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聲學(xué)知識
信號評估指標——峰度(Kurtosis)
發(fā)布時間:2025.01.18 點擊數(shù):159

一、原理

峰度(Kurtosis),亦可稱之為峭度,峰度定義是四階中心矩與方差平方的比值。其計算公式如下:

上式中:n表示信號的長度,圖片1.png表示信號的均值,但是在實際計算過程中,為了比較其他分布與正態(tài)分布之間的差異,通常會在這個基礎(chǔ)上減去3,得到最終的峰度計算值。如下式所示:


這樣服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)的峰度值為0,因為正態(tài)分布的四階中心矩與方差平方的比值恰好等于3。簡單來說,峰度可以用來描述信號的非平穩(wěn)特性,尤其是短時間內(nèi)突發(fā)的噪聲干擾,如果一段數(shù)據(jù)的峰度值越大,則表明該段數(shù)據(jù)中含有的突發(fā)性噪聲干擾成分較多。下面以一段數(shù)據(jù)分析對比為例,采用信號仿真方法生成一組隨機白噪聲信號和一組添加有突發(fā)性沖擊干擾的白噪聲信號,分別計算兩組信號的峰度值可以發(fā)現(xiàn),含有突發(fā)性沖擊特征干擾的白噪聲信號的峰度值為8.29,明顯大于不含有干擾的白噪聲信號2.98。

峰度也可以用于振動信號分析,在軸承故障診斷中較為常見,用于衡量軸承中由于故障引發(fā)的沖擊特征的強度判斷,若峰度越大,表示信號中存在較大的脈沖成分。

二、峰度在噪聲監(jiān)測中的應(yīng)用

(1)峰度在城市交通噪聲監(jiān)測中的應(yīng)用

城市交通噪聲通常具有明顯的非平穩(wěn)特性,即噪聲水平隨時間變化很大。例如,在高峰時段,車輛流量增加,噪聲水平上升;而在夜間,噪聲水平可能會顯著下降。通過計算不同時間段內(nèi)的聲壓級(SPL)數(shù)據(jù)的峰度,可以定量描述噪聲的非平穩(wěn)性。高峰度值表明存在較多的突發(fā)性噪聲事件,如急剎車、鳴笛等。

(2)峰度在工業(yè)噪聲監(jiān)測中的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的噪聲也可能非常不規(guī)則,特別是在機器啟動、停機或故障時。通過分析工業(yè)噪聲的峰度,可以識別出異常操作或設(shè)備故障,從而及時采取措施進行維護或調(diào)整。可以及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全隱患。同時在聲源識別領(lǐng)域,峰度及其衍生指標可以作為特征指標并用與聲源識別模型的訓(xùn)練,提高模型的識別精度。

(3)峰度在聲暴露領(lǐng)域的應(yīng)用

等能量假說認為,噪聲暴露引起的噪聲性聽力損失(noise-induced hearing loss,NIHL)是能量強度乘以暴露時間的函數(shù),與噪聲的時域結(jié)構(gòu)特征無關(guān),然而研究表明,在同等能量的噪聲暴露水平下,脈沖噪聲或者含有沖擊成分的非穩(wěn)態(tài)噪聲會導(dǎo)致更大程度的聽力損失。為了準確評估噪聲暴露的影響,Goley學(xué)者認為峰度可以用于修正噪聲強度,提出了一種利用峰度調(diào)整噪聲8h等效A聲級(LAeq8h)的評估聽力損失的方法,這一方法直接校正測量得到的等效A聲級指標,其調(diào)整模型如下:

上式中,βN是噪聲的實際峰度,βG是穩(wěn)態(tài)噪聲的峰度,實際計算過程中穩(wěn)態(tài)噪聲的峰度βG取10,λ為修正系數(shù)。








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