基于激光的非接觸式音頻采集系統(tǒng)

徐徹 周麗娟 陳慶華

摘 ? 要：本文設計一種基于激光的非接觸式音頻采集系統(tǒng)，利用激光特有的方向性、相干性、單色性的特點，通過一束激光照射在易受聲壓作用并產生振動的物體上，進而對聲音信號進行采集;再借助LabVIEW圖形化軟件對聲音信號進行時域分析和頻域分析，實時顯示在工作前面板上.該系統(tǒng)在試驗中得到了很好的驗證，為聲音信號的進一步分析與處理提供了理論支持.

關鍵詞：激光;聲音振動信號;LabVIEW

中圖分類號：TP274.2;TN24 ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.03.010

引言

激光偵聽早在20世紀末[1-2]就開始，國內也有許多學者對其原理和實現(xiàn)進行了研究和改進 [3-8].激光偵聽是一種非接觸性的、可以不遺留下任何痕跡的探測技術.因為擁有監(jiān)聽效果好、監(jiān)聽距離遠、可以隱蔽起來監(jiān)聽等特點，其在軍事、反恐等領域廣泛使用.

在傳統(tǒng)的列車接近預警系統(tǒng)中對聲音振動信號采集多數(shù)運用接觸式傳感器，如壓電式加速度傳感器、拾音器等接觸式傳感器，其主要缺點是遇上鐵軌生銹或者難以附著其表面時，無法有效的接觸信號載體，導致不能成功進行信號采集.本文利用激光的非接觸性對聲音振動信號進行采集研究，由硬件電路采集信號，經過MPS-010601數(shù)據(jù)采集卡送入上位機的LabVIEW信號采集虛擬儀器軟件系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對聲音信號的采集、儲存、分析.

1 ? ?激光采集信號原理

眾所周知，聲波的傳播需要介質，當聲音經過玻璃等能夠反射光的介質時，玻璃因受聲音變化的影響發(fā)生輕微振動，玻璃振動與聲壓振動的幅度成正比.由于玻璃受迫振動使得玻璃發(fā)生微小位移，因此在激光入射角不變的情況下，由于玻璃的形變使得反射光發(fā)生微小位移，照射在光電檢測器上的光斑面積跟著變化，光電二極管的光電流也產生相應的變化，這樣實現(xiàn)了聲音信號對激光的調制[9-11].

聲音傳播至玻璃表面會產生聲壓，由于聲壓作用使得玻璃上發(fā)生振動，設玻璃振動方程為：

2 ? ?硬件電路設計

硬件部分主要由發(fā)射裝置和接收裝置組成，利用MPS-010602采集激光信號并發(fā)送到上位機中，通過labview軟件進行分析與處理[12].

2.1 ? 發(fā)射裝置與接收裝置

本文所設計的發(fā)射裝置主要由紅色激光二極管構成，該裝置可發(fā)射5 mW、650 nm波長可見光.

本文所設計的接收裝置如圖2所示，接受裝置可分為會聚鏡、光電探測器以及電信號處理系統(tǒng)三部分，其中會聚鏡用于聚焦光束，紅色濾光片用于濾除其他干擾光線，減少噪聲，提高系統(tǒng)信噪比.

2.2 ? 前置放大電路

由于激光波動幅度小，轉化后的光電流信號微弱，無法直接進行處理.本文采用前置放大電路將電流轉化的電壓信號放大，前置放大電路圖如圖3所示.

2.3 ? 二階帶通濾波器

由于所采集的信號噪聲過大，需要設計濾波器進一步減少噪聲.本文所設計的二階帶通濾波電路如圖4所示，可有效地濾除環(huán)境、元器件以及前置放大電路所帶來的噪聲.

圖4所示是二階帶通濾波器，前部分是二階壓控電壓源（VCVS）低通濾波器，后部分是高通濾波器，兩部分串接形成的帶通濾波器.低通濾波器可通過低頻信號，高通濾波器可通過高頻信號.

3 ? ?實驗數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)設計方案，發(fā)射裝置采用5 V直流紅色激光二極管，紅色可見光能夠有效的矯正激光路線從而使得反射光對準接收裝置.接收裝置為了保證穩(wěn)定性放置于暗箱中，隔絕環(huán)境光的干擾.本文以玻璃瓶壁作為振動介質，發(fā)射裝置將激光打在玻璃瓶壁上，接收裝置接收到反射回來的光，通過光電三極管將光信號轉為電信號并發(fā)送到上位機中.當聲源導致玻璃發(fā)生振動時，反射光發(fā)生微小的偏移，接收裝置接收的光斑發(fā)生變化，從而導致電信號改變.將連續(xù)變化的電信號送入上位機中進行分析后，最終可得到聲源處的音頻.

LabVIEW[13]搭建的激光采集系統(tǒng)包括參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、圖形化顯示、存儲、數(shù)據(jù)回放等功能，顯示界面如圖5所示.設置好激光采集系統(tǒng)參數(shù)后，將預先準備的音頻放置于聲源處，發(fā)射裝置發(fā)射出激光，經過玻璃振動調試后被接收裝置接收.通過本文所設計的解調、放大、濾波電路處理后，再由采集系統(tǒng)處理得到結果.預先準備的音頻波形如圖6所示，實驗得到的結果如圖7所示.對比發(fā)現(xiàn)，原始音頻數(shù)據(jù)和采集后的數(shù)據(jù)波形基本吻合，本文所提出的方法可在非接觸的條件下有效的采集音頻信號.

當有火車接近時候，輪軌會產生振動，形成一定頻率的振動信號，其信號波形的幅值增大，而無火車接近時幅值較低.根據(jù)文獻[13]可知，輪軌噪聲信號在鋼軌中傳播能量損失很小，因此，可利用采集到的波形的幅值上設置一個閾值，實時監(jiān)測輪軌噪聲的幅值是否達到閾值來判斷火車是否接近.

4 ? ?結束語

本文提出通過激光通信技術對聲音的振動信號進行采集研究.先將聲音信號調制到激光束上，然后，把帶有聲音信號的激光發(fā)送出去，用接收裝置把音像信號檢出來.這種方法允許在非接觸條件下對聲音振動信號進行采集，對采集列車激勵鋼軌產生的輪軌振動信號提供了一個新的方法，大大提高列車預警系統(tǒng)的安全性和便攜性.

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Abstract： A non-contact audio acquisition system is developed based on the special directionality， coherence， and monochromatic characteristics of laser. In the system， acoustic signals can be first collected by a laser beam on a vibrating object. By using the LabVIEW software both the time and frequency domain analysis of sound signals are taken then， the data are displayed on the work panel. The simulation and experimental results are in good agreement with each other， which means that the system may provide basic theoretical support for future acoustic signal analysis and processing.

Key words： laser; sound and vibration signals; LabVIEW

（責任編輯：黎 ? 婭）