CN103557928A - 基于激光衍射原理的声音检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于激光衍射原理的声音检测设备，其用于对声音源所发出的声音进行检测。所述声音检测设备包括：第一红外激光器、第二激光器、电控狭缝、光电检测装置、信号处理装置、接收屏、亮度采集模块、声音还原装置。本发明的声音检测设备采用第一红外激光器照射声音源附近的可振动物体；采用光电检测装置接收反射的红外激光；通过电控狭缝来模拟反射的红外激光在光电检测装置上照射位置的变化；利用第二激光器照射电控狭缝，进而基于衍射光条纹的光强来确定狭缝的宽度以及可振动物体发生的振动。本发明的声音检测设备将光电检测装置对激光位置的检测转化为对电控狭缝的两个挡板间距离的检测，更加准确、受噪声影响更小。
Description
技术领域
本发明涉及声音检测领域，具体而言，本发明涉及利用激光进行检测的声音检测设备。
背景技术
随着科技的发展，人们根据声波的特性，制造了多种多样的用于声音检测的仪器，从早期的有线声音检测，到后来的微型话筒声音检测等。
采用激光技术进行声音检测，可以听到人无法接近的房间内的声音信息。其基本原理就是利用一束看不见的红外激光发射到该房间的玻璃上，由于声音会引起玻璃的微小振动，通过接收由玻璃或镜子反射回来的激光，采集振动信息，将振动再还原成声音，就能实现远距离声音检测。这种声音检测可以用于各种领域，例如，在发生矿难时辅助对井下人员的救援、对犯罪分子进行远程监听等。
目前声音振动采集方法有几种，包括：一、检测反射回来的激光光点位置(面积)发生的变化，用硅光电池接收反射回被光调制后的激光信号；二、基于光电三极管，直接让振动物体反射回来的激光照射在光电接收器上，将光信号转换为电信号，并经过信号放大与处理，将电信号还原成声音。
其实这些方法的根本原理都是直接检测反射回来的激光照射在接收面上的位移变化，通过记录位移变化再推算玻璃的振动，所以误差比较大，检测回的振动信息不精确，尤其当屋内声音小，窗户玻璃振动极其微小的情况下，声音很难辨别。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述缺点，本发明提出了一种新的声音检测设备，其测量误差小，检测效果好。
具体而言，本发明提供一种基于激光衍射原理的声音检测设备，其用于对声音源所发出的声音进行检测，所述声音检测设备包括：第一红外激光器、第二激光器、电控狭缝、光电检测装置、信号处理装置、接收屏、亮度采集模块、声音还原装置，其特征在于，
所述第一红外激光器用于以一预定入射角度朝向所述声音源附近的可振动物体发射红外激光，所述可振动物体能够至少部分反射所述红外激光；
电控狭缝包括第一挡板和第二挡板，所述第一档板固定在挡板参考位置，所述第二挡板能够在所述信号处理装置的控制下相对于所述第一档板运动；
所述光电检测装置用于接收从所述可振动物体反射的红外激光，并且产生代表所述红外激光照射在所述光电检测装置上的位置的信号；
所述信号处理装置基于所述信号确定所述红外激光照射在所述光电检测装置上的位置并根据所述红外激光照射在所述光电检测装置上的位置控制所述第二挡板相对于所述第一档板的位置；
所述第二激光器位于所述电控狭缝的一侧朝向所述电控狭缝持续发射激光；
所述接收屏位于所述电控狭缝的另一侧，用于接收所述第二激光器发出的经所述电控狭缝衍射而得到的激光衍射条纹；
所述亮度采集模块接收来自所述接收屏的信号，并且确定所述接收屏上获得的中心衍射条纹的亮度，并根据所述中心衍射图案的亮度确定所述电控狭缝的宽度；
所述声音还原装置根据所述电控狭缝的宽度，确定所述光电检测装置上接收的红外激光的位置相对于预定参考位置的位移，并根据所述位移随时间的变化来还原所述可振动物体随时间的振动，从而还原所述声音源发出的声音。
优选地，所述信号处理装置控制电控狭缝的第二档板的位置，使得所述电控狭缝的宽度等于或正比于所述红外激光照射在所述光电检测装置上的位置与红外激光照射在所述光电检测装置上的参考位置之间的距离。
优选地，所述预定参考位置为所述可振动物体距离所述第一红外激光器的垂直距离最小时，所述红外激光经可振动物体反射后照射在所述光电检测装置上的位置。
优选地，所述声音还原装置根据所述接收屏上的中心衍射条纹的亮度随时间的变化确定所述电控狭缝的宽度随时间的变化。
优选地，所述亮度采集模块基于所述电控狭缝的宽度随时间的变化确定所述红外激光照射在所述光电检测装置上的位置与红外激光所照射的参考位置之间的距离随时间的变化。
优选地，所述声音还原装置基于所述红外激光照射在所述光电检测装置上的位置与所述预定参考位置之间的距离随时间的变化确定所述可振动物体的振动位移随时间的变化，并且基于所述可振动物体的振动位移随时间的变化还原声音源所发出的声音。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的声音检测设备的示意图；
图2示出了采用图1所示的声音检测设备中的电控狭缝对激光进行衍射所得到的衍射条纹。
具体实施方式
如图1所示，根据本实施例的声音检测设备包括红外激光器1、激光器2、电控狭缝4、光电检测装置5、信号处理装置6、接收屏7、亮度采集装置8，以及声音还原装置（图中没有示出）。
与现有技术中类似，本实施例中的声音检测设备也是通过对声音源附近的可振动物体3的振动的检测来还原声音源发出的声音的。
在图1中，仅仅示出了声音源附近的可振动物体3，而并没有画出声音源。本领域技术人员应该理解，可振动物体3可以是声音源附近的受声音源的影响而振动并且能够反射红外光的任何物体。通常情况下，本文中所指的声音源指的是人、扬声器或其他能够发出声波的主体。
为了检测远处的某一个声音源所发出的声音，将本发明的声音检测设备的红外激光器1对准声音源附近的玻璃、镜子或者其他可振动物体。本发明中的红外激光器1可以采用常规的红外激光器，例如，红宝石激光器、半导体激光器等。
红外激光器1以一预定入射角度朝向声音源附近的可振动物体3发射红外激光。优选地，红外激光器1的入射角度在45度到60度之间。更优选地，红外激光器中的入射角度为55.62度。
光电检测装置5和红外激光器1二者关于可振动物体3的表面法线方向大体对称放置，从而使得光电检测装置5能够接收到经可振动物体3反射的红外激光并且实时地输出反映经反射的红外激光照射在光电检测装置5上的位置的信号。在本实施例中，采用光电二极管或光电二极管阵列作为光电检测装置5对反射光进行接收和检测。
本实施例中所采用的光电二极管具有一定长度，从而使得，当玻璃发生振动时，反射光始终能够被该光电二极管所接收到。优选地，可以采用线性排列的光电二极管阵列，该线性排列的二极管阵列的排列方向（我们称之为轴线方向）与可振动物体3的表面大体平行。换言之，光电二极管阵列的排列方向要保证，即便随着玻璃的振动，激光的反射光的入射位置发生变化，所述光电二极管阵列总能够接收到反射光。本领域技术人员应该了解，还可以采用其他光电检测装置，例如CMOS、CCD等。不过，优选采用光电二极管阵列，这样可以节约成本。
在声音检测时，由于声音源所发出的声音的影响，玻璃将随着声音的变化而发生振动。如图1所示，在第一时刻，玻璃（或玻璃的被照射区域）处在水平线P位置处，即，在图中所示的下侧水平线处。激光在玻璃上发生反射，经反射的红外激光被光电检测装置所接收。光电检测装置5能够确定照射在其上的红外激光的入射位置或红外激光光束的中心位置，并且输出反映激光的照射位置或中心位置的信号。
将第一时刻经反射的红外激光照射在光电检测装置上的位置设定为参考位置。例如，在本实施例中，将可振动物体3振动到与红外激光器的垂直距离最近时（振动到P处时），反射的红外激光照射在光电检测装置上的位置设为参考位置。可以采用激光测距仪来确定红外激光器1与可振动物体3之间的最小距离。
随着玻璃的振动，经反射的红外激光束照射在光电检测装置（即，光电二极管或光电二极管阵列）上的位置将随之相应变化。在第二时刻，玻璃表面振动到图1中上部的平行线P’所示的位置处，从图中可以看到，两条平行线之间的距离即为在第一时刻和第二时刻之间玻璃振动的位移，这里，姑且设为y。此外，从图中可以看出，由于玻璃发生的位移，红外激光照射在光电检测装置上的位置也发生了变化，变化距离为设为a。经过几何推算，可知，y=0.5atanθ，θ为红外激光的光线和玻璃平面夹角。
光电检测装置5随时间跟踪红外激光束所照射的位置，并相应地输出反映红外激光束所照射的位置的信号。
电控狭缝4包括第一挡板10和第二挡板11，二者位于同一平面内，并且通常情况下二者的内侧边缘具有一定距离，从而形成狭缝。将电控狭缝4的第一档板10设置成与光电检测装置的参考位置相对应并且保持固定。实际上，这里所说的“相对应”指的是将第一挡板10设定在其自己的参考位置。第二挡板11能够在信号处理装置6的控制下相对于所述第一档板运动。这里所提到的相对运动指的是二者在同一平面内彼此靠近或彼此远离。
光电检测装置5接收从所述可振动物体3反射的红外激光，并且产生代表所述红外激光照射在所述光电检测装置上的位置的信号；
信号处理装置6接收来自光电检测装置5的信号，并且基于所述信号确定所述红外激光照射在光电检测装置上的位置。然后，信号处理装置6根据所述红外激光照射在所述光电检测装置上的位置控制所述第二挡板相对于所述第一档板的位置。具体而言，信号处理装置6控制电控狭缝4的第二档板的位置，使得电控狭缝4两个挡板的内侧边缘之间的距离，即，电控狭缝4的宽度等于或正比于红外激光照射在光电二极管上的位置与红外激光所照射的参考位置之间的距离。
在本实施例中，优选地，当经可振动物体3反射的红外激光照射在光电二极管上的参考位置时，信号处理装置6控制电控狭缝4的第二档板11，使得电控狭缝4的两个挡板之间的距离为0。备选地，可以为电控狭缝4设定最小阈值，例如，当经可振动物体3反射的红外激光照射在光电二极管上的参考位置时，信号处理装置6控制电控狭缝4的第二档板11，使得电控狭缝4的两个挡板之间的距离为预定值，例如，0.01mm、0.1mm或其他值。
例如，在光电检测装置上接收到红外激光的位置，尤其是红外激光的中心位置相对于红外激光的参考位置的距离逐渐增大时，信号处理装置6控制电控狭缝4的第二档板，使得电控狭缝4的两个挡板之间的距离相应地逐渐增大。
在一种优选实现方式中，信号处理装置6通过与第二档板相连的电动机控制第二档板相对于第一档板的运动。
第二激光器2位于所述电控狭缝4的一侧（优选地，垂直地）朝向电控狭缝4持续发射激光。接收屏7位于所述电控狭缝4的另一侧，用于接收第二激光器2发出的经所述电控狭缝4衍射的激光衍射图案。如图1中所示，在本实施例中，第二激光器2位于电控狭缝4的左侧，接收屏7位于电控狭缝4的右侧。
随着电控狭缝4的一个挡板的运动，电控狭缝4的宽度随之相应变化。第二激光器2持续照射在电控狭缝4上。需要说明的是，第二激光器2所发出的光束宽度应大于电控狭缝4的最大狭缝宽度。
第二激光器2所发出的激光照射在电控狭缝4上之后，将发生衍射，随着狭缝宽度的变化，衍射条纹也将随之变化。通过接收屏7在电控狭缝4的另一侧接收第二激光器2发出的经电控狭缝4衍射的激光衍射条纹。
亮度采集模块8接收来自接收屏7的信号，并且确定接收屏7上获得的中心衍射条纹的亮度。声音还原装置根据中心衍射条纹的亮度确定电控狭缝4的宽度。
接收屏7上具有相同衍射角的位置具有相同的光强，因而接收屏上的衍射图样是一些相互平行的条纹，他们都平行于狭缝。对于中心位置处，各衍射光线之间由于没有光程差而相干加强，因而此处光强最大。最大光强与狭缝宽度的平方成正比。缝宽增加一倍时，光强是原来的
倍，a为缝宽。因而，采集到接收屏上中心亮纹光强变化，即最强光的强度变化，就能精确得出狭缝宽度变化，从而得到光电二极管上的红外激光位移变化，从而精确监测玻璃振动。这些操作可以由声音还原装置实现。
简言之，本发明通过采用激光衍射来测量电控狭缝4的宽度随时间的变化，由于狭缝的宽度与激光照射位置与激光照射的参考位置之间的距离相对应，基于狭缝的宽度即可以精确地确定激光照射位置相对于参考位置所发生的位移。进而，基于激光照射位置所发生的位移，便可以确定可振动物体3振动所发生的位移。
如上所述，设玻璃振动位移为y，y=0.5atanθ，θ为红外激光的光线和玻璃平面夹角，a为红外激光照射在光电检测装置上的位置与参考位置之间的距离。基于这样的关系，一旦知道狭缝宽度的变化，就可以确定玻璃振动位移。可振动物体3的振动随时间变化，根据可振动物体3随时间的振动，就可以还原出声音源所发出的声音。
本发明的发明人发现，通过直接测量红外激光照射在光电二极管上的位置，获得的是反映激光照射位置的电信号，这种信号波动较大，噪声也很大。本发明将从光电二极管获得电信号用于对第二档板的运动的控制，由于挡板的运动是一种物理运动，在将电信号转化为物理运动时，电信号中的噪声会因此彼此抵消。因此，本发明的设备的精度更高，受噪声影响更小。
本实施例中，该狭缝宽度的确定由光强采集模块或声音还原装置实现。光强采集模块和声音还原装置可以由数字集成电路或模拟电路实现。该声音还原装置例如为用于将振动信息转换为声音信号的转换电路和相应的放大电路。
本领域技术人员应该理解，上述的红外激光器、电控狭缝、光电检测装置等可以采用现有技术中存在的常规设备，并领域技术人员根据现有技术和本发明的上述内容应该可以知道上述部件如何实现。
此外，需要说明的是，本发明所提到的声音源附近的可振动物体3中的“附近”指的是声音源发出的声音能够传播到，并且声波的振动能够引起可振动物体发生振动的距离。优选地，“附近”指距离声音源3m、4m或5m以内。
Claims (6)
1.一种基于激光衍射原理的声音检测设备，其用于对声音源所发出的声音进行检测，所述声音检测设备包括：第一红外激光器（1）、第二激光器（2）、电控狭缝（4）、光电检测装置（5）、信号处理装置（6）、接收屏（7）、亮度采集模块（8）、声音还原装置，其特征在于，
所述第一红外激光器（1）用于以一预定入射角度朝向所述声音源附近的可振动物体（3）发射红外激光，所述可振动物体（3）能够至少部分反射所述红外激光；
电控狭缝（4）包括第一挡板和第二挡板，所述第一档板固定在挡板参考位置，所述第二挡板能够在所述信号处理装置（6）的控制下相对于所述第一档板运动；
所述光电检测装置（5）用于接收从所述可振动物体（3）反射的红外激光，并且产生代表所述红外激光照射在所述光电检测装置（5）上的位置的信号；
所述信号处理装置（6）基于所述信号确定所述红外激光照射在所述光电检测装置（5）上的位置并根据所述红外激光照射在所述光电检测装置（5）上的位置控制所述第二挡板相对于所述第一档板的位置；
所述第二激光器（2）位于所述电控狭缝（4）的一侧朝向所述电控狭缝（4）持续发射激光；
所述接收屏（7）位于所述电控狭缝（4）的另一侧，用于接收所述第二激光器（2）发出的经所述电控狭缝（4）衍射而得到的激光衍射条纹；
所述亮度采集模块（8）接收来自所述接收屏（7）的信号，并且确定所述接收屏（7）上获得的中心衍射条纹的亮度，并根据所述中心衍射图案的亮度确定所述电控狭缝（4）的宽度；
所述声音还原装置根据所述电控狭缝（4）的宽度，确定所述光电检测装置（5）上接收的红外激光的位置相对于预定参考位置的位移，并根据所述位移随时间的变化来还原所述可振动物体（3）随时间的振动，从而还原所述声音源发出的声音。
2.如权利要求1所述的声音检测设备，其特征在于，所述信号处理装置（6）控制所述电控狭缝（4）的第二档板的位置，使得所述电控狭缝（4）的宽度等于或正比于所述红外激光照射在所述光电检测装置（5）上的位置与红外激光照射在所述光电检测装置（5）上的参考位置之间的距离。
3.如权利要求1所述的声音检测设备，其特征在于，所述预定参考位置为所述可振动物体（3）距离所述第一红外激光器（1）的垂直距离最小时，所述红外激光经可振动物体（3）反射后照射在所述光电检测装置（5）上的位置。
4.如权利要求1-3之一所述的声音检测设备，其特征在于，所述声音还原装置根据所述接收屏（7）上的中心衍射条纹的亮度随时间的变化确定所述电控狭缝（4）的宽度随时间的变化。
5.如权利要求4所述的声音检测设备，其特征在于，所述亮度采集模块（8）基于所述电控狭缝（4）的宽度随时间的变化确定所述红外激光照射在所述光电检测装置（5）上的位置与红外激光所照射的参考位置之间的距离随时间的变化。
6.如权利要求4所述的声音检测设备，其特征在于，所述声音还原装置基于所述红外激光照射在所述光电检测装置（5）上的位置与所述预定参考位置之间的距离随时间的变化确定所述可振动物体（3）的振动位移随时间的变化，并且基于所述可振动物体（3）的振动位移随时间的变化还原声音源所发出的声音。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |