基于ECM的水聽器設(shè)計及信號采集實驗方案

呂文紅， 苑嬌嬌， 吳 琪， 侯佳辰， 郭銀景

（山東科技大學 a.交通學院；b.電子信息工程學院，山東 青島 266590）

0 引 言

近年來，無論軍事還是民用領(lǐng)域，海洋研究發(fā)展迅速?，F(xiàn)階段，水聲通信［1］，水下目標探測、定位和識別［2-4］等技術(shù)研究主要采用以矢量水聽器為信號接收單元。國內(nèi)研制的微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）矢量水聽器具有靈敏度高、低頻響應好、體積小等優(yōu)點，能在水下獲取目標聲源的聲音信息，但水下環(huán)境中水聽器檢測到的聲音信號非常微弱。為了更好地進行后續(xù)的信號采集、分析和處理，水聽器信號調(diào)理電路的合理設(shè)計對整個水聲信號檢測系統(tǒng)具有十分重要的意義［5-9］。

現(xiàn)有的MEMS矢量水聽器信號采集實驗研究中水聽器設(shè)計成本較高，并且信號采集過程較為復雜。本文以低成本、安裝靈活性以及高便捷性為特點，設(shè)計一款基于駐極體電容式麥克風（Electret Condenser Microphone，ECM）的水聽器，搭建了信號采集實驗平臺，開展水聲信號采集檢測研究。探討水聽器信號調(diào)理電路增益、不同發(fā)射信號、發(fā)射換能器和水聽器之間不同距離（水聲通信距離）對水聲信號采集的影響。

1 基于ECM的水聽器設(shè)計

1.1 ECM組成及工作原理

ECM由聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分組成。聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動膜，它是一片極薄的塑料膜片。在其上面蒸墊上一層金屬墊圈，當此膜經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷。膜片上墊有金屬墊圈的一面向外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開。這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個電容［10-11］。當駐極體膜片遇到聲波振動時，引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波改變而變化的交變電壓。ECM的組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖1、2所示。

圖1 ECM的組成

圖2 ECM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

目前，ECM廣泛應用于聲學領(lǐng)域，它是采用一種絕緣的永久性極化材料制成。聲音進入麥克風，聲波的疏密變化引起帶負電的薄金屬膜片振動，隨即將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，膜片振動在駐體上產(chǎn)生壓力，傳遞至駐極體后板，駐極體后板和膜片底部都與場效應晶體管前置放大器相連并有一終端通向外部。當膜片振動時，膜片和駐極體后板間的距離和空間發(fā)生改變，產(chǎn)生電壓，通過固定在麥克風上的場效應晶體管，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，再通過終端傳到放大器［12］。ECM頻響寬、靈敏度高且耐用，而膜片是它唯一運動的部分。通過膜片振動，將振動信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，從而實現(xiàn)對水下聲信號聲壓大小的測量。

圖3為ECM電路板與相應的駐極體實物圖，圖4為聚氨酯［13］封裝防水水聽器。

圖3 水聽器電路板及駐極體實物圖

圖4 聚氨酯封裝的防水水聽器

1.2 水聽器放大電路設(shè)計及仿真

當水下環(huán)境中矢量水聽器接收到聲音信號時，聲場中的振動使水聽器敏感單元產(chǎn)生微弱的差分電壓信號，需要對其進行放大處理。本方案采用NE5532芯片［14-15］對水聽器微弱電壓信號進行兩級放大，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計指標要求，確定各元件參數(shù)，采用兩級放大，通過調(diào)整電阻大小來設(shè)計不同電路增益，放大電路原理設(shè)計如圖5所示。

圖5 水聽器放大電路原理設(shè)計圖

為了防止電流反置，在12 V電源供電端加入二極管和穩(wěn)壓芯片（12 V轉(zhuǎn)9 V），并分別加一個容值為22 μF的鉭電容C9、C10。在第1級放大中，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻調(diào)整放大倍數(shù)，分別將可調(diào)電阻調(diào)至整個電阻值的25%、50%、75%、100%，對應的放大倍數(shù)A1分別為13.5、26、38.5、51。第2級放大中，放大倍數(shù)表示為

因此，總放大倍數(shù)為A=A1A2。

對上述設(shè)計電路在Multisim中進行仿真，信號發(fā)生器輸入峰值Up-p為5 mV，頻率為1 kHz的正弦信號，仿真結(jié)果如圖6所示：紅色（Channel A）代表輸入信號；綠色（Channel B）代表放大后的輸出信號。當可調(diào)電阻R調(diào)至最大時（即調(diào)至整個電阻值的100%時），兩級增益的理論設(shè)計值計算為

由仿真曲線可以看出信號峰峰值由19.194 mV放大到4.447 V，放大倍數(shù)為231.7倍，接近理論設(shè)計值237.6。

2 實驗材料

實驗測試原理如圖7所示，信號源發(fā)射信號采用不同頻率的單頻連續(xù)信號、線性調(diào)頻信號（LFM）等多種信號形式，發(fā)射換能器距水聽器的距離為3 m，發(fā)射換能器、水聽器距離水面距離為0.8 m，發(fā)射換能器的發(fā)射角為0 °，即正對水聽器。

圖7 實驗原理圖

信號源采用不同形式的聲音信號，發(fā)射換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號，發(fā)射信號經(jīng)過水聲信道傳輸至水聽器，水聽器的輸出端通過內(nèi)錄線將聲音信號傳輸至PC端，結(jié)合AU軟件平臺，采集聲音信號并進行后續(xù)處理和分析，以驗證該系統(tǒng)平臺的可行性。

水聽器測試實驗過程中使用的器材和元件如表1所示。

表1 實驗材料

3 實驗方案

由于水下環(huán)境復雜，接收信號質(zhì)量受多種因素影響。在實驗過程中應盡量注意水面平穩(wěn)以及發(fā)射換能器和水聽器的穩(wěn)定，降低水面波動帶來的環(huán)境噪聲干擾。同時，盡可能保持發(fā)射角度和接收角度為0°，避免采集誤差對接收信號質(zhì)量的影響。當實驗環(huán)境狀態(tài)調(diào)整好后，即可控制發(fā)射換能器發(fā)射信號，借助AU軟件，水聽器將接收的信號實時顯示、存儲并分析。

打開PC端的AU軟件前，首先插入AUX內(nèi)錄線進行信號采集，插入耳機進行聽覺回放感知。設(shè)置完畢后，打開AU軟件，新建一音頻文件，設(shè)置采樣率，如圖8所示。并結(jié)合計算機設(shè)備選擇音頻硬件中的輸入和輸出，如圖9所示。實驗準備好后，點擊錄制系統(tǒng)即可開始采集信號并進行存儲分析，在編輯器會看到實時采集到的水聲信號。

圖8 新建音頻文件

圖9 音頻硬件設(shè)置

實驗探討多因素對水聲信號采集影響，包括水聽器信號調(diào)理電路增益、不同發(fā)射信號形式、發(fā)射換能器和水聽器之間的距離。

選用1 kHz的正弦信號，作為發(fā)射信號通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的阻值設(shè)置不同電路增益A，設(shè)置可調(diào)電阻分別為最大電阻的25%、50%、75%、100%，則水聽器放大電路增益分別對應為62.9，121.1，179.4，237.6。因水聽器防水后無法調(diào)節(jié)阻值，需在水上設(shè)置不同電路增益并借助AU軟件對未防水水聽器進行信號波形采集，根據(jù)聽覺回放感知和波形分析，確定最佳放大電路增益。

確定最佳放大電路增益后，對水聽器進行聚氨酯防水處理。水聲信號采集實驗在淡水環(huán)境中進行，固定發(fā)射換能器的位置不動，選用啁啾信號（線性調(diào)頻信號）為發(fā)射信號，調(diào)整水聽器的放置距離d為50、100、150、200 cm，依次采集隨放置距離變化的水聲信號波形，通過事后回放、波形及頻率分析，綜合對比不同距離下采集到的水聲信號。

探討不同發(fā)射信號形式對水聲信號采集的影響，主要采用單頻連續(xù)正弦信號、啁啾信號（線性調(diào)頻信號）兩種不同形式的發(fā)射信號，觀察水聽器接收信號采集的差異。實驗流程圖如圖10所示。

圖10 水聽器接收信號的實驗流程圖

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 不同電路增益下水聽器接收信號采集

在4種不同電路增益A下，水聽器采集到的信號波形及其分別對應的頻率特性圖如圖11所示。頻率特性圖的橫坐標為頻率（Hz），縱坐標是聲音音量（dB），頻率特性圖顯示了不同頻率下聲音的音量大小。同時，隨著電路增益的提高，采集到的信號振幅隨之增大，則說明放大電路效果良好。

圖11 不同電路增益下的信號采集波形

4.2 不同通信距離下水聽器接收信號采集

在4種不同距離下，防水水聽器接收到的信號采集波形如圖12所示。可以看出，隨著水聲通信距離增大，聲波在水中傳播時波束越發(fā)散，水吸收能力越強，則水聲信號在水中衰減得越嚴重。頻率分析也反映了信號質(zhì)量逐漸下降，但水聽器在距離較遠處仍可以采集到較清晰的聲音。

圖12 4種不同通信距離下的水聽器接收信號波形

4.3 不同發(fā)射信號下水聽器接收信號采集

分別以單頻連續(xù)正弦信號、啁啾信號（線性調(diào)頻信號）作為發(fā)射信號，水聽器接收到的波形如圖13所示。由圖13可看出，不同發(fā)射信號在水下的頻率特性有明顯不同。

圖13 2種不同發(fā)射信號下的水聽器接收信號波形

5 結(jié) 論

該水聽器設(shè)計方案可廣泛應用于水聲通信、水下目標識別、水下定位等試驗中，水聽器信號采集實驗分別從水聽器信號調(diào)理電路增益、發(fā)射換能器和水聽器之間不同距離、不同發(fā)射信號形式3方面進行，借助AU軟件采集信號波形，并通過頻譜分析、事后回放等分析項目分析水聲信號采集質(zhì)量，得出以下結(jié)論：

（1）利用水聽器放大電路中可調(diào)電阻調(diào)整不同電路增益，經(jīng)不同增益下波形對比及頻率特性分析，直接觀察到，采用電路增益為237.6時采集到的信號波形質(zhì)量（如完整性、平滑度、噪聲干擾）更優(yōu)。

（2）隨著水聽器距發(fā)射換能器的距離不斷增大，水聲信號振幅總體呈現(xiàn)變小的趨勢，但在相對較遠通信距離下水聽器采集到的信號波形。仍有振幅，且經(jīng)事后回放，仍可聽到發(fā)射信號音頻。

（3）發(fā)射信號不同，水聽器接收的頻率特性表現(xiàn)有較大差異。

本文設(shè)計的水聲信號采集系統(tǒng)使用自制水聽器結(jié)合計算機的方式，實現(xiàn)水聲信號的收發(fā)通信、實時采集、存儲，實驗完成后可用Matlab軟件分析所采集水聲信號的各項參數(shù)和算法解算，用于水下目標識別、探測及定位等領(lǐng)域。