的各種算法處理及圖形化顯示，指導(dǎo)操作者完成鋼琴調(diào)音工作[3]。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

采集模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)琴音信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和采集。該模塊主要由麥克風(fēng)和計(jì)算機(jī)聲卡兩個(gè)部分組成。

系統(tǒng)選用麥克風(fēng)作為聲音傳感器，用其將琴音信號(hào)變換成電信號(hào)。然后，由計(jì)算機(jī)聲卡對(duì)轉(zhuǎn)換之后的琴音信號(hào)進(jìn)行采集。聲卡一般有這3個(gè)排在一起的3.5 mm的雙聲道插孔。其中Line In和MIC In為兩個(gè)信號(hào)輸入插孔，這兩種輸入的差別在于其信號(hào)的放大率不同。因一般的麥克風(fēng)的信號(hào)較小，所以MIC In端的放大率會(huì)設(shè)計(jì)得較大，并會(huì)配合麥克風(fēng)的特性來修正，所以系統(tǒng)中，麥克風(fēng)拾取的琴音信號(hào)由MIC In輸入到聲卡[4]。

2.2 上位PC機(jī)主控模塊的設(shè)計(jì)

以PC機(jī)為硬件平臺(tái)，以LabVIEW為開發(fā)工具，負(fù)責(zé)控制聲卡完成琴音數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)采集到的琴音數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、基頻頻率粗測(cè)、數(shù)字濾波、快速傅立葉變換和基頻測(cè)量，測(cè)量出其中包含的基頻頻率，同時(shí)把相關(guān)結(jié)果進(jìn)行顯示[5]。

3 軟件設(shè)計(jì)

以LabVIEW虛擬儀器開發(fā)環(huán)境為開發(fā)工具，編制本鋼琴調(diào)音儀的操作界面和相關(guān)程序模塊，通過操作界面可以指導(dǎo)調(diào)律人員操作完成鋼琴的調(diào)音工作[6]。

系統(tǒng)軟件主要由以下幾部分組成：初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析與處理模塊和結(jié)果顯示模塊。軟件整體流程框圖如圖2所示。

圖2 軟件流程框圖

3.1 調(diào)音儀主界面和框圖程序設(shè)計(jì)

3.1.1 主界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主界面如圖3所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，按以下步驟進(jìn)行調(diào)音工作：

步驟1 通過聲卡相關(guān)參數(shù)設(shè)置模塊進(jìn)行相關(guān)采集設(shè)備參數(shù)的設(shè)置，包括采集速率、采樣位數(shù)、每通道的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)、采集設(shè)備ID號(hào)等[7]；通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑設(shè)置模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑的設(shè)置，將相關(guān)數(shù)據(jù)存入電子表格格式文件；

圖3 鋼琴調(diào)音儀的操作界面

步驟2 通過調(diào)音信息設(shè)置模塊輸入要調(diào)音的鋼琴按鍵的編號(hào)，并打開調(diào)音開關(guān)；

步驟3 讀取聲卡采集的數(shù)據(jù)，如果是有效的琴音數(shù)據(jù)，則與標(biāo)準(zhǔn)的琴音數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并在調(diào)音結(jié)果顯示模塊顯示相關(guān)結(jié)果；若是無效的噪音，則不進(jìn)行顯示；

步驟4 判斷電源開關(guān)的狀態(tài)，若開關(guān)接通，則回到步驟2繼續(xù)調(diào)音工作；若開關(guān)斷開，則停止程序運(yùn)行，結(jié)束調(diào)音工作。

3.1.2 程序框圖設(shè)計(jì)

鋼琴調(diào)音儀的主程序運(yùn)行步驟如下：

步驟1 從聲卡讀取數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否是有效的琴音數(shù)據(jù)。判別方法：先對(duì)采集的琴音數(shù)據(jù)的絕對(duì)值進(jìn)行求和，計(jì)算出平均值；然后，將平均值與參考值進(jìn)行對(duì)比，若平均值大于參考值，則認(rèn)為數(shù)據(jù)有效，否則認(rèn)為數(shù)據(jù)無效[8]。同時(shí)，將讀取的數(shù)據(jù)以及比較結(jié)果傳送到下一個(gè)程序模塊。參考值通過多次實(shí)際測(cè)試得出;

步驟2 判斷調(diào)音開關(guān)是否打開以及由第一步檢測(cè)過的數(shù)據(jù)是否有效，若兩個(gè)條件均成立，則進(jìn)入步驟3；若讀取的數(shù)據(jù)無效，或者調(diào)音開關(guān)沒有打開，直接進(jìn)入步驟4;

步驟3 首先，根據(jù)操作界面輸入的琴鍵的鍵號(hào)計(jì)算產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的琴音頻率和基頻數(shù)據(jù)；然后，將讀取的琴音數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的琴音數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并給出比較結(jié)果；最后跳轉(zhuǎn)到步驟4;

步驟4 判斷電源開關(guān)的狀態(tài)，若開關(guān)接通，則回到第一步繼續(xù)運(yùn)行程序；若開關(guān)斷開，則結(jié)束程序運(yùn)行。

3.2 初始化模塊的設(shè)計(jì)

主要完成兩個(gè)方面的工作：調(diào)音儀系統(tǒng)主界面和框圖程序中相關(guān)控件的初始化；對(duì)聲卡的采樣頻率、樣本位數(shù)及采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行配置，完成聲卡的初始化。

3.2.1 相關(guān)控件的初始化

主界面和框圖程序中相關(guān)控件的初始化主要完成相關(guān)控件的初值設(shè)置。

3.2.2 采樣頻率、樣本位數(shù)及樣本大小配置

鋼琴音基頻范圍為 27.5～4 186.0 Hz，根據(jù)采樣定理的要求和聲卡提供的采樣頻率(8～96 kHz)，默認(rèn)選用44 100 Hz的采樣頻率可以認(rèn)為是比較合適的；本設(shè)計(jì)中默認(rèn)選用的樣本位數(shù)是16位，即將音頻信號(hào)的大小分為65 536個(gè)量化等級(jí)；樣本的大小默認(rèn)為32 768點(diǎn)，可為信號(hào)的再處理提供足夠的樣本點(diǎn)數(shù)；采樣時(shí)間為0.743 s，而鋼琴音足以提供0.743 s 的音頻信號(hào)[9]。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

在實(shí)際中，電路帶來的噪聲是不可避免的，且在采集信號(hào)時(shí)周邊環(huán)境還會(huì)存在噪聲，所以在設(shè)計(jì)中采用了信號(hào)短時(shí)平均能量來確定采集到是有效的琴音數(shù)據(jù)，或是無效的噪音和干擾信號(hào)，從而保證了系統(tǒng)的高識(shí)別率[10]。

數(shù)據(jù)采集的流程如圖4所示。首先，采集一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)取絕對(duì)值；接著，對(duì)取絕對(duì)值后的全部數(shù)據(jù)點(diǎn)求和；然后，求和結(jié)果除以數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)得到平均值；最后，將平均值與參考值進(jìn)行對(duì)比，若平均值大于參考值，則認(rèn)為是有效的琴音數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)并令有效琴音數(shù)據(jù)標(biāo)志為True，否則舍棄數(shù)據(jù)并令有效琴音數(shù)據(jù)標(biāo)志為False。

3.4 數(shù)據(jù)分析與處理模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析與處理模塊主要包括4部分：FFT頻率粗測(cè)、FIR數(shù)字濾波、FFT快速傅里葉變換、測(cè)量基頻。首先，設(shè)計(jì)FFT 對(duì)琴音信號(hào)基頻進(jìn)行頻率粗測(cè)；其次，將粗測(cè)頻率作為數(shù)字濾波器截止頻率設(shè)計(jì)的依據(jù)，計(jì)算出濾波系數(shù)后設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波器，經(jīng)過濾波后將得到琴音信號(hào)的基波分量；然后，對(duì)得到的基波分量進(jìn)行FFT快速傅立葉變換，測(cè)量基波信號(hào)的頻率。數(shù)據(jù)分析與處理模塊的軟件流程如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖

圖5 數(shù)據(jù)分析與處理模塊的軟件流程圖

3.4.1 FFT頻率粗測(cè)

FFT采用基-2時(shí)間抽取算法。由于要分辨的頻率在較低頻段處間隔較小，為了較好地分辨出信號(hào)所處的頻段，便于后級(jí)FIR模塊能正確選擇對(duì)應(yīng)的分段濾波器，故FFT點(diǎn)數(shù)的選擇至關(guān)重要[11]。綜合考慮，在此采用32 768點(diǎn)，能分辨的頻率間隔為 44 100/32 768=1.346 Hz，采樣時(shí)間為32 768/4 410 0=743 ms。數(shù)據(jù)格式采用16位塊浮點(diǎn)，動(dòng)態(tài)范圍大。由于在信號(hào)頻譜中，基頻的幅值是最大的，因此，可從FFT結(jié)果中測(cè)出基波頻率，計(jì)算公式為

F=(sample_rate/32 768)×FFT_Max_Cout

(1)

其中，sample_rate 為采樣率 44 100 Hz， FFT_Max_Count 為基頻在頻譜中的位置。通過往FFT中輸入440 Hz方波，使用FFT實(shí)測(cè)，可從FFT粗測(cè)頻的結(jié)果中得到 FFT_Max_Count = 327。由此得到信號(hào)粗測(cè)頻率F=(44 100/32 768)×327=440.848 389 Hz，與實(shí)際440 Hz相近，符合設(shè)計(jì)要求。

3.4.2 FIR數(shù)字濾波器

采集模塊采集到的琴音信號(hào)中除了含有基波信號(hào)外，還有大量的諧波分量，因此，首先必須對(duì)其進(jìn)行濾波等處理，除去諧波分量[12]。要實(shí)現(xiàn)對(duì)琴音信號(hào)的精確濾波，須知波形的大概頻率范圍，依此來設(shè)置濾波器截止頻率，然后計(jì)算出相應(yīng)的濾波系數(shù)。

FFT 模塊已經(jīng)對(duì)基波信號(hào)頻率進(jìn)行了粗測(cè)，在此，以粗測(cè)所得頻率值作為 FIR 濾波器截止頻率設(shè)計(jì)的依據(jù)[13]。琴音信號(hào)對(duì)應(yīng)的基頻范圍為:27.50～4 186.00 Hz，為更好地濾波，去除諧波分量的干擾，這里將琴音信號(hào)頻域分為10個(gè)段，針對(duì)各段設(shè)計(jì)帶通濾波器，當(dāng)測(cè)量不同段信號(hào)中的頻率時(shí)，就調(diào)用不同的濾波系數(shù)進(jìn)入 FIR 模塊形成相應(yīng)濾波器，從而濾除其他的諧波分量，只留下基波。FFT 粗側(cè)頻率值與帶通濾波器設(shè)置頻帶寬度如表1所示。

FIR濾波器設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要計(jì)算出濾波器系數(shù)，在此利用LabVIEW的FIR濾波器設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)，為得到較好的過渡頻帶和帶內(nèi)波動(dòng)，綜合考慮采用 60 階加凱撒窗進(jìn)行設(shè)計(jì)。得到濾波系數(shù)以后，在LabVIEW中設(shè)計(jì)FIR帶通濾波器。

表1 粗測(cè)頻率和濾波頻率分段

3.4.3 FFT快速傅里葉變換

琴音信號(hào)經(jīng)過FIR數(shù)字濾波以后，已去除了高頻分量以及噪聲等干擾信息，只剩下波形為正弦波的基波信號(hào)。因此，接下來可采用FFT快速傅里葉變換的方法，得到琴音信號(hào)中基波分量的頻譜構(gòu)成及FFT_Max_Count值。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，程序設(shè)計(jì)中，重復(fù)調(diào)用FFT快速傅里葉變換20次，然后取平均值作為最終的輸出[14]。

信號(hào)經(jīng)過FFT快速傅里葉變換后，得到琴音信號(hào)中基波分量的頻譜構(gòu)成及FFT_Max_Count值與FFT粗測(cè)模塊得到的結(jié)果是一致的，說明該模塊達(dá)到了設(shè)計(jì)初衷。

3.4.4 測(cè)量基頻

由于在信號(hào)頻譜中，基頻的幅值是最大的，因此可從FFT快速傅里葉變換的結(jié)果中測(cè)出基波頻率，計(jì)算公式為

F=(sample_rate/32 768)×FFT_Max_Count

(2)

其中，sample_rate 為采樣率 44 100 kHz， FFT_Max_Count 為基頻在頻譜中的位置[15]。最終得到的基波信號(hào)的頻率440.084 838 9 Hz，這與輸入的仿真信號(hào)頻率440 Hz較為接近，從而說明本模塊的設(shè)計(jì)符合要求。

3.5 結(jié)果顯示模塊的設(shè)計(jì)

最終結(jié)果的顯示由調(diào)音開關(guān)和有效琴音數(shù)據(jù)標(biāo)志的狀態(tài)決定。若調(diào)音開關(guān)打開，且有效琴音數(shù)據(jù)標(biāo)志為True，則調(diào)用數(shù)據(jù)分析及處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后顯示測(cè)得基頻頻率、標(biāo)準(zhǔn)基頻頻率、測(cè)量誤差和提示信息；若調(diào)音開關(guān)未打開，則不進(jìn)行顯示；若調(diào)音開關(guān)打開，但有效琴音數(shù)據(jù)標(biāo)志為False，則只顯示提示信息“無效數(shù)據(jù)”。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

運(yùn)行調(diào)音儀，打開操作界面，首先，進(jìn)行聲卡相關(guān)參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑的設(shè)置；接著，輸入要調(diào)音的鋼琴按鍵的編號(hào)，并打開調(diào)音開關(guān)；然后，采集鋼琴對(duì)應(yīng)按鍵發(fā)出的琴音信號(hào)并進(jìn)行分析與處理；最后，進(jìn)行相關(guān)結(jié)果的顯示。

圖6所示是對(duì)鋼琴49號(hào)按鍵的發(fā)音頻譜進(jìn)行實(shí)測(cè)的結(jié)果，測(cè)量誤差0.019 3%。表2是對(duì)部分按鍵的發(fā)音頻譜進(jìn)行實(shí)測(cè)的結(jié)果。

圖6 440 Hz(49號(hào)鍵)測(cè)量結(jié)果

表2 對(duì)部分按鍵的發(fā)音頻譜進(jìn)行實(shí)測(cè)的結(jié)果

由對(duì)以上各圖分析可知：由實(shí)驗(yàn)測(cè)出的頻率值與理論值基本吻合，誤差較小，證明了用本系統(tǒng)進(jìn)行鋼琴調(diào)音儀的結(jié)果是基本正確的，也說明了本文設(shè)計(jì)的鋼琴調(diào)音儀是符合要求的。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種新的以聲卡和LabVIEW工具為核心的鋼琴調(diào)音儀。對(duì)于現(xiàn)有市場(chǎng)上存在的鋼琴調(diào)音儀而言，提出了一種全新的方法來實(shí)現(xiàn)鋼琴的調(diào)音工作，開拓了設(shè)計(jì)者的思路，減輕了調(diào)音師的工作負(fù)擔(dān)，提高了鋼琴調(diào)音的精度，避免了主觀的影響以及其他不可測(cè)因素的干擾，為鋼琴調(diào)音提供了客觀、科學(xué)的依據(jù)，取得了良好的效果，也為同類鋼琴調(diào)音儀的設(shè)計(jì)提出了一條新思路。

[1] 高明,孟建軍,祁文哲,等.基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2009,18(2):1-3.

[2] 郝麗,趙偉.基于聲卡的虛擬儀器教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(2):79-81.

[3] 蘇江峰.鋼琴調(diào)音軟件的設(shè)計(jì)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.

[4] 周愛軍,馬海瑞.基于聲卡的LabVIEW數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息, 2005,21(15):108-110.

[5] 黃松嶺,吳靜.虛擬儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[6] 胡奕明,黃志剛,肖雷蕾,等.基于LabVIEW的樂器數(shù)字調(diào)音系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(6):141-144.

[7] 潘陽.鋼琴校音計(jì)算機(jī)軟件的設(shè)計(jì)[D].合肥:安徽大學(xué),2011.

[8] 潘陽,魏梨君.一種基于頻率特征及動(dòng)態(tài)窗長(zhǎng)的鋼琴調(diào)音算法[J].信息技術(shù),2011(5):155-156.

[9] 唐曉倩.基于DSP的鋼琴調(diào)音儀的研制[J].西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2011,29(1):64-66.

[10] 譚祖印,梁維剛,歐啟標(biāo),等.基于SOPC的鋼琴調(diào)音系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廣西物理,2013,34(1):26-30.

[11] 王廣德,許德成,劉洪波,等.基于單片機(jī)的智能樂器校音器的設(shè)計(jì)[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,35(1):95-98.

[12] 王,姚竹亭,顧秀江.基于ARM+DSP的鋼琴調(diào)律器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,201(5):72-77.

[13] 劉允峰.基于Matlab和小波降噪的鋼琴基頻測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(5):95-96,99.

[14] 許凌云.基于聲卡和LabVIEW的虛擬儀器研制[J].儀器儀表用戶,2007,14(3):82-83.

[15] 陳曉磊.基音周期的提取[J].大眾科技,2009(9):47-49.

A New Virtual Piano Tuning Meter Design Based on Sound Card

ZHANG Xiaopeng

(School of Electrical Information Engineering，Pingdingshan University,Pingdingshan 467000, China)

Design a new piano tuning based on sound card and LabVIEW tools. Using computer sound card to sound in the design of data collection, in the PC, LabVIEW tools as the core, the development of system operation interface and operating procedures, to receive sound data from the sound card, all kinds of algorithm processing, calculate the base frequency of sound, and calculates the sound frequency and standard of the sound frequency comparison and calculation, the relevant data and comparison results show that, and give reasonable advice and tips, so as to guide operating personnel related operations, then completes the piano tuning work. The results show that the system hardware and software design has reached the expected requirement, can be used in the piano music, also for the future design of similar piano tuning meter article puts forward a new way of thinking.

piano tuning; sound card; LabVIEW; fundamental frequency detection

2016- 01- 18

張曉朋(1978-)，男，碩士，講師。研究方向：電子，通信與自動(dòng)控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.025

TP391.42

A

1007-7820(2016)11-086-05