王琼，黄宇

（1.成都理工大学工程技术学院工程训练中心，乐山 614000；2.成都理工大学工程技术学院电计系，乐山 614000）

0 引言

次声波是一种频率较低的声波，一般我们能听见的声波的频率在20～20000Hz之间，而次声波则低于20Hz。次声波不容易衰减，不易被水和空气吸收。因此次声波往往可以传播很远，有些甚至能绕地球2到3周依然存在。次声波可以由很多原因产生，特别是一些大的自然灾害往往会产生较强功率的次声波，例如地震、火山爆发、飓风、水中漩涡、空中湍流等。次声波对人类的危害曾经也通过实验证明。医学研究表明，人体内脏的频率刚好处于次声段，因此次声波容易造成人体内脏的共振，如果能量过大则会给人带来很大的伤害。由于次声波的这种普遍存在又容易对人体产生影响的特性，本文的宗旨在于研究一种简单易行的方式对我们身边的次声波进行探测，以达到预防躲避的效果。

1 方案设计

要检测次声波首先我们需要稳定的产生源，而自然界的次声波是随机产生的，为了获得一个稳定的次声波源，我们先利用现有的软硬件资源来生产一个次声波，然后再利用另一套软硬件平台采集测量该次声波，以达到研究它的目的。

次声波的产生，本文利用VC++6.0编写了一个用于产生次声波的程序，该程序的硬件基础主要是依靠声卡以及外扬声器来作为信号产生源。在程序的控制下，我们可以获得2～20000Hz之间的音频信号，考虑到次声波对人体的危害，实验的时候要选择小功率的扬声器。

次声波的采集，采集次声波的方法很多，最直接的就是利用各种次声波传感器以及数据采集系统来实现。考虑到成本，我们还是通过现有的计算机硬件资源以及用来做仪器虚拟的LabVIEW开发工具来实现。利用声卡以及LabVIEW编写的程序就可以实现一个音频采集系统的功能。对于这个过程我们可以由以下几步来完成：首先设置好声卡的参数，再利用选好的声卡通道采集数据，采集到计算机之后可以对数据进行存储也可以对数据进行进一步的分析处理，例如傅里叶变换、加窗降噪等，最后再将波形数据通过图形控件显示出来。

图2

图3 为以声卡为硬件基础的次声采集程序框图，通过对左右声道的设置实现声波信号的采集。

图3

2 结果与分析

通过实验，我们得到了以下微弱的信号，由于外界的干扰比较多，自身的灵敏度比较低，所以得到的信号比较微弱，为毫伏级。

图4

以下是频域中的图像，由于我们采用的是双边FFT所以得到的是一个对称的结果。

图5

3 噪声处理

最后我们考虑到产生的信号具有非线性、非平稳性的特点，单纯的频域方法容易使信号失真，效果达不到预期目标，所以我们引入经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，简称EMD)方法，EMD滤波方法从信号本身的尺度特征出发对信号进行分解，所以该方法具有良好的局部适应性，加上瞬时频率的引入便可以从时频两方面同时对信号进行分析，增加了处理信号的灵活性和有效性。假定原始信号为：

根据EMD的分解原理，可以把信号的分解过程表示为多分辨率的滤波过程，得到滤波结果。去掉若干高频，重构剩余分量得到信号。其低通表达式：

去掉若干低频IMF，重构高频得到信号。其高通滤波表达式：

去掉若干高频和若干较低频率，重构中间的分量得到信号，带通滤波表达式：

最后经过经验模态分解方法处理滤波之后的信号如下所示，可以看出来具有一定的参考意义。

图6

4 结语

由于次声波的特性不便于我们做大功率的实验，所以以上实验还有许多需要改进的地方，我们可以考虑利用LabVIEW的远程控制能力，使测试者远离次声源，从而加大功率来进行测试。另外考虑到实验的灵敏度问题，选择利用次声波传感器来实现次声的采集应该是一种更好的选择，但是要加大成本，提高系统的复杂度，因此在要求不高的条件下本文所示方法还是具有一定实践意义。