江豚被動聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

深圳大學(xué)光電工程學(xué)院 張 帆 余思瑤 朱璐璐 唐 雪 郭金川

1.引言

江豚是國家二級保護(hù)動物，其淡水亞種長江江豚為中國所特有，為瀕危亞種。使用聲學(xué)方法為對長江江豚數(shù)量、行為等進(jìn)行科學(xué)考察的重要手段之一。白鱀豚已“功能性滅絕”，未能保留下可用于細(xì)胞培養(yǎng)的活細(xì)胞，但還有在野外存在少量個體的可能。

近年來在針對長江江豚和白鱀豚的科學(xué)研究和科學(xué)考察中，采用的是由標(biāo)準(zhǔn)水聽器、同軸電纜、主放大器、高采樣率信號記錄儀或采集卡、處理軟件等組成的系統(tǒng)，或者使用專用的雙聲道微型發(fā)聲事件記錄儀。標(biāo)準(zhǔn)水聽器是為了作為計量標(biāo)準(zhǔn)而生產(chǎn)的，穩(wěn)定性好，售價高，在野外使用中易損壞。

目前使用的微型發(fā)聲事件記錄儀為進(jìn)口產(chǎn)品，售價高，使用中易丟失而造成較大經(jīng)濟(jì)損失。此記錄儀將采集的超聲信號進(jìn)行模擬帶通濾波和檢波后，進(jìn)行2kHz采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換并記錄在閃存上。因此，該設(shè)備只能記錄江豚的回聲定位信號的特征，無法記錄完整波形。

本文將介紹一種由寬頻帶水聲USB錄音機(jī)等組成的廉價齒鯨亞目動物被動聲學(xué)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。

2.硬件系統(tǒng)描述

系統(tǒng)主要由簡易水聽器、前置差分輸出放大器、信號電纜、USB錄音機(jī)主板、微機(jī)、配套軟件構(gòu)成，可以記錄信號的完整波形并進(jìn)行實(shí)時處理。整個系統(tǒng)造價十分低廉，即使損壞或丟失，損失也很小。系統(tǒng)還可以同時記錄下可能還存在的白鱀豚的哨叫聲和回聲定位信號。另有基于NI數(shù)據(jù)采集卡的寬帶錄音播放系統(tǒng)用于系統(tǒng)調(diào)試和校準(zhǔn)。

2.1 簡易水聽器

用于制作簡易水聽器的壓電陶瓷管外直徑為8mm、內(nèi)直徑為6mm，長12mm，訂購自淄博宇海電子陶瓷有限公司。計劃使用軟線將壓電陶瓷管連接至前置放大器，并增加絕緣、屏蔽、防水結(jié)構(gòu)后，制成簡易水聽器。目前，防水密封工藝尚未能成功完成。

端屏蔽近似下，徑向極化壓電陶瓷管水聽器低頻接收靈敏度為[1]：

將內(nèi)半徑a=3mm，外半徑b=4mm，PZT-5A材料的g31=-11.4×10-3Vm/N，g33=24.9×10-3Vm/N[2]代入上式，可得接收靈敏度為31.4μV/Pa，即-210dB(相對1V/μPa)。

在前置放大器中，壓電陶瓷管產(chǎn)生的信號電壓被一片低噪聲CMOS雙運(yùn)算放大器ADI AD8656放大至94倍，并轉(zhuǎn)為差分信號。前置放大器由正5V單電源供電。這樣，用于連接前置放大器和USB錄音機(jī)主板的屏蔽信號電纜內(nèi)僅需一對信號、一對電源共兩對雙絞線即可，避免了使用昂貴的同軸電纜。

2.2 USB錄音機(jī)主板設(shè)計

輸入到USB錄音機(jī)主板上的信號，被TI THS4131雙極型低噪聲全差分運(yùn)算放大器放大至12.2倍，設(shè)計3dB通頻帶為87Hz～165kHz。此防混疊濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用THS4131的器件手冊上所推薦的結(jié)構(gòu)。圖1為包含前置放大器和緩沖放大器在內(nèi)的系統(tǒng)模擬前端整體的電路原理圖。

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片使用TI ADS8323，這是16位、雙極性差分輸入、并行輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率設(shè)置為500ksps，所需數(shù)據(jù)傳輸速度為1MB/s。因ADS8323內(nèi)部沒有輸入緩沖放大器，因此必須配合輸入緩沖放大器使用，否則會得到錯誤的轉(zhuǎn)換結(jié)果。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)Cypress CY7C68013A后，使用USB 2.0總線連接至微機(jī)。CY7C68013A輸入時鐘信號由24MHz晶振給出。傳輸數(shù)據(jù)時，USB 2.0總線工作于批量數(shù)據(jù)傳輸模式。測試表明，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速度為1MB/s時，僅僅使用CY7C68013A內(nèi)置的FIFO緩存，即可保證在長時間傳輸中，數(shù)據(jù)不丟失。

AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序控制信號，由3.3V供電的CPLD Altera EPM3064生成，其輸入時鐘信號由20MHz晶振給出。因ADS8323要求高電平信號至少為3.0V，而EPM3064在3.3V供電下輸出的高電平最低為3.1V，余量較小，因此使用一片5V供電的74HCT244進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。為減小CPLD中數(shù)字電路的運(yùn)行導(dǎo)致的噪聲，在采樣瞬間，CPLD內(nèi)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換的觸發(fā)器數(shù)量應(yīng)最小化。

系統(tǒng)需要的模擬和數(shù)字3.3V電源為使用線性穩(wěn)壓芯片ASM1117-3.3對5V的USB供電降壓后獲得。系統(tǒng)需要的模擬和數(shù)字5V電源為先用開關(guān)電源芯片MC33063對USB供電升壓至7.1V后，再使用線性穩(wěn)壓芯片得到，以提高電源穩(wěn)定度，降低噪聲。

仿真得到系統(tǒng)在5kHz處總電壓放大倍數(shù)為1142倍。一個模數(shù)轉(zhuǎn)換單位(ADU)對應(yīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸入端的76.3μV，即在壓電陶瓷管端為0.0668μV/ADU。由壓電陶瓷管接收靈敏度為31.4μV/Pa可得系統(tǒng)靈敏度約為2.13mPa/ADU。

圖2為試制的系統(tǒng)實(shí)物照片。拍攝時尚未在水聽器外安裝絕緣及屏蔽層。

圖1 系統(tǒng)模擬前端電路原理圖

圖2 江豚被動聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)硬件原型照片

圖3 系統(tǒng)的噪聲功率譜

3.軟件及錄音播放系統(tǒng)

配套的軟件為使用C++編寫的Windows控制臺應(yīng)用程序。目前代碼總量約2000行。軟件為多線程工作，設(shè)計為可實(shí)時識別江豚回聲定位信號并輸出信號特征參數(shù)，并可保存錄音至.wav文件。

NI PCI-6040E能夠以每秒最高1M采樣的采樣率，12位的量化精度輸出最高電壓為±10V的信號。這足以滿足要求，故調(diào)試用錄音播放系統(tǒng)使用NI PCI-6040E數(shù)據(jù)采集卡的模擬信號輸出直接驅(qū)動壓電陶瓷，工作采樣率為500ksps。播放程序使用C語言編寫，通過調(diào)用NI DAQmx庫函數(shù)控制數(shù)據(jù)采集卡。

4.硬件系統(tǒng)初步測試結(jié)果

系統(tǒng)原型在空氣中可錄下清晰的講話聲音。圖3為在足夠安靜的環(huán)境下的空氣中測得的系統(tǒng)的噪聲功率譜，測試時，反饋電容C8、C9因故未安裝。

在關(guān)注的100kHz～150kHz共50kHz的帶寬內(nèi)，噪聲電壓有效值為2.7ADU。設(shè)系統(tǒng)靈敏度為2.13mPa/ADU，則此50kHz的帶寬內(nèi)噪聲對應(yīng)單頻信號的峰峰值為約16.3mPa，或84.2dB(相對1μPa)。另外，在此靈敏度下，不飽和最大信號聲壓級峰峰值為163dB(相對1μPa)。

長江江豚發(fā)出的回聲定位信號脈沖中心頻率在125kHz左右，信號的聲源級峰峰值SL平均約197dB(相對1μPa @ 1m)；15℃下淡水中125kHz平面聲波衰減為λ≈0.004dB/m；在球面波傳播情況下，接收點(diǎn)聲壓級SPL與聲源級間的關(guān)系為SL=SPL+20logR+λR，R為距離[3]。忽略環(huán)境噪聲，可算出84.2dB最小檢測聲壓級SPL對應(yīng)的探測最遠(yuǎn)距離為8.54km。

在關(guān)注的4～8kHz頻段，系統(tǒng)噪聲有效值在大部分頻點(diǎn)上略小于0.3ADU2/kHz，即在50Hz帶寬內(nèi)噪聲峰峰值約0.35ADU，在2.13mPa/ADU靈敏度下，對應(yīng)聲壓級峰峰值為57.4dB(相對1μPa)。但在4.05、4.7、5.4、6.1kHz±25Hz頻點(diǎn)上，噪聲分別為10.4、6.2、0.91、0.37ADU2/kHz。

白鱀豚回聲定位信號中心頻率在77kHz左右，具有線性周期調(diào)制特性[4][5]。

白鱀豚哨叫聲基頻頻率平均為5.7kHz(標(biāo)準(zhǔn)差0.67)；聲源級峰峰值SL平均為143.2dB(標(biāo)準(zhǔn)差5.8，相對1μPa@ 1m)[6]。根據(jù)SL=SPL+15logR+λR(計入水底聲吸收的淺水近似)，以及λ≈10-5dB/m[7]，忽略環(huán)境噪聲，可算出57.4dB最小檢測聲壓級SPL對應(yīng)的探測最遠(yuǎn)距離為322km，但考慮水面曲率、水較渾濁等的影響后，探測距離可能將遠(yuǎn)不能達(dá)到此值。如果依然使用球面波傳播近似計算，忽略環(huán)境噪聲，可算出探測最遠(yuǎn)距離為19.1km。

5.結(jié)語

本文主要給出了一個寬頻帶水聲USB錄音機(jī)的硬件設(shè)計。經(jīng)初步測試，基于此USB水聲錄音機(jī)的江豚及白鱀豚被動聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計的功能。與目前長江江豚及白鱀豚科考中使用的系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)同時具有成本低，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測，可保存完整錄音數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。

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[5]王丁,劉仁俊,陳佩薰,王治藩,盧文祥,楊叔子.白鱀豚的發(fā)聲及其與環(huán)境適應(yīng)的初步研究[J].水生生物學(xué)報,1989,03：210-217.

[6]Wang K,Wang D,Akamatsu T,et al.Estimated detection distance of a baiji’s(Chinese river dolphin,Lipotes vexillifer)whistles using a passive acoustic survey method[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2006,120：1361.

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