呂文紅， 苑嬌嬌， 吳 琪， 侯佳辰， 郭銀景

（山東科技大學(xué) a.交通學(xué)院；b.電子信息工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引 言

近年來(lái)，無(wú)論軍事還是民用領(lǐng)域，海洋研究發(fā)展迅速。現(xiàn)階段，水聲通信［1］，水下目標(biāo)探測(cè)、定位和識(shí)別［2-4］等技術(shù)研究主要采用以矢量水聽(tīng)器為信號(hào)接收單元。國(guó)內(nèi)研制的微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）矢量水聽(tīng)器具有靈敏度高、低頻響應(yīng)好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，能在水下獲取目標(biāo)聲源的聲音信息，但水下環(huán)境中水聽(tīng)器檢測(cè)到的聲音信號(hào)非常微弱。為了更好地進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)采集、分析和處理，水聽(tīng)器信號(hào)調(diào)理電路的合理設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)水聲信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義［5-9］。

現(xiàn)有的MEMS矢量水聽(tīng)器信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)研究中水聽(tīng)器設(shè)計(jì)成本較高，并且信號(hào)采集過(guò)程較為復(fù)雜。本文以低成本、安裝靈活性以及高便捷性為特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款基于駐極體電容式麥克風(fēng)（Electret Condenser Microphone，ECM）的水聽(tīng)器，搭建了信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展水聲信號(hào)采集檢測(cè)研究。探討水聽(tīng)器信號(hào)調(diào)理電路增益、不同發(fā)射信號(hào)、發(fā)射換能器和水聽(tīng)器之間不同距離（水聲通信距離）對(duì)水聲信號(hào)采集的影響。

1 基于ECM的水聽(tīng)器設(shè)計(jì)

1.1 ECM組成及工作原理

ECM由聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分組成。聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動(dòng)膜，它是一片極薄的塑料膜片。在其上面蒸墊上一層金屬墊圈，當(dāng)此膜經(jīng)過(guò)高壓電場(chǎng)駐極后，兩面分別駐有異性電荷。膜片上墊有金屬墊圈的一面向外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開(kāi)。這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個(gè)電容［10-11］。當(dāng)駐極體膜片遇到聲波振動(dòng)時(shí)，引起電容兩端的電場(chǎng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波改變而變化的交變電壓。ECM的組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖1、2所示。

圖1 ECM的組成

圖2 ECM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

目前，ECM廣泛應(yīng)用于聲學(xué)領(lǐng)域，它是采用一種絕緣的永久性極化材料制成。聲音進(jìn)入麥克風(fēng)，聲波的疏密變化引起帶負(fù)電的薄金屬膜片振動(dòng)，隨即將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，膜片振動(dòng)在駐體上產(chǎn)生壓力，傳遞至駐極體后板，駐極體后板和膜片底部都與場(chǎng)效應(yīng)晶體管前置放大器相連并有一終端通向外部。當(dāng)膜片振動(dòng)時(shí)，膜片和駐極體后板間的距離和空間發(fā)生改變，產(chǎn)生電壓，通過(guò)固定在麥克風(fēng)上的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，再通過(guò)終端傳到放大器［12］。ECM頻響寬、靈敏度高且耐用，而膜片是它唯一運(yùn)動(dòng)的部分。通過(guò)膜片振動(dòng)，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下聲信號(hào)聲壓大小的測(cè)量。

圖3為ECM電路板與相應(yīng)的駐極體實(shí)物圖，圖4為聚氨酯［13］封裝防水水聽(tīng)器。

圖3 水聽(tīng)器電路板及駐極體實(shí)物圖

圖4 聚氨酯封裝的防水水聽(tīng)器

1.2 水聽(tīng)器放大電路設(shè)計(jì)及仿真

當(dāng)水下環(huán)境中矢量水聽(tīng)器接收到聲音信號(hào)時(shí)，聲場(chǎng)中的振動(dòng)使水聽(tīng)器敏感單元產(chǎn)生微弱的差分電壓信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行放大處理。本方案采用NE5532芯片［14-15］對(duì)水聽(tīng)器微弱電壓信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，確定各元件參數(shù)，采用兩級(jí)放大，通過(guò)調(diào)整電阻大小來(lái)設(shè)計(jì)不同電路增益，放大電路原理設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 水聽(tīng)器放大電路原理設(shè)計(jì)圖

為了防止電流反置，在12 V電源供電端加入二極管和穩(wěn)壓芯片（12 V轉(zhuǎn)9 V），并分別加一個(gè)容值為22 μF的鉭電容C9、C10。在第1級(jí)放大中，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻調(diào)整放大倍數(shù)，分別將可調(diào)電阻調(diào)至整個(gè)電阻值的25%、50%、75%、100%，對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)A1分別為13.5、26、38.5、51。第2級(jí)放大中，放大倍數(shù)表示為

因此，總放大倍數(shù)為A=A1A2。

對(duì)上述設(shè)計(jì)電路在Multisim中進(jìn)行仿真，信號(hào)發(fā)生器輸入峰值Up-p為5 mV，頻率為1 kHz的正弦信號(hào)，仿真結(jié)果如圖6所示：紅色（Channel A）代表輸入信號(hào)；綠色（Channel B）代表放大后的輸出信號(hào)。當(dāng)可調(diào)電阻R調(diào)至最大時(shí)（即調(diào)至整個(gè)電阻值的100%時(shí)），兩級(jí)增益的理論設(shè)計(jì)值計(jì)算為

由仿真曲線可以看出信號(hào)峰峰值由19.194 mV放大到4.447 V，放大倍數(shù)為231.7倍，接近理論設(shè)計(jì)值237.6。

2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理如圖7所示，信號(hào)源發(fā)射信號(hào)采用不同頻率的單頻連續(xù)信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)（LFM）等多種信號(hào)形式，發(fā)射換能器距水聽(tīng)器的距離為3 m，發(fā)射換能器、水聽(tīng)器距離水面距離為0.8 m，發(fā)射換能器的發(fā)射角為0 °，即正對(duì)水聽(tīng)器。

圖7 實(shí)驗(yàn)原理圖

信號(hào)源采用不同形式的聲音信號(hào)，發(fā)射換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)水聲信道傳輸至水聽(tīng)器，水聽(tīng)器的輸出端通過(guò)內(nèi)錄線將聲音信號(hào)傳輸至PC端，結(jié)合AU軟件平臺(tái)，采集聲音信號(hào)并進(jìn)行后續(xù)處理和分析，以驗(yàn)證該系統(tǒng)平臺(tái)的可行性。

水聽(tīng)器測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的器材和元件如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料

3 實(shí)驗(yàn)方案

由于水下環(huán)境復(fù)雜，接收信號(hào)質(zhì)量受多種因素影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)盡量注意水面平穩(wěn)以及發(fā)射換能器和水聽(tīng)器的穩(wěn)定，降低水面波動(dòng)帶來(lái)的環(huán)境噪聲干擾。同時(shí)，盡可能保持發(fā)射角度和接收角度為0°，避免采集誤差對(duì)接收信號(hào)質(zhì)量的影響。當(dāng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境狀態(tài)調(diào)整好后，即可控制發(fā)射換能器發(fā)射信號(hào)，借助AU軟件，水聽(tīng)器將接收的信號(hào)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)并分析。

打開(kāi)PC端的AU軟件前，首先插入AUX內(nèi)錄線進(jìn)行信號(hào)采集，插入耳機(jī)進(jìn)行聽(tīng)覺(jué)回放感知。設(shè)置完畢后，打開(kāi)AU軟件，新建一音頻文件，設(shè)置采樣率，如圖8所示。并結(jié)合計(jì)算機(jī)設(shè)備選擇音頻硬件中的輸入和輸出，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備好后，點(diǎn)擊錄制系統(tǒng)即可開(kāi)始采集信號(hào)并進(jìn)行存儲(chǔ)分析，在編輯器會(huì)看到實(shí)時(shí)采集到的水聲信號(hào)。

圖8 新建音頻文件

圖9 音頻硬件設(shè)置

實(shí)驗(yàn)探討多因素對(duì)水聲信號(hào)采集影響，包括水聽(tīng)器信號(hào)調(diào)理電路增益、不同發(fā)射信號(hào)形式、發(fā)射換能器和水聽(tīng)器之間的距離。

選用1 kHz的正弦信號(hào)，作為發(fā)射信號(hào)通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的阻值設(shè)置不同電路增益A，設(shè)置可調(diào)電阻分別為最大電阻的25%、50%、75%、100%，則水聽(tīng)器放大電路增益分別對(duì)應(yīng)為62.9，121.1，179.4，237.6。因水聽(tīng)器防水后無(wú)法調(diào)節(jié)阻值，需在水上設(shè)置不同電路增益并借助AU軟件對(duì)未防水水聽(tīng)器進(jìn)行信號(hào)波形采集，根據(jù)聽(tīng)覺(jué)回放感知和波形分析，確定最佳放大電路增益。

確定最佳放大電路增益后，對(duì)水聽(tīng)器進(jìn)行聚氨酯防水處理。水聲信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)在淡水環(huán)境中進(jìn)行，固定發(fā)射換能器的位置不動(dòng)，選用啁啾信號(hào)（線性調(diào)頻信號(hào)）為發(fā)射信號(hào)，調(diào)整水聽(tīng)器的放置距離d為50、100、150、200 cm，依次采集隨放置距離變化的水聲信號(hào)波形，通過(guò)事后回放、波形及頻率分析，綜合對(duì)比不同距離下采集到的水聲信號(hào)。

探討不同發(fā)射信號(hào)形式對(duì)水聲信號(hào)采集的影響，主要采用單頻連續(xù)正弦信號(hào)、啁啾信號(hào)（線性調(diào)頻信號(hào)）兩種不同形式的發(fā)射信號(hào)，觀察水聽(tīng)器接收信號(hào)采集的差異。實(shí)驗(yàn)流程圖如圖10所示。

圖10 水聽(tīng)器接收信號(hào)的實(shí)驗(yàn)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 不同電路增益下水聽(tīng)器接收信號(hào)采集

在4種不同電路增益A下，水聽(tīng)器采集到的信號(hào)波形及其分別對(duì)應(yīng)的頻率特性圖如圖11所示。頻率特性圖的橫坐標(biāo)為頻率（Hz），縱坐標(biāo)是聲音音量（dB），頻率特性圖顯示了不同頻率下聲音的音量大小。同時(shí)，隨著電路增益的提高，采集到的信號(hào)振幅隨之增大，則說(shuō)明放大電路效果良好。

圖11 不同電路增益下的信號(hào)采集波形

4.2 不同通信距離下水聽(tīng)器接收信號(hào)采集

在4種不同距離下，防水水聽(tīng)器接收到的信號(hào)采集波形如圖12所示。可以看出，隨著水聲通信距離增大，聲波在水中傳播時(shí)波束越發(fā)散，水吸收能力越強(qiáng)，則水聲信號(hào)在水中衰減得越嚴(yán)重。頻率分析也反映了信號(hào)質(zhì)量逐漸下降，但水聽(tīng)器在距離較遠(yuǎn)處仍可以采集到較清晰的聲音。

圖12 4種不同通信距離下的水聽(tīng)器接收信號(hào)波形

4.3 不同發(fā)射信號(hào)下水聽(tīng)器接收信號(hào)采集

分別以單頻連續(xù)正弦信號(hào)、啁啾信號(hào)（線性調(diào)頻信號(hào)）作為發(fā)射信號(hào)，水聽(tīng)器接收到的波形如圖13所示。由圖13可看出，不同發(fā)射信號(hào)在水下的頻率特性有明顯不同。

圖13 2種不同發(fā)射信號(hào)下的水聽(tīng)器接收信號(hào)波形

5 結(jié) 論

該水聽(tīng)器設(shè)計(jì)方案可廣泛應(yīng)用于水聲通信、水下目標(biāo)識(shí)別、水下定位等試驗(yàn)中，水聽(tīng)器信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)分別從水聽(tīng)器信號(hào)調(diào)理電路增益、發(fā)射換能器和水聽(tīng)器之間不同距離、不同發(fā)射信號(hào)形式3方面進(jìn)行，借助AU軟件采集信號(hào)波形，并通過(guò)頻譜分析、事后回放等分析項(xiàng)目分析水聲信號(hào)采集質(zhì)量，得出以下結(jié)論：

（1）利用水聽(tīng)器放大電路中可調(diào)電阻調(diào)整不同電路增益，經(jīng)不同增益下波形對(duì)比及頻率特性分析，直接觀察到，采用電路增益為237.6時(shí)采集到的信號(hào)波形質(zhì)量（如完整性、平滑度、噪聲干擾）更優(yōu)。

（2）隨著水聽(tīng)器距發(fā)射換能器的距離不斷增大，水聲信號(hào)振幅總體呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)，但在相對(duì)較遠(yuǎn)通信距離下水聽(tīng)器采集到的信號(hào)波形。仍有振幅，且經(jīng)事后回放，仍可聽(tīng)到發(fā)射信號(hào)音頻。

（3）發(fā)射信號(hào)不同，水聽(tīng)器接收的頻率特性表現(xiàn)有較大差異。

本文設(shè)計(jì)的水聲信號(hào)采集系統(tǒng)使用自制水聽(tīng)器結(jié)合計(jì)算機(jī)的方式，實(shí)現(xiàn)水聲信號(hào)的收發(fā)通信、實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)，實(shí)驗(yàn)完成后可用Matlab軟件分析所采集水聲信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)和算法解算，用于水下目標(biāo)識(shí)別、探測(cè)及定位等領(lǐng)域。