CN104019890A - 一种次声波检测方法及其检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种次声波检测方法及其检测装置，其能解决现有次声波检测设备种类单一、使用要求高、价格昂贵的问题，并且能有效应用于日常民用；其由智能移动设备采集加速度传感器在待测位置的机械振动信息，智能移动设备将机械振动信息转换为振动信号功率谱，根据振动信号功率谱中的信号频率分布和次声波频率范围，从而判定待测位置是否有次声波的存在。

Description

一种次声波检测方法及其检测装置

技术领域

本发明涉及移动通信领域，尤其是涉及基于移动通信技术实现次声波检测的方法，具体为一种基于智能手机传感器的次声波检测方法。

背景技术

次声波又称亚声波，一般是指频率在10^-4Hz～20Hz之间的声波。通常情况下次声波并不引起人耳听觉。与可听声波一样，次声波由各种物体的机械振动产生，通过各种弹性介质的振动向四周扩散传播。科学研究发现，许多自然现象出现时，如海上风暴、火山爆发、地震、海啸、电闪雷鸣、波浪击岸、台风、磁暴、极光、冰雹等等，都可伴有次声波的发生；在与人类有关的活动中，诸如核爆炸，飞机、火箭、导弹飞行，火炮发射，火车和地铁高速行驶时车身板壁与车内空气的次声频耦振，轮船航行，飞驰的车辆，高楼和大桥摇晃，甚至鼓风机、搅拌机、扩音喇叭等都会产生很强的次声波。另外，次声波还广泛分布于工业生产、建筑业和交通运输中，如高速公路上疾驰的车辆中可产生12dB声强的次声波，而且由于次声波的频率低、波长较长，因此在传播中被介质吸收很少，穿透能力很强。

次声波可对人体造成危害。当人体受到低强度次声影响后，主要表现为非特异性的应激反应及神经内分泌失调症状：烦躁、中耳压迫、耳痛、耳鸣以及头疼、恶心、呕吐、平衡失调、视觉模糊等。高强度的次声甚至可导致人体严重的生理变化，甚至死亡。因为人体各器官都有其固有的振动频率，而这种频率在3Hz～17 Hz之间，人体的这些固有频律正好在次声频率范围内，当次声作用于人体时，若它的频率与某一部位的自身频率接近或相等，即会引起生物共振反应，使其吸收能量；另一方面其共振刺激躯体感受器，将刺激传到人体中枢神经系统相关部位，引起一系列功能和形态改变，最终影响组织分子结构、生物氧化和能量代谢过程，以至危及性命。

目前的次声波检测设备多为电容式次声波传感器，其要求结构精细、设计严密、选材严格，特别是加工精度要求高，其主要零件都要求超精加工，并且为了保证其使用的长期稳定性，要选用最好的绝缘体，系统内还要求高洁净度等，还必须考虑环境条件对系统劲度的影响，环境温度变化所引起的传感器的“零飘”问题；另外，目前的次声波检测设备多用于地震预测、海洋风暴预警等自然灾害的预警与监测，其种类单一、价格昂贵，不适合日常民用。手机现在已经成为了人们日常生活中不可或缺的电子产品，单纯利用手机中的麦克风进行次声波检测这种方法并不可行，因为手机麦克风的最低拾音频率通常高于20Hz，无法检测频率低于20Hz的次声波。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种次声波检测方法，其能解决现有次声波检测设备种类单一、使用要求高、价格昂贵的问题，并且能有效应用于日常民用，为此本发明还提供了一种次声波检测装置。

一种次声波检测方法，其特征在于：智能移动设备采集加速度传感器在待测位置的机械振动信息，所述智能移动设备将所述机械振动信息转换为振动信号功率谱，根据所述振动信号功率谱中的信号频率分布和次声波频率范围，从而判定所述待测位置是否有次声波的存在。

其进一步特征在于：

所述判定待测位置是否有次声波的存在的判定方法为：当所述次声波频率范围内存在所述振动信号功率谱中的信号频率，则判定为检测到次声波；

当判定所述待测位置检测到次声波，所述智能移动设备弹出提示信息通知用户有次声波存在；

所述待测位置为水平位置；所述智能移动设备通过离散傅里叶变换交换所述机械振动信息从时域转换为频域，从而得到所述振动信号功率谱。

其更一步特征在于：在采用所述智能移动设备检测次声波前，对所述智能移动设备进行训练，所述训练包括以下步骤：

（1）获取所述加速度传感器的采样频率范围；

（2）将所述智能移动设备置于水平面，所述智能移动设备采集所述加速度传感器的加速度值；

（3）根据所述步骤（2）中所采集到的所述加速度传感器的加速度值，设定所述加速度传感器的加速度门限制值。

一种次声波检测装置，其特征在于：其包括

加速度传感器，用于检测待测位置的机械振动信息；

智能移动设备，用于采集所述加速度传感器检测到的机械振动信息并将所述机械振动信息转换为振动信号功率谱，并根据所述振动信号功率谱中的信号频率分布和次声波频率范围判定所述待测位置是否有次声波的存在；

所述加速度传感器与所述智能移动设备电控信号连接。

其进一步特征在于：其中加速度传感器可内置于所述智能移动设备，也可外置于所述智能移动设备；

所述智能移动设备为智能手机、平板电脑、智能可穿戴设备中的任一种；

所述加速度传感器为三轴加速度传感器、压电式加速度传感器、电容式mems加速度传感器中的任一种。

本发明的有益效果在于：

（1）其采用智能手机、平板电脑、智能可穿戴设备等智能移动设备作为次声波检测的终端，与现有的专业次声波检测设备相比较其终端成本低、适合日常民用；

（2）次声波传播时伴随着能量的传播，次声波的波强反应了次声波的能量，同时也决定了待测位置所在平面随之振动的振幅，忽略外界微小的振动，通过振幅传递的线性关系，可以得到待测位置所在平面产生机械振动的最大位移与次声波波强成正相关，本发明方法中智能移动设备采集加速度传感器在待测位置的机械振动信息，智能移动设备将机械振动信息转换为振动信号功率谱，根据振动信号功率谱中的信号频率分布和次声波频率范围从而判定所述待测位置是否有次声波的存在，其方法简单，可以随时检测环境周围是否存在次声波；

（3）本发明次声波检测方法中，当判定待测位置检测到次声波后智能移动设备弱出提示信息通知用户有次声波存在，能够随时提醒人们及时远离或者减少在次声波环境下的停留时间，减少次声波对人体的伤害；

（4）本发明次声波检测方法中，待测位置选择为水平位置，能够有效保证加速度传感器检测该位置机械振动信息的精确性；而在采用智能移动设备检测次声波前先对智能移动设备进行训练从而设定加速度传感器的加速度门限值，可以避免加速度传感器本身的检测误差，进一步保证加速度传感器检测待测位置机械振动信息的精确性；

（5）本发明次声波检测方法中，智能移动设备通过离散傅里叶变换的方法将加速度传感器检测到的机械振动信息从时域转换为频域从而得到振动信号功率谱，其转换便捷，计算量小，能够有效提高次声波检测速度；

（6）本发明次声波检测方法的检测装置，其加速度传感器可以采用内置或外置的方式与智能移动设备电控信号连接，从而满足实际的使用需要，适用范围广。

附图说明

图1为本发明具体实验室实施例的次声波检测方法的系统流程图；

图2为本发明具体实验室实施例的次声波检测方法中对智能手机进行训练的过程图；

图3为本发明具体实验室实施例的次声波检测方法中对次声波的检测过程图；

图4为本发明具体实验室实施例的次声波检测装置系统部署示意图；

图5为本发明具体实验室实施例中智能手机在Z轴的振动波形图像；

图6为本发明具体实验室实施例中对Z轴图像波形进行离散傅里叶变换后的功率谱图像。

具体实施方式

一种次声波检测方法，其通过智能移动设备采集加速度传感器在待测位置的机械振动信息，然后智能移动设备将机械振动信息转换为振动信号功率谱，当次声波频率范围内存在振动信号功率谱中的信号频率，则判定该待测位置检测到次声波，智能移动设备即弹出提示信息通知用户有次声波存在。其中，智能移动设备通过离散傅里叶变换交换机械振动信息从时域转换为频域，从而得到振动信号功率谱；待测位置为水平位置；在采用智能移动设备检测次声波前，对智能移动设备进行训练，训练包括以下步骤：

（1）获取加速度传感器的采样频率范围；

（2）将智能移动设备置于水平面，智能移动设备采集加速度传感器的加速度值；

（3）根据步骤（2）中所采集到的加速度传感器的加速度值，设定加速度传感器的加速度门限制值。

一种次声波检测方法的检测装置，其包括

加速度传感器，用于检测待测位置的机械振动信息；

智能移动设备，用于采集加速度传感器检测到的机械振动信息并将机械振动信息转换为振动信号功率谱，并根据振动信号功率谱中的信号频率分布和次声波频率范围判定待测位置是否有次声波的存在；

其中加速度传感器与所述智能移动设备电控信号连接，加速度传感器可内置或者外置于智能移动设备；智能移动设备为智能手机、平板电脑、智能可穿戴设备中的任一种；加速度传感器为三轴加速度传感器、压电式加速度传感器、电容式mems加速度传感器中的任一种。

下面结合附图、采用一个实验室实施例对本发明方法进行详细说明：

本实验室实施例中采用一个简易的次声波发生器3产生次声波以达到检测的效果，本实施例次声波检测装置中智能移动设备选用智能手机，加速度传感器采用三轴加速度传感器，并且该三轴加速度传感器内置于该智能手机内，本实施例系统部署见图4，将智能手机1放置于水平的检测平台2上，将次声波发生器3置于检测平台2正下方使其次声波发射面对准智能手机1，一般三轴加速度传感器的量程范围为±2g m/s²，±4g m/s²，±8g m/s²；

首先对智能手机1进行训练，见图2，其包括如下步骤：

（1）获取智能手机1的三轴加速度传感器的采样频率范围，本实施例中智能手机1的三轴加速度传感的量程范围为±8g m/s²；

（2）将智能手机1置于水平的检测平台1上，在不启动次声波发生器3的情况下使用记录智能手机1的三轴加速度传感器所测到的X轴、Y轴和Z轴的加速度值；

（3）根据上述步骤（2）中所测到的所述智能手机的三轴加速度传感器所测到的X轴、Y轴和Z轴的加速度值，设定智能手机1的三轴加速度传感器的X轴、Y轴和Z轴的加速度门限制值，本实施中设定智能手机1的三轴加速度传感器门限值为0.2m/s²；

再启动次声波发生器3，通过智能手机1来检测次声波，见图3，其检测过程为：智能手机1内置的三轴加速度传感器采集智能手机1在检测平台2上的在X轴、Y轴和Z轴的加速度值数据，然后将采集到的智能手机在1在检测平台2上的X轴、Y轴和Z轴的加速度值数据通过离散傅里叶变换得到智能手机1的振动信号功率谱，本实验室实施例中，由于智能手机1放置于水平的检测平台2表面，同时次声波发生器3位于检测平台2的正下方并且其次声波发射面对准智能手机1，因此次声波发生器发出的次声波垂直于水平的检测平台2的表面，智能手机1受次生波影响而产生的机械振动主要是Z轴方向的振动，因此本实施例中仅对三轴加速度传感器采集的Z轴加速度数据进行离散傅里叶变换，从而得到智能手机１在Z轴方向的振动信号功率谱，见图5和图6；再根据智能手机1的振动信号功率谱中的信号频率分布，当振动信号功率谱中存在低于20Hz的频率范围内存在的信号功率，则判定为检测到次声波，通过智能手机1中的通知栏弹出提示信息从而通知用户，否则智能手机1内置的三轴加速度传感器继续采集智能手机1的三轴加速度数据并进行次声波检测；其中，对三轴加速度数据进行离散傅里叶变换的公式为：

；

，

其通过傅里叶变换将N个时域采样点与N个频域采样点联系起来，

功率谱密度函数为：，

其估值为：，式中：k=0,1,2…,N-1。 

本发明方法中采用离散傅里叶变换的方法将三轴加速度数据从时域转变频域，傅里叶变换是数字信号处理领域一种很重要的算法，傅里叶原理表明：任何连续测量的时序信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加；而根据该原理创立的傅立叶变换算法利用直接测量到的原始信号，以累加方式来计算该信号中不同信号的频率、振幅和相位；因此，傅里叶变换将可以信号从时域表示转换到频域，分析信号中所含有的频率成分和幅值特性，将时域内隐藏的现象和特征在频域内突显出来，建立信号时域与频域的关系；离散傅里叶变换是连续傅里叶变换在时域和频域上都离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间里傅里叶变换频域的采样。

Claims (10)

1.一种次声波检测方法，其特征在于：智能移动设备采集加速度传感器在待测位置的机械振动信息，所述智能移动设备将所述机械振动信息转换为振动信号功率谱，根据所述振动信号功率谱中的信号频率分布和次声波频率范围，从而判定所述待测位置是否有次声波的存在。

2.根据权利要求1所述的一种次声波检测方法，其特征在于：所述判定待测位置是否有次声波的存在的判定方法为：当所述次声波频率范围内存在所述振动信号功率谱中的信号频率，则判定为检测到次声波。

3.根据权利要求1所述的一种次声波检测方法，其特征在于：当判定所述待测位置检测到次声波，所述智能移动设备弹出提示信息通知用户有次声波存在。

4.根据权利要求1所述的一种次声波检测方法，其特征在于：所述待测位置为水平位置。

5.根据权利要求1所述的一种次声波检测方法，其特征在于：在采用所述智能移动设备检测次声波前，对所述智能移动设备进行训练，所述训练包括以下步骤：

（1）获取所述加速度传感器的采样频率范围；

（2）将所述智能移动设备置于水平面，所述智能移动设备采集所述加速度传感器的加速度值；

（3）根据所述步骤（2）中所采集到的所述加速度传感器的加速度值，设定所述加速度传感器的加速度门限值。

6.根据权利要求1所述的一种次声波检测方法，其特征在于：所述智能移动设备通过离散傅里叶变换交换所述机械振动信息从时域转换为频域，从而得到所述振动信号功率谱。

7.一种次声波检测装置，其特征在于：其包括

加速度传感器，用于检测待测位置的机械振动信息；

智能移动设备，用于采集所述加速度传感器检测到的机械振动信息并将所述机械振动信息转换为振动信号功率谱，并根据所述振动信号功率谱中的信号频率分布和次声波频率范围判定所述待测位置是否有次声波的存在；

所述加速度传感器与所述智能移动设备电控信号连接。

8.根据权利要求7所述的一种次声波检测装置，其特征在于：所述加速度传感器内置于所述智能移动设备。

9.根据权利要求7所述的一种次声波检测装置，其特征在于：所述加速度传感器外置于所述智能移动设备，所述加速度传感器与所述智能移动设备电控信号连接。

10.根据权利要求8或9中任一所述的一种次声波检测装置，其特征在于：所述智能移动设备为智能手机、平板电脑、智能可穿戴设备中的任一种，所述加速度传感器为三轴加速度传感器、压电式加速度传感器、电容式mems加速度传感器中的任一种。