基于次聲波的便攜式泥石流報警器的設(shè)計與實現(xiàn)

鐘政，楊軍，徐佳寶

（四川輕化工大學(xué)a.教務(wù)處；b.自動化與信息工程學(xué)院，四川 自貢 643000）

引言

泥石流是山區(qū)中常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，是一種運動過程中夾雜著大量泥沙石塊和巨礫等固體物質(zhì)的固液兩相流體，呈粘性層流或稀性紊流等運動狀態(tài)［1］。我國山川眾多，南方雨量充沛，北方植被稀少，屬于泥石流災(zāi)害威脅最為嚴(yán)重的國家之一。例如2017年8月8日四川涼山普格縣養(yǎng)窩鎮(zhèn)發(fā)生的百年一遇的泥石流，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.6億元［2］，同時造成23人死亡，2人失聯(lián)。2017年6月18日北京門頭溝暴雨引發(fā)的泥石流，致使5人遇難，1人失聯(lián)。

為有效預(yù)警和防范泥石流造成災(zāi)害，國內(nèi)外學(xué)者對泥石流災(zāi)害進(jìn)行了長期的監(jiān)測與研究［3］，典型的監(jiān)測內(nèi)容有：（1）泥石流固體物質(zhì)來源(物源)監(jiān)測，對泥石流源區(qū)固體物質(zhì)性質(zhì)、類型、空間分布與規(guī)模進(jìn)行監(jiān)測；（2）氣象水文條件（水源）監(jiān)測，對泥石流源區(qū)水源進(jìn)行監(jiān)測，主要以大氣降水、地表徑流、冰雪融水、潰決以及地下水等為主；（3）泥石流運動特征及流體特征監(jiān)測，泥石流運動特征監(jiān)測，主要包括泥石流暴發(fā)時間、運動過程、流態(tài)和流速、流量、泥位、次聲波等，流體特征監(jiān)測內(nèi)容主要包括泥石流物質(zhì)組成。目前一般是將監(jiān)測內(nèi)容（1）、（2）相結(jié)合研究水土耦合機理及過程［4］，應(yīng)用于泥石流的長中短期預(yù)警，將監(jiān)測內(nèi)容（3）應(yīng)用于泥石流災(zāi)害評估，也可用于泥石流的臨災(zāi)預(yù)警，利用泥石流流體運動、沖擊產(chǎn)生的次聲波可對下游進(jìn)行預(yù)警。臨災(zāi)預(yù)警的技術(shù)手段主要有：雨量監(jiān)測，流速、流量、液位、泥位監(jiān)測，攔索監(jiān)測，山體位移監(jiān)測，次聲波監(jiān)測，攝像頭監(jiān)測等，一般是綜合應(yīng)用多項監(jiān)測技術(shù)。但綜合應(yīng)用的系統(tǒng)成本和運行維護(hù)費用高，近年以單一技術(shù)手段的次聲波監(jiān)測預(yù)警越來越受到重視。

在泥石流易發(fā)生的一些典型山谷（溝），地方政府和科研機構(gòu)根據(jù)以上監(jiān)測因素及參數(shù)設(shè)置了多種類型泥石流報警系統(tǒng)。盡管泥石流規(guī)模通常較大，但由于其物源形成周期較長、爆發(fā)面窄、隱蔽性強，使其危害性常常被忽視［5］。多數(shù)泥石流為幾年至幾十年才爆發(fā)一次的中、低頻泥石流［6］，設(shè)置了泥石流報警系統(tǒng)的山谷（溝），多年未發(fā)生泥石流的情況也很常見。從目前成功預(yù)報避難實例的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，大部分泥石流監(jiān)測預(yù)警的成功實例還是來自于當(dāng)?shù)厝罕娙悍廊褐?。山區(qū)基層往往通過在第一線設(shè)置地質(zhì)安全員來完成泥石流的觀測、判斷、預(yù)警，地質(zhì)安全員為準(zhǔn)確判斷泥石流是否發(fā)生，有時需要抵近山谷（溝）現(xiàn)場進(jìn)行觀察，危險的地理和氣候狀況嚴(yán)重威脅地質(zhì)安全員生命安全。

針對上述情況，設(shè)計一種可在室內(nèi)通過檢測次聲波來判斷泥石流是否發(fā)生，并進(jìn)行聲光報警的報警裝置。次聲波檢測可以為距泥石流發(fā)生地下游10 km處的居民點提前預(yù)警8 min～16 min，居民充分利用預(yù)警時間可順利轉(zhuǎn)移到安全地帶。

1 泥石流次聲波特征

泥石流是山谷(溝)區(qū)域因暴雨等引發(fā)的崩塌、山體滑坡而形成的攜帶有大量泥沙以及石塊的特殊洪流。有研究表明［7-8］：泥石流平均流速通常為10 m/s～20 m/s，并產(chǎn)生次聲波，可在距泥石流幾千米至十幾千米外測量，其聲壓值與流量有近似的正比線性關(guān)系，流量為100 m3/s～1000 m3/s的泥石流，其對應(yīng)的聲壓為1 Pa～10 Pa（94 dB~114 dB）。小型泥石流次聲信號比背景次聲信號大10 dB以上［8］。通過空氣介質(zhì)傳播的泥石流次聲波，其頻率、卓越頻率（頻譜圖中幅值最大處對應(yīng)的頻率）、振幅及持續(xù)時間都有獨特的特征。泥石流次聲波典型頻譜圖見圖1［9］。

從圖1可見，泥石流次聲波典型頻率范圍是4 Hz~12 Hz，卓越頻率為8.73 Hz。由于泥石流的連續(xù)性，其產(chǎn)生的次聲波存續(xù)時間較自然界其他聲源次聲波要長得多，這是識別、判定泥石流次聲波的重要特征。次聲波在空氣中的傳播衰減小，穿透力強，常溫下可以344 m/s的速度長距離傳播。

圖1 泥石流次聲波典型頻譜圖

2 報警器系統(tǒng)設(shè)計

考慮環(huán)境次聲平均噪聲聲壓一般為0.03 Pa（64 dB）［10］，將報警器次聲檢測閾值設(shè)為0.1 Pa（74 dB）；根據(jù)泥石流次聲波存續(xù)時間長的特征，若出現(xiàn)的次聲存續(xù)時間為6 s以上，且聲壓始終大于0.1 Pa，則判定為泥石流產(chǎn)生。報警器基本參數(shù)設(shè)計如下：

頻率檢測范圍為2 Hz~20 Hz；次聲聲壓檢測范圍為0.1 Pa~10 Pa，對應(yīng)的泥石流報警流量值為幾十立方米每秒至一千立方米每秒；次聲波檢測靈敏度為350 mV/Pa；門限檢測值Va為35 mV。次聲波強弱顯示用點亮的發(fā)光二極管個數(shù)指示。

報警器由駐極體話筒、低通濾波器、精密整流直流放大器、單片機、電源等組成。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

為降低誤報率，報警器采用了限制頻率采樣范圍和存續(xù)時間檢測來判定泥石流是否發(fā)生。報警器工作時的主要干擾因素是大風(fēng)和雷電。對大風(fēng)觀測表明其頻率為80 Hz~300 Hz［10］，引起的次聲波周期最短為數(shù)秒至十幾秒，對應(yīng)頻率低于1 Hz，故設(shè)計頻率檢測范圍為2 Hz~20 Hz。近幾年對雷電聲頻譜的研究指出［11］：1 Hz以上雷電聲音的頻率范圍絕大部分在40 Hz~200 Hz，在2 Hz~20 Hz的次聲能量僅占4%以下。盡管雷電聲頻譜圖峰值遠(yuǎn)離泥石流頻率檢測范圍，雷電次聲聲壓也可能高出檢測閾值，但雷電干擾具有脈沖性，存續(xù)時間短，可通過檢測接收信號的存續(xù)時間，排除其干擾。考慮單個雷聲一般存續(xù)數(shù)秒，為獲得較長的預(yù)警時間，信號的存續(xù)檢測時間設(shè)計為6 s，若達(dá)到檢測閾值的信號存續(xù)時間小于6 s，則判定為干擾。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 駐極體話筒選用

駐極體話筒采用響應(yīng)平坦的優(yōu)質(zhì)高靈敏度話筒［12］，這樣的話筒在頻率低于20 Hz后，輸出幅值開始下降0 dB~15 dB，但在2 Hz處仍有輸出，仍可滿足檢測泥石流次聲波應(yīng)用要求。話筒選用松下WM-034DZ型號，其頻響為20 Hz~14 kHz,靈敏度為-38 dB±3 dB，信噪比為60 dB。在卓越頻率8 Hz處，假定話筒靈敏度衰減12 dB，則相對泥石流次聲波的靈敏度為：-50 dB，即3.16 mV/Pa。

3.2 低通濾波器設(shè)計

為簡化電路，使用衰減陡峭的六階切比雪夫低通濾波器［13］提取次聲波信號，截止頻率為20 Hz，電路形式采用軟件自動設(shè)計，實際使用電路［14］見圖3。考慮噪聲、功耗及成本，運算放大器選用中檔的MCP6H04T四運放，單個運放的靜態(tài)電流為135 μA，共模抑制比（Common mode rejection ratio，CMRR）及電源抑制比（Power supply rejection ratio，PSRR）均大于100 dB，抗干擾能力強；軌到軌輸出；單電源工作電壓3.5 V～16 V。MCP6H04在0.1 Hz～10 Hz的輸入噪聲電壓Up-p為12μV，經(jīng)后級放大111倍輸出為1.3 mV，疊加在檢測到的次聲波電壓上，將使設(shè)計的檢測門限值Va由35 mV降為33.7 mV。實際使用中，隨著檢測到的電壓的升高，運放噪聲電壓的百分比將下降，造成的影響可忽略。

圖3 低通濾波器

用Multisim軟件對低通濾波器帶通特性進(jìn)行仿真。信號源電壓Urms為0.1 mV，頻率為8 Hz，用波特頻譜儀進(jìn)行帶通特性檢測，結(jié)果如圖4所示。帶內(nèi)平坦度為（0±2）dB，視為帶內(nèi)沒有增益，40 Hz處衰減60 dB，100 Hz處衰減109 dB。若有一個40 Hz、100 dB的干擾，該干擾衰減后相當(dāng)于40 dB，遠(yuǎn)小于報警閾值74 dB（0.1 Pa）的聲壓，濾波器基本滿足使用要求。

圖4 低通濾波器的仿真帶通特性

3.3 精密整流放大電路設(shè)計

采用精密整流放大電路［15］對低通濾波器輸出的次聲波信號進(jìn)行處理，電路如圖5所示，此電路的特點是在整流的同時對輸出的直流信號進(jìn)行了放大。整流后，沒有采用濾波電容平滑輸出波形，否則會影響電路反應(yīng)時間。系統(tǒng)的增益由本級實現(xiàn)，反向放大器的放大倍數(shù)為R12/R10=111，話 筒 靈 敏 度 為3.16 mV/Pa，3.16×111=350.8 mV/Pa，這即是前文設(shè)計的報警器對次聲波的檢測靈敏度。由于話筒靈敏度的差異，檢測靈敏度可通過R12調(diào)整，以達(dá)到設(shè)計值。MCP6H04具有軌到軌輸出能力，本級最大可輸出電壓為電源電壓3.5 V，因此檢測次聲上限為10 Pa，對應(yīng)泥石流的流量為1000 m3/s。

圖5精密整流放大電路

圖6 所示為精密整流放大電路的仿真波形圖。通道A接低通濾波器輸出端，通道B接精密整流放大電路輸出端。仿真顯示：信號波形沒有失真，精密整流放大電路具有穩(wěn)定的放大能力，可用作便攜式檢測儀器，達(dá)到了既精簡電路又能穩(wěn)定工作的設(shè)計目的。

圖6 精密整流放大電路波形仿真

3.4 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理

單片機采用8腳低功耗的PIC12F675[16]，具有10位的A/D轉(zhuǎn)換功能，兩個定時器，高灌/拉電流能力，可直接驅(qū)動LED，使用內(nèi)部4 M震蕩器，工作電壓為2.0 V～5.5 V，EEPROM可擦寫。7腳GP0設(shè)置為模擬信號輸入端，連接精密整流的輸出端，GP1、GP2、GP4、GP5設(shè)置為數(shù)字輸出端，分別接自快閃發(fā)光二極管、蜂鳴器。R14是上電復(fù)位（Power-on reset，POR）電阻，為簡化電路，A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓選用精度為3%的電源電壓。電路［17］如圖7所示。

圖7 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理電路

精密整流放大電路輸出的次聲波電壓信號由單片機進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到電壓的十位二進(jìn)制數(shù)經(jīng)程序運算后控制發(fā)光二極管，指示次聲波的強弱。當(dāng)單片機檢測到的直流電壓峰值VCSB>780 mV時，點亮發(fā)光二極管D1、D2與D3；當(dāng)200 mV≤VCSB≤780 mV時，點亮D1與D2；當(dāng)35 mV≤VCSB≤200 mV時，僅點亮D1。等級劃分在檢測電壓范圍的低值區(qū)間，是為了在小型泥石流發(fā)生時，強化報警器的警示效果。

3.5 電源系統(tǒng)電路

電路由太陽能電池板、充電管理芯片（CH4054）、鋰電池（4.2 V，400 mA·h）、低壓差線性穩(wěn)壓器（HT7335）組成，電路如圖8所示。

圖8 電源系統(tǒng)電路

太陽能電池采用49 mm×30 mm的高質(zhì)量單晶硅板，中午日照充足時可用作電壓為5.5 V，電流為30 mA電源，對鋰電池進(jìn)行充電；弱光條件下，太陽能電池可產(chǎn)生零點幾毫安電流，以補充鋰電池工作電流。充電管理芯片（CH4054）具有欠壓閉鎖、自動再充、防倒充等功能，R18為30 kΩ時，充電電流為30 mA。鋰電池電壓低于4.2 V時，利用太陽能電池CH4054自動進(jìn)入恒定電流充電狀態(tài)。線性穩(wěn)壓器（HT7335），功耗低，是具有過流和短路保護(hù)的CMOS降壓型電壓穩(wěn)壓器，HT7335低壓差特性優(yōu)秀，輸入輸出壓差80 mV時，仍能穩(wěn)定輸出40 mA電流。電源設(shè)有USB接口，可用手機充電器充電。當(dāng)鋰電池電壓低至保護(hù)值時，發(fā)光二極管會閃爍，提示應(yīng)充電。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為提高檢測靈敏度和可靠性，單片機在2個信號周期（250 ms）內(nèi)，對精密整流放大電路輸出的直流脈沖信號完成100次A/D轉(zhuǎn)換，取最大值作為測量值。當(dāng)測量值大于35 mV時，點亮發(fā)光二極管，同時啟動定時器，若6 s內(nèi)測量值始終大于35 mV，且沒有中斷，則蜂鳴器發(fā)聲，警報泥石流正在發(fā)生。程序流程框圖如圖9所示。

圖9 程序流程框圖

用PROTEUS軟件完成單片機軟硬件仿真［18］，主程序如下：

5 安裝調(diào)試

所有元件全部采用日本TDK公司生產(chǎn)的0805陶瓷貼片元件，前兩級濾波器的電容及電阻精度最好為1%，第三級濾波器的330μF電容，安裝后在板測試，誤差應(yīng)不大于10%。Buzzer型號蜂鳴器采用廣東福聲科技電子有限公司生產(chǎn)的額定電壓為3 V的SMD貼片有源蜂鳴器，頻率為2 kHz～3 kHz。R11的接入（見圖5）可有效提升對微弱信號的放大能力，但R11的值不能太小，否則會有靜態(tài)直流電壓輸出，而話筒靈敏度較高時，R11可不用。

制作泥石流報警器時，話筒取代圖3中用于仿真測試的正弦波發(fā)生器。在相對安靜的環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試，用數(shù)字萬用表直流電壓擋檢測整流放大輸出端，應(yīng)有4 mV左右電壓，否則調(diào)整R12。4 mV電壓是由設(shè)計的檢測靈敏度決定的，其包含了運放噪聲、環(huán)境次聲波噪聲的整流值。此值遠(yuǎn)低于門限檢測值Va，降低了環(huán)境次聲波噪聲的干擾。

據(jù)相關(guān)資料［19］，以60 km/h~100 km/h速度行駛的小車內(nèi)，存在94 dB~108 dB、8 Hz~14 Hz（開窗情況下）的次聲波。放置此報警器于小車內(nèi)，小車加速后，能穩(wěn)定點亮發(fā)光二極管D1、D2，并延時6 s啟動聲音報警。模擬場景調(diào)試通過，說明設(shè)計、制作無誤。

對于小型泥流型（0.1 mm微粒含量大于50%）泥石流，可能出現(xiàn)漏報，因?qū)嶒灉y試表明［20］：泥流型泥石流的次聲聲壓較礫石、粗沙含量高的泥石流的次聲聲壓要弱一些，且其特征頻率范圍為1 Hz~4 Hz。針對黃土高原的泥流型泥石流，可適當(dāng)降低檢測門限，提高報警器靈敏度。

6 結(jié)束語

以泥石流次聲波頻率特征、泥石流流量與泥石流次聲聲壓關(guān)系為依據(jù)，采用漸進(jìn)式的組合設(shè)計方法完成報警器設(shè)計，電路設(shè)計簡潔、工作穩(wěn)定，經(jīng)模擬場景測試，達(dá)到設(shè)計要求。為排除環(huán)境次聲波的干擾，采用了存續(xù)時間的判定來甄別泥石流次聲波。甄別工作也可通過分析泥石流次聲波波形特征來完成。報警器具有功耗低、體積小、性價比高、使用方便、可靠等優(yōu)點，適用于山區(qū)基層干部、地質(zhì)安全員結(jié)合當(dāng)?shù)?、?dāng)時的地質(zhì)和氣象狀況使用。