MatLab_分析鸟声

第24卷第4期 2(301年 l2月 辽宁师范大学学报(自然科学版) J帆lm 眦_嚷 Normal咖 懈由 (Nnm Sd~ce E址 ．衄) 砌 ．24 No．4 Dec． 200l Matlab在鸣禽语图分析中的应用 卢天成， 韩 或， 李东风 (东北师范大学生命科学学院，吉林 长春 130024) 摘 要： 山b被称为第四代计算机语言，是一种在技术上经常使用的强大的多功能数据分析处理应用软件．鸣 禽发声的声学特征参量主要是音节时程l(聃)、主峰频率，《kHz)、陪音个数爰能量分布．使用快速傅立叶变换函数- M 出可以从3个方面对鸣青的声音进行分析，并将分析结果可视化，输出鸣声的原始信号、功率谱及语图，从而能够 对鸣禽发声的声学特征参量进行处理分析． 关键词：hEml丑b；语圉；鸣青 中圈分类号：Q959．739 文献标识码：^ 学习与记忆是动物和人类赖以生存所不可缺少的重要脑功能，而语言在人类的学习与记忆过程中 起着关键性作用[1]．鸣禽是除人类以外具有复杂发声行为的动物．鸟类鸣啭是后天的习得行为，与人类 语言的学习与记忆有许多相似之处【 ．如控制发声的脑区都具有左侧优势现象，幼鸟和幼儿学习发音都 在临界期内进行，鸟类与人类性激素水平的改变对发声和语言学习均具有影响等．研究鸣啭的神经机制 已成为当今神经科学领域的特色分支．在鸟类鸣啭的研究中，生物学实验与计算机的联系越来越紧密， 利用Matlab软件可以对鸣禽发声的声学特征参量更好的进行处理分析 J． I Ma廿ab软件介绍 Maflab是 Mah奴(矩阵)和 L丑bo咖 (实验室)2个单词的组合，是一种以对矩阵(--项式)和数组运算 为基础的用于工程技术计算的计算机语言，采用窗口对话，支持结构化程序设计．1984年，M曲 w幽 公 司将 Matlab作为一种商业软件推向市场．199"／年该公司又推出了基于WL,~owsgX操作系统的№tlab5．0 并逐渐升级．Matlab语言为解释性程序设计语言，如同BASIC一样，程序中的语句边解释边执行．M~lab 被称为第四代计算机语言，将人们从繁琐的代码中解放出来，使用了太量的函数资源，缩程时，只需几行 语句，就可以完成使用高级语言时，需要几十行甚至几百行才能完成的工作．与c语言、Fortran语言缩写 的许多应用软件包相比， 应用面更广、接口精密、程序结构更开放、有公认的很好的统一，更 适应学科的发展与推广．M~lab程序书写简便、使用方便、具有功能强太的函数资源，便于扩充和移植， 是M~lab语言的特色 J． Matlab5．3主要包括几个部分：M~lab语言，M8dab工作环境，M~lab工具箱，№tlahAH(程序接口)． 工具箱是关键部分，装载有 M文件．M文件，即源文件，由 语句序列组成，是 Matlab语言程序中模 块的载体．工具箱可分为功能性工具箱和学科性工具箱，功能性工具箱适用于多个学科，主要用来扩展 其符号运算功能、图形演示、建模仿真、文字处理与硬件实时交互等功能．Matlab更新速度很快，用户能 用上本领域专家编写的最新函数，这就解决了要自己编写基础程序，分散研究精力的问题．同时，用户还 可以根据 Matlab提供的格式，自由的编写自己常用的函数，放人到工具箱中，扩展名为．m，可以随时调 用．所以，Matlab的可扩展性极大． 收稿 日期：加OI ．28 基盒项目：国家自然科学基金资助项目(3957OI )；载 作者筒开：卢天成(1978-)．男，吉林伊通人．东北师范大学在读硕士研究生； 李东风(19弼-)，男，吉林长春人．东北师范大学教授，博士生导师 目 维普资讯 http://www.cqvip.com 辽宁师范太学学报(自搀科学版1 第珏蓉 M丑dab5． 的功能为数组运算，矩阵运算关系和逻辑运算，数据可视化(二维图形、三维图形)，数值 分析(曲线模拟，数值计算等)，数据分析(基本统计分析函数，有限差分函数，验证相关性函数，傅立叶分 析，矢量和集合运算等)，符号计算，图形和颜色控制，程序设计，创建图形用户界面． 2 使用 Matlab对声音文件进行处理 2．1 鸟类鸣声的声学特征 ． 关于鸟类鸣声的分析主要有几个参量：音节时程 f(m)、主峰频率，(Ik)、陪音个数及能量分布．音 节时程反映了音节的时间特征，陪音个数船体现出鸣声的婉啭程度，主峰频率即鸣声频率的主要成分， 它和能量分布能够更好的反映出呜声的声学特征．声音文件经过 h^t -软件处理，将原始声音转换为可 视的声谐图象．在对鸟类呜声的声谱分析中，所引用的声学特征描述为：基本音(Bs basic md)，陪音 (uP upp口 icl )，主峰频率(PF IIcipal frequency)，谐频(HF IIam叫lic frequency)．基本音是音节中能量 最高且有一定带宽的基本声；陪音是在一个音节中在基本音频率之上的成分；主峰频率是一个包括很多 不同频率成分的复信号中最主要的频率；谐频是周期性震荡中频率等于基频整数倍的正弦量．实际上， 鸟类呜声可以分解为一系列连续的正弦波，而一个复杂的周期函数，可以看成是许多不同频率的简谐振 动的叠加，电工学上称为谐波分析．简谐振动的波形曲线，由三角函数方程示．对于任意的可积周期函 数(这里特指三角函数)，总可以写出它的傅立叶级数，从而进行傅立叶变换． 2．2 傅立叶分析 傅立叶分析是信号处理很重要的一个基本工具，在 t1ab5．o时。出现了傅立叶分析函数，在快速傅 立叶变换出现后，傅立叶分析被广泛用于滤波、频谱分析和功率分析上、进行声谱分析时，使用一维离散 快速傅立叶变换函数FFt．它可以从3个方面对鸟的鸣声进行分析．Matlab具有结果可视化功能，提供原 始信号，声图和功率谱．再经过统计分析，找出发声规律 有时，在需要对鸣禽的发声特征进行比较时，我 们要将所要比较的2个鸣禽语图的主要声学特征数据列成，进行比较，并进行统计学上的f检验， 检验两者的差异程度，以区别两者的发声特征 3 对原始信号、语 图和功率谱的分析 原始信号(图1．1)表示声音的原始简谐振动波形，横坐标表示音节时程(∞)，纵坐标表示其振幅(相 对值)，其脉冲样的个数与对应时问的比值为声波的基频值，即鸣肌振动的频率．语图(图1-2，2，3．1)是 三维图形，横坐标表示音节时程(1璐)，纵坐标表示频率(k )，颜色深浅表示声音的能量高低．与原始信 号相对应，有一个声波脉冲包络就相应有一个语图标记，典型的语图(图2)应该可以看到基本音和陪 音．功率谱的横坐标为频率(k )，纵坐标为能量(相对值)，主要参数指标为主峰频率，即众多频率分量 中数值最大的一个频率．频谱图可以清楚的显示声音中频率分布情况． 图3-1为一次发声中发出的3个单音节鸣声，频率较高，语音单调．与之对应的功率谱图3I2所示主 峰频率在7 ld-lz左右，即声音能量集中在7 k 左右，没有其他的波峰，说明频率缺少变化，与图3．1相 符．图 l-2所示为兢转的多音节鸣声语图，它与图 l的原始信号相对应，同时与之相对应的功率谱如图 1-3所示，存在多个波峰，说明声音的频率变化比较大，与图 1-2相符．主峰频率为5 k 左右．从图2中 可以清楚的看到基本音和基本音以上的陪音． 应用Matlab软件，可以从不同的方面对鸟类声音进行分析，从而对鸟类鸣声的特点有了更为全面的 掌握．经过进一步的分析处理，我们可以找卿鸟类的发声规律．一次性处理的时程短，指标处理不够精 细，是Matlab现存的主要问题，所以，在声谱分析方面，Matlab还有极大的潜力有待开发． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 卢天成等： h‰ 在鸣禽语圈分析中的应用 _ I L LlJ l，J -Il I lf 1 f- 删 阿1 _ 2．0 圈 卜l l 2 3 圈 l-2 参考文献： 圈 2 圈 3-l 圈 3-2 [1] 韩济生。神经科学原理[M]。北京：北京医科大学出版社．1999。 [2] 李东风。现代神经生物学[M]。北京 ：北京医科大学、中国协和医科大学联合出舨牡。1999．554-563。 [3] 李东风，赵静．蒋锦昌．电刺激鸣★高级发声中枢诱发叫声的声谱分析[】]．东北师大学报(自然科学版)，2001．33(1)：97-100。 【4】 赵静，李东风．蒋锦昌．鸣★惊吓叫声与刺激中脑丘间复台体背内捌拔诱发叫声的比较[】]．东北师大学报(自然科学版)，2001．33 (1)：101—106． [5】 加米拉，乌旭，狂大伟．等。朱雀鸣声声谱与语图的韧步分析[】】．东北师大学报(自然科学版)．2OOO．弛(1)：71-73． [6] 王炳武．Medab5．3实用教程[M]．北京：水利水电出版牡．2OOO。 Application of Matlab in Songbird Sonogram Analyses LUnm·cheng， HAN ， LI 增啦甥 (School ]Afe 5cim ．N训}嘲畦Nerr~ Unive~ y．0 EI 1300~A．( ) AbsIrad：Madab is a computer language of the fourth generation。It i8 a type ofmu]tifimctional applied software for data analysisin project andtedmology．The parametem of vocal attribute ofbixdso~ include soundl鹄 (m)， fiequeacy(km)，encigy dis吲mti锄．Matlab ana]yT~ three aspects ofvocal si als songbirdsbyfunc6onFFT and outputsthree soxts of 印hB．The sonogr~ ofhi'songis∞ aly捌 。 Key wo~s：Matlab；8。I 哩 m ；B0n Id 0引 =； 维普资讯 http://www.cqvip.com