目標物材料特性對激光語音獲取的影響研究

張宇澤，李麗艷，曾華林，周 燕

（中國科學院 半導體研究所光電系統(tǒng)實驗室，北京100083）

引言

通過激光干涉獲取語音信息具有非接觸、實時測量、隱蔽性高等特點，可廣泛用于軍事、反恐等領(lǐng)域［1］。激光語音檢測系統(tǒng)能夠?qū)⒓す馔渡涞侥繕宋锉砻?，通過檢測人說話時引起的目標物振動信號還原出語音信息，實現(xiàn)遠距離非接觸式語音獲?。?-4］。目前該技術(shù)已進入實際應用階段。為了提高語音信息獲取性能，并滿足不同的環(huán)境條件，系統(tǒng)干涉光路的優(yōu)化和PGC解調(diào)算法的改進一直是該領(lǐng)域的研究重點［5］。由于該語音檢測方法是通過聲致振動的檢測來還原語音信號的［6］，因此目標物的振動特性將直接影響解調(diào)后的輸出結(jié)果［7］。本文以實驗室自主研制的語音檢測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對目標物材料特性進行研究，分析了不同材料受聲波作用時的聲致振動特性，從而判斷其對語音檢測的影響，為后續(xù)的系統(tǒng)性能改進、目標物選取及擴大應用范圍提供理論依據(jù)。

1 理論研究

1.1 系統(tǒng)原理

激光語音檢測系統(tǒng)的原理如圖1所示。波長為1 550nm的激光通過光纖分束器（FPBS）分成兩條光路：信號光路和參考光路。信號光經(jīng)過聲光調(diào)制器（AOM）調(diào)制后，通過準直器2、分束鏡BS1和透鏡將激光投射到振動目標物表面，經(jīng)過漫反射返回到BS1后與BS2處的參考光束發(fā)生干涉。干涉信號經(jīng)過PGC解調(diào)算法解調(diào)后獲得語音信號。光電探測器接收到的干涉信號［5］為

式中：A為背景光強；B為干涉光強；C是相位調(diào)制幅度；ω0是調(diào)制頻率；φ（t）是低頻率環(huán)境噪聲；Dcos（ωst）是要檢測的目標物的振動函數(shù)；D是目標物表面的振動幅度；ωs是目標物受聲波作用產(chǎn)生的振動頻率。D和ωs不僅受語音信號的影響，還取決于目標物的振動，而材料特性是影響目標物振動的直接因素。

圖1 激光語音檢測系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of laser voice acquisition system

1.2 目標物材料特性對聲致振動的影響

經(jīng)過介質(zhì)傳播到達目標物表面的聲波可看作是正弦諧波壓力載荷。設(shè)目標物位于z＝0平面，中心在坐標原點，厚度為h。入射波傳播方向在xz平面里，與z夾角為θ1。則目標物表面的聲壓［8］為

式中：P0是聲壓的幅值；θ1是入射角；（x1，z1）表示入射聲波的坐標。板狀結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 入射聲波與目標物的相互作用Fig.2 Interaction of incident wave with target

入射聲波Pin在目標物表面與目標物發(fā)生相互作用，產(chǎn)生反射波Pre和透射波Ptran，透射波將穿過目標物并伴隨衰減。由于目標物會作受迫振動，因此聲波引起的目標物振動頻率將等于聲波頻率。設(shè)目標物的反射系數(shù)為R，透射系數(shù)為T，則目標物表面的聲壓可表示為

其中，

式中θ3是目標物底部聲波出射的出射角。（x2，z2）是目標物底部出射點的坐標。當Φ確定后，目標物沿z方向振動的振幅u即可根據(jù)下式進行計算［9］：

式中角頻率ω＝2πf。將（3）式與（6）式聯(lián)立，在目標物上表面，即z處，目標物的振幅可轉(zhuǎn)化為

此外，反射系數(shù)與透射系數(shù)滿足：

聲透射系數(shù)是在不連續(xù)的傳輸線中復雜的發(fā)射波與入射波的振幅之比。對于單板結(jié)構(gòu)，聲透射系數(shù)T可以通過聲傳播損耗（STL）來計算：

于是求解目標物的聲傳播損耗成為求解目標物表面振幅的關(guān)鍵。

聲傳播損耗可通過Sewell-Sharp-Cremer模型來計算［10］。對于不同的頻率，計算STL的表達式也不相同［11］。通常用相干頻率fco對頻率段進行劃分，分為小于fco／2，從fco／2到fco以及大于fco三部分。

對于單層板狀結(jié)構(gòu)，截止頻率可通過下式進行計算：

式中：μ＝ρh是單位面積上的質(zhì)量，即面密度；v是材料的泊松比；E是材料的楊氏模量；h是單板的厚度；c0是聲速。當頻率f＜fco／2，根據(jù)質(zhì)量定律STL為

式中：S為板狀結(jié)構(gòu)的面積；k是空氣中的波數(shù)；k1是材料中的波數(shù)；Λ是板狀結(jié)構(gòu)的長寬比（Λ＝L／W）；U（Λ）是對不規(guī)則矩形就行形狀修正的參數(shù)，計算表達式如下：

當f＞fco／2時，STL的計算表達式為

當fco／2≤f≤fco時，STL 為fco／2和fco處的線性插值。

根據(jù)目標物的截止頻率，通過計算得到不同頻率段的聲傳播損耗即可計算出目標物表面受不同聲波作用產(chǎn)生的振幅大小。

2 仿真分析

激光語音檢測系統(tǒng)通常用于會議室、公用場合等地，可選取的目標物根據(jù)材料分為金屬材料和非金屬材料兩種。表1列出了4種常見材料及其可作為目標物的對應物品。鐵和鋁為金屬材料，塑料和紙板為非金屬材料，對應物品均為常見物品。

表1 常見材料及對應物品Table 1 Application of objects

由于激光語音檢測是通過目標物振動信號來還原語音信號，因而材料的聲致振動特性將直接影響語音檢測效果。根據(jù)上述的理論分析，目標物的相干頻率和聲傳播損耗會隨著材料的不同而發(fā)生變化，導致目標物的振動幅度發(fā)生改變［12］。材料的參數(shù)主要包括密度、泊松比和楊氏模量。表2給出了4種常見材料的參數(shù)。

表2 常見目標物材料參數(shù)Table 2 Materials'parameters of targets

經(jīng)理論推導，通過Matlab計算并得到4種材料的聲致振動幅度（圖3）。其中鐵和鋁為金屬材料，塑料和紙為非金屬材料。

圖3 4種材料的振動幅度Fig.3 Vibration amplitude of 4 materials

從圖3我們可以得到4種材料在語音頻率范圍內(nèi)均隨著頻率的增加而單調(diào)遞減。其中鐵板的振動幅度最小，紙板的振動幅度最大，即語音獲取時紙板的信號強度將遠大于鐵板的信號強度。此外，不難發(fā)現(xiàn)非金屬材料振動幅度隨頻率的增加衰減相較金屬材料更加明顯。兩種金屬材料的振動幅度為1nm～30nm，兩種非金屬材料的振動幅度為7nm～70nm。因此，對頻率的敏感度及振動幅度的動態(tài)范圍將是選取目標物的主要依據(jù)。

3 實驗驗證

3.1 語音獲取系統(tǒng)

實驗采用實驗室自主研發(fā)的基于PGC解調(diào)的激光干涉語音獲取系統(tǒng)對4種目標物進行語音獲取的結(jié)果。首先通過信號發(fā)生器產(chǎn)生300Hz～3 400Hz的單頻信號并通過揚聲器將聲壓為60dB的單頻聲波信號作用于目標物表面。之后語音獲取系統(tǒng)通過將激光打到目標物中心來檢測目標物的振動信號。返回光經(jīng)過光路與參考光干涉后通過光電探測器得到散斑干涉信號，經(jīng)過PGC解調(diào)后激勵PC聲卡最終還原出音頻信號。實驗原理如圖4所示。

圖4 激光語音獲取實驗原理圖Fig.4 Setup of laser voice acquisition experiment

實驗過程中首先在4種目標物中心分別貼上反光量相同的反光膜，避免材料表面粗糙度引起的回光強度不同帶來的誤差。之后將4種不同材料的單板固定在支架上使激光垂直入射到目標物表面。調(diào)整信號發(fā)生器的輸出頻率并記錄對應的語音獲取結(jié)果，來檢測各材料在不同頻率下的振動幅度。

3.2 4種材料的語音獲取結(jié)果

圖5為4種材料在300Hz、1 000Hz及2 000Hz的單頻信號作用得到的語音獲取結(jié)果。通過圖5可以看出，激光語音獲取系統(tǒng)能夠檢測到4種材料在語音頻率范圍內(nèi)的振動信號，進而還原出音頻信號。并且信號的幅度隨著頻率的增加而單調(diào)遞減。非金屬材料的振動幅度明顯高于金屬材料。此外，非金屬材料對頻率的變化較金屬材料更加敏感。良好的頻率敏感度有利于獲取語音信號，但是如果在低頻部分的響應過高，則高頻部分的信號容易被低頻部分淹沒。因此，適當?shù)膭討B(tài)范圍和頻率敏感度在選取目標物時尤為重要。通過本實驗發(fā)現(xiàn)，金屬材料的語音獲取效果優(yōu)于非金屬材料，更適合作為語音獲取的目標物。

圖5 4種材料的語音獲取結(jié)果Fig.5 Voice acquisition results of 4 materials

4 結(jié)論

在激光語音獲取中，目標物的材料特性是影響目標物振動幅度的主要原因，也是影響語音獲取效果的主要原因。通過理論分析及實驗，得到目標物振動幅度在300Hz～1 000Hz呈指數(shù)型衰減，在1 000Hz以上衰減趨于平緩，因此高頻部分信號容易被低頻信號淹沒。300Hz處非金屬材料振幅為69nm和62nm，高于金屬材料的30nm和10nm。因此，激光語音檢測系統(tǒng)能夠檢測到納米量級的振動信號，并且金屬材料動態(tài)范圍在1nm～30nm，非金屬材料動態(tài)范圍在10nm～70nm，頻率敏感度低。為能夠穩(wěn)定得到各個頻率的振動信號，激光語音獲取系統(tǒng)應選用滿足檢測量程的金屬材料作為目標物。

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