一種新型的電腦鍵盤按鍵聲信號采集方法*

張夢玉 王緒隆 張仲寧 李 杰 楊 京 梁 彬 程建春

(1 南京大學聲學研究所 南京 210093)

(2 人工微結構科學與技術協同創新中心 南京 210093)

(3 蘇州邦冠自動化有限公司 蘇州 215000)

0 引言

鍵盤作為一種方便快捷的手動外部輸入部件，目前已廣泛用于電腦和打字機等辦公設備。自鍵盤的誕生之日起，人們就不斷地在提升改進鍵盤的設計[1]以獲得更舒適的使用感。近年來，鍵盤的速度、鍵盤按鍵的手感以及鍵位沖突等鍵盤的有關需求在眾多研究人員的努力下得到很大的提高[2-3]。較為舒適的鍵盤按鍵聲能夠傳遞出鍵盤品質的可靠性、先進性，影響消費者的選擇心理，如今隨著人們生活水平的提高，鍵盤的按鍵噪聲品質也越來越被人們關注。過去，鍵盤噪聲品質的優劣大多依靠使用者親身感受，由于每個人的使用習慣不同，所以不同的人感受也不同，很難有準確的行業標準。為了提高鍵盤質量水平，保證使用的舒適度，鍵盤按鍵聲檢測系統應運而生。目前鍵盤按鍵聲檢測方法主要是使用低噪聲馬達敲擊鍵盤按鍵，傳聲器采集按鍵聲信號后傳給信號分析系統分析信號的分貝值，通過信號分貝值來判斷鍵盤按鍵是否合格。如本文所檢測的鍵盤按鍵，經過大量鍵盤按鍵的敲擊聲實驗測試，鍵盤按鍵聲在36～46 dB 之間的按鍵為合格鍵，超出這個范圍的按鍵視為不合格按鍵，需退回重裝。由于實際鍵盤生產線環境復雜，且有較強的背景噪聲，因此在強背景噪聲下，設計一個好的信號采集系統是保證鍵盤按鍵檢測準確、可靠的前提。在傳統的鍵盤按鍵聲信號采集過程中，敲擊方式是采用低噪聲馬達以恒定的速度敲擊鍵盤按鍵，這種敲擊方式與實際使用鍵盤按鍵時人手手指敲擊鍵盤按鍵的方式相距甚遠，并且傳統的鍵盤按鍵聲信號采集過程是在低噪聲環境中進行，這種信號采集的環境條件較為苛刻，并且生產成本高，不利于在工業上大規模使用。

本文提出一種新型的鍵盤按鍵聲信號采集方法，包括信號采集系統的優化和設計按鍵聲信號采集空間，可以有效實現在強背景噪聲下微弱信號采集。本文首先利用單片機的DAC 口編程發出半正弦波模擬信號，經過功率放大器放大后驅動電磁鐵模擬手指敲擊鍵盤按鍵。這種敲擊方式一方面利用價格較為便宜的單片機和電磁鐵代替了原先造價較高的可編程低噪聲馬達，大幅度降低了生產成本；另一方面模擬了手指敲擊鍵盤按鍵的過程，增加了鍵盤按鍵聲信號采集的可靠性。為真正實現工業化信號采集，本文還提出了一種新型的敲擊聲信號采集空間設計，即采用鋼板材料，設計出兩個隔離腔，分別從質量隔聲和腔體的結構特性兩方面隔離環境噪聲。此設計提高了設備的隔聲性能，使其可以在有背景環境噪聲的條件下有效采集鍵盤按鍵敲擊的聲信號，有利于設備在工業上的大規模使用。

1 鍵盤按鍵敲擊方式優化

1.1 鍵盤按鍵構造及敲擊特點

圖1為鍵盤按鍵結構圖，其中1為鍵盤按鍵的鍵帽，2為橡膠彈簧，二者受到向下的力時會有向下的一個自由行程，壓力消失后自動復原。3、4 分別為兩個塑料卡扣，一起組裝在鍵盤的底座架子上形成一個半自由活動結構，可帶動鍵帽上下運動。由鍵盤按鍵的組成結構可知，按鍵敲擊聲是外力作用于鍵盤按鍵時兩個塑料卡扣之間的摩擦和橡膠彈簧的上下運動摩擦而產生。在鍵盤按鍵組裝過程中，由于各零部件之間組裝失配會造成在敲擊鍵盤按鍵時鍵盤按鍵發出異聲，因此可以通過鍵盤按鍵的異聲檢測來判斷鍵盤按鍵是否合格。由手指敲擊實驗[4]可知，人們在使用手指敲擊鍵盤按鍵時使用的不是恒力，是變化的力，整個受力過程力逐漸增加，當鍵盤按鍵被按壓到底時，手指的力反向逐漸減小。傳統的鍵盤按鍵聲信號采集方法是采用低噪聲馬達以恒定的速度敲擊鍵盤按鍵，當低噪聲馬達撞擊到鍵盤按鍵時，速度突然降為零，從動力學的角度分析，此時會發生非彈性碰撞，碰撞引起振動，由此產生撞擊聲，此時采集到的信號不僅僅是鍵盤按鍵的按鍵聲，還混有低噪聲馬達撞擊鍵盤按鍵時的撞擊聲。因此在鍵盤按鍵聲的信號采集過程中，一個關鍵的問題就是尋找一種新型的敲擊方式，一方面可以模擬手指敲擊鍵盤按鍵，另一方面可以消除敲擊過程中的撞擊聲，保證傳聲器采集到較干凈的按鍵聲。

圖1 鍵盤按鍵結構Fig.1 The structure of keyboard key

1.2 鍵盤按鍵敲擊方式優化

本文采用半正弦波模擬信號作為驅動電磁鐵敲擊鍵盤按鍵的信號。電磁鐵在半正弦波信號的驅動下敲擊鍵盤按鍵，電磁鐵的敲擊力度與半正弦波驅動信號的變化趨勢一致，敲擊力度隨著半正弦波信號電壓的增加而增加，減小而減小，如圖2(a)所示。此種敲擊方式，一方面模擬了人們實際使用鍵盤按鍵的敲擊過程，使得鍵盤按鍵在被敲擊過程中所發出的聲音更接近人們實際使用鍵盤按鍵時的敲擊聲，增加了信號源的可靠性，并且這種敲擊方式不會由于電磁鐵速度的突然歸零，產生撞擊聲；另一方面電磁鐵的成本低，使用電磁鐵代替低噪聲馬達大幅度降低了生產成本，有利于工業上的大規模使用。給電磁鐵施加半正弦信號的目的之一是模擬人手敲擊鍵盤按鍵的過程，并非以完全模仿人手敲擊鍵盤的力度的時域變化情況，因為給電磁鐵施加半正弦信號的另一目的是給電磁鐵施加一個緩慢增大的力，保證是電磁鐵按下的過程，盡量減小電磁鐵和按鍵鍵帽的撞擊聲。電磁鐵在敲擊鍵盤的過程的聲信號主要包括兩個部分，一是電磁鐵以一定速度撞擊到鍵盤之后和鍵盤帽之間的撞擊聲，二是電磁鐵在按下鍵盤的過程中，鍵盤本身的彈性結構所產生的聲音，前者并非我們需要的，后者才是我們需要分析和處理的。從圖2(b)也可以看出其中的聲信號包括兩部分，即電磁鐵按下鍵盤按鍵和按鍵回彈過程中按鍵的彈性卡扣結構所產生的聲音。

圖2 驅動信號波形和采集信號波形Fig.2 The wave form of driving signal and acquisition signal

2 強背景噪聲下的微弱信號采集

由于實際鍵盤生產線環境復雜，且有較強的背景噪聲，鍵盤按鍵的信號相對較為微弱，因此在強背景噪聲下，設計一個好的信號采集系統保證鍵盤按鍵聲信號采集的干凈度是鍵盤按鍵檢測準確、可靠的前提。

2.1 信號采集系統

在傳統的鍵盤按鍵聲信號采集過程中，傳聲器距離待檢測信號源的距離為50 cm，但由于傳統的鍵盤按鍵異聲檢測過程在低噪聲環境中進行，信號采集不受環境噪聲影響，若此種較長距離的信號采集方法在自然環境下進行，信號采集精度將會受環境噪聲影響較大[5-9]。為提高信號在自然環境下的采集精度和信號采集效率，本文設計了多通道鍵盤按鍵聲信號采集電路系統，該采集系統以單片機為核心，上位機通過串口與單片機通訊控制單片機程序運行。在上位機的控制下，單片機執行已寫入的程序，其DAC 口發出半正弦波信號，經過功率放大器放大后驅動電磁鐵敲擊鍵盤按鍵，傳聲器采集鍵盤按鍵的按鍵聲，由于按鍵聲信號較小，需要經過放大電路放大后再進行信號分析。電路系統示意圖如圖3所示。此電路系統由以單片機為主的數字部分、以功率放大器為主的功率部分、對外通訊部分和信號采集部分組成。為保證電路系統的可靠性，本文采用光隔離器[10]將此電路系統的每一部分隔離為獨立的一個子電路系統，以提高整個電路系統的抗干擾能力。本文分別采用HCNR200、PVI1050N 和6N137 這3 種光隔離器實現了功率部分與數字部分的隔離和通訊部分與數字部分的隔離，保證了信號采集系統的穩定性。

圖3 電路系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of circuit system

如圖4(a)所示，17 個傳聲器分布在40 個電磁鐵周圍，每個傳聲器后均接放大電路用于采集并放大所對應的敲擊鍵盤按鍵的按鍵聲信號，每個傳聲器距離相應的電磁鐵的距離為1.5 cm，這種近距離的信號采集，一方面有利于降低環境噪聲的影響，另一方面有利于構造一個狹窄的信號采集環境，隔離低頻噪聲對信號采集的影響。傳聲器采用橡膠圈封裝，可以較好地隔離電磁鐵敲擊鍵盤按鍵的振動，如圖4(b)所示。傳統的信號采集距離為50 cm，本文采用的信號采集距離為1.5 cm，本文理論分析并且實驗驗證了在這兩種信號采集距離下，環境噪聲對信號采集的影響。在無環境噪聲的條件下傳聲器1距離信號源的距離為1.5 cm，所采集到的信號源的分貝值為Lp1=70 dB，傳聲器2 距離信號源的距離為50 cm，所采集到的信號源的分貝值記為Lp2。圖4(c)為實驗示意圖。

鍵盤按鍵聲信號可視為點聲源，在常溫下球面聲波隨距離衰減的表達式為Lp=Lw-20 lgr-k，

圖4 信號采集圖Fig.4 The signal acquisition chart

式中，Lp為聲壓級，Lw為聲強級，k為修正系數，對于自由空間k=11，半自由空間k=8。

距離r1和r2之間的聲壓級差值為

本文Lp1=70 dB，r2/r1=50/1.5≈33，由公式(1)得Lp2=Lp1-20 lg 33≈70-30=40 dB。

若在環境噪聲為46 dB 的條件下，由公式SPL=20 lg(pe/pref)計算得傳聲器1 處的聲壓分貝值， 傳聲器2 處聲壓分貝值，此時信號在傳聲器2 處已被噪聲完全湮沒。

測試結果及分析結果如表1所示。結果說明相同的信號采集條件下，縮小信號采集距離可以降低環境噪聲對信號采集的影響。

表1 不同信號采集距離測試結果Table 1 The test results of the different signal collection distance

由于鍵盤按鍵聲信號較為微弱，信號分析系統無法直接對此微弱信號進行信號分析[11-12]。本文采用TLE2072 芯片做前置放大電路來放大所采集到的鍵盤按鍵信號，以便后續信號分析系統作信號分析[13-17]。圖5(a)為放大電路原理圖，其電阻R1、R2分別為100 kΩ、1 kΩ，輸入端電容c1為10 μF，用于濾波和隔離低頻噪聲。

此放大電路的放大倍數為

式(2)中，f為聲信號頻率，當f＞100 時，|R2|?|1/(j2πfc1)|，式(2)可以簡化為n≈R1/R2=100。

本文對此放大電路系統做了頻率響應測試，頻率響應測試結果如圖5(b)所示，在0～100 Hz 范圍內，放大電路的放大倍數上升；100 Hz～20 kHz 范圍內，放大電路的放大倍數穩定為100倍。圖6為鍵盤按鍵聲信號頻譜圖，在0～100 Hz 范圍內，鍵盤按鍵聲所占比例較小，所以盡管在此范圍內放大電路的頻率響應為非線性，對最終的測試結果并無較大影響。

圖5 放大電路原理圖及其頻率響應曲線Fig.5 The schematic diagram of amplified circuit and its frequency response curve

圖6 按鍵聲信號頻譜圖Fig.6 Key sound signal spectrum

2.2 信號采集過程

圖7為信號采集流程圖。上位機通過串口給單片機發送指令打開40 路電磁鐵中的某一路并同時開啟單片機的DAC 口發出半正弦波信號，上位機1 s發送一次指令，因此單片機的DAC 口每隔1 s發出一次半正弦波信號，由于單片機DAC口發出的信號不具有驅動能力，單片機發出的半正弦波信號需要經過功率放大器放大后才能作為驅動信號驅動電磁鐵敲擊鍵盤按鍵。若功率放大器的增益較小，鍵盤按鍵就會不能被電磁鐵敲擊按下，就不會有按鍵聲產生；若功率放大器增益較大，則在敲擊過程中會產生較大的撞擊聲，不利于后續的信號分析，因此需要選擇一個較為合適的功率放大器增益來驅動電磁鐵敲擊鍵盤按鍵。經實驗驗證，當調節功率放大器增益旋鈕使電磁鐵敲擊的力的峰值是0.8 N時，電磁鐵可以將鍵盤按鍵按下，并且不會產生撞擊聲。傳聲器采集鍵盤按鍵的按鍵聲，由于鍵盤按鍵的按鍵聲信號較小，本文采用放大電路將采集到的鍵盤按鍵聲信號放大后傳送到信號分析系統。一個鍵盤按鍵的按鍵聲信號采集完成后，單片機執行程序關閉DAC 和I/O 口。本文中一個鍵盤上共需檢測40個按鍵，因此檢測一塊鍵盤，此檢測流程需循環40次，所需時間為40 s。一塊鍵盤檢測完成后更換待檢測鍵盤后再次循環此流程。

圖7 信號采集流程圖Fig.7 Flow chart of signal acquisition

3 按鍵聲信號采集空間設計

傳統的鍵盤異聲檢測過程在低噪聲環境中進行，這個采集環境極大地限制設備的工業使用率。為擴大工業使用率且保持鍵盤按鍵聲信號采集純凈度，本文設計了隔聲的信號采集空間。

3.1 抗干擾信號采集裝置

為克服環境噪聲對鍵盤按鍵聲信號采集的影響，本文設計了兩個隔聲腔疊加使用來隔離環境噪聲。如圖8(a)所示，整個設備封裝在一個較大的箱體中，箱體的尺寸為1.5 m×1.3 m×1 m。箱體材料采用厚度為1 cm 的鋼板，其隔聲效果如圖8(b)所示，橫坐標為頻率，縱坐標為散射壓力場與入射壓力場的比值，即，其中ps為散射壓力場，pi為入射壓力場，下同。

如圖8(b)所示，由于外部箱體的材料特性，當噪聲頻率大于5000 Hz 時，外界噪聲基本可以隔離。其中的一些波峰為隔聲板的四分之一波長共振頻率點[18]。但結果顯示低頻聲會有較小的一部分進入箱體內部。由于環境噪聲中這個頻段(5000 Hz以下)的聲波占比較大，會對信號采集過程造成較大影響，因此僅利用外部箱體的材料特性進行隔聲的缺點不容忽視。為減小低頻噪聲對信號采集過程的影響，本文采用與設備箱體同樣的材料設計出一個尺寸較為狹窄的密閉小腔體[19-20]，作為信號采集空間。如圖9(a)所示，小腔體由腔體上半部分和腔體下半部分組成，電磁鐵和傳聲器鑲嵌在腔體上半部分上，下半部分用于盛放待檢測鍵盤。當待檢測鍵盤就位后，小腔體在設備的驅動下，合在一起，形成一個密閉的信號采集空間，腔體上半部分下面的一圈橡膠圈有利于上下兩部分腔體密封。此密閉空間等效為一個長方體如圖9(b)所示。本文利用comsol 軟件仿真了該結構的3 個不同截面的隔聲效果，結果如圖10所示。

由圖10 可以看出6000 Hz 以下的聲波基本不能進入腔體，隔離效果較好。由于其結構特性，腔體在高頻時共振效果明顯。本文在設計時，將小腔體置于大箱體內部，綜合利用兩個結構的優點，達到隔離環境噪聲效果。

圖8 設備箱體及其隔聲效果圖Fig.8 The equipment box and the sound insulation effect map

圖9 小腔體結構示意圖及其模型示意圖Fig.9 The diagram of small cavity body and its model chart

圖10 小腔體不同面隔聲效果圖Fig.10 The effect of sound insulation of the small cavity body’s different surfaces

3.2 實驗結果與討論

圖11為本文所設計系統在兩種環境下信號采集結果對比圖，圖11(a)為在開放的自然環境下的信號采集波形圖，圖中兩個較為明顯的波峰是采集到的鍵盤按鍵的按鍵聲，受環境噪聲影響。因為實際鍵盤生產檢測是在工廠的生產車間進行，鍵盤檢測所處的環境是包含車間生產中的各種噪聲，包括電機、風扇、空調噪聲，以及車間生產的機器運行時產生的各種噪聲，傳聲器遠距離采集電磁鐵敲擊鍵盤的聲信號會帶來較低的信噪比，因此本文提出降低傳聲器和敲擊信號源之間的距離，可以大大采集的信號的信噪比，有利于后期的信號分析處理。由圖可見，信號采集過程，受環境噪聲影響較大，所采集到的信號中除了鍵盤按鍵的按鍵聲，還有環境噪聲，由于環境噪聲的隨機性，信號采集中的環境噪聲會對信號分析所得的分貝值造成很大影響，最終會影響鍵盤按鍵是否合格的判斷。圖11(b)為在隔聲設備中的信號采集結果波形圖，圖中除了敲擊鍵盤按鍵的按鍵聲外，并無其他噪聲，說明本文所設計的隔聲腔可以有效隔離環境噪聲，且易于實現，有利于同類設備在工業上的大規模使用。

圖11 信號采集波形對比圖Fig.11 The signal acquisition waveform contrast diagram

4 結論與展望

本文采用模擬信號驅動電磁鐵模擬手指敲擊鍵盤按鍵的方法降低了設備生產成本，有效解決了使用低噪聲馬達敲擊鍵盤按鍵時引入的附加撞擊聲的問題；另外本文通過設計密閉隔聲腔的方式，實現了在人耳可聽頻率范圍內的全頻段隔聲，為鍵盤按鍵的按鍵聲信號采集提供了優質的信號采集環境，有利于后續的信號分析，同時實現了同類設備在工業上大規模使用的可能性。在此較為良好的信號采集條件下，未來可以提取有效按鍵聲做進一步的時頻分析，為提高鍵盤按鍵的噪聲品質和異聲檢測水平奠定基礎，以達到為廣大消費者提供更為優良的鍵盤產品的目的。