APP下载

次声波简易监测方法及分析

2010-09-20欧阳红群刘小伟

物理实验 2010年10期
关键词:次声波声卡传声器

李 彦,欧阳红群,刘小伟

(1.华南农业大学食品学院,广东广州510642; 2.中山大学物理科学与工程技术学院,广东广州510275)

次声波简易监测方法及分析

李 彦1,欧阳红群2,刘小伟2

(1.华南农业大学食品学院,广东广州510642; 2.中山大学物理科学与工程技术学院,广东广州510275)

设计了简易次声检测装置,利用通用电容传声器和计算机(板载)声卡,采用调幅方法或利用非简谐高频倍频分量信息并借助虚拟仪器技术实现次声波监测.使用LabVIEW内嵌网络功能,探索了环境次声远程监测的可行性.

次声监测;电容传声器;调制幅度;虚拟仪器

1 引 言

频率小于20 Hz的声波称为次声波.地震、火山爆发、风暴、海浪冲击或者台风等都可产生次声波,检测研究自然次声的特性和产生机制,可达到预测自然灾害性事件的目的.医学研究发现某些频率次声波和生物器官的振动频率相近而易产生共振或干扰生物神经系统的正常功能[1],对人体有很强的伤害性.由于次声波具有很强的穿透能力,城市建设、交通等人为次声可对人们工作效率和身心健康产生负面影响.因此,检测环境次声波具有现实意义和科学价值[2-7].

次声波检测核心技术是次声传感器研制.商品化检测设备或科研专用监测仪器主要采用自动补偿光纤次声波传感器、次声波压力传感器、双电容式次声接收器、高灵敏度宽频带电容次声传感器或电容式次声接收器等进行次声测量[8-9].本文采用通用电容传声器和声卡简易组合[10-13],由声卡Phone提供高频载波并采用调幅技术检测简谐次声波,或通过非简谐次声的高频倍频分量将次声波转化为可测量信号.通过傅里叶分析将次声时序信号变换为频谱分布,从而获得次声波频率和强度.结合虚拟仪器技术和网络硬件环境,初步探索次声波远程监测的技术可行性.

2 实验原理

振膜微小位移(振动)而使其阻抗发生变化,声卡Mic in通过测量这一阻抗变化而获得声波信息,同时它也提供了电容传声器阻抗转换所需的静态工作电压.尽管通用电容传声器和声卡的频响灵敏区域处于20~20 kHz,不适合用于次声波检测,但是若采用高频信号为载波而次声波为调制信号,使电容传声器和(板载)声卡组合均工作于频响灵敏区域,则可达到检测次声波的目的.利用傅里叶变换将测量所得时序信号转化为频谱信号,从而获取调制信号(即次声波)的频率和强度.图1为采用调幅技术的次声波监测原理图.计算机(板载)声卡Mic in用于获取信号,而声卡Phone提供高频载波信号;分压电容既保证准确地测量调制信号,同时也保护了电容传声器阻抗转换功能正常工作.

若高频载波信号和调制信号(即次声波信号)分别表示为

图1 采用调幅技术次声监测原理

声波在传播中的声压作用将引起电容传声器

其中,ω0和ω分别为载波和次声波频率,A0,b0和b1为信号幅值.电容传声器监测所获得信号为

由此可见,实验测量将同时获得和频(ω0+ω)、差频(ω0-ω)和基频ω0分量,其中和频或差频信号强度反映了调制(次声波)信号强度.原理上,对检测信号进行傅里叶分析即可得到上述各分量信号频率和强度,由(ω0+ω)-ω0,ω0-(ω0-ω)或[(ω0+ω)-(ω0-ω)]/2均可获得次声波频率ω.

测量显示,上述调幅技术对简谐次声波可行,但难以检测分析非简谐次声信号.同时实验过程中发现,非简谐次声可被听见.这说明非简谐次声波包含高于20 Hz的高频信号分量.对周期性非简谐信号,通过傅里叶展开(或变换)可获得基频和倍频信号各个分量,其表达式为

显然通用电容传声器和声卡难以准确地获得低频次声波基频分量,但从可测量的倍频信号频率差则可以得到次声波频率.同时也可以认为,这些高频倍频信号强度也反应了次声波的强度.由此可见,这一方法不能用于检测简谐次声波.

本工作要求声卡既作为信号发生器产生高频载波源信号,又可同时监测次声信号并通过傅里叶变换获得不同频率分量信息.因此,声卡测控软件包含了信号发生器、数据采集和信号频谱分析等功能模块.选用LabVIEW开发环境实现上述所需功能,其中通过调用Extract Multiple Tone Information VI简化不同频率分量参数的提取和分析过程.软件中设置“载波开关”按钮用于开启/关闭声卡Phone载波信号输出,实现简谐/非简谐监测功能切换.同时也利用该控件选择简谐/非简谐信号数据分析处理方法.

由上述分析可见,经过测量方法改进并结合使用虚拟仪器技术,使通用电容传声器和计算机(板载)声卡可用于检测次声波.声卡既提供高频载波信号又可实时检测次声调制信号,实现简谐次声波测量;利用非简谐次声高频倍频分量处于检测设备的频响灵敏区域,可由倍频分量信号获得次声波信息.次声远程监测更具有实际应用价值,从而也利用LabVIEW内嵌网络通信功能实现基于Web环境次声远程监测.

3 实验结果分析

图2显示在模拟简谐次声环境中所获得信号频谱,其中载波信号频率100 Hz,模拟简谐次声频率10 Hz,声卡采样率8 kHz.图中载波频率相对设定频率存在频移,主要由于声卡硬件采样时钟偏差所致,尽管造成频差测量误差但不影响技术可行性.

图2 通过傅里叶变换所获得的调幅信号频谱

根据编程设定,启用声卡Phone载波输出时,利用Extract Multiple Tone Information VI所获得频率信号分量信息,由(ω0+ω)-ω0,ω0-(ω0-ω),或[(ω0+ω)-(ω0-ω)]/2均可获得次声波频率为10 Hz,与实际情况一致.尽管不能定量检测次声波强度,但(ω0+ω)或(ω0-ω)谱峰高度可以反映次声信号强弱,而ω0谱峰则可起到辅助定标作用.选用100 Hz载波频率满足调幅信号处于监测设备频响灵敏区的实验要求.

图3由“低音炮”所提供低频次声信号的监测结果.由图可见,基频信号分量并非最强,其原因既可能是次声信号基频分量较弱,同时也由于基频信号处于检测设备频响灵敏区外;倍频信号(图3中3倍频)分量较强,源于次声自身倍频信号较强,同时也由于信号处于检测设备灵敏频响区.尽管不能定量获得次声波强度,但所有分量整体变化已基本反映了源信号的强度信息.由倍频信号的频率间隔可以准确地得到次声波频率.

依据软件设定,关闭声卡Phone载波输出时,利用Extract Multiple Tone Information VI所获得各信号分量的频率fi和强度Ai(其中i为谱峰序)分布(f0,A0),(f1,A1),(f2,A2),(fi, Ai),…,由它们之间的频率差得到次声波频率.通过在该VI中设定适当阀值以便合理选择频谱起始峰.本工作选用前5峰为数据处理分析的依据,次声频率和强度分别表示为

图3 通过傅里叶变换获得的非简谐次声频谱信号

尽管载波信号不影响非简谐次声波的实时观测,但可能造成分析数据处理错误,所以检测非简谐次声时通过“载波开关”关闭声卡Phone的载波输出以保证式(6)和(7)分析结果的准确性.

图4为基于Web次声波远程监测界面.界面中所有控件均可通过网页浏览器由终端用户对检测现场进行测控操作并实时获取测量分析结果.从图也可看出,尽管通用电容传声器和声卡无法记录由“低音炮”所产生5 Hz次声的基频信号,但利用非简谐次声波高频倍频分量的频率间隔则可准确地获得次声频率.

图4 基于Web/Browser的次声波远程测控操作界面

4 结 论

1)与商品化检测设备相比,尽管本工作在次声波监测性能方面存在差距,但是它通过对常用电容传声器和计算机(板载)声卡组合的技术改进,采用调幅方法或利用非简谐次声信号的高频倍频分量将用常规方法不可测量的次声波“改造”为可测量信号.利用计算机声卡功能,由声卡完成数据采集处理,同时也提供了可调节的载波源信号.借助LabVIEW编程实现声卡的次声波监测功能,从而也避免了复杂的实验硬件.

2)检测简谐次声波信号时,通过声卡Phone为信号源输出高频信号为载波,使常用电容传声器和(板载)声卡工作于频响灵敏区域.根据次声监测物理原理,利用次声波作用将引起电容传声器振膜微小位移(振动)而使阻抗发生变化,实现电容传声器两端电压幅度调制.使用傅里叶变换获得次声波频率和强度信息,监测结果直观.

3)针对非简谐次声信号,利用其高频的倍频分量可处于电容传声器和声卡频响灵敏区域的特点,通过测量高频倍频信号的频率间隔获得待测次声波频率.同时,采用部分倍频分量强度之和半定量地描述次声波信号强度.

[1] 袁华,龙华,牟翔,等.8 Hz次声对大鼠学习记忆能力和神经元再生的影响[J].中国康复医学杂志, 2008,23(5):385-387.

[2] 黄其柏.家用电器次声及其声辐射特性的研究[J].噪声与振动控制,1997,27(5):6-8,12.

[3] 宋知用.激冲次声信号简正波的分离[J].声学学报,1984,9(3):170-179.

[4] 牟翔,袁华,李玲,等.汽车和火车内环境次声的测量[J].第四军医大学学报,2008,29(6):487-488.

[5] 谢金来,杨训仁.次声噪声场的测量与分析[J].声学学报,1991,16(3):230-234.

[6] 吕士楠,陈希清,胡心康.用快速傅氏变换作次声信号的动态谱分析[J].物理学报,1977,26(3):232-238.

[7] 臧春喜,郭彦懿,白春华,等.基于LabVIEW的次声波测试系统[J].仪表技术,2005,(1):18-19.

[8] 王长海,韩奎侠,王飞.双电容式次声接收器的设计[J].核电子学与探测技术,2003,23(2):172-175.

[9] 谢金来,陶中达,谢照华.高灵敏度宽频带电容次声传感器[J].核电子学与探测技术,2003,23(5): 428-432.

[10] 余观夏,王军,阮锡根.基于声卡和LabVIEW测量金属的动态杨氏模量[J].物理实验,2007,27(8): 6-9.

[11] 陈东生,熊慧萍,王莹.以虚拟仪器为平台的声学实验[J].物理实验,2008,28(2):26-29.

[12] 许红,王建中.利用声音传感器测量重力加速度[J].物理实验,2008,8(2):17-18.

[13] 陈东生,刘金梅,贾彩丽,等.基于虚拟仪器的多普勒频谱加宽效应的实验[J].物理实验,2009,29 (5):31-33,36.

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

[责任编辑:郭 伟]

2009-11-30

国家自然科学基金(No.10505033;No.10675175)

李 彦(1989-),女,广东汕头人,华南农业大学食品学院2008级本科生.

指导教师:刘小伟(1962-),男,广东揭西人,中山大学物理实验中心教授,博士,从事核物理及环境监测技术研究.

猜你喜欢

次声波声卡传声器
次声波武器(上)
电容传声器声中心的测量及其对互易校准的影响
跟你聊聊次声波
次声波武器极其可怕
传声器拾音技术
传声器浅析——技术、类型、应用及型号(二)
传声器浅析——技术、类型、应用及型号(一)
提升笔记本电脑音质
聊天室背景放音乐 为啥我的本本就不行?
风雨二十五载PC声卡春秋录