基于声学实时监测的卵石运动数量研究

杨胜发,闫路遥,张 鹏,田 蜜

(1. 重庆交通大学 河海学院，重庆 400074； 2. 重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074)

0 引 言

推移质运动规律一直是河流演变规律、河流开发利用以及航道建设维护等理论与工程实践中研究的重点和难点，如三峡水库库尾在消落期随着坝前水位下降，航槽出现阵发性；难预测的卵石输移量剧增导致碍航，引发船舶搁浅、沉船等海事事故[1-2]。由于库尾水沙耦合运动的复杂性以及卵石输移原型观测技术的限制，对大尺度天然河流的卵石运动时间、空间分布以及输移强度的理论预测和原型实时追踪观测均非常困难。原型观测是获取研究对象变化过程的直接证据，对推移质运动规律的研究有重要意义。

目前较为成熟的推移质采样方法有坑测法、采样器法等，其中尤以采样器法应用较为广泛。定时采样的方法操作步骤繁琐，测量条件严苛，且不易把握转瞬即逝的卵石集中输移时间段，不利于随机性较强的三峡库尾卵石输移特性的研究，需要探索更有优势的卵石推移质原型观测方法。声学法可以利用卵石的声音特征来研究其运动特征[3]，相比于传统的原型观测方法具有可连续、长周期、时空间同步监测等特点，能够对特定时间段的卵石输移全过程加以监测，并通过对应算法研究其输移规律。国外研究机构对于声学法的研究起步较早，D. RICKENMANN等[4]、 J. BOGEN等[5]都通过不同声学设备研究推移质的输移规律，且取得了一定的成果，验证了声学法在研究推移质输移规律上的可行性。国内对于声学法的研究起步较晚，并无成熟的推移质声学观测系统。

对卵石输移规律的研究迫切需要更加精准的卵石输移观测设备。笔者团队探索基于声学法的卵石推移质原型观测技术，以期实现对三峡库尾典型滩段卵石输移的动态观测并研究其运动规律。声学观测技术通过卵石碰撞的音频特征来监测输移过程，其主要观测流程包括音频获取、音频分析、输移规律分析。音频分析是将卵石音频信号与卵石运动特征联系起来的重要环节，笔者采用水槽试验研究卵石运动音频预处理方法，分析卵石碰撞次数与卵石运动数量的关系，建立了卵石碰撞次数随水流流速变化的经验公式，为声学法卵石输移原型观测提供一定的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验水槽

水槽试验在大型水沙运动试验系统中开展。水槽全长70 m，宽1 m，高2 m，最大流量为1 000 L/s，最高水位为1.2 m，底坡为0。水槽下设2.3 m×1.5 m基础，上部为钢结构支撑及钢化玻璃水槽，侧板与底板为玻璃材质。

水槽除主体结构外还包括地下水池、水泵、电磁流量计、变频器等供回水系统，且配备有专用的水槽流量控制软件，能通过计算机对水泵变频器的频率进行调节。为模拟天然卵石运动的场景，水槽内铺设有接近典型滩段级配的卵石床面，且流量最小波动幅值为0.1 L/s，能够较为准确地模拟天然场景，以提高试验的准确性。

1.2 卵石运动音频实时采集系统

笔者所用卵石运动声学采集设备通过被动声学法采集卵石碰撞到设备面板的音频。设备主要由面板、水下拾音器及信号传输线缆等组成(图1)。设备尺寸为600 mm×600 mm×100 mm，最大工作水深为30 m，音频频率响应20 Hz～20 kHz，卵石最小响应粒径为10 mm。卵石碰撞音频信号的峰值频率在1 400～4 000 Hz之间，基音频率在2 000～3 800 Hz之间，所用卵石运动音频实时采集系统的采样频率设置为16 kHz，能够满足采集要求，保证音频信号具有保真性。

图1 设备构造及水槽试验布置Fig. 1 Equipment structure and flume test layout

卵石运动声学采集设备依靠卵石撞击设备面板的音频信号来对卵石输移过程进行监测，因此在布置设备时，应保持设备上面板与床面相平，以保证卵石的顺利通过。紧挨设备上游方向布置有可升降托盘，能够在不影响水流条件的情况下投放卵石；下游方向布置有卵石回收槽，可对试验卵石进行回收。

1.3 试验布置与工况

试验用卵石样本采用长江变动回水区河段天然卵石。由于长江上游典型滩段卵石粒径一般在20～200 mm[6]，因此选取等容粒径为20、40、60、80、100 mm的5种规格卵石样本进行试验，每种粒径卵石选取30颗，共计150颗。

试验中水流条件根据预试验结果而确定。因床面铺设有一定厚度卵石，水流流量较小时水深不足以淹没设备且流速较小时托盘上方的卵石不易起动；水流流量较高时，设备上游方向的床面卵石大量起动，对试验段音频采集造成干扰；根据预试验，确定试验水流最小流量不小于150 L/s，最大流量不超过700 L/s。笔者首先研究卵石碰撞次数与卵石本身尺寸特征的关系，流量级选定400、500、600 L/s，卵石运用上述5种规格卵石。之后，选择卵石规格为60 mm，在200～600 L/s选定5个流量级，研究卵石碰撞次数与水流流速的关系。

2 结果与讨论

2.1 卵石运动音频预处理方法研究

卵石运动音频采集设备获得的音频信号并不能直接用来提取卵石运动特征，需要对原始信号进行降噪、分帧、加窗等预处理操作。

目前较为常见的音频降噪方法有自适应滤波、维纳滤波、谱减法等。自适应滤波和维纳滤波适应性强，对复杂噪声的处理能力较好，但需要已知的参考噪声源。谱减法是利用噪声的统计平稳性以及加性噪声与语音不相关的特点而提出的一种语音增强方法[7]。这种方法无需单独提供噪声源，而是认为噪声是统计平稳的，即含噪声语音信号的噪声幅度谱的期望值与无语音信号噪声的幅度谱的期望值相等。用无语音信号间隙测量计算得到的噪声频谱的估计值取代有语音期间噪声的频谱，与含噪语音频谱相减，从而达到降低加性噪声的目的。

卵石运动声学采集设备获得的声音信号通常包含水流噪声或外部环境干扰产生的设备电流噪声，这些噪声特征固定，可以看作是一种统计平稳的加性噪声。通过对比分析，采用谱减法对设备采集信号进行滤波效果要优于自适应滤波、维纳滤波，效果如图2，时域信号的信噪比得到提升，频域信号的纯净度得到提升。

图2 谱减法降噪效果前后对比Fig. 2 Comparison of noise reduction effect before and after spectral subtraction

分帧能够将非稳态、时变的音频信号转化为“准稳态”信号，随后利用信号的“短时分析技术”进行分析。一般来说，人发出的语音信号是由缓慢的肌肉运动产生，所以帧长10～30 ms的信号即可认为是“准稳态”信号[7]。但文中涉及卵石的碰撞音频信号由卵石撞击钢板产生，信号变化程度会较剧烈，因此取帧长为5 ms，以提高信号的稳态。

加窗是为了解决音频信号分割帧数较多时与原始信号的误差较大的问题。可使成帧后的信号变得连续，且每一帧信号都会表现出周期函数的特性。信号的窗函数有多种，其中海宁窗具有较好的频率分辨能力和较低的频率泄漏，因此卵石碰撞音频信号较适宜使用海宁窗作为窗函数。

2.2 卵石运动音频信号端点检测参数确定

语音信号端点检测一般是指将一段语音信号中的有声片段和无声片段进行分割，或者说将未能完全去除的噪声片段与有效信号段进行分割，再针对有声片段，对语音的某些特征进行研究。但在卵石音频信号的分析中，不仅要将音频信号的有声段识别出来，还需要做到准确分离出卵石的每次碰撞片段，以便计算卵石的碰撞次数及对相应片段音频特征进行分析。考虑到卵石的单次碰撞均伴随能量变化，此处能量指的是音频信号的短时平均能量，即一帧样点值的加权平方和[8]，以无量纲的幅度表示其大小。经谱减法处理后的音频信号噪声能量相比卵石碰撞信号能量要小得多(图3)，因此可根据卵石单次碰撞的能量增长幅度来设定阈值以进行卵石碰撞信号的甄别，即当有新的音频信号产生时，对应时段音频能量会增加，若此能量增加值高于阈值，则视为有新的卵石碰撞活动产生，低于此阈值的音频能量视为由残留噪音产生，该阈值利用水槽试验得出。

图3 卵石碰撞声音信号的能量变化过程Fig. 3 Energy variation process of sound signal of pebble collision

按照前述试验布置进行试验并得到样本卵石的运动音频后，首先通过人工筛听的方法将单次碰撞信号的片段提取出来，再对有效片段进行处理得到其单次碰撞的短时能量变化，从中提取单颗卵石单次碰撞音频能量增长幅度的最小值。对3种试验工况(表1)下150颗不同粒径卵石的音频能量增长幅度最小值分析结果(同粒径结果取均值)如图4。

表1 试验工况Table 1 Test conditions

图4 不同粒径卵石有效碰撞最小能量幅值Fig. 4 Minimum energy amplitude of effective collision of pebbles with different particle sizes

由图4可以看出，卵石的运动音频能量随水流流速和粒径的增大有增加的趋势，且粒径越大，水流流速对其能量的增幅越明显。对于粒径为20 mm的卵石，不同水流流速下其音频能量幅值较为接近，受流速影响较小，可取三者平均值作为最终判别阈值，即音频能量高于0.004的即为卵石碰撞信号，低于0.004的视为噪声信号。在有效碰撞判别阈值确定的情况下，即可对卵石音频信号建立对应的检测算法，以识别原始音频信号中的卵石碰撞片段。这里将单次碰撞片段以实线表示起始端点，以虚线表示结束端点，卵石的端点检测结果(即卵石碰撞次数)如图5(a)。

图5 基于能量阈值的卵石碰撞端点检测效果Fig. 5 Endpoint detection effect of pebble collision based on energy threshold

2.3 卵石运动数量计算

端点检测可识别出运动卵石经过监测设备的碰撞次数，欲要实现对运动卵石数量的计算，还需确定卵石碰撞次数与卵石数量之间的关系。在具有多颗卵石经过音频采集设备所产生的音频信号时，若能确定单颗卵石经过设备时的碰撞次数，即可根据总碰撞次数得到运动卵石数量，因此需通过试验探究卵石与设备碰撞次数的影响因素。

2.3.1 卵石碰撞次数与卵石大小特征关系

根据预先设定的试验方法，在70 m水槽中进行试验，得到了3种水流流速下5种不同粒径卵石的450个卵石运动音频信号，并对相同实验条件下的卵石碰撞次数取平均值(表2)。

表2 不同粒径D的单颗卵石在不同水流流速v下经过设备的平均撞击次数Table 2 Average impact times of single pebble with different particle size (D) passing through the equipment at different flow velocity (v)

由表2可看出，不同粒径卵石在同一水流条件下与设备的碰撞次数相近，卵石经过设备的平均撞击次数与卵石本身大小特征并无较大的相关性。且经过初步观察，卵石与设备的平均撞击次数与水流流速具有相关性，水流流速越大，单颗卵石平均撞击次数越多。

2.3.2 卵石碰撞次数与水流条件关系

由于卵石与设备的碰撞次数与卵石大小特征无明显的相关性，在探究卵石碰撞次数与水流条件的关系时，选取60 mm卵石作为代表，在200～600 L/s 共5种水流状况下进行试验，得到了30颗60 mm卵石在不同水流条件下的150个卵石运动音频信号，并对相同试验条件下的卵石碰撞次数取平均值见表3。

表3 不同流速(v)下60 mm卵石经过设备平均撞击次数Table 3 Average impact times of 60 mm pebble passing through equipment at different velocity

由表3可看出，同一粒径卵石在不同水流流速条件下撞击次数不同，撞击次数随水流流速的增大而增加，呈正相关关系。对此现象分析认为：卵石在设备上方经过的距离相同，撞击次数越大，说明卵石的运动形式以滚动为主；撞击次数越小，说明卵石的移动速度较小时，其运动方式除滚动外，还有撞击音频特征不明显的滑动形式。

综合分析试验结果，卵石撞击次数只与水流流速有关，因此，建立单颗卵石经过设备所产生的有效碰撞次数与水流流速的拟合曲线，如图6。

图6 卵石碰撞次数与流速关系Fig. 6 Relationship between pebble collision times and flow velocity

单颗卵石经过设备所产生的有效碰撞次数与流速关系的经验公式为：

n=5.67×e0.093v+0.13×e5.63v

(1)

式中：n为对应流速下单颗卵石经过设备的碰撞次数；v为水流流速，m/s。

运动卵石数量与卵石碰撞次数的关系为：

(2)

式中：m为卵石颗粒数；N为端点检测得到的多颗卵石经过设备产生的总碰撞次数；n为当前流量下单颗卵石经过设备的碰撞次数。

3 结 论

1)卵石与设备撞击产生的音频能量与卵石粒径及水流流速呈正相关，且随卵石粒径变小，水流流速对其音频信号能量的影响程度降低。

2)利用新音频信号输入时，会产生音频能量增长的特点，通过试验确定了20～100 mm运动卵石的能量判别阈值，结合对应算法可从卵石音频信号中获取卵石与设备的碰撞次数。

3)卵石在床面运动时与声学监测设备的撞击次数与卵石本身粒径无明显相关关系，与水流流速呈正相关。通过试验建立的碰撞次数-水流流速拟合方程，可在水流流速已知的前提下根据卵石运动音频信号得到运动卵石的数量，达到声学法监测运动卵石数量的目的。