次聲波簡易監測方法及分析

李 彥,歐陽紅群,劉小偉

(1.華南農業大學食品學院,廣東廣州510642; 2.中山大學物理科學與工程技術學院,廣東廣州510275)

次聲波簡易監測方法及分析

李 彥1,歐陽紅群2,劉小偉2

(1.華南農業大學食品學院,廣東廣州510642; 2.中山大學物理科學與工程技術學院,廣東廣州510275)

設計了簡易次聲檢測裝置,利用通用電容傳聲器和計算機(板載)聲卡,采用調幅方法或利用非簡諧高頻倍頻分量信息并借助虛擬儀器技術實現次聲波監測.使用LabVIEW內嵌網絡功能,探索了環境次聲遠程監測的可行性.

次聲監測;電容傳聲器;調制幅度;虛擬儀器

1 引 言

頻率小于20 Hz的聲波稱為次聲波.地震、火山爆發、風暴、海浪沖擊或者臺風等都可產生次聲波,檢測研究自然次聲的特性和產生機制,可達到預測自然災害性事件的目的.醫學研究發現某些頻率次聲波和生物器官的振動頻率相近而易產生共振或干擾生物神經系統的正常功能[1],對人體有很強的傷害性.由于次聲波具有很強的穿透能力,城市建設、交通等人為次聲可對人們工作效率和身心健康產生負面影響.因此,檢測環境次聲波具有現實意義和科學價值[2-7].

次聲波檢測核心技術是次聲傳感器研制.商品化檢測設備或科研專用監測儀器主要采用自動補償光纖次聲波傳感器、次聲波壓力傳感器、雙電容式次聲接收器、高靈敏度寬頻帶電容次聲傳感器或電容式次聲接收器等進行次聲測量[8-9].本文采用通用電容傳聲器和聲卡簡易組合[10-13],由聲卡Phone提供高頻載波并采用調幅技術檢測簡諧次聲波,或通過非簡諧次聲的高頻倍頻分量將次聲波轉化為可測量信號.通過傅里葉分析將次聲時序信號變換為頻譜分布,從而獲得次聲波頻率和強度.結合虛擬儀器技術和網絡硬件環境,初步探索次聲波遠程監測的技術可行性.

2 實驗原理

振膜微小位移(振動)而使其阻抗發生變化,聲卡Mic in通過測量這一阻抗變化而獲得聲波信息,同時它也提供了電容傳聲器阻抗轉換所需的靜態工作電壓.盡管通用電容傳聲器和聲卡的頻響靈敏區域處于20～20 kHz,不適合用于次聲波檢測,但是若采用高頻信號為載波而次聲波為調制信號,使電容傳聲器和(板載)聲卡組合均工作于頻響靈敏區域,則可達到檢測次聲波的目的.利用傅里葉變換將測量所得時序信號轉化為頻譜信號,從而獲取調制信號(即次聲波)的頻率和強度.圖1為采用調幅技術的次聲波監測原理圖.計算機(板載)聲卡Mic in用于獲取信號,而聲卡Phone提供高頻載波信號;分壓電容既保證準確地測量調制信號,同時也保護了電容傳聲器阻抗轉換功能正常工作.

若高頻載波信號和調制信號(即次聲波信號)分別表示為

圖1 采用調幅技術次聲監測原理

聲波在傳播中的聲壓作用將引起電容傳聲器

其中,ω0和ω分別為載波和次聲波頻率,A0,b0和b1為信號幅值.電容傳聲器監測所獲得信號為

由此可見,實驗測量將同時獲得和頻(ω0+ω)、差頻(ω0-ω)和基頻ω0分量,其中和頻或差頻信號強度反映了調制(次聲波)信號強度.原理上,對檢測信號進行傅里葉分析即可得到上述各分量信號頻率和強度,由(ω0+ω)-ω0,ω0-(ω0-ω)或[(ω0+ω)-(ω0-ω)]/2均可獲得次聲波頻率ω.

測量顯示,上述調幅技術對簡諧次聲波可行,但難以檢測分析非簡諧次聲信號.同時實驗過程中發現,非簡諧次聲可被聽見.這說明非簡諧次聲波包含高于20 Hz的高頻信號分量.對周期性非簡諧信號,通過傅里葉展開(或變換)可獲得基頻和倍頻信號各個分量,其表達式為

顯然通用電容傳聲器和聲卡難以準確地獲得低頻次聲波基頻分量,但從可測量的倍頻信號頻率差則可以得到次聲波頻率.同時也可以認為,這些高頻倍頻信號強度也反應了次聲波的強度.由此可見,這一方法不能用于檢測簡諧次聲波.

本工作要求聲卡既作為信號發生器產生高頻載波源信號,又可同時監測次聲信號并通過傅里葉變換獲得不同頻率分量信息.因此,聲卡測控軟件包含了信號發生器、數據采集和信號頻譜分析等功能模塊.選用LabVIEW開發環境實現上述所需功能,其中通過調用Extract Multiple Tone Information VI簡化不同頻率分量參數的提取和分析過程.軟件中設置“載波開關”按鈕用于開啟/關閉聲卡Phone載波信號輸出,實現簡諧/非簡諧監測功能切換.同時也利用該控件選擇簡諧/非簡諧信號數據分析處理方法.

由上述分析可見,經過測量方法改進并結合使用虛擬儀器技術,使通用電容傳聲器和計算機(板載)聲卡可用于檢測次聲波.聲卡既提供高頻載波信號又可實時檢測次聲調制信號,實現簡諧次聲波測量;利用非簡諧次聲高頻倍頻分量處于檢測設備的頻響靈敏區域,可由倍頻分量信號獲得次聲波信息.次聲遠程監測更具有實際應用價值,從而也利用LabVIEW內嵌網絡通信功能實現基于Web環境次聲遠程監測.

3 實驗結果分析

圖2顯示在模擬簡諧次聲環境中所獲得信號頻譜,其中載波信號頻率100 Hz,模擬簡諧次聲頻率10 Hz,聲卡采樣率8 kHz.圖中載波頻率相對設定頻率存在頻移,主要由于聲卡硬件采樣時鐘偏差所致,盡管造成頻差測量誤差但不影響技術可行性.

圖2 通過傅里葉變換所獲得的調幅信號頻譜

根據編程設定,啟用聲卡Phone載波輸出時,利用Extract Multiple Tone Information VI所獲得頻率信號分量信息,由(ω0+ω)-ω0,ω0-(ω0-ω),或[(ω0+ω)-(ω0-ω)]/2均可獲得次聲波頻率為10 Hz,與實際情況一致.盡管不能定量檢測次聲波強度,但(ω0+ω)或(ω0-ω)譜峰高度可以反映次聲信號強弱,而ω0譜峰則可起到輔助定標作用.選用100 Hz載波頻率滿足調幅信號處于監測設備頻響靈敏區的實驗要求.

圖3由“低音炮”所提供低頻次聲信號的監測結果.由圖可見,基頻信號分量并非最強,其原因既可能是次聲信號基頻分量較弱,同時也由于基頻信號處于檢測設備頻響靈敏區外;倍頻信號(圖3中3倍頻)分量較強,源于次聲自身倍頻信號較強,同時也由于信號處于檢測設備靈敏頻響區.盡管不能定量獲得次聲波強度,但所有分量整體變化已基本反映了源信號的強度信息.由倍頻信號的頻率間隔可以準確地得到次聲波頻率.

依據軟件設定,關閉聲卡Phone載波輸出時,利用Extract Multiple Tone Information VI所獲得各信號分量的頻率fi和強度Ai(其中i為譜峰序)分布(f0,A0),(f1,A1),(f2,A2),(fi, Ai),…,由它們之間的頻率差得到次聲波頻率.通過在該VI中設定適當閥值以便合理選擇頻譜起始峰.本工作選用前5峰為數據處理分析的依據,次聲頻率和強度分別表示為

圖3 通過傅里葉變換獲得的非簡諧次聲頻譜信號

盡管載波信號不影響非簡諧次聲波的實時觀測,但可能造成分析數據處理錯誤,所以檢測非簡諧次聲時通過“載波開關”關閉聲卡Phone的載波輸出以保證式(6)和(7)分析結果的準確性.

圖4為基于Web次聲波遠程監測界面.界面中所有控件均可通過網頁瀏覽器由終端用戶對檢測現場進行測控操作并實時獲取測量分析結果.從圖也可看出,盡管通用電容傳聲器和聲卡無法記錄由“低音炮”所產生5 Hz次聲的基頻信號,但利用非簡諧次聲波高頻倍頻分量的頻率間隔則可準確地獲得次聲頻率.

圖4 基于Web/Browser的次聲波遠程測控操作界面

4 結 論

1)與商品化檢測設備相比,盡管本工作在次聲波監測性能方面存在差距,但是它通過對常用電容傳聲器和計算機(板載)聲卡組合的技術改進,采用調幅方法或利用非簡諧次聲信號的高頻倍頻分量將用常規方法不可測量的次聲波“改造”為可測量信號.利用計算機聲卡功能,由聲卡完成數據采集處理,同時也提供了可調節的載波源信號.借助LabVIEW編程實現聲卡的次聲波監測功能,從而也避免了復雜的實驗硬件.

2)檢測簡諧次聲波信號時,通過聲卡Phone為信號源輸出高頻信號為載波,使常用電容傳聲器和(板載)聲卡工作于頻響靈敏區域.根據次聲監測物理原理,利用次聲波作用將引起電容傳聲器振膜微小位移(振動)而使阻抗發生變化,實現電容傳聲器兩端電壓幅度調制.使用傅里葉變換獲得次聲波頻率和強度信息,監測結果直觀.

3)針對非簡諧次聲信號,利用其高頻的倍頻分量可處于電容傳聲器和聲卡頻響靈敏區域的特點,通過測量高頻倍頻信號的頻率間隔獲得待測次聲波頻率.同時,采用部分倍頻分量強度之和半定量地描述次聲波信號強度.

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Simplified measurements and analyses of infrasound

LI Yan1,OU YANG Hong-qun2,LIU Xiao-wei2
(1.College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;
2.School of Physics&Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China)

A simple method to monitor infrasound is introduced as a combination of common condenser microphone and sound card.With high frequency carrier wave generated by sound card,harmonic infrasound wave can be measured with amplitude modulation technique.As for non-harmonic wave,its high frequency multiplication components are transferred into measurable signal.The sequential signal is converted to spectral distribution using Fourier analysis to acquire the frequency and strength of infrasound.Furthermore,based on virtual instrument technique and network hardware, the environmental infrasound can be explored with Web/Browser technology primarily.

infrasound monitor;capacitance microphone;amplitude modulation;virtual instrument

O425

A

1005-4642(2010)10-0040-03

[責任編輯:郭 偉]

2009-11-30

國家自然科學基金(No.10505033;No.10675175)

李 彥(1989-),女,廣東汕頭人,華南農業大學食品學院2008級本科生.

指導教師:劉小偉(1962-),男,廣東揭西人,中山大學物理實驗中心教授,博士,從事核物理及環境監測技術研究.