張宇澤，李麗艷，曾華林，周 燕

（中國科學(xué)院 半導(dǎo)體研究所光電系統(tǒng)實驗室，北京100083）

引言

通過激光干涉獲取語音信息具有非接觸、實時測量、隱蔽性高等特點(diǎn)，可廣泛用于軍事、反恐等領(lǐng)域［1］。激光語音檢測系統(tǒng)能夠?qū)⒓す馔渡涞侥繕?biāo)物表面，通過檢測人說話時引起的目標(biāo)物振動信號還原出語音信息，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸式語音獲取［2-4］。目前該技術(shù)已進(jìn)入實際應(yīng)用階段。為了提高語音信息獲取性能，并滿足不同的環(huán)境條件，系統(tǒng)干涉光路的優(yōu)化和PGC解調(diào)算法的改進(jìn)一直是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)［5］。由于該語音檢測方法是通過聲致振動的檢測來還原語音信號的［6］，因此目標(biāo)物的振動特性將直接影響解調(diào)后的輸出結(jié)果［7］。本文以實驗室自主研制的語音檢測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對目標(biāo)物材料特性進(jìn)行研究，分析了不同材料受聲波作用時的聲致振動特性，從而判斷其對語音檢測的影響，為后續(xù)的系統(tǒng)性能改進(jìn)、目標(biāo)物選取及擴(kuò)大應(yīng)用范圍提供理論依據(jù)。

1 理論研究

1.1 系統(tǒng)原理

激光語音檢測系統(tǒng)的原理如圖1所示。波長為1 550nm的激光通過光纖分束器（FPBS）分成兩條光路：信號光路和參考光路。信號光經(jīng)過聲光調(diào)制器（AOM）調(diào)制后，通過準(zhǔn)直器2、分束鏡BS1和透鏡將激光投射到振動目標(biāo)物表面，經(jīng)過漫反射返回到BS1后與BS2處的參考光束發(fā)生干涉。干涉信號經(jīng)過PGC解調(diào)算法解調(diào)后獲得語音信號。光電探測器接收到的干涉信號［5］為

式中：A為背景光強(qiáng)；B為干涉光強(qiáng)；C是相位調(diào)制幅度；ω0是調(diào)制頻率；φ（t）是低頻率環(huán)境噪聲；Dcos（ωst）是要檢測的目標(biāo)物的振動函數(shù)；D是目標(biāo)物表面的振動幅度；ωs是目標(biāo)物受聲波作用產(chǎn)生的振動頻率。D和ωs不僅受語音信號的影響，還取決于目標(biāo)物的振動，而材料特性是影響目標(biāo)物振動的直接因素。

圖1 激光語音檢測系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of laser voice acquisition system

1.2 目標(biāo)物材料特性對聲致振動的影響

經(jīng)過介質(zhì)傳播到達(dá)目標(biāo)物表面的聲波可看作是正弦諧波壓力載荷。設(shè)目標(biāo)物位于z＝0平面，中心在坐標(biāo)原點(diǎn)，厚度為h。入射波傳播方向在xz平面里，與z夾角為θ1。則目標(biāo)物表面的聲壓［8］為

式中：P0是聲壓的幅值；θ1是入射角；（x1，z1）表示入射聲波的坐標(biāo)。板狀結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 入射聲波與目標(biāo)物的相互作用Fig.2 Interaction of incident wave with target

入射聲波Pin在目標(biāo)物表面與目標(biāo)物發(fā)生相互作用，產(chǎn)生反射波Pre和透射波Ptran，透射波將穿過目標(biāo)物并伴隨衰減。由于目標(biāo)物會作受迫振動，因此聲波引起的目標(biāo)物振動頻率將等于聲波頻率。設(shè)目標(biāo)物的反射系數(shù)為R，透射系數(shù)為T，則目標(biāo)物表面的聲壓可表示為

其中，

式中θ3是目標(biāo)物底部聲波出射的出射角。（x2，z2）是目標(biāo)物底部出射點(diǎn)的坐標(biāo)。當(dāng)Φ確定后，目標(biāo)物沿z方向振動的振幅u即可根據(jù)下式進(jìn)行計算［9］：

式中角頻率ω＝2πf。將（3）式與（6）式聯(lián)立，在目標(biāo)物上表面，即z處，目標(biāo)物的振幅可轉(zhuǎn)化為

此外，反射系數(shù)與透射系數(shù)滿足：

聲透射系數(shù)是在不連續(xù)的傳輸線中復(fù)雜的發(fā)射波與入射波的振幅之比。對于單板結(jié)構(gòu)，聲透射系數(shù)T可以通過聲傳播損耗（STL）來計算：

于是求解目標(biāo)物的聲傳播損耗成為求解目標(biāo)物表面振幅的關(guān)鍵。

聲傳播損耗可通過Sewell-Sharp-Cremer模型來計算［10］。對于不同的頻率，計算STL的表達(dá)式也不相同［11］。通常用相干頻率fco對頻率段進(jìn)行劃分，分為小于fco／2，從fco／2到fco以及大于fco三部分。

對于單層板狀結(jié)構(gòu)，截止頻率可通過下式進(jìn)行計算：

式中：μ＝ρh是單位面積上的質(zhì)量，即面密度；v是材料的泊松比；E是材料的楊氏模量；h是單板的厚度；c0是聲速。當(dāng)頻率f＜fco／2，根據(jù)質(zhì)量定律STL為

式中：S為板狀結(jié)構(gòu)的面積；k是空氣中的波數(shù)；k1是材料中的波數(shù)；Λ是板狀結(jié)構(gòu)的長寬比（Λ＝L／W）；U（Λ）是對不規(guī)則矩形就行形狀修正的參數(shù)，計算表達(dá)式如下：

當(dāng)f＞fco／2時，STL的計算表達(dá)式為

當(dāng)fco／2≤f≤fco時，STL 為fco／2和fco處的線性插值。

根據(jù)目標(biāo)物的截止頻率，通過計算得到不同頻率段的聲傳播損耗即可計算出目標(biāo)物表面受不同聲波作用產(chǎn)生的振幅大小。

2 仿真分析

激光語音檢測系統(tǒng)通常用于會議室、公用場合等地，可選取的目標(biāo)物根據(jù)材料分為金屬材料和非金屬材料兩種。表1列出了4種常見材料及其可作為目標(biāo)物的對應(yīng)物品。鐵和鋁為金屬材料，塑料和紙板為非金屬材料，對應(yīng)物品均為常見物品。

表1 常見材料及對應(yīng)物品Table 1 Application of objects

由于激光語音檢測是通過目標(biāo)物振動信號來還原語音信號，因而材料的聲致振動特性將直接影響語音檢測效果。根據(jù)上述的理論分析，目標(biāo)物的相干頻率和聲傳播損耗會隨著材料的不同而發(fā)生變化，導(dǎo)致目標(biāo)物的振動幅度發(fā)生改變［12］。材料的參數(shù)主要包括密度、泊松比和楊氏模量。表2給出了4種常見材料的參數(shù)。

表2 常見目標(biāo)物材料參數(shù)Table 2 Materials'parameters of targets

經(jīng)理論推導(dǎo)，通過Matlab計算并得到4種材料的聲致振動幅度（圖3）。其中鐵和鋁為金屬材料，塑料和紙為非金屬材料。

圖3 4種材料的振動幅度Fig.3 Vibration amplitude of 4 materials

從圖3我們可以得到4種材料在語音頻率范圍內(nèi)均隨著頻率的增加而單調(diào)遞減。其中鐵板的振動幅度最小，紙板的振動幅度最大，即語音獲取時紙板的信號強(qiáng)度將遠(yuǎn)大于鐵板的信號強(qiáng)度。此外，不難發(fā)現(xiàn)非金屬材料振動幅度隨頻率的增加衰減相較金屬材料更加明顯。兩種金屬材料的振動幅度為1nm～30nm，兩種非金屬材料的振動幅度為7nm～70nm。因此，對頻率的敏感度及振動幅度的動態(tài)范圍將是選取目標(biāo)物的主要依據(jù)。

3 實驗驗證

3.1 語音獲取系統(tǒng)

實驗采用實驗室自主研發(fā)的基于PGC解調(diào)的激光干涉語音獲取系統(tǒng)對4種目標(biāo)物進(jìn)行語音獲取的結(jié)果。首先通過信號發(fā)生器產(chǎn)生300Hz～3 400Hz的單頻信號并通過揚(yáng)聲器將聲壓為60dB的單頻聲波信號作用于目標(biāo)物表面。之后語音獲取系統(tǒng)通過將激光打到目標(biāo)物中心來檢測目標(biāo)物的振動信號。返回光經(jīng)過光路與參考光干涉后通過光電探測器得到散斑干涉信號，經(jīng)過PGC解調(diào)后激勵PC聲卡最終還原出音頻信號。實驗原理如圖4所示。

圖4 激光語音獲取實驗原理圖Fig.4 Setup of laser voice acquisition experiment

實驗過程中首先在4種目標(biāo)物中心分別貼上反光量相同的反光膜，避免材料表面粗糙度引起的回光強(qiáng)度不同帶來的誤差。之后將4種不同材料的單板固定在支架上使激光垂直入射到目標(biāo)物表面。調(diào)整信號發(fā)生器的輸出頻率并記錄對應(yīng)的語音獲取結(jié)果，來檢測各材料在不同頻率下的振動幅度。

3.2 4種材料的語音獲取結(jié)果

圖5為4種材料在300Hz、1 000Hz及2 000Hz的單頻信號作用得到的語音獲取結(jié)果。通過圖5可以看出，激光語音獲取系統(tǒng)能夠檢測到4種材料在語音頻率范圍內(nèi)的振動信號，進(jìn)而還原出音頻信號。并且信號的幅度隨著頻率的增加而單調(diào)遞減。非金屬材料的振動幅度明顯高于金屬材料。此外，非金屬材料對頻率的變化較金屬材料更加敏感。良好的頻率敏感度有利于獲取語音信號，但是如果在低頻部分的響應(yīng)過高，則高頻部分的信號容易被低頻部分淹沒。因此，適當(dāng)?shù)膭討B(tài)范圍和頻率敏感度在選取目標(biāo)物時尤為重要。通過本實驗發(fā)現(xiàn)，金屬材料的語音獲取效果優(yōu)于非金屬材料，更適合作為語音獲取的目標(biāo)物。

圖5 4種材料的語音獲取結(jié)果Fig.5 Voice acquisition results of 4 materials

4 結(jié)論

在激光語音獲取中，目標(biāo)物的材料特性是影響目標(biāo)物振動幅度的主要原因，也是影響語音獲取效果的主要原因。通過理論分析及實驗，得到目標(biāo)物振動幅度在300Hz～1 000Hz呈指數(shù)型衰減，在1 000Hz以上衰減趨于平緩，因此高頻部分信號容易被低頻信號淹沒。300Hz處非金屬材料振幅為69nm和62nm，高于金屬材料的30nm和10nm。因此，激光語音檢測系統(tǒng)能夠檢測到納米量級的振動信號，并且金屬材料動態(tài)范圍在1nm～30nm，非金屬材料動態(tài)范圍在10nm～70nm，頻率敏感度低。為能夠穩(wěn)定得到各個頻率的振動信號，激光語音獲取系統(tǒng)應(yīng)選用滿足檢測量程的金屬材料作為目標(biāo)物。

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