一種新型的電腦鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)采集方法*

張夢(mèng)玉 王緒隆 張仲寧 李 杰 楊 京 梁 彬 程建春

(1 南京大學(xué)聲學(xué)研究所 南京 210093)

(2 人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210093)

(3 蘇州邦冠自動(dòng)化有限公司 蘇州 215000)

0 引言

鍵盤(pán)作為一種方便快捷的手動(dòng)外部輸入部件，目前已廣泛用于電腦和打字機(jī)等辦公設(shè)備。自鍵盤(pán)的誕生之日起，人們就不斷地在提升改進(jìn)鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)[1]以獲得更舒適的使用感。近年來(lái)，鍵盤(pán)的速度、鍵盤(pán)按鍵的手感以及鍵位沖突等鍵盤(pán)的有關(guān)需求在眾多研究人員的努力下得到很大的提高[2-3]。較為舒適的鍵盤(pán)按鍵聲能夠傳遞出鍵盤(pán)品質(zhì)的可靠性、先進(jìn)性，影響消費(fèi)者的選擇心理，如今隨著人們生活水平的提高，鍵盤(pán)的按鍵噪聲品質(zhì)也越來(lái)越被人們關(guān)注。過(guò)去，鍵盤(pán)噪聲品質(zhì)的優(yōu)劣大多依靠使用者親身感受，由于每個(gè)人的使用習(xí)慣不同，所以不同的人感受也不同，很難有準(zhǔn)確的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為了提高鍵盤(pán)質(zhì)量水平，保證使用的舒適度，鍵盤(pán)按鍵聲檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前鍵盤(pán)按鍵聲檢測(cè)方法主要是使用低噪聲馬達(dá)敲擊鍵盤(pán)按鍵，傳聲器采集按鍵聲信號(hào)后傳給信號(hào)分析系統(tǒng)分析信號(hào)的分貝值，通過(guò)信號(hào)分貝值來(lái)判斷鍵盤(pán)按鍵是否合格。如本文所檢測(cè)的鍵盤(pán)按鍵，經(jīng)過(guò)大量鍵盤(pán)按鍵的敲擊聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試，鍵盤(pán)按鍵聲在36～46 dB 之間的按鍵為合格鍵，超出這個(gè)范圍的按鍵視為不合格按鍵，需退回重裝。由于實(shí)際鍵盤(pán)生產(chǎn)線(xiàn)環(huán)境復(fù)雜，且有較強(qiáng)的背景噪聲，因此在強(qiáng)背景噪聲下，設(shè)計(jì)一個(gè)好的信號(hào)采集系統(tǒng)是保證鍵盤(pán)按鍵檢測(cè)準(zhǔn)確、可靠的前提。在傳統(tǒng)的鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)采集過(guò)程中，敲擊方式是采用低噪聲馬達(dá)以恒定的速度敲擊鍵盤(pán)按鍵，這種敲擊方式與實(shí)際使用鍵盤(pán)按鍵時(shí)人手手指敲擊鍵盤(pán)按鍵的方式相距甚遠(yuǎn)，并且傳統(tǒng)的鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)采集過(guò)程是在低噪聲環(huán)境中進(jìn)行，這種信號(hào)采集的環(huán)境條件較為苛刻，并且生產(chǎn)成本高，不利于在工業(yè)上大規(guī)模使用。

本文提出一種新型的鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)采集方法，包括信號(hào)采集系統(tǒng)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)按鍵聲信號(hào)采集空間，可以有效實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)背景噪聲下微弱信號(hào)采集。本文首先利用單片機(jī)的DAC 口編程發(fā)出半正弦波模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)電磁鐵模擬手指敲擊鍵盤(pán)按鍵。這種敲擊方式一方面利用價(jià)格較為便宜的單片機(jī)和電磁鐵代替了原先造價(jià)較高的可編程低噪聲馬達(dá)，大幅度降低了生產(chǎn)成本；另一方面模擬了手指敲擊鍵盤(pán)按鍵的過(guò)程，增加了鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)采集的可靠性。為真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化信號(hào)采集，本文還提出了一種新型的敲擊聲信號(hào)采集空間設(shè)計(jì)，即采用鋼板材料，設(shè)計(jì)出兩個(gè)隔離腔，分別從質(zhì)量隔聲和腔體的結(jié)構(gòu)特性?xún)煞矫娓綦x環(huán)境噪聲。此設(shè)計(jì)提高了設(shè)備的隔聲性能，使其可以在有背景環(huán)境噪聲的條件下有效采集鍵盤(pán)按鍵敲擊的聲信號(hào)，有利于設(shè)備在工業(yè)上的大規(guī)模使用。

1 鍵盤(pán)按鍵敲擊方式優(yōu)化

1.1 鍵盤(pán)按鍵構(gòu)造及敲擊特點(diǎn)

圖1為鍵盤(pán)按鍵結(jié)構(gòu)圖，其中1為鍵盤(pán)按鍵的鍵帽，2為橡膠彈簧，二者受到向下的力時(shí)會(huì)有向下的一個(gè)自由行程，壓力消失后自動(dòng)復(fù)原。3、4 分別為兩個(gè)塑料卡扣，一起組裝在鍵盤(pán)的底座架子上形成一個(gè)半自由活動(dòng)結(jié)構(gòu)，可帶動(dòng)鍵帽上下運(yùn)動(dòng)。由鍵盤(pán)按鍵的組成結(jié)構(gòu)可知，按鍵敲擊聲是外力作用于鍵盤(pán)按鍵時(shí)兩個(gè)塑料卡扣之間的摩擦和橡膠彈簧的上下運(yùn)動(dòng)摩擦而產(chǎn)生。在鍵盤(pán)按鍵組裝過(guò)程中，由于各零部件之間組裝失配會(huì)造成在敲擊鍵盤(pán)按鍵時(shí)鍵盤(pán)按鍵發(fā)出異聲，因此可以通過(guò)鍵盤(pán)按鍵的異聲檢測(cè)來(lái)判斷鍵盤(pán)按鍵是否合格。由手指敲擊實(shí)驗(yàn)[4]可知，人們?cè)谑褂檬种盖脫翩I盤(pán)按鍵時(shí)使用的不是恒力，是變化的力，整個(gè)受力過(guò)程力逐漸增加，當(dāng)鍵盤(pán)按鍵被按壓到底時(shí)，手指的力反向逐漸減小。傳統(tǒng)的鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)采集方法是采用低噪聲馬達(dá)以恒定的速度敲擊鍵盤(pán)按鍵，當(dāng)?shù)驮肼曬R達(dá)撞擊到鍵盤(pán)按鍵時(shí)，速度突然降為零，從動(dòng)力學(xué)的角度分析，此時(shí)會(huì)發(fā)生非彈性碰撞，碰撞引起振動(dòng)，由此產(chǎn)生撞擊聲，此時(shí)采集到的信號(hào)不僅僅是鍵盤(pán)按鍵的按鍵聲，還混有低噪聲馬達(dá)撞擊鍵盤(pán)按鍵時(shí)的撞擊聲。因此在鍵盤(pán)按鍵聲的信號(hào)采集過(guò)程中，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題就是尋找一種新型的敲擊方式，一方面可以模擬手指敲擊鍵盤(pán)按鍵，另一方面可以消除敲擊過(guò)程中的撞擊聲，保證傳聲器采集到較干凈的按鍵聲。

圖1 鍵盤(pán)按鍵結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of keyboard key

1.2 鍵盤(pán)按鍵敲擊方式優(yōu)化

本文采用半正弦波模擬信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電磁鐵敲擊鍵盤(pán)按鍵的信號(hào)。電磁鐵在半正弦波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下敲擊鍵盤(pán)按鍵，電磁鐵的敲擊力度與半正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變化趨勢(shì)一致，敲擊力度隨著半正弦波信號(hào)電壓的增加而增加，減小而減小，如圖2(a)所示。此種敲擊方式，一方面模擬了人們實(shí)際使用鍵盤(pán)按鍵的敲擊過(guò)程，使得鍵盤(pán)按鍵在被敲擊過(guò)程中所發(fā)出的聲音更接近人們實(shí)際使用鍵盤(pán)按鍵時(shí)的敲擊聲，增加了信號(hào)源的可靠性，并且這種敲擊方式不會(huì)由于電磁鐵速度的突然歸零，產(chǎn)生撞擊聲；另一方面電磁鐵的成本低，使用電磁鐵代替低噪聲馬達(dá)大幅度降低了生產(chǎn)成本，有利于工業(yè)上的大規(guī)模使用。給電磁鐵施加半正弦信號(hào)的目的之一是模擬人手敲擊鍵盤(pán)按鍵的過(guò)程，并非以完全模仿人手敲擊鍵盤(pán)的力度的時(shí)域變化情況，因?yàn)榻o電磁鐵施加半正弦信號(hào)的另一目的是給電磁鐵施加一個(gè)緩慢增大的力，保證是電磁鐵按下的過(guò)程，盡量減小電磁鐵和按鍵鍵帽的撞擊聲。電磁鐵在敲擊鍵盤(pán)的過(guò)程的聲信號(hào)主要包括兩個(gè)部分，一是電磁鐵以一定速度撞擊到鍵盤(pán)之后和鍵盤(pán)帽之間的撞擊聲，二是電磁鐵在按下鍵盤(pán)的過(guò)程中，鍵盤(pán)本身的彈性結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的聲音，前者并非我們需要的，后者才是我們需要分析和處理的。從圖2(b)也可以看出其中的聲信號(hào)包括兩部分，即電磁鐵按下鍵盤(pán)按鍵和按鍵回彈過(guò)程中按鍵的彈性卡扣結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的聲音。

圖2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形和采集信號(hào)波形Fig.2 The wave form of driving signal and acquisition signal

2 強(qiáng)背景噪聲下的微弱信號(hào)采集

由于實(shí)際鍵盤(pán)生產(chǎn)線(xiàn)環(huán)境復(fù)雜，且有較強(qiáng)的背景噪聲，鍵盤(pán)按鍵的信號(hào)相對(duì)較為微弱，因此在強(qiáng)背景噪聲下，設(shè)計(jì)一個(gè)好的信號(hào)采集系統(tǒng)保證鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)采集的干凈度是鍵盤(pán)按鍵檢測(cè)準(zhǔn)確、可靠的前提。

2.1 信號(hào)采集系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)采集過(guò)程中，傳聲器距離待檢測(cè)信號(hào)源的距離為50 cm，但由于傳統(tǒng)的鍵盤(pán)按鍵異聲檢測(cè)過(guò)程在低噪聲環(huán)境中進(jìn)行，信號(hào)采集不受環(huán)境噪聲影響，若此種較長(zhǎng)距離的信號(hào)采集方法在自然環(huán)境下進(jìn)行，信號(hào)采集精度將會(huì)受環(huán)境噪聲影響較大[5-9]。為提高信號(hào)在自然環(huán)境下的采集精度和信號(hào)采集效率，本文設(shè)計(jì)了多通道鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)采集電路系統(tǒng)，該采集系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，上位機(jī)通過(guò)串口與單片機(jī)通訊控制單片機(jī)程序運(yùn)行。在上位機(jī)的控制下，單片機(jī)執(zhí)行已寫(xiě)入的程序，其DAC 口發(fā)出半正弦波信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)電磁鐵敲擊鍵盤(pán)按鍵，傳聲器采集鍵盤(pán)按鍵的按鍵聲，由于按鍵聲信號(hào)較小，需要經(jīng)過(guò)放大電路放大后再進(jìn)行信號(hào)分析。電路系統(tǒng)示意圖如圖3所示。此電路系統(tǒng)由以單片機(jī)為主的數(shù)字部分、以功率放大器為主的功率部分、對(duì)外通訊部分和信號(hào)采集部分組成。為保證電路系統(tǒng)的可靠性，本文采用光隔離器[10]將此電路系統(tǒng)的每一部分隔離為獨(dú)立的一個(gè)子電路系統(tǒng)，以提高整個(gè)電路系統(tǒng)的抗干擾能力。本文分別采用HCNR200、PVI1050N 和6N137 這3 種光隔離器實(shí)現(xiàn)了功率部分與數(shù)字部分的隔離和通訊部分與數(shù)字部分的隔離，保證了信號(hào)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 電路系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of circuit system

如圖4(a)所示，17 個(gè)傳聲器分布在40 個(gè)電磁鐵周?chē)總€(gè)傳聲器后均接放大電路用于采集并放大所對(duì)應(yīng)的敲擊鍵盤(pán)按鍵的按鍵聲信號(hào)，每個(gè)傳聲器距離相應(yīng)的電磁鐵的距離為1.5 cm，這種近距離的信號(hào)采集，一方面有利于降低環(huán)境噪聲的影響，另一方面有利于構(gòu)造一個(gè)狹窄的信號(hào)采集環(huán)境，隔離低頻噪聲對(duì)信號(hào)采集的影響。傳聲器采用橡膠圈封裝，可以較好地隔離電磁鐵敲擊鍵盤(pán)按鍵的振動(dòng)，如圖4(b)所示。傳統(tǒng)的信號(hào)采集距離為50 cm，本文采用的信號(hào)采集距離為1.5 cm，本文理論分析并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在這兩種信號(hào)采集距離下，環(huán)境噪聲對(duì)信號(hào)采集的影響。在無(wú)環(huán)境噪聲的條件下傳聲器1距離信號(hào)源的距離為1.5 cm，所采集到的信號(hào)源的分貝值為L(zhǎng)p1=70 dB，傳聲器2 距離信號(hào)源的距離為50 cm，所采集到的信號(hào)源的分貝值記為L(zhǎng)p2。圖4(c)為實(shí)驗(yàn)示意圖。

鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)可視為點(diǎn)聲源，在常溫下球面聲波隨距離衰減的表達(dá)式為L(zhǎng)p=Lw-20 lgr-k，

圖4 信號(hào)采集圖Fig.4 The signal acquisition chart

式中，Lp為聲壓級(jí)，Lw為聲強(qiáng)級(jí)，k為修正系數(shù)，對(duì)于自由空間k=11，半自由空間k=8。

距離r1和r2之間的聲壓級(jí)差值為

本文Lp1=70 dB，r2/r1=50/1.5≈33，由公式(1)得Lp2=Lp1-20 lg 33≈70-30=40 dB。

若在環(huán)境噪聲為46 dB 的條件下，由公式SPL=20 lg(pe/pref)計(jì)算得傳聲器1 處的聲壓分貝值， 傳聲器2 處聲壓分貝值，此時(shí)信號(hào)在傳聲器2 處已被噪聲完全湮沒(méi)。

測(cè)試結(jié)果及分析結(jié)果如表1所示。結(jié)果說(shuō)明相同的信號(hào)采集條件下，縮小信號(hào)采集距離可以降低環(huán)境噪聲對(duì)信號(hào)采集的影響。

表1 不同信號(hào)采集距離測(cè)試結(jié)果Table 1 The test results of the different signal collection distance

由于鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)較為微弱，信號(hào)分析系統(tǒng)無(wú)法直接對(duì)此微弱信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析[11-12]。本文采用TLE2072 芯片做前置放大電路來(lái)放大所采集到的鍵盤(pán)按鍵信號(hào)，以便后續(xù)信號(hào)分析系統(tǒng)作信號(hào)分析[13-17]。圖5(a)為放大電路原理圖，其電阻R1、R2分別為100 kΩ、1 kΩ，輸入端電容c1為10 μF，用于濾波和隔離低頻噪聲。

此放大電路的放大倍數(shù)為

式(2)中，f為聲信號(hào)頻率，當(dāng)f＞100 時(shí)，|R2|?|1/(j2πfc1)|，式(2)可以簡(jiǎn)化為n≈R1/R2=100。

本文對(duì)此放大電路系統(tǒng)做了頻率響應(yīng)測(cè)試，頻率響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖5(b)所示，在0～100 Hz 范圍內(nèi)，放大電路的放大倍數(shù)上升；100 Hz～20 kHz 范圍內(nèi)，放大電路的放大倍數(shù)穩(wěn)定為100倍。圖6為鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)頻譜圖，在0～100 Hz 范圍內(nèi)，鍵盤(pán)按鍵聲所占比例較小，所以盡管在此范圍內(nèi)放大電路的頻率響應(yīng)為非線(xiàn)性，對(duì)最終的測(cè)試結(jié)果并無(wú)較大影響。

圖5 放大電路原理圖及其頻率響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.5 The schematic diagram of amplified circuit and its frequency response curve

圖6 按鍵聲信號(hào)頻譜圖Fig.6 Key sound signal spectrum

2.2 信號(hào)采集過(guò)程

圖7為信號(hào)采集流程圖。上位機(jī)通過(guò)串口給單片機(jī)發(fā)送指令打開(kāi)40 路電磁鐵中的某一路并同時(shí)開(kāi)啟單片機(jī)的DAC 口發(fā)出半正弦波信號(hào)，上位機(jī)1 s發(fā)送一次指令，因此單片機(jī)的DAC 口每隔1 s發(fā)出一次半正弦波信號(hào)，由于單片機(jī)DAC口發(fā)出的信號(hào)不具有驅(qū)動(dòng)能力，單片機(jī)發(fā)出的半正弦波信號(hào)需要經(jīng)過(guò)功率放大器放大后才能作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁鐵敲擊鍵盤(pán)按鍵。若功率放大器的增益較小，鍵盤(pán)按鍵就會(huì)不能被電磁鐵敲擊按下，就不會(huì)有按鍵聲產(chǎn)生；若功率放大器增益較大，則在敲擊過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的撞擊聲，不利于后續(xù)的信號(hào)分析，因此需要選擇一個(gè)較為合適的功率放大器增益來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鐵敲擊鍵盤(pán)按鍵。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)調(diào)節(jié)功率放大器增益旋鈕使電磁鐵敲擊的力的峰值是0.8 N時(shí)，電磁鐵可以將鍵盤(pán)按鍵按下，并且不會(huì)產(chǎn)生撞擊聲。傳聲器采集鍵盤(pán)按鍵的按鍵聲，由于鍵盤(pán)按鍵的按鍵聲信號(hào)較小，本文采用放大電路將采集到的鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)放大后傳送到信號(hào)分析系統(tǒng)。一個(gè)鍵盤(pán)按鍵的按鍵聲信號(hào)采集完成后，單片機(jī)執(zhí)行程序關(guān)閉DAC 和I/O 口。本文中一個(gè)鍵盤(pán)上共需檢測(cè)40個(gè)按鍵，因此檢測(cè)一塊鍵盤(pán)，此檢測(cè)流程需循環(huán)40次，所需時(shí)間為40 s。一塊鍵盤(pán)檢測(cè)完成后更換待檢測(cè)鍵盤(pán)后再次循環(huán)此流程。

圖7 信號(hào)采集流程圖Fig.7 Flow chart of signal acquisition

3 按鍵聲信號(hào)采集空間設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的鍵盤(pán)異聲檢測(cè)過(guò)程在低噪聲環(huán)境中進(jìn)行，這個(gè)采集環(huán)境極大地限制設(shè)備的工業(yè)使用率。為擴(kuò)大工業(yè)使用率且保持鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)采集純凈度，本文設(shè)計(jì)了隔聲的信號(hào)采集空間。

3.1 抗干擾信號(hào)采集裝置

為克服環(huán)境噪聲對(duì)鍵盤(pán)按鍵聲信號(hào)采集的影響，本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)隔聲腔疊加使用來(lái)隔離環(huán)境噪聲。如圖8(a)所示，整個(gè)設(shè)備封裝在一個(gè)較大的箱體中，箱體的尺寸為1.5 m×1.3 m×1 m。箱體材料采用厚度為1 cm 的鋼板，其隔聲效果如圖8(b)所示，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為散射壓力場(chǎng)與入射壓力場(chǎng)的比值，即，其中ps為散射壓力場(chǎng)，pi為入射壓力場(chǎng)，下同。

如圖8(b)所示，由于外部箱體的材料特性，當(dāng)噪聲頻率大于5000 Hz 時(shí)，外界噪聲基本可以隔離。其中的一些波峰為隔聲板的四分之一波長(zhǎng)共振頻率點(diǎn)[18]。但結(jié)果顯示低頻聲會(huì)有較小的一部分進(jìn)入箱體內(nèi)部。由于環(huán)境噪聲中這個(gè)頻段(5000 Hz以下)的聲波占比較大，會(huì)對(duì)信號(hào)采集過(guò)程造成較大影響，因此僅利用外部箱體的材料特性進(jìn)行隔聲的缺點(diǎn)不容忽視。為減小低頻噪聲對(duì)信號(hào)采集過(guò)程的影響，本文采用與設(shè)備箱體同樣的材料設(shè)計(jì)出一個(gè)尺寸較為狹窄的密閉小腔體[19-20]，作為信號(hào)采集空間。如圖9(a)所示，小腔體由腔體上半部分和腔體下半部分組成，電磁鐵和傳聲器鑲嵌在腔體上半部分上，下半部分用于盛放待檢測(cè)鍵盤(pán)。當(dāng)待檢測(cè)鍵盤(pán)就位后，小腔體在設(shè)備的驅(qū)動(dòng)下，合在一起，形成一個(gè)密閉的信號(hào)采集空間，腔體上半部分下面的一圈橡膠圈有利于上下兩部分腔體密封。此密閉空間等效為一個(gè)長(zhǎng)方體如圖9(b)所示。本文利用comsol 軟件仿真了該結(jié)構(gòu)的3 個(gè)不同截面的隔聲效果，結(jié)果如圖10所示。

由圖10 可以看出6000 Hz 以下的聲波基本不能進(jìn)入腔體，隔離效果較好。由于其結(jié)構(gòu)特性，腔體在高頻時(shí)共振效果明顯。本文在設(shè)計(jì)時(shí)，將小腔體置于大箱體內(nèi)部，綜合利用兩個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到隔離環(huán)境噪聲效果。

圖8 設(shè)備箱體及其隔聲效果圖Fig.8 The equipment box and the sound insulation effect map

圖9 小腔體結(jié)構(gòu)示意圖及其模型示意圖Fig.9 The diagram of small cavity body and its model chart

圖10 小腔體不同面隔聲效果圖Fig.10 The effect of sound insulation of the small cavity body’s different surfaces

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖11為本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在兩種環(huán)境下信號(hào)采集結(jié)果對(duì)比圖，圖11(a)為在開(kāi)放的自然環(huán)境下的信號(hào)采集波形圖，圖中兩個(gè)較為明顯的波峰是采集到的鍵盤(pán)按鍵的按鍵聲，受環(huán)境噪聲影響。因?yàn)閷?shí)際鍵盤(pán)生產(chǎn)檢測(cè)是在工廠(chǎng)的生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行，鍵盤(pán)檢測(cè)所處的環(huán)境是包含車(chē)間生產(chǎn)中的各種噪聲，包括電機(jī)、風(fēng)扇、空調(diào)噪聲，以及車(chē)間生產(chǎn)的機(jī)器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各種噪聲，傳聲器遠(yuǎn)距離采集電磁鐵敲擊鍵盤(pán)的聲信號(hào)會(huì)帶來(lái)較低的信噪比，因此本文提出降低傳聲器和敲擊信號(hào)源之間的距離，可以大大采集的信號(hào)的信噪比，有利于后期的信號(hào)分析處理。由圖可見(jiàn)，信號(hào)采集過(guò)程，受環(huán)境噪聲影響較大，所采集到的信號(hào)中除了鍵盤(pán)按鍵的按鍵聲，還有環(huán)境噪聲，由于環(huán)境噪聲的隨機(jī)性，信號(hào)采集中的環(huán)境噪聲會(huì)對(duì)信號(hào)分析所得的分貝值造成很大影響，最終會(huì)影響鍵盤(pán)按鍵是否合格的判斷。圖11(b)為在隔聲設(shè)備中的信號(hào)采集結(jié)果波形圖，圖中除了敲擊鍵盤(pán)按鍵的按鍵聲外，并無(wú)其他噪聲，說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的隔聲腔可以有效隔離環(huán)境噪聲，且易于實(shí)現(xiàn)，有利于同類(lèi)設(shè)備在工業(yè)上的大規(guī)模使用。

圖11 信號(hào)采集波形對(duì)比圖Fig.11 The signal acquisition waveform contrast diagram

4 結(jié)論與展望

本文采用模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁鐵模擬手指敲擊鍵盤(pán)按鍵的方法降低了設(shè)備生產(chǎn)成本，有效解決了使用低噪聲馬達(dá)敲擊鍵盤(pán)按鍵時(shí)引入的附加撞擊聲的問(wèn)題；另外本文通過(guò)設(shè)計(jì)密閉隔聲腔的方式，實(shí)現(xiàn)了在人耳可聽(tīng)頻率范圍內(nèi)的全頻段隔聲，為鍵盤(pán)按鍵的按鍵聲信號(hào)采集提供了優(yōu)質(zhì)的信號(hào)采集環(huán)境，有利于后續(xù)的信號(hào)分析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了同類(lèi)設(shè)備在工業(yè)上大規(guī)模使用的可能性。在此較為良好的信號(hào)采集條件下，未來(lái)可以提取有效按鍵聲做進(jìn)一步的時(shí)頻分析，為提高鍵盤(pán)按鍵的噪聲品質(zhì)和異聲檢測(cè)水平奠定基礎(chǔ)，以達(dá)到為廣大消費(fèi)者提供更為優(yōu)良的鍵盤(pán)產(chǎn)品的目的。