次聲波測量系統設計

王瓊，黃宇

（1.成都理工大學工程技術學院工程訓練中心，樂山 614000；2.成都理工大學工程技術學院電計系，樂山 614000）

0 引言

次聲波是一種頻率較低的聲波，一般我們能聽見的聲波的頻率在20～20000Hz之間，而次聲波則低于20Hz。次聲波不容易衰減，不易被水和空氣吸收。因此次聲波往往可以傳播很遠，有些甚至能繞地球2到3周依然存在。次聲波可以由很多原因產生，特別是一些大的自然災害往往會產生較強功率的次聲波，例如地震、火山爆發、颶風、水中漩渦、空中湍流等。次聲波對人類的危害曾經也通過實驗證明。醫學研究表明，人體內臟的頻率剛好處于次聲段，因此次聲波容易造成人體內臟的共振，如果能量過大則會給人帶來很大的傷害。由于次聲波的這種普遍存在又容易對人體產生影響的特性，本文的宗旨在于研究一種簡單易行的方式對我們身邊的次聲波進行探測，以達到預防躲避的效果。

1 方案設計

要檢測次聲波首先我們需要穩定的產生源，而自然界的次聲波是隨機產生的，為了獲得一個穩定的次聲波源，我們先利用現有的軟硬件資源來生產一個次聲波，然后再利用另一套軟硬件平臺采集測量該次聲波，以達到研究它的目的。

次聲波的產生，本文利用VC++6.0編寫了一個用于產生次聲波的程序，該程序的硬件基礎主要是依靠聲卡以及外揚聲器來作為信號產生源。在程序的控制下，我們可以獲得2～20000Hz之間的音頻信號，考慮到次聲波對人體的危害，實驗的時候要選擇小功率的揚聲器。

次聲波的采集，采集次聲波的方法很多，最直接的就是利用各種次聲波傳感器以及數據采集系統來實現。考慮到成本，我們還是通過現有的計算機硬件資源以及用來做儀器虛擬的LabVIEW開發工具來實現。利用聲卡以及LabVIEW編寫的程序就可以實現一個音頻采集系統的功能。對于這個過程我們可以由以下幾步來完成：首先設置好聲卡的參數，再利用選好的聲卡通道采集數據，采集到計算機之后可以對數據進行存儲也可以對數據進行進一步的分析處理，例如傅里葉變換、加窗降噪等，最后再將波形數據通過圖形控件顯示出來。

圖2

圖3 為以聲卡為硬件基礎的次聲采集程序框圖，通過對左右聲道的設置實現聲波信號的采集。

圖3

2 結果與分析

通過實驗，我們得到了以下微弱的信號，由于外界的干擾比較多，自身的靈敏度比較低，所以得到的信號比較微弱，為毫伏級。

圖4

以下是頻域中的圖像，由于我們采用的是雙邊FFT所以得到的是一個對稱的結果。

圖5

3 噪聲處理

最后我們考慮到產生的信號具有非線性、非平穩性的特點，單純的頻域方法容易使信號失真，效果達不到預期目標，所以我們引入經驗模態分解(Empirical Mode Decomposition，簡稱EMD)方法，EMD濾波方法從信號本身的尺度特征出發對信號進行分解，所以該方法具有良好的局部適應性，加上瞬時頻率的引入便可以從時頻兩方面同時對信號進行分析，增加了處理信號的靈活性和有效性。假定原始信號為：

根據EMD的分解原理，可以把信號的分解過程表示為多分辨率的濾波過程，得到濾波結果。去掉若干高頻，重構剩余分量得到信號。其低通表達式：

去掉若干低頻IMF，重構高頻得到信號。其高通濾波表達式：

去掉若干高頻和若干較低頻率，重構中間的分量得到信號，帶通濾波表達式：

最后經過經驗模態分解方法處理濾波之后的信號如下所示，可以看出來具有一定的參考意義。

圖6

4 結語

由于次聲波的特性不便于我們做大功率的實驗，所以以上實驗還有許多需要改進的地方，我們可以考慮利用LabVIEW的遠程控制能力，使測試者遠離次聲源，從而加大功率來進行測試。另外考慮到實驗的靈敏度問題，選擇利用次聲波傳感器來實現次聲的采集應該是一種更好的選擇，但是要加大成本，提高系統的復雜度，因此在要求不高的條件下本文所示方法還是具有一定實踐意義。