李 彥,歐陽紅群,劉小偉

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東廣州510642; 2.中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510275)

次聲波簡易監(jiān)測方法及分析

李 彥1,歐陽紅群2,劉小偉2

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東廣州510642; 2.中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510275)

設(shè)計(jì)了簡易次聲檢測裝置,利用通用電容傳聲器和計(jì)算機(jī)(板載)聲卡,采用調(diào)幅方法或利用非簡諧高頻倍頻分量信息并借助虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)次聲波監(jiān)測.使用LabVIEW內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)功能,探索了環(huán)境次聲遠(yuǎn)程監(jiān)測的可行性.

次聲監(jiān)測;電容傳聲器;調(diào)制幅度;虛擬儀器

1 引 言

頻率小于20 Hz的聲波稱為次聲波.地震、火山爆發(fā)、風(fēng)暴、海浪沖擊或者臺(tái)風(fēng)等都可產(chǎn)生次聲波,檢測研究自然次聲的特性和產(chǎn)生機(jī)制,可達(dá)到預(yù)測自然災(zāi)害性事件的目的.醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)某些頻率次聲波和生物器官的振動(dòng)頻率相近而易產(chǎn)生共振或干擾生物神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能[1],對(duì)人體有很強(qiáng)的傷害性.由于次聲波具有很強(qiáng)的穿透能力,城市建設(shè)、交通等人為次聲可對(duì)人們工作效率和身心健康產(chǎn)生負(fù)面影響.因此,檢測環(huán)境次聲波具有現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值[2-7].

次聲波檢測核心技術(shù)是次聲傳感器研制.商品化檢測設(shè)備或科研專用監(jiān)測儀器主要采用自動(dòng)補(bǔ)償光纖次聲波傳感器、次聲波壓力傳感器、雙電容式次聲接收器、高靈敏度寬頻帶電容次聲傳感器或電容式次聲接收器等進(jìn)行次聲測量[8-9].本文采用通用電容傳聲器和聲卡簡易組合[10-13],由聲卡Phone提供高頻載波并采用調(diào)幅技術(shù)檢測簡諧次聲波,或通過非簡諧次聲的高頻倍頻分量將次聲波轉(zhuǎn)化為可測量信號(hào).通過傅里葉分析將次聲時(shí)序信號(hào)變換為頻譜分布,從而獲得次聲波頻率和強(qiáng)度.結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境,初步探索次聲波遠(yuǎn)程監(jiān)測的技術(shù)可行性.

2 實(shí)驗(yàn)原理

振膜微小位移(振動(dòng))而使其阻抗發(fā)生變化,聲卡Mic in通過測量這一阻抗變化而獲得聲波信息,同時(shí)它也提供了電容傳聲器阻抗轉(zhuǎn)換所需的靜態(tài)工作電壓.盡管通用電容傳聲器和聲卡的頻響靈敏區(qū)域處于20～20 kHz,不適合用于次聲波檢測,但是若采用高頻信號(hào)為載波而次聲波為調(diào)制信號(hào),使電容傳聲器和(板載)聲卡組合均工作于頻響靈敏區(qū)域,則可達(dá)到檢測次聲波的目的.利用傅里葉變換將測量所得時(shí)序信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻譜信號(hào),從而獲取調(diào)制信號(hào)(即次聲波)的頻率和強(qiáng)度.圖1為采用調(diào)幅技術(shù)的次聲波監(jiān)測原理圖.計(jì)算機(jī)(板載)聲卡Mic in用于獲取信號(hào),而聲卡Phone提供高頻載波信號(hào);分壓電容既保證準(zhǔn)確地測量調(diào)制信號(hào),同時(shí)也保護(hù)了電容傳聲器阻抗轉(zhuǎn)換功能正常工作.

若高頻載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)(即次聲波信號(hào))分別表示為

圖1 采用調(diào)幅技術(shù)次聲監(jiān)測原理

聲波在傳播中的聲壓作用將引起電容傳聲器

其中,ω0和ω分別為載波和次聲波頻率,A0,b0和b1為信號(hào)幅值.電容傳聲器監(jiān)測所獲得信號(hào)為

由此可見,實(shí)驗(yàn)測量將同時(shí)獲得和頻(ω0+ω)、差頻(ω0-ω)和基頻ω0分量,其中和頻或差頻信號(hào)強(qiáng)度反映了調(diào)制(次聲波)信號(hào)強(qiáng)度.原理上,對(duì)檢測信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析即可得到上述各分量信號(hào)頻率和強(qiáng)度,由(ω0+ω)-ω0,ω0-(ω0-ω)或[(ω0+ω)-(ω0-ω)]/2均可獲得次聲波頻率ω.

測量顯示,上述調(diào)幅技術(shù)對(duì)簡諧次聲波可行,但難以檢測分析非簡諧次聲信號(hào).同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),非簡諧次聲可被聽見.這說明非簡諧次聲波包含高于20 Hz的高頻信號(hào)分量.對(duì)周期性非簡諧信號(hào),通過傅里葉展開(或變換)可獲得基頻和倍頻信號(hào)各個(gè)分量,其表達(dá)式為

顯然通用電容傳聲器和聲卡難以準(zhǔn)確地獲得低頻次聲波基頻分量,但從可測量的倍頻信號(hào)頻率差則可以得到次聲波頻率.同時(shí)也可以認(rèn)為,這些高頻倍頻信號(hào)強(qiáng)度也反應(yīng)了次聲波的強(qiáng)度.由此可見,這一方法不能用于檢測簡諧次聲波.

本工作要求聲卡既作為信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生高頻載波源信號(hào),又可同時(shí)監(jiān)測次聲信號(hào)并通過傅里葉變換獲得不同頻率分量信息.因此,聲卡測控軟件包含了信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)頻譜分析等功能模塊.選用LabVIEW開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)上述所需功能,其中通過調(diào)用Extract Multiple Tone Information VI簡化不同頻率分量參數(shù)的提取和分析過程.軟件中設(shè)置“載波開關(guān)”按鈕用于開啟/關(guān)閉聲卡Phone載波信號(hào)輸出,實(shí)現(xiàn)簡諧/非簡諧監(jiān)測功能切換.同時(shí)也利用該控件選擇簡諧/非簡諧信號(hào)數(shù)據(jù)分析處理方法.

由上述分析可見,經(jīng)過測量方法改進(jìn)并結(jié)合使用虛擬儀器技術(shù),使通用電容傳聲器和計(jì)算機(jī)(板載)聲卡可用于檢測次聲波.聲卡既提供高頻載波信號(hào)又可實(shí)時(shí)檢測次聲調(diào)制信號(hào),實(shí)現(xiàn)簡諧次聲波測量;利用非簡諧次聲高頻倍頻分量處于檢測設(shè)備的頻響靈敏區(qū)域,可由倍頻分量信號(hào)獲得次聲波信息.次聲遠(yuǎn)程監(jiān)測更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,從而也利用LabVIEW內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)通信功能實(shí)現(xiàn)基于Web環(huán)境次聲遠(yuǎn)程監(jiān)測.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2顯示在模擬簡諧次聲環(huán)境中所獲得信號(hào)頻譜,其中載波信號(hào)頻率100 Hz,模擬簡諧次聲頻率10 Hz,聲卡采樣率8 kHz.圖中載波頻率相對(duì)設(shè)定頻率存在頻移,主要由于聲卡硬件采樣時(shí)鐘偏差所致,盡管造成頻差測量誤差但不影響技術(shù)可行性.

圖2 通過傅里葉變換所獲得的調(diào)幅信號(hào)頻譜

根據(jù)編程設(shè)定,啟用聲卡Phone載波輸出時(shí),利用Extract Multiple Tone Information VI所獲得頻率信號(hào)分量信息,由(ω0+ω)-ω0,ω0-(ω0-ω),或[(ω0+ω)-(ω0-ω)]/2均可獲得次聲波頻率為10 Hz,與實(shí)際情況一致.盡管不能定量檢測次聲波強(qiáng)度,但(ω0+ω)或(ω0-ω)譜峰高度可以反映次聲信號(hào)強(qiáng)弱,而ω0譜峰則可起到輔助定標(biāo)作用.選用100 Hz載波頻率滿足調(diào)幅信號(hào)處于監(jiān)測設(shè)備頻響靈敏區(qū)的實(shí)驗(yàn)要求.

圖3由“低音炮”所提供低頻次聲信號(hào)的監(jiān)測結(jié)果.由圖可見,基頻信號(hào)分量并非最強(qiáng),其原因既可能是次聲信號(hào)基頻分量較弱,同時(shí)也由于基頻信號(hào)處于檢測設(shè)備頻響靈敏區(qū)外;倍頻信號(hào)(圖3中3倍頻)分量較強(qiáng),源于次聲自身倍頻信號(hào)較強(qiáng),同時(shí)也由于信號(hào)處于檢測設(shè)備靈敏頻響區(qū).盡管不能定量獲得次聲波強(qiáng)度,但所有分量整體變化已基本反映了源信號(hào)的強(qiáng)度信息.由倍頻信號(hào)的頻率間隔可以準(zhǔn)確地得到次聲波頻率.

依據(jù)軟件設(shè)定,關(guān)閉聲卡Phone載波輸出時(shí),利用Extract Multiple Tone Information VI所獲得各信號(hào)分量的頻率fi和強(qiáng)度Ai(其中i為譜峰序)分布(f0,A0),(f1,A1),(f2,A2),(fi, Ai),…,由它們之間的頻率差得到次聲波頻率.通過在該VI中設(shè)定適當(dāng)閥值以便合理選擇頻譜起始峰.本工作選用前5峰為數(shù)據(jù)處理分析的依據(jù),次聲頻率和強(qiáng)度分別表示為

圖3 通過傅里葉變換獲得的非簡諧次聲頻譜信號(hào)

盡管載波信號(hào)不影響非簡諧次聲波的實(shí)時(shí)觀測,但可能造成分析數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤,所以檢測非簡諧次聲時(shí)通過“載波開關(guān)”關(guān)閉聲卡Phone的載波輸出以保證式(6)和(7)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖4為基于Web次聲波遠(yuǎn)程監(jiān)測界面.界面中所有控件均可通過網(wǎng)頁瀏覽器由終端用戶對(duì)檢測現(xiàn)場進(jìn)行測控操作并實(shí)時(shí)獲取測量分析結(jié)果.從圖也可看出,盡管通用電容傳聲器和聲卡無法記錄由“低音炮”所產(chǎn)生5 Hz次聲的基頻信號(hào),但利用非簡諧次聲波高頻倍頻分量的頻率間隔則可準(zhǔn)確地獲得次聲頻率.

圖4 基于Web/Browser的次聲波遠(yuǎn)程測控操作界面

4 結(jié) 論

1)與商品化檢測設(shè)備相比,盡管本工作在次聲波監(jiān)測性能方面存在差距,但是它通過對(duì)常用電容傳聲器和計(jì)算機(jī)(板載)聲卡組合的技術(shù)改進(jìn),采用調(diào)幅方法或利用非簡諧次聲信號(hào)的高頻倍頻分量將用常規(guī)方法不可測量的次聲波“改造”為可測量信號(hào).利用計(jì)算機(jī)聲卡功能,由聲卡完成數(shù)據(jù)采集處理,同時(shí)也提供了可調(diào)節(jié)的載波源信號(hào).借助LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)聲卡的次聲波監(jiān)測功能,從而也避免了復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)硬件.

2)檢測簡諧次聲波信號(hào)時(shí),通過聲卡Phone為信號(hào)源輸出高頻信號(hào)為載波,使常用電容傳聲器和(板載)聲卡工作于頻響靈敏區(qū)域.根據(jù)次聲監(jiān)測物理原理,利用次聲波作用將引起電容傳聲器振膜微小位移(振動(dòng))而使阻抗發(fā)生變化,實(shí)現(xiàn)電容傳聲器兩端電壓幅度調(diào)制.使用傅里葉變換獲得次聲波頻率和強(qiáng)度信息,監(jiān)測結(jié)果直觀.

3)針對(duì)非簡諧次聲信號(hào),利用其高頻的倍頻分量可處于電容傳聲器和聲卡頻響靈敏區(qū)域的特點(diǎn),通過測量高頻倍頻信號(hào)的頻率間隔獲得待測次聲波頻率.同時(shí),采用部分倍頻分量強(qiáng)度之和半定量地描述次聲波信號(hào)強(qiáng)度.

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Simplified measurements and analyses of infrasound

LI Yan1,OU YANG Hong-qun2,LIU Xiao-wei2
(1.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;
2.School of Physics&Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China)

A simple method to monitor infrasound is introduced as a combination of common condenser microphone and sound card.With high frequency carrier wave generated by sound card,harmonic infrasound wave can be measured with amplitude modulation technique.As for non-harmonic wave,its high frequency multiplication components are transferred into measurable signal.The sequential signal is converted to spectral distribution using Fourier analysis to acquire the frequency and strength of infrasound.Furthermore,based on virtual instrument technique and network hardware, the environmental infrasound can be explored with Web/Browser technology primarily.

infrasound monitor;capacitance microphone;amplitude modulation;virtual instrument

O425

A

1005-4642(2010)10-0040-03

[責(zé)任編輯:郭 偉]

2009-11-30

國家自然科學(xué)基金(No.10505033;No.10675175)

李 彥(1989-),女,廣東汕頭人,華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院2008級(jí)本科生.

指導(dǎo)教師:劉小偉(1962-),男,廣東揭西人,中山大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心教授,博士,從事核物理及環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究.