次聲波測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王瓊，黃宇

（1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院工程訓(xùn)練中心，樂山 614000；2.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院電計(jì)系，樂山 614000）

0 引言

次聲波是一種頻率較低的聲波，一般我們能聽見的聲波的頻率在20～20000Hz之間，而次聲波則低于20Hz。次聲波不容易衰減，不易被水和空氣吸收。因此次聲波往往可以傳播很遠(yuǎn)，有些甚至能繞地球2到3周依然存在。次聲波可以由很多原因產(chǎn)生，特別是一些大的自然災(zāi)害往往會產(chǎn)生較強(qiáng)功率的次聲波，例如地震、火山爆發(fā)、颶風(fēng)、水中漩渦、空中湍流等。次聲波對人類的危害曾經(jīng)也通過實(shí)驗(yàn)證明。醫(yī)學(xué)研究表明，人體內(nèi)臟的頻率剛好處于次聲段，因此次聲波容易造成人體內(nèi)臟的共振，如果能量過大則會給人帶來很大的傷害。由于次聲波的這種普遍存在又容易對人體產(chǎn)生影響的特性，本文的宗旨在于研究一種簡單易行的方式對我們身邊的次聲波進(jìn)行探測，以達(dá)到預(yù)防躲避的效果。

1 方案設(shè)計(jì)

要檢測次聲波首先我們需要穩(wěn)定的產(chǎn)生源，而自然界的次聲波是隨機(jī)產(chǎn)生的，為了獲得一個穩(wěn)定的次聲波源，我們先利用現(xiàn)有的軟硬件資源來生產(chǎn)一個次聲波，然后再利用另一套軟硬件平臺采集測量該次聲波，以達(dá)到研究它的目的。

次聲波的產(chǎn)生，本文利用VC++6.0編寫了一個用于產(chǎn)生次聲波的程序，該程序的硬件基礎(chǔ)主要是依靠聲卡以及外揚(yáng)聲器來作為信號產(chǎn)生源。在程序的控制下，我們可以獲得2～20000Hz之間的音頻信號，考慮到次聲波對人體的危害，實(shí)驗(yàn)的時候要選擇小功率的揚(yáng)聲器。

次聲波的采集，采集次聲波的方法很多，最直接的就是利用各種次聲波傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。考慮到成本，我們還是通過現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件資源以及用來做儀器虛擬的LabVIEW開發(fā)工具來實(shí)現(xiàn)。利用聲卡以及LabVIEW編寫的程序就可以實(shí)現(xiàn)一個音頻采集系統(tǒng)的功能。對于這個過程我們可以由以下幾步來完成：首先設(shè)置好聲卡的參數(shù)，再利用選好的聲卡通道采集數(shù)據(jù)，采集到計(jì)算機(jī)之后可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，例如傅里葉變換、加窗降噪等，最后再將波形數(shù)據(jù)通過圖形控件顯示出來。

圖2

圖3 為以聲卡為硬件基礎(chǔ)的次聲采集程序框圖，通過對左右聲道的設(shè)置實(shí)現(xiàn)聲波信號的采集。

圖3

2 結(jié)果與分析

通過實(shí)驗(yàn)，我們得到了以下微弱的信號，由于外界的干擾比較多，自身的靈敏度比較低，所以得到的信號比較微弱，為毫伏級。

圖4

以下是頻域中的圖像，由于我們采用的是雙邊FFT所以得到的是一個對稱的結(jié)果。

圖5

3 噪聲處理

最后我們考慮到產(chǎn)生的信號具有非線性、非平穩(wěn)性的特點(diǎn)，單純的頻域方法容易使信號失真，效果達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，所以我們引入經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，簡稱EMD)方法，EMD濾波方法從信號本身的尺度特征出發(fā)對信號進(jìn)行分解，所以該方法具有良好的局部適應(yīng)性，加上瞬時頻率的引入便可以從時頻兩方面同時對信號進(jìn)行分析，增加了處理信號的靈活性和有效性。假定原始信號為：

根據(jù)EMD的分解原理，可以把信號的分解過程表示為多分辨率的濾波過程，得到濾波結(jié)果。去掉若干高頻，重構(gòu)剩余分量得到信號。其低通表達(dá)式：

去掉若干低頻IMF，重構(gòu)高頻得到信號。其高通濾波表達(dá)式：

去掉若干高頻和若干較低頻率，重構(gòu)中間的分量得到信號，帶通濾波表達(dá)式：

最后經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法處理濾波之后的信號如下所示，可以看出來具有一定的參考意義。

圖6

4 結(jié)語

由于次聲波的特性不便于我們做大功率的實(shí)驗(yàn)，所以以上實(shí)驗(yàn)還有許多需要改進(jìn)的地方，我們可以考慮利用LabVIEW的遠(yuǎn)程控制能力，使測試者遠(yuǎn)離次聲源，從而加大功率來進(jìn)行測試。另外考慮到實(shí)驗(yàn)的靈敏度問題，選擇利用次聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)次聲的采集應(yīng)該是一種更好的選擇，但是要加大成本，提高系統(tǒng)的復(fù)雜度，因此在要求不高的條件下本文所示方法還是具有一定實(shí)踐意義。