尹學(xué)愛(ài)　馬國(guó)利　馮偉偉

摘要：對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，是認(rèn)識(shí)聲音信號(hào)和處理聲音信號(hào)的重要方法，因而基于聲音信號(hào)頻譜檢測(cè)具有重要的意義。通過(guò)PVDF壓電薄膜傳感器采集音頻信號(hào)，利用信號(hào)處理模塊、聲卡和MATLAB工程軟件對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)信息的分析顯示。

關(guān)鍵詞：PVDF；壓電傳感器；信號(hào)處理；MATLAB；頻譜分析

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）04-0276-03

引言

語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)是語(yǔ)音處理領(lǐng)域中新近發(fā)展起來(lái)的一個(gè)學(xué)科分支，頻譜分析技術(shù)是語(yǔ)音信號(hào)處理的基礎(chǔ)。聲音信號(hào)的采集與分析處理在工程應(yīng)用中是經(jīng)常需要解決的問(wèn)題。如何實(shí)時(shí)采集聲音信號(hào)并對(duì)其分析處理，找出聲音信號(hào)的特征，在科學(xué)研究中是一項(xiàng)非常有意義的工作[1]。采用自行設(shè)計(jì)改進(jìn)的PVDF壓電薄膜式聲音傳感裝置對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)放大、濾波、非線(xiàn)性轉(zhuǎn)換和信號(hào)轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理模塊對(duì)采集的模擬音頻信號(hào)進(jìn)行處理，再通過(guò)聲音頻譜軟件顯示出音頻信號(hào)的波形和各類(lèi)頻譜數(shù)據(jù)信息。壓電傳感器采用PVDF壓電高聚物薄膜，具有良好的壓電和熱釋電效應(yīng)，可廣泛應(yīng)用于聲學(xué)設(shè)備，提高了音頻信號(hào)采集的精度。

一、設(shè)計(jì)流程

采用PVDF壓電高聚物薄膜自主設(shè)計(jì)改進(jìn)音頻信號(hào)采集模塊，即壓電式聲音信號(hào)傳感器，產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)基本放大電路、主放大電路、濾波模塊、非線(xiàn)性轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號(hào)處理轉(zhuǎn)換，處理后的信號(hào)以數(shù)字信號(hào)形式傳輸?shù)斤@示模塊。用MATLAB Guide制作人機(jī)交換界面，即音頻信號(hào)頻譜分析顯示虛擬儀器來(lái)分析顯示采集處理的聲音信號(hào)的波形和各類(lèi)數(shù)據(jù)信息。

二、設(shè)計(jì)原理

1.信號(hào)采集。PVDF壓電膜具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性、高熱穩(wěn)定性、高抗紫外線(xiàn)輻射能力，以及高耐沖擊、耐疲勞能力，其化學(xué)穩(wěn)定性比陶瓷高10倍，匹配狀態(tài)好，應(yīng)用靈敏度高；PVDF壓電膜在厚度方向的伸縮振動(dòng)的諧頻率很高，可以得到較寬的平坦響應(yīng)（0 500MHz），頻響寬度遠(yuǎn)優(yōu)于普通壓電陶瓷換能器[2]。電容值高，相對(duì)介電常數(shù)較低，相應(yīng)較高的壓電常數(shù)值和熱信號(hào)靈敏度值；柔軟堅(jiān)韌，PVDF的柔順系數(shù)約為PZT的30倍，能制成所需的各種較復(fù)雜的形狀。本儀器采用美國(guó)MEAS的SDT1-028K多功能的壓電薄膜技術(shù)產(chǎn)品自屏蔽壓電薄膜傳感器，縱向應(yīng)變系數(shù)高，內(nèi)含同軸電纜，頻帶響應(yīng)寬。

2.信號(hào)處理。采用功耗精密雙極OPA1611運(yùn)算放大器，輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能，操作電源電壓從4V至36V（無(wú)論單或雙電源），它結(jié)合了壓電PMOS晶體管工藝和高電壓雙授晶體管的優(yōu)點(diǎn)（互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)金屬氧化物半導(dǎo)體），是一款性能卓越的運(yùn)算放大器，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的放大處理[3]。集成運(yùn)放獲得了迅速發(fā)展，由它和R、C組成的有源濾波器，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，而輸出阻抗又很低，由其構(gòu)成的有源濾波器還具有一定的電壓放大和緩沖作用[4]。

本裝置采用美國(guó)Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源濾波器UAF42對(duì)信號(hào)濾波處理，使有用信號(hào)順利通過(guò)，同時(shí)對(duì)無(wú)用頻率信號(hào)進(jìn)行抑制（或衰減）。UAF42通用性強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，具有高精度頻率和高Q值的特點(diǎn)。

初步處理的聲音信號(hào)通過(guò)聲卡的模擬聲音信號(hào)的輸入和輸出功能實(shí)現(xiàn)聲波/數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)放大濾波后的信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（A/D）電路和采樣保持（S/H）電路，得到8位或16位數(shù)字化聲音數(shù)據(jù)。其中數(shù)字信號(hào)處理器可以對(duì)聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行ADPCM壓縮，以DMA傳送接口方式，通過(guò)PC總線(xiàn)，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)磁盤(pán)上。采用12V 20AH蓄電池供電，LM2596多路開(kāi)關(guān)電源控制輸出。LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線(xiàn)性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性[5]。固定輸出有3.3V、5V、12V，具有高轉(zhuǎn)換效率、很好的線(xiàn)性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性、TTL關(guān)斷能力，還有一個(gè)可調(diào)輸出。在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內(nèi)；可以用僅80μA的待機(jī)電流，實(shí)現(xiàn)外部斷電；具有自我保護(hù)電路[5]。

3.軟件實(shí)現(xiàn)。MATLAB（矩陣實(shí)驗(yàn)室）是MATRIX LABORATORY的縮寫(xiě)，是一款由美國(guó)The MATHWORKS公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。MATLAB是一種用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境的數(shù)學(xué)軟件。它除了矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，還可以用來(lái)創(chuàng)建用戶(hù)界面及調(diào)用其他語(yǔ)言（包括C，C++和FORTRAN）編寫(xiě)的程序[6]。它提供的GUIDE工具為可視化編程工具，可實(shí)現(xiàn)軟件的界面設(shè)計(jì)，故采用MATLAB作為編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)頻譜分析儀，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。頻譜分析傅里葉變換將波形x（t）變換為頻譜x（f），從另一角度來(lái)了解信號(hào)特征。常見(jiàn)的傅里葉變換有DFT和FFT。在MATLAB中可利用函數(shù)FFT來(lái)計(jì)算序列的離散傅里葉變換DFT。FFT是時(shí)域和頻域轉(zhuǎn)換的基本運(yùn)算。

三、結(jié)論

聲學(xué)在科技、醫(yī)療、航空等各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，例如超聲波探測(cè)、聲吶、聲學(xué)成像等。壓電式聲音信號(hào)檢測(cè)儀器可實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的波形、頻譜、數(shù)據(jù)的綜合分析顯示，直觀顯示聲音信號(hào)，可用于聲學(xué)實(shí)驗(yàn)的演示，操作便捷，演示效果科學(xué)明顯，可以彌補(bǔ)基礎(chǔ)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的空缺。

參考文獻(xiàn)：

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