房若宇,李鈺杰,施相宇,姚星星

(1.浙江大學(xué) 物理學(xué)院,浙江 杭州 310058;2.浙江大學(xué) 竺可楨學(xué)院,浙江 杭州 310058)

作為一種用途廣泛的電子測(cè)量儀器,示波器可把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為可視的圖像進(jìn)行直觀觀察和定量分析,因此在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必不可少[1-4],并且應(yīng)用于有關(guān)教學(xué)設(shè)備的構(gòu)建和教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[5-6],以及基于計(jì)算機(jī)仿真軟件應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[7,8]。除了示波器的使用這一常規(guī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)之外,若干基于示波器的拓展性實(shí)驗(yàn)如光學(xué)波片原理的演示、空氣中超聲速的測(cè)量和簡諧振動(dòng)合成的觀察等被設(shè)計(jì)和應(yīng)用于教學(xué)之中[9-12],在此基礎(chǔ)上達(dá)到了較好的教學(xué)改革的效果[13-14]。相較于傳統(tǒng)的模擬示波器,數(shù)字示波器具有不同的原理和電路結(jié)構(gòu),能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行顯示[1,15-17],具有波形參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和波形分析等多重功能。本文設(shè)計(jì)和實(shí)踐了一個(gè)新的使用數(shù)字示波器進(jìn)行語音識(shí)別的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過壓電陶瓷把人聲帶的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入數(shù)字示波器以分析受試者的聲音特征,并構(gòu)建了相應(yīng)的語音樣本數(shù)據(jù)庫,進(jìn)而通過分析受試者的聲音特征實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定測(cè)試者的語音識(shí)別。

1 實(shí)驗(yàn)原理

本文系通過壓電陶瓷的壓電效應(yīng)把人發(fā)聲部位的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入數(shù)字示波器進(jìn)行聲音特征的分析。

壓電陶瓷材料被拉伸或壓縮時(shí),其相對(duì)的兩個(gè)表面會(huì)出現(xiàn)等量異號(hào)極化電荷;外力越大,表面極化電荷越多。壓電陶瓷被施加外電場(chǎng)時(shí)得到極化,此時(shí)如受到外界力的作用,電疇的界限將發(fā)生移動(dòng),方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致極化強(qiáng)度改變,從而在垂直極化方向的平面上引起極化電荷變化而產(chǎn)生可被數(shù)字示波器識(shí)別的電勢(shì)差。因此,使用壓電陶瓷片,借助數(shù)字示波器可測(cè)量聲帶振動(dòng)。

聲音的三種基本特性為音色(決定于發(fā)聲體的材料和結(jié)構(gòu))、音調(diào)(決定于頻率)和響度(決定于振幅)。對(duì)于不同的人來說,可通過聲音的波形圖象和發(fā)音頻率進(jìn)行聲音識(shí)別。實(shí)驗(yàn)中將壓電陶瓷片貼在受試者喉部靠近聲帶處,發(fā)聲時(shí)聲帶產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)幅度越大,對(duì)應(yīng)響度越大,轉(zhuǎn)化為示波器信號(hào)時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值也越大;聲帶振動(dòng)越快,對(duì)應(yīng)頻率越大,在示波器上顯示的波形的頻率越高。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用RIGOL DS2072A型數(shù)字示波器,有關(guān)參數(shù)為:模擬帶寬70 MHz,模擬通道數(shù)2,最高實(shí)時(shí)采樣率2 GSa/s,最大儲(chǔ)存深度56 Mpts,最高波形捕獲率50,000 wfms/s。

實(shí)驗(yàn)所使用的壓電陶瓷片(型號(hào):FT-27T-4.1A1;外徑27±0.1 mm,內(nèi)徑9±0.2 mm,諧振頻率4.1±0.5K Hz,諧振阻抗300 Ωmax)及其接線方式如圖1所示。金屬震動(dòng)片及壓電陶瓷片總厚度為0.35±0.05 mm,金屬震動(dòng)片厚度為0.15±0.05 mm。

圖1 壓電陶瓷片及接線方式

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

樂音以A=440 Hz為標(biāo)準(zhǔn),每跨一個(gè)八度,對(duì)應(yīng)的頻率翻倍。一個(gè)八度對(duì)應(yīng)12個(gè)半音,分別為:

C#CD#DEF#FG#GA#AB

這十二個(gè)半音,若f1與f2距離n個(gè)半音,則由:

(1)

可求出所有的音階。實(shí)驗(yàn)中為了驗(yàn)證用數(shù)字示波器顯示的圖形來測(cè)量頻率的準(zhǔn)確性,由一位受試者唱一個(gè)八度的音階進(jìn)行檢測(cè)。

測(cè)量前,調(diào)節(jié)示波器參數(shù),使水平方向掃描速率為500 ms,垂直方向衰減約為20 mV。將壓電陶瓷片緊貼在受試者喉部靠近聲帶處,保持按壓力度適中且較為恒定。當(dāng)發(fā)聲結(jié)束后示波器屏幕顯示完整的波形。

為測(cè)量同一發(fā)聲者所發(fā)出的不同頻率的聲音特性,在受試者先聆聽一段標(biāo)準(zhǔn)音階后,再發(fā)出較為標(biāo)準(zhǔn)的音階,并按上述同樣的方法進(jìn)行測(cè)量。通過讀取n個(gè)周期的總時(shí)長,計(jì)算得到受試者發(fā)出的每個(gè)音階對(duì)應(yīng)的平均頻率。

3 結(jié)果與討論

同一受試者以輕、中、響三種音量發(fā)出同一種聲音,由數(shù)字示波器記錄相應(yīng)聲音的波形。用光標(biāo)法測(cè)量電壓峰-峰值ΔY,所得數(shù)據(jù)如表1所示?？梢婋S著音量增加,示波器測(cè)得的電壓ΔY值也隨之增大。因此用數(shù)字示波器測(cè)量聲帶振動(dòng)時(shí),能夠反映人聲的響度特性。

表1 不同音量下的壓電效應(yīng)電壓

為測(cè)量同一受試者所發(fā)出的不同頻率的聲音的特性,記錄該受試者發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)音階的聲音的波形,測(cè)量n個(gè)周期的總時(shí)長計(jì)算得到每個(gè)音階對(duì)應(yīng)的平均頻率,數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。通過比對(duì)測(cè)得音階頻率和標(biāo)準(zhǔn)音階頻率,發(fā)現(xiàn)二者基本吻合(圖2)。

表2 同一受試者不同音階的振動(dòng)頻率

音階

可見數(shù)字示波器能夠很好地對(duì)受試者的音高進(jìn)行定量測(cè)量。音量和音高作為人聲的兩個(gè)重要特征,分別通過數(shù)字示波器測(cè)得信號(hào)的幅度和頻率得到了較為準(zhǔn)確的記錄和反映,證實(shí)了數(shù)字示波器采集人聲樣本是可行的。

為實(shí)現(xiàn)人聲識(shí)別,首先需要建立含多個(gè)受試者聲音樣本的數(shù)據(jù)庫。實(shí)驗(yàn)采集了含5個(gè)受試者聲音頻率特性的語音樣本數(shù)據(jù)庫。讓各受試者以數(shù)字“1”“5”“8”“9”為發(fā)聲內(nèi)容,通過數(shù)字示波器采集相應(yīng)的聲音頻率,如表3所示。

表3 5位受試者的聲音頻率樣本數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)隨機(jī)抽取了數(shù)據(jù)庫中的一位受試者作為測(cè)試樣例,按照上述方法采集其聲音樣本,數(shù)字示波器采集的其讀出四個(gè)數(shù)字的聲音的波形如圖3所示。其讀出數(shù)字“1”“5”“8”“9”的聲音頻率分別為164.5,156.3,130.9和152.4 Hz。圖4為測(cè)試樣本頻率和數(shù)據(jù)庫樣本頻率對(duì)照結(jié)果,可見測(cè)試樣例曲線(灰色)和樣例1的曲線(黑色)幾乎完全重合。

圖3 被測(cè)試者讀出四個(gè)數(shù)字的聲音波形

為了進(jìn)一步衡量該測(cè)試樣本和數(shù)據(jù)庫中已有樣本的相似度,我們分別引入歐氏距離:

(2)

和曼哈頓距離:

(3)

其中,i為數(shù)據(jù)庫樣本序號(hào),j為測(cè)試內(nèi)容,f′為測(cè)試樣本頻率,f為數(shù)據(jù)庫中的樣本頻率。計(jì)算結(jié)果表示于表4和圖5。

表4 聲音樣本的歐氏距離和曼哈頓距離

計(jì)算得測(cè)試者聲音樣本的歐氏距離和曼哈頓距離分別為3.002和7.160,通過比對(duì)可知該兩個(gè)數(shù)值和1號(hào)樣本最為接近(表4,圖5)。事實(shí)上,抽取的測(cè)試者確實(shí)是1號(hào)受試者。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了使用數(shù)字示波器分析聲音的頻率特征能夠有效地進(jìn)行人聲識(shí)別。

數(shù)字

組別

4 結(jié) 論

本文利用壓電陶瓷片把人發(fā)出聲音的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),通過數(shù)字示波器分析聲音的音質(zhì)特征,實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲音響度和音調(diào)的定量測(cè)量,獲得了和理論值相符的結(jié)果。另外,通過建立含多個(gè)測(cè)試者的語音樣本數(shù)據(jù)庫,通過對(duì)于測(cè)試者聲音頻率的比對(duì)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定測(cè)試者的語音識(shí)別。該實(shí)驗(yàn)不僅豐富了示波器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,同時(shí)也拓展了數(shù)字示波器的應(yīng)用場(chǎng)景。