江豚被動聲學監測系統硬件設計

深圳大學光電工程學院 張 帆 余思瑤 朱璐璐 唐 雪 郭金川

1.引言

江豚是國家二級保護動物，其淡水亞種長江江豚為中國所特有，為瀕危亞種。使用聲學方法為對長江江豚數量、行為等進行科學考察的重要手段之一。白鱀豚已“功能性滅絕”，未能保留下可用于細胞培養的活細胞，但還有在野外存在少量個體的可能。

近年來在針對長江江豚和白鱀豚的科學研究和科學考察中，采用的是由標準水聽器、同軸電纜、主放大器、高采樣率信號記錄儀或采集卡、處理軟件等組成的系統，或者使用專用的雙聲道微型發聲事件記錄儀。標準水聽器是為了作為計量標準而生產的，穩定性好，售價高，在野外使用中易損壞。

目前使用的微型發聲事件記錄儀為進口產品，售價高，使用中易丟失而造成較大經濟損失。此記錄儀將采集的超聲信號進行模擬帶通濾波和檢波后，進行2kHz采樣率的模數轉換并記錄在閃存上。因此，該設備只能記錄江豚的回聲定位信號的特征，無法記錄完整波形。

本文將介紹一種由寬頻帶水聲USB錄音機等組成的廉價齒鯨亞目動物被動聲學實時監測系統設計。

2.硬件系統描述

系統主要由簡易水聽器、前置差分輸出放大器、信號電纜、USB錄音機主板、微機、配套軟件構成，可以記錄信號的完整波形并進行實時處理。整個系統造價十分低廉，即使損壞或丟失，損失也很小。系統還可以同時記錄下可能還存在的白鱀豚的哨叫聲和回聲定位信號。另有基于NI數據采集卡的寬帶錄音播放系統用于系統調試和校準。

2.1 簡易水聽器

用于制作簡易水聽器的壓電陶瓷管外直徑為8mm、內直徑為6mm，長12mm，訂購自淄博宇海電子陶瓷有限公司。計劃使用軟線將壓電陶瓷管連接至前置放大器，并增加絕緣、屏蔽、防水結構后，制成簡易水聽器。目前，防水密封工藝尚未能成功完成。

端屏蔽近似下，徑向極化壓電陶瓷管水聽器低頻接收靈敏度為[1]：

將內半徑a=3mm，外半徑b=4mm，PZT-5A材料的g31=-11.4×10-3Vm/N，g33=24.9×10-3Vm/N[2]代入上式，可得接收靈敏度為31.4μV/Pa，即-210dB(相對1V/μPa)。

在前置放大器中，壓電陶瓷管產生的信號電壓被一片低噪聲CMOS雙運算放大器ADI AD8656放大至94倍，并轉為差分信號。前置放大器由正5V單電源供電。這樣，用于連接前置放大器和USB錄音機主板的屏蔽信號電纜內僅需一對信號、一對電源共兩對雙絞線即可，避免了使用昂貴的同軸電纜。

2.2 USB錄音機主板設計

輸入到USB錄音機主板上的信號，被TI THS4131雙極型低噪聲全差分運算放大器放大至12.2倍，設計3dB通頻帶為87Hz～165kHz。此防混疊濾波器網絡結構采用THS4131的器件手冊上所推薦的結構。圖1為包含前置放大器和緩沖放大器在內的系統模擬前端整體的電路原理圖。

模數轉換芯片使用TI ADS8323，這是16位、雙極性差分輸入、并行輸出模數轉換器芯片。數據轉換速率設置為500ksps，所需數據傳輸速度為1MB/s。因ADS8323內部沒有輸入緩沖放大器，因此必須配合輸入緩沖放大器使用，否則會得到錯誤的轉換結果。模數轉換芯片輸出的數據經Cypress CY7C68013A后，使用USB 2.0總線連接至微機。CY7C68013A輸入時鐘信號由24MHz晶振給出。傳輸數據時，USB 2.0總線工作于批量數據傳輸模式。測試表明，當數據傳輸速度為1MB/s時，僅僅使用CY7C68013A內置的FIFO緩存，即可保證在長時間傳輸中，數據不丟失。

AD轉換和數據傳輸的時序控制信號，由3.3V供電的CPLD Altera EPM3064生成，其輸入時鐘信號由20MHz晶振給出。因ADS8323要求高電平信號至少為3.0V，而EPM3064在3.3V供電下輸出的高電平最低為3.1V，余量較小，因此使用一片5V供電的74HCT244進行電平轉換。為減小CPLD中數字電路的運行導致的噪聲，在采樣瞬間，CPLD內狀態發生轉換的觸發器數量應最小化。

系統需要的模擬和數字3.3V電源為使用線性穩壓芯片ASM1117-3.3對5V的USB供電降壓后獲得。系統需要的模擬和數字5V電源為先用開關電源芯片MC33063對USB供電升壓至7.1V后，再使用線性穩壓芯片得到，以提高電源穩定度，降低噪聲。

仿真得到系統在5kHz處總電壓放大倍數為1142倍。一個模數轉換單位(ADU)對應模數轉換芯片輸入端的76.3μV，即在壓電陶瓷管端為0.0668μV/ADU。由壓電陶瓷管接收靈敏度為31.4μV/Pa可得系統靈敏度約為2.13mPa/ADU。

圖2為試制的系統實物照片。拍攝時尚未在水聽器外安裝絕緣及屏蔽層。

圖1 系統模擬前端電路原理圖

圖2 江豚被動聲學監測系統硬件原型照片

圖3 系統的噪聲功率譜

3.軟件及錄音播放系統

配套的軟件為使用C++編寫的Windows控制臺應用程序。目前代碼總量約2000行。軟件為多線程工作，設計為可實時識別江豚回聲定位信號并輸出信號特征參數，并可保存錄音至.wav文件。

NI PCI-6040E能夠以每秒最高1M采樣的采樣率，12位的量化精度輸出最高電壓為±10V的信號。這足以滿足要求，故調試用錄音播放系統使用NI PCI-6040E數據采集卡的模擬信號輸出直接驅動壓電陶瓷，工作采樣率為500ksps。播放程序使用C語言編寫，通過調用NI DAQmx庫函數控制數據采集卡。

4.硬件系統初步測試結果

系統原型在空氣中可錄下清晰的講話聲音。圖3為在足夠安靜的環境下的空氣中測得的系統的噪聲功率譜，測試時，反饋電容C8、C9因故未安裝。

在關注的100kHz～150kHz共50kHz的帶寬內，噪聲電壓有效值為2.7ADU。設系統靈敏度為2.13mPa/ADU，則此50kHz的帶寬內噪聲對應單頻信號的峰峰值為約16.3mPa，或84.2dB(相對1μPa)。另外，在此靈敏度下，不飽和最大信號聲壓級峰峰值為163dB(相對1μPa)。

長江江豚發出的回聲定位信號脈沖中心頻率在125kHz左右，信號的聲源級峰峰值SL平均約197dB(相對1μPa @ 1m)；15℃下淡水中125kHz平面聲波衰減為λ≈0.004dB/m；在球面波傳播情況下，接收點聲壓級SPL與聲源級間的關系為SL=SPL+20logR+λR，R為距離[3]。忽略環境噪聲，可算出84.2dB最小檢測聲壓級SPL對應的探測最遠距離為8.54km。

在關注的4～8kHz頻段，系統噪聲有效值在大部分頻點上略小于0.3ADU2/kHz，即在50Hz帶寬內噪聲峰峰值約0.35ADU，在2.13mPa/ADU靈敏度下，對應聲壓級峰峰值為57.4dB(相對1μPa)。但在4.05、4.7、5.4、6.1kHz±25Hz頻點上，噪聲分別為10.4、6.2、0.91、0.37ADU2/kHz。

白鱀豚回聲定位信號中心頻率在77kHz左右，具有線性周期調制特性[4][5]。

白鱀豚哨叫聲基頻頻率平均為5.7kHz(標準差0.67)；聲源級峰峰值SL平均為143.2dB(標準差5.8，相對1μPa@ 1m)[6]。根據SL=SPL+15logR+λR(計入水底聲吸收的淺水近似)，以及λ≈10-5dB/m[7]，忽略環境噪聲，可算出57.4dB最小檢測聲壓級SPL對應的探測最遠距離為322km，但考慮水面曲率、水較渾濁等的影響后，探測距離可能將遠不能達到此值。如果依然使用球面波傳播近似計算，忽略環境噪聲，可算出探測最遠距離為19.1km。

5.結語

本文主要給出了一個寬頻帶水聲USB錄音機的硬件設計。經初步測試，基于此USB水聲錄音機的江豚及白鱀豚被動聲學監測系統可以實現設計的功能。與目前長江江豚及白鱀豚科考中使用的系統相比，此系統同時具有成本低，可實現實時監測，可保存完整錄音數據的特點。

[1]欒桂冬,張金鐸,王仁乾.壓電換能器和換能器陣[M].北京大學出版社,1990：224.

[2]Mattiat.O.E.超聲換能器材料[M].科學出版社,1979.

[3]Li S,Akamatsu T,Wang D,et al.Localization and tracking of phonating finless porpoises using towed stereo acoustic data-loggers[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2009,126：468.

[4]荊顯英,肖友芙,景榮才.白鱀豚的回聲定位信號[J].海洋學報(中文版),1983,1：11.

[5]王丁,劉仁俊,陳佩薰,王治藩,盧文祥,楊叔子.白鱀豚的發聲及其與環境適應的初步研究[J].水生生物學報,1989,03：210-217.

[6]Wang K,Wang D,Akamatsu T,et al.Estimated detection distance of a baiji’s(Chinese river dolphin,Lipotes vexillifer)whistles using a passive acoustic survey method[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2006,120：1361.

[7]劉伯勝,雷家煜.水聲學原理[M].哈爾濱工程大學出版社,1993：69-71.