Python实现分贝仪时Numpy计算响度偶尔返回NaN的原因是什么？

问题根因 #

你遇到的nan报错核心原因是整型溢出：

• 你读取的音频数据是np.short也就是16位有符号整型，取值范围仅为-32768 ~ 32767
• 当音量较高时，音频采样值的平方结果会远超过16位整型的最大上限，发生溢出后会得到负数
• 对负数执行平方根运算np.sqrt()，就会直接返回nan，也就是你看到的不合理输出。

修复方案 #

你只需要在做数值运算前，先把音频数据转换为浮点型或者32位整型，就能避免溢出问题，同时可以补充几个稳定性优化：

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

import pyaudio
import numpy as np
CHUNK = 1024
FORMAT = pyaudio.paInt16
CHANNELS = 1
RATE = 44100
pa = pyaudio.PyAudio()
stream = pa.open(format=FORMAT,
                        channels=CHANNELS,
                        rate=RATE,
                        input=True,
                        frames_per_buffer=CHUNK)

while True:
    # 增加exception_on_overflow=False避免输入溢出时直接抛错中断
    string_audio_data = stream.read(CHUNK, exception_on_overflow=False) 
    # 用np.frombuffer替代已弃用的np.fromstring，同时直接转成float32避免运算溢出
    audio_data = np.frombuffer(string_audio_data, dtype=np.short).astype(np.float32)
    # 计算RMS时增加极小值1e-8，避免完全静音时log10(0)返回-inf
    rms = np.sqrt(np.mean(np.abs(audio_data)**2))
    loudness = 20 * np.log10(rms + 1e-8)
    print(loudness)

如果需要得到真实的声压级dB SPL，你还需要用标准分贝仪对你的录音设备做校准，给当前计算得到的dBFS值加上固定的校准偏移量即可。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者gurkensaas