麥克風特性研究的教學實驗系統搭建

宮 琴，陳又圣

（清華大學 醫學院 生物醫學工程系，北京 100084）

聲學的工程分析和應用課程是生物醫學工程系中比較重要的專業基礎課程，該門課程通常采用的是以理論學習為主，以實驗學習為輔的教學模式。其中，在語音信號的分析和處理等實驗教學課程中都以Matlab仿真為主要形式[1]，這種與課程的理論知識結合的實驗[2]有助于學生對課程知識要點的深入理解。但是，傳統的Matlab里的仿真教學是經過簡化的實驗，比如選用的信號都是理想化的信號，常常是白噪和正弦信號等，即使在濾波實驗里，所選的信號也是由Maltab生成的正弦加白噪的簡單模型。而在該門課程中，涉及到不同聲場環境下，對經過麥克風采集送入計算機再進行處理的語音信號的研究，以及對這些語音信號進行語音增強的處理等實驗測試，由于聲場的不同，實際環境噪聲就不是標準的白噪聲[3]，不同的聲場環境造成麥克風實際采集特性的變化，而且為了進一步便于學生更好地理解實際聲場環境中不同麥克風采集到的聲音信號的特征，以深入了解不同聲場條件下麥克風實際采集特性的變化；為進一步開展麥克風陣列語音增強的開放性實驗研究奠定基礎，本文開發了一套基于USB聲卡的麥克風信號采集綜合教學實驗系統，用于測試自由聲場以及放置頭部模型等不同聲場條件下的麥克風的特性。該系統包含雙麥克風模塊、放大和濾波電路、為麥克風和電路芯片提供電壓的電源電路、實現信號的A／D轉換和信號傳輸的USB聲卡以及用于后續信號處理的計算機。所搭建的系統使用了2個TP型麥克風，可以采集到四路信息，為該平臺開展麥克風陣列的語音增強的開放性實驗研究奠定了基礎。

1 硬件電路的設計

1.1 系統結構

本文所搭建的基于USB聲卡的麥克風信號采集和信號特征研究的綜合教學實驗系統結構如圖1所示，共有五大模塊。包括對聲信號進行采集并轉換的麥克風模塊，對信號進行放大和濾波的預處理電路，將模擬信號轉換為數字信號的USB聲卡，對整個系統進行供電的電源電路和對信號進行處理、分析、顯示的終端計算機[4]。

圖1 系統結構圖

其中，信號采集麥克風模塊包含2個微型的麥克風將聲信號轉換為電信號，每個微型麥克風均有2個采集口，能同時輸出全向性和指向性信號，因而系統能同時獲取四路采集的信號。由于麥克風模塊輸出的電信號非常微弱并且混有噪聲，系統里的預處理電路用于放大麥克風采集到的信號和濾除噪聲。預處理電路輸出的是模擬信號，USB聲卡的作用是把模擬信號轉換為數字信號并且通過USB高速傳輸方式把信號發送到計算機中，終端計算保存采集到的信號，并進行后續的信號、分析和波形的顯示。

1.2 電路的具體實現和器件選擇

信號采集麥克風模塊包含2個TP型的麥克風，該TP型微型麥克風模塊集成了全向性TO型麥克風模塊和指向性TD型麥克風模塊的功能于一體，但體積與單個TO型或者TD型麥克風模塊相當。每個TP型麥克風能同時輸出全向性和指向性信號，因而系統能同時獲取四路采集的信號，并且能調節延遲、角度和權重等參數，能夠滿足開放性實驗研究中對較為復雜的極性圖的設計要求，具有很高的教學實用價值。麥克風模塊比較小，而且為了便于調整麥克風信號采集的方位，使用獨立的圓形PCB板來固定麥克風模塊，并且留有相應的接口以連接麥克風模塊的信號輸出端口、電源端口和接地端口，而這3個接口同時通過排線連接到主電路板上。主電路板主要是放大電路、濾波電路和電源電路，由于本實驗中使用2個麥克風采集信號，因而放大電路和濾波電路均有兩路，分別對2個麥克風采集到的信號實現放大和濾波。

放大電路由一級放大和二級放大電路組成，其中，一級放大電路使用了儀表放大器AD 624，該芯片的噪聲系數低，適合用于放大前端微弱的信號并且減少噪聲；而二級放大電路由運算放大器OP 275和滑動變阻器以及一些電阻、電容組成，該滑動變阻器可用來調節不同的增益以便放大后的信號達到所需要的范圍。

濾波電路使用了運算放大器OP 275以及相應的電阻電容器件。該電路包括二階的低通濾波電路和二階的高通濾波電路，所構成的帶通濾波器的理論通帶在200Hz和12000Hz之間，而50Hz的工頻干擾在該頻帶之外。

電源電路主要為麥克風模塊以及預處理電路的各個芯片提供電壓。其中，通過基準電壓芯片REF 2912提供1.25V的電壓，而儀表放大器AD 624和運算放大器OP 275所需要的＋12V和－12V的電壓由電源模塊NR5D12來提供。整個主電路板留有電源適配器端口和USB端口來提供外置的電壓，通過5V的電源適配器或者通過USB連接線把電路板接入計算機中（二選一）來獲得5V的電壓。

2 旋轉平臺和輔助器件的搭建

為了便于測試不同方位信號采集的特征，本文同時搭建了旋轉平臺以及相應的輔助器件來簡化信號采集的過程。常規的測試不同方位信號采集的方法是：在不同方位分別放置音箱，然后依次播放信號。該方法需要大型的音箱陣列，系統復雜度高，并且會增加實驗測試的難度。

本文設計了旋轉移動平臺，通過調整麥克風和音箱的相對位置來實現不同方位的信號采集[5]，如圖2所示。麥克風模塊通過一個可調支架固定，并且調整為合適的間距，硬件電路以及麥克風模塊和可調支架一同放置在旋轉平臺上。旋轉平臺上精確標記了從0°到360°的各個方位精確刻度（大格10°，小格2°），當我們需要采集來自不同方位信號的時候，可以通過旋轉平臺來調整麥克風和音箱的相對位置來實現，該平臺在只有一個音箱的條件下能完成各個方位的信號采集測試，有助于簡化實驗流程和提高實驗的效率。

為了便于測試自由聲場條件下和頭部影響條件下的信號采集特征，預先在旋轉平臺的圓形轉盤上標記了頭部模型的位置，當測試在頭部影響條件下的信號采集特征時，需要把頭部模型放置在標記好的位置，當測試自由聲場條件下的信號采集特征時，只需要相應地把頭部模型移開即可。

圖2 旋轉測試平臺的系統外觀圖

3 信號采集的軟件實現流程

預處理電路把放大和濾波后的信號通過USB聲卡完成A／D轉換，并且傳輸到計算機里，計算機實時采集信號，該信號采集程序是基于Maltab編寫的，數據采集的流程如圖3所示。

圖3 基于Matlab的數據采集流程圖

在圖3的基于Matlab數據采集流程圖中，采集前先設置好硬件對應的采集參數，包括USB聲卡對應在計算機里的ID號、聲卡USB端口位置、采集的通道標號、采樣率和信號采集時間等，同時需要初始化采集的硬件。進入正式的信號采集階段后，需要初始化設備對象，然后把采集到的數據依次存儲起來。當信號采集的方位發生變化后，需要重新采集新的信號，不同方位的信號采集完成后，需要停止數據的采集，刪除設備對象以及清除數據采集過程中保存在緩存里的數據，釋放系統資源。基于Matlab的采集界面如圖4所示。

圖4 信號采集的界面

開始實驗的時候，按GUI里的“Run”按鈕運行程序，然后在GUI里設置好所需要的各個參數（包括通道類型、采樣率、信號采集時間和聲卡類型等），之后按“開始采集”按鈕，當所需要的目標信號采集完成后，按“停止采集”按鈕來停止數據的采集，最后按“數據保存”按鈕，選擇所需要的路徑來保存采集到的信號文件。

4 麥克風在不同聲場條件下信號采集和特征對比

進行信號采集的時候，首先把硬件系統放置在旋轉平臺上，調整麥克風模塊使之正好在轉盤的圓心位置。音箱放在距離麥克風模塊約1.5m處，音箱可以播放不同類型的信號，在啟動硬件采集后，實時采集音箱播放來的信號并傳入計算機中保存。

當進行“頭部影響”實驗的時候，一般需要測試不同頻率的頭部影響特征，因而從音箱播放出來的信號是純音信號。可以預先用Matlab合成出不同頻率的幾個純音信號，合成純音信號時需要考慮好信號的包絡形狀（如矩形包絡和梯形包絡）、純音的播放時間、不同頻率信號的間隔和播放次數等。由于在旋轉平臺上已經預先標記好了頭部模型的放置位置，因此把頭部模型放置在該位置后，啟動硬件系統進行信號采集，同時控制音箱播放不同頻率的純音信號，就可以得到某一方位下的頭部模型對信號采集影響的數據。需要測試、采集其他方位的信號特征時，只需要旋轉麥克風到一定的刻度，重新進行上述的信號采集過程即可。為了比較頭部影響和自由聲場下的信號采集特征，進行完頭部影響實驗后，把頭部模型移開，信號在沒有頭部干擾情形下進行信號采集，代表的是自由聲場下的特征。

采集到的數據保存在計算機中進行后續的處理，可以用Matlab來畫出相應的信號波形和不同方位的幅度來顯示信號采集的特征。由于音箱本身的頻率特性不是非常好，也就是說，從Matlab合成的不同頻率信號的幅度是一致的，但從音箱播放出來的不同信號的實際幅度卻是有差異的，為了排除音箱本身頻率特性的影響，可以以某一方位的信號幅度為基準（如0°方位），統計其他方位的相對幅度[6]，這樣就可以看出實際不同方位的信號采集在自由聲場和頭部影響條件下的特征了。

這里以四通道電子耳蝸中的一個頻率（選用通道2的中心頻率953Hz）為例說明具體信號采集的結果，如圖5所示。

圖5 在自由聲場和頭部影響情形下的不同方位的信號采集的特征

語音信號的能量主要集中在1000Hz附近的低頻段，因而本文里使用了與1000Hz較為接近的通道2的中心頻率953Hz來測試信號采集的特征。從圖5中可以看到，在自由聲場條件下，信號采集在各個方位的幅度是基本一致的，因而自由聲場條件下麥克風的信號采集具有較好的全向性特征。當麥克風處于頭部模型的影響條件下，信號采集的幅度發生了變化，不同方位的信號幅度有明顯變化。在無頭部模型直接遮擋一側（對應硬件平臺左側方向，圖中的0°到180°方位），頭部模型對音箱傳來的信號主要起了部分反射的作用，從圖5中的幅度值看出，在該側方向的信號仍保持了較好的全向性特征，幅度變化在0～3dB之間；而在頭部直接遮擋一側（對應硬件平臺右側方向，圖中的180°～360°方位）頭部模型阻礙了來自音箱信號直線傳遞到麥克風上，信號發生繞射和衰減。從圖5中信號在180°～360°方位的極性圖看，該側信號的幅度比較雜亂，沒有比較明顯的規律，而且總體幅度是降低了，信號幅度之間的變化較大，在0～15dB之間。

可以基于該平臺進一步測試不同頻率的信號采集特征，歸納頭部影響與頻率的關系，并進一步讓學生開放性研究測試麥克風陣列的語音增強作用，以此幫助學生更貼近實際地理解不同實際聲場條件下麥克風信號采集的特性，以及麥克風陣列進行語音增強潛力。

5 結束語

本文搭建了基于USB聲卡的測試麥克風特性的聲學教學實驗系統，對比研究了自由聲場和放置了頭部模型影響的不同聲場條件下的麥克風采集信號的特征。該平臺為聲學信號采集、處理和相關課程提供了一個綜合的采集和分析平臺，可配合相關的理論課程開展實驗測試和研究，有助于提高學生的實踐能力和豐富教學內容。另外，頭部的聲學干擾會對麥克風陣列領域里算法（如延遲波束形成技術[7－9]、聲源定位[10－11]和語音增強[12]）產生影響，因而該平臺也為學生進一步探索麥克風陣列里的前沿技術和理論研究提供了一個開放的實驗測試平臺。

（References）

[1]袁駿，張衛，胡金華，等.基于Matlab的圓陣寬帶多波束形成仿真平臺開發[J].實驗技術與管理，2013，30（2）：97-100.

[2]何鵬，侯艷陽，房漢雄.生物醫學實驗教學裝置研制與應用[J].實驗技術與管理，2013，30（2）：70-73.

[3]Chen Yousheng，Gong Qin.Broadband beamforming compensation algorithm in CI Front-end acquisition[J].Biomed Eng Online，2013（12）：18.

[4]陳又圣，宮琴.基于雙TP型麥克風的電子耳蝸前端指向性語音增強系統的研制[J].儀器儀表學報，2010（9）：1952-1958.

[5]Yousheng Chen，Qin Gong.Head influence platform for cochlearimplant[J].WC 2012，Beijing，China，2013（39）：1468-1471.

[6]陳又圣.基于麥克風陣列的電子耳蝸前端語音增強關鍵技術的研究[D].北京：清華大學，2013.

[7]Gong Qin，Chen Yousheng.Parameter selection methods of delay and beamforming for cochlear implant speech enhancement[J].Acoust Phys-Engl Tr，2011，57（4）：542-550.

[8]Liu Y Q，Yang J L，Yao J P.Continuous true-time-delay beamforming for phased array antenna using a tunable chirped fiber grating delay line[J].IEEE Photonic Technol Lett，2002，14（8）：1172-1174.

[9]陳輝，劉成城，李冬海.基于子帶SDL的寬帶自適應波束形成[J].信號處理，2012，28（12）：1685-1691.

[10]陳孝杰.麥克風陣列聲源定位方法研究[D].北京：清華大學，2007.

[11]宋輝.復雜環境下麥克風陣列聲源定位和語音增強方法研究[D].北京：清華大學，2011.

[12]董保帥.近距離雙麥克風語音增強算法研究[D].北京：清華大學電子系，2012.