李金林，代品宣，李震
　?。ńK科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

       摘要：為了提高室內(nèi)外環(huán)境中噪聲監(jiān)測的便捷性，針對Android平臺，設計手機分貝儀軟件。研究Android系統(tǒng)音頻架構和錄音原理，實時處理麥克風采集到的PCM編碼的音頻流，使用聲壓級公式計算分貝值大小。按照軟件開發(fā)流程，對手機分貝儀進行需求分析、界面設計、模塊設計、數(shù)據(jù)庫設計，最終編碼實現(xiàn)。詳細介紹了Android平臺上音頻采集、儀表盤、噪聲值曲線的實現(xiàn)方法。測試結果表明，手機分貝儀軟件基本達到普通聲級計精度要求，有效降低了噪聲監(jiān)測工作的成本。
　　關鍵詞：Android；音頻系統(tǒng)；分貝儀；聲壓級　　

0引言
　　隨著現(xiàn)代工業(yè)、建筑業(yè)和交通運輸業(yè)的迅速發(fā)展，噪聲污染日益嚴重，它影響和破壞了人們的正常生活和工作，危害人體健康，已成為當今社會四大公害之一。聲級計是聲學測量中常用的基本儀器，可廣泛用于環(huán)境噪聲、機器噪聲、車輛噪聲以及其他各種噪聲的測量［1］。隨著現(xiàn)代數(shù)字信號處理和芯片技術的進步，電子音頻技術已經(jīng)廣泛應用到移動終端中，把手機作為聲級計，是計算機技術與聲學領域的有益結合。
　　Android是Google公司推出的一款專門為移動平臺定制的、到目前為止最熱門的嵌入式手機操作系統(tǒng) ［2］。2015年上半年中國智能手機市場分析報告中指出，Android機型關注量高達71.9%。為了提高室內(nèi)外環(huán)境中噪聲監(jiān)測的便捷性，在Android上進行音頻信號處理相關的研究與開發(fā)成為一種必要。本文以Android移動終端為平臺，設計手機分貝儀軟件。
1Android音頻系統(tǒng)
　　Android設備的音頻系統(tǒng)［35］由ALSA框架實現(xiàn)，該框架在Linux內(nèi)核中為聲卡提供了OSS驅(qū)動組件，輸入/輸出組件負責播放PCM聲音輸出和從外部獲取的PCM聲音，用Java層管理聲音設備和對應的屬性設置。ALSA自上而下由Audio應用程序、Audio Java框架層、Audio本地框架層、Audio Flinger、Audio硬件抽象層、ALSALIB和底層Audio驅(qū)動組成。
　　1.1錄音功能實現(xiàn)
　　Android錄音工作亦通過分層的方法實現(xiàn)，如圖1所示，每層向上提供對應的調(diào)用接口，并調(diào)用下層提供的接口，保證了Android音頻系統(tǒng)的健壯性和穩(wěn)定性。
　

　　Android使用錄音功能時，先設置輸入源、采樣格式等參數(shù)，然后建立音軌，獲得服務代理端。
　　在Android音頻相關類中，Audio Record和Audio Track分別完成音頻數(shù)據(jù)的采集和輸出。
　　Audio Track提供兩種數(shù)據(jù)加載模式，即流模式和靜態(tài)模式，及多種音頻流類型，如Alarm等，通過共享內(nèi)存方式完成與Audio Flinger之間的數(shù)據(jù)傳遞。
　　而Audio Flinger是Audio系統(tǒng)的核心，它處理各種數(shù)據(jù)并最終寫入Audio的硬件抽象層。Audio Flinger包含Duplicating Thread、Record Thread、Direct Output Thread三個內(nèi)部類和一些外部類（如Mixer Thread、Client等）。Audio Flinger駐留于Media Server。
　　Audio Policy Service是控制Audio系統(tǒng)的，包括HAL對象Audio Policy Interface，它與硬件相關，提供一切設備切換管理和音量控制接口。
　　Android音頻錄入系統(tǒng)動建立過程如圖2所示。
　

　　1.2音頻格式
　　音頻流的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后對應的音頻文件分別為AMR格式和PCM格式，前者數(shù)據(jù)是被壓縮的，后者可以直接讀取音頻數(shù)據(jù)。WAV文件（*.wav）中存放的就是PCM數(shù)據(jù)。文件格式分為3個部分：Riff塊描述、FMT子塊、Data子塊。MP3文件（*.mp3）由3部分組成：TAG_V2（ID3V2），F(xiàn)rame，TAG_VI（ID3V1）。這3部分順序存放在文件，但并不是所有的MP3文件都同時具有這3部分。
2分貝儀原理
　　噪聲測量技術中直接測量噪聲的聲強是比較困難的，而聲壓則是比較容易測量的物理量［1］。
　　人耳是對聲壓產(chǎn)生反應的，同時聲波的傳輸規(guī)律也主要是由聲壓的變化規(guī)律來描述。
　　一般的聲壓測量系統(tǒng)由傳聲器、聲級計、示波器、數(shù)據(jù)記錄儀、信號分析儀組成。傳聲器將聲壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；聲級計將電壓信號放大、加權、倍頻程濾波、均方根檢波和對數(shù)轉(zhuǎn)換，最后給出噪聲的聲壓級、計權聲壓級或倍頻聲壓級；示波分儀器則將聲壓測量結果可視化，并有效存儲和管理［6］。
　　聲壓級的定義為，均方根聲壓與基準聲壓之比的以10為底的對數(shù)乘以20，以分貝（dB）表示［7］。對于空氣中的聲音傳播，基準聲壓量通常定為20 μPa，即0 dB。
　　時間計權的定義是規(guī)定時間常數(shù)的時間指數(shù)函數(shù)，該函數(shù)是針對瞬時聲壓的平方而進行計算［8］。對于任何瞬時時間上的A計權和時間計權聲級用LAτ(t)表示：
    　

　　式(1)表明，聲學測量的聲壓級是交變聲壓的有效值，有效值指的是一段時間內(nèi)信號的均方值根。
　　對于起伏的或者是不連續(xù)的噪聲，很難確定A聲級的大小，為此可用能量平均的方法來評價噪聲對人的影響。以一個A聲級表示間歇變化出現(xiàn)的A聲級，即：
　　

　　在公式(2)中，LA是變化的A聲級瞬時值，單位為dB；T是某段時間內(nèi)的總量。
　　在電子線路中可以采用積分電路對信號進行一段時間內(nèi)的平均。但是實際測量噪聲時，是通過不連續(xù)的采樣進行測量［8］。在計算機系統(tǒng)中，采樣時間間隔相等，則：
　 　

　　在公式(3)中：N是測量的聲級總個數(shù)。本文設計的分貝儀軟件通過等效聲壓級公式計算出分貝值。將聲音緩存中的數(shù)據(jù)取出，用平方和除以總數(shù)據(jù)長度，得到分貝值大小。
3手機分貝儀設計
　　3.1界面設計
　　分貝儀的功能包括：分貝值、儀表盤、環(huán)境判別、噪聲曲線。頁面分為3部分，上部為儀表盤，中部為文字，下部為曲線圖。中部的左半部分為實時數(shù)值顯示，中部的右半部分為當前環(huán)境的判別顯示結果。
　　3.2音頻采集
　　在Eclipse中， DB Activity.java對應db_screen.xml視圖。在清單文件中加入RECORD _AUDIO 、RESTART_PACKAGE等權限，同時聲明最低SDK版本、硬件支持和音頻轉(zhuǎn)換所需的函數(shù)庫。
　　DB Activity初始化后，調(diào)用getNoiseLevel()函數(shù)。函數(shù)中不斷循環(huán)地啟動mAudioRecord線程，使用getMinBufferSize方法創(chuàng)建音頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，該對象的3個參數(shù)分別為采樣頻率、聲道設置和編碼制式。根據(jù)公式(3)，將buffer中內(nèi)存取出，進行平方和運算，把實時分貝值賦值給公共變量DB Value。延時100 ms后，結束mAudioRecord線程。
　　3.3儀表盤設計
　　手機分貝儀的儀表盤使用needle圖片作為指針、panel圖片作為背景表盤，它們在db_screen.xml視圖上中心位置重合在一起。在DB Activity初始化后，同時啟動一個定時器，設置進度表為100 ms，在這個子線程中發(fā)送數(shù)據(jù)消息給handler，就在handle中配合主線程更新分貝儀的UI。本文使用的儀表盤的最大角度是172°，而儀表盤實際刻度是從0到100均勻的，因此把公共變量DB Value乘以1.72賦值角度變量Degree，然后使用旋轉(zhuǎn)RotateAnimation方法更新needleview視圖，最終實現(xiàn)實時分貝值在儀表盤上的精確顯示。
　　3.4環(huán)境判定
　　根據(jù)實際測得的分貝值，對一般噪聲的危險接觸級別進行劃分，進而判定用戶所處噪音環(huán)境，比如0~20 dB是非常安靜，20~40 dB是低語等，在儀表盤所依賴的定時器中，用if…else進行判定，并使用SpannableString Builder方法高亮顯字文本字段。實時分貝值也是在這一線程更新到分貝儀UI中的TextView上。
　　3.5噪聲值曲線
　　在儀表盤功能實現(xiàn)所依賴的定時器中，實現(xiàn)噪聲值曲線的繪制功能。在DB Activity中定義DBValueChart數(shù)組，使用移位方法進行數(shù)據(jù)更新。把該數(shù)組中的內(nèi)容賦給PathViewChart，調(diào)整好線、點、文字、連接線的類型以及間隔、比例尺后，在Canvas上繪制橫軸、縱軸和曲線實現(xiàn)曲線圖。噪聲值曲線的定時器每隔100 ms自動更新一次，從而實現(xiàn)曲線的快速動態(tài)變化。
　　3.6數(shù)據(jù)庫設計
　　為便于離線分析，在手機分貝儀中建立采集結果SQLite數(shù)據(jù)庫。以當前天數(shù)為表名， 將實時采集分貝數(shù)值存入表中。因為數(shù)據(jù)采集量大，全部存入會導致內(nèi)存溢出，所以設計按鍵，長按時，音頻才會保存。
4APK生成與測試
　　將工程文件導出，生成APK安裝包，安裝到HTC M7手機上，將手機分貝儀和TES52A噪音計進行對比測試。以較大的聲音說話，檢測到聲壓大小為61 dB，指針指到儀表盤61刻度的位置上，環(huán)境判別部分60~70 dB這一行文本高亮顯示，同時，下方也留下分貝值軌跡曲線。經(jīng)過吹氣、咳嗽、鼓掌、敲玻璃、說話等操作，得到的噪音測量對比測試結果如表1所示。

5校園環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)
　　近年來，交通行駛、校園活動等所引起的環(huán)境噪聲污染嚴重影響了高校教職工及學生們的學習、工作和生活。
　　噪聲污染具有即時性和隨機性，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式易受到非技術因素的干擾，實時性和準確性較差。而傳統(tǒng)的有線方式則存在布網(wǎng)困難、成本高、易被破壞等問題［9］。針對上述問題，將該手機分貝儀用于校園環(huán)境噪聲監(jiān)控系統(tǒng)，如圖3所示。
　　

　　校園環(huán)境噪聲檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對各個位置站點進行7×24小時的實時監(jiān)測，手機監(jiān)測終端通過3G/4G網(wǎng)絡接入到服務器機房，客戶端采用Web方式實時查詢、統(tǒng)計分析，以及對監(jiān)測終端進行管理［10］。當出現(xiàn)長時間的噪聲超標或者設備故障時，系統(tǒng)能夠自動進行告警操作，如發(fā)送短信至噪聲排放單位責任人的另一部手機上，從而達到監(jiān)測區(qū)域噪聲防護的目的。
　　依據(jù)需求，對Android分貝儀作如下拓展：
　　（1)結合Baidu Maps，使用Location Manager函數(shù)獲取當前測量區(qū)域的經(jīng)緯度位置［11］，然后添加MAC地址和實時分貝值數(shù)據(jù)，將所有的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為XSD格式，以待上報至服務器。
　?。?)通過Web Service實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳功能。通過SOAP協(xié)議將監(jiān)測數(shù)據(jù)封裝后，發(fā)送到網(wǎng)絡服務器、應用服務器，服務器根據(jù)上層的用戶設置返回消息到Android手機監(jiān)測終端。終端根據(jù)下發(fā)的指令提示責任人采取降噪措施。
　　使用JavaEE + JBoss + MySQL構建校園環(huán)境噪聲監(jiān)測系統(tǒng)的服務器端，經(jīng)過部署，得到某時刻東校區(qū)的部分地點的環(huán)境噪聲分布如圖4所示。此時，正門口的夢溪路的噪聲分貝值為79 dB，電信學院大廳為61 dB，自習教室為47 db，籃球場上噪音分貝值為50 dB。
　　

　　中華人民共和國城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準規(guī)定［12］，居住、文教機關為主的區(qū)域，白天噪音不得超過55 dB，夜間不超過45 dB。根據(jù)上述測量結果，應在夢溪路上采取禁止鳴笛、安裝隔音板等措施，以降低教學環(huán)境中的交通噪音污染。
6結論
　　本文基于Android平臺設計與實現(xiàn)手機分貝儀。首先介紹Android音頻系統(tǒng)的分層結構和錄音原理，接著分析APP實現(xiàn)的理論基礎及聲壓級計算公式，然后進行需求分析、模塊設計、界面設計、數(shù)據(jù)存儲設計，最后詳細敘述了分貝值儀表盤和分貝值曲線的實現(xiàn)方法并生成APK安裝包。
　　本文將Android分貝儀與TES52A噪音計對比使用，達到了普通聲級計的精度要求。Android分貝儀的便捷性、廣泛性、普適性遠遠高于普通聲級計。
　　本文對Android分貝儀的位置獲取、網(wǎng)絡傳輸、閾值告警的功能進行擴展，應用到校園環(huán)境噪聲監(jiān)控系統(tǒng)。試驗結果表明，本方案能有效減低環(huán)境噪聲監(jiān)測工作的成本。
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