CN111134681A - 一种用于水下强声生物效应增强的信号处理方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于水下强声生物效应增强的信号处理方法，该方法具体包括：步骤1)根据动物体器官的节律特征，获得调制信号a(t)；步骤2)采用信号发生器，生成对动物体的特定器官敏感的载波信号s(t)；步骤3)将步骤1)获得的调制信号与步骤2)获得的载波信号进行相乘，获得合成信号y(t)；步骤4)将步骤3)获得的合成信号y(t)经功率放大器放大后，再传输至强声换能器，通过强声换能器将放大后的合成信号y(t)转换成声波，对特定海域进行辐射。

Description

一种用于水下强声生物效应增强的信号处理方法及其系统
技术领域
本发明属于水下声信号处理技术领域，具体涉及一种用于水下强声生物效应增强的信号处理方法。
背景技术
声波传播本质上是机械能的传递，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播声波的媒质的相互作用，去影响、改变以致破坏后者的状态、性质及结构。
当机体某一组织、器官或部位的自身固有振动频率与声波频率相同时，该组织器官的振幅最大，形成共振效应，该器官产生的生物学效应最明显。声波的共振改变了器官的工作环境，严重影响器官的正常工作，扰乱了器官正常功能，生物体因此而失常。常规的方法利用声波的机械效应，即声波振动产生正负交替的机械弹性力，通过媒介直接作用于生物细胞组织，引起组织细胞内物质运动，如使细胞浆流动、细胞震荡、旋转、摩擦。目前，现有的信号处理方法，都是针对单一的水下强声信号，且在能级不变的情况下，生物效应的效果不显著；无法突破能级限制和空化制约的瓶颈。
本方法通过改进信号形式，不单是通过机械效应，而是在机械效应的基础上叠加共振效应。在本方法改进的模式生物效应增强方式下，达到了两个目的：一是声波能级不变，提高了生物效应的效果；在最高能级情况下，通过信号处理改进，提高生物效应的效果，突破了声波能级限制的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现有的信号处理方法存在上述缺陷，本发明提出了一种用于水下强声生物效应增强的信号处理方法，该方法具体包括：
步骤1)根据动物体器官的节律特征，获得调制信号a(t)；其中，所述节律特征包括：动物体的呼吸频次和呼吸比；呼吸频次为每分钟动物体的呼吸次数；
步骤2)采用信号发生器，生成对动物体的特定器官敏感的载波信号s(t)；其中，所述载波信号s(t)优选为正弦波信号；
步骤3)将步骤1)获得的调制信号与步骤2)获得的载波信号进行相乘，获得合成信号y(t)；
步骤4)将步骤3)获得的合成信号y(t)经功率放大器放大后，再传输至强声换能器，通过强声换能器将放大后的合成信号y(t)转换成声波，对特定海域进行辐射，完成强声生物效应增强。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤1)具体包括：
通过现有的声呐或者其他医学仪器测量获得动物体器官的节律特征，由于不同的动物体，其对应的体器官的呼吸频次和呼吸比也是不同的，因此，根据测量得到的呼吸频次和吸呼比，获得呼吸波形，该呼吸波形为调制信号，设定为a(t)；其中，所述调制信号为时域信号，其中包含了表征生物节律特征的幅值和周期；所述幅值是根据呼吸气压或呼吸流速得到，表征其气压或者流速的强弱；周期表征呼吸的节奏。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤2)具体包括：
采用信号发生器，产生载波信号，利用公式(1)，获得载波信号；
Figure BDA0001855793090000021
其中，s(t)为载波信号，优选为正弦信号；f为载波信号的频率，该频率是对应器官敏感频率，即该频率对器官的生物效应最为显著，是在大量试验的基础上获得的；A为信号幅值；t为时间；
Figure BDA0001855793090000022
为初始相位。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤3)具体包括：
步骤1)获得的调制信号a(t)是通过量测动物体器官的节律特征得到的，即a(t)信号包含了动物体器官的节律特征；步骤1)获得的调制信号a(t)对步骤2)获得的载波信号s(t)进行调制，用调制信号a(t)乘以载波信号s(t)，获得合成信号y(t)，获得如下公式(2)：
y(t)＝a(t)×s(t) (2)
其中，调制过程就是两个信号合成的过程。其中，获得的合成信号y(t)既包含了动物器官的节律特征，又含有对器官敏感的特定频率信号。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤4)具体包括：
将步骤3)获得的合成信号y(t)发送至功率放大器，进行功率放大，放大后的合成信号再传输至强声换能器，通过强声换能器将放大后的合成信号y(t)转换成声波，对动物进行辐射，声波的机械效应和共振效应共同作用于特定海域，实现了两种效应的叠加，从而提高了作用效果，增强了强声生物效应。其中，来自功率放大器的放大后的合成信号，要与强声换能器本身的声学参数，以及强声换能器所处的水下深度相匹配，以避免出现强声换能器的空化现象。
基于上述的处理方法，本发明还提供了一种用于水下强声生物效应增强的信号处理系统，其包括：
合成信号生成模块，用于根据调制信号和载波信号相乘，获得合成信号；
功率放大模块，用于将合成信号进行放大；
强声换能器，用于接收放大的合成信号，通过强声换能器将放大后的合成信号y(t)转换成声波，对特定海域进行辐射，完成强声生物效应增强。
本发明的优点在于：
在这种改进的模式方式下，达到了两个目的：一是能级不变的情况下，提高了生物效应的效果；二是在受强声换能器最高能级的制约，或者是强声换能器空化制约，通过信号处理改进，实现了生物效应的目的，突破了能级限制和空化制约的瓶颈。另外，本发明的方法，通过调整合成信号的幅值，实现信号强度可控。
附图说明
图1是本发明的一种用于水下强声生物效应增强的信号处理方法的流程图；
图2是图1的本发明的一种用于水下强声生物效应增强的信号处理方法的调制信号示意图；
图3是图1的本发明的一种用于水下强声生物效应增强的信号处理方法的载波信号示意图；
图4是图1的本发明的一种用于水下强声生物效应增强的信号处理方法的合成信号示意图；
图5是生物效应增强验证试验的示意图；
图6是采用常规方法得到的生物效应显微病理图片的示意图；
图7是采用本发明的方法的强声生物效应增强显微病理图片的示意图；
图8是本发明的一种用于水下强声生物效应增强的信号处理系统的结构图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明提出了一种用于水下强声生物效应增强的信号处理方法，由于单一的水下强声信号，对于生物体的影响是基于全部能量的角度来开展的，因此，本方法基于共振效应的思路，根据动物体器官具有周期性和节律性自主活动的特点，对原有单一的水下强声信号根据呼吸节律进行调制，获得调制信号，调制信号与载波信号相乘，获得合成信号，合成信号y(t)发送至功率放大器，进行功率放大，放大后的合成信号再传输至强声换能器，并使得动物的呼吸节律与声波的频率相一致，形成共振，进行对特定海域辐射声波；其中，驱动力的周期和振动合拍，每次驱动力都跟物体的速度方向一致，驱动力做的都是正功，故物体的振幅越来越大，能量也越来越大。当驱动力的周期不与振动合拍时，它做的一部分是负功，振动所得能量要少，无法引起共振，故物体的振幅达不到最大，获得的能量也不是最大。如图1所示，该方法具体包括：
步骤1)如图2所示，根据动物体器官的节律特征，获得调制信号a(t)；其中，所述节律特征包括：动物体的呼吸频次和呼吸比；呼吸频次为每分钟动物体的呼吸次数；
步骤2)如图3所示，采用信号发生器或者软件方式，生成对动物体的特定器官敏感的载波信号s(t)；其中，所述载波信号s(t)优选为正弦信号；
步骤3)如图4所示，将步骤1)获得的调制信号与步骤2)获得的载波信号进行相乘，获得合成信号y(t)；
步骤4)将步骤3)获得的合成信号y(t)经功率放大器放大后，再传输至强声换能器，通过强声换能器将放大后的合成信号y(t)转换成声波，对特定海域进行辐射，完成强声生物效应增强。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤1)具体包括：
通过现有的声呐或者其他医学仪器，测量获得动物体器官的节律特征，由于不同的动物，其对应的动物体器官的呼吸频次和呼吸比也是不同的，因此，根据测量得到的呼吸频次和吸呼比，获得呼吸波形，该呼吸波形为调制信号，设定为a(t)；其中，所述调制信号为时域信号，包含了表征生物节律特征的幅值和周期；所述幅值是根据呼吸气压或呼吸流速得到，表征其气压或者流速的强弱；周期表征呼吸的节奏。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤2)具体包括：
采用信号发生器或者软件产生载波信号，信号形式如公式(1)表达，获得载波信号s(t)；
Figure BDA0001855793090000051
其中，s(t)为载波信号，优选为正弦信号；f为载波信号的频率，该频率是对应器官敏感频率，即该频率对器官的生物效应最为显著，是在大量试验的基础上获得的；A为信号幅值；t为时间；
Figure BDA0001855793090000052
为初始相位。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤3)具体包括：
步骤1)获得的调制信号a(t)是通过量测动物器官的节律特征得到的，即a(t)信号包含了动物器官的节律特征；步骤1)获得的调制信号a(t)对步骤2)获得的载波信号s(t)进行调制，用调制信号a(t)乘以载波信号s(t)，获得合成信号y(t)；即y(t)＝a(t)×s(t)，调制过程就是两个信号合成的过程。其中，获得的合成信号y(t)既包含了动物器官的节律特征，又含有对器官敏感的特定频率信号。
作为上述技术方案的改进之一，所述步骤4)具体包括：
将步骤3)获得的合成信号y(t)发送至功率放大器，进行功率放大，放大后的合成信号再传输至强声强声换能器，通过强声换能器将放大后的合成信号y(t)转换成声波，向水中辐射，声波的机械效应和共振效应共同作用于生物体的器官，完成强声生物效应增强，实现了两种效应的叠加，从而提高了作用效果。其中，来自功率放大器的放大后的合成信号，要与强声换能器本身的声学参数，以及强声换能器所处的水下深度相匹配，以避免出现强声换能器的空化现象。强声换能器是将电能转换为机械能的装置。
在其他具体实施方式中，所述载波信号的形式并不是固定的，还可以是锯齿波等其他信号形式；
基于上述的处理方法，如图8所示，本发明还提供了一种用于水下强声生物效应增强的信号处理系统，其包括：
合成信号生成模块，用于根据调制信号和载波信号相乘，获得合成信号；
功率放大模块，用于将合成信号进行放大；
强声换能器，用于接收放大的合成信号，通过强声换能器将放大后的合成信号y(t)转换成声波，对特定海域进行辐射，完成强声生物效应增强。
作为上述技术方案的改进之一，合成信号模块具体包括：
调制信号a(t)是通过量测动物器官的节律特征得到的，即a(t)信号包含了动物器官的节律特征；获得的调制信号a(t)对获得的载波信号s(t)进行调制，用调制信号a(t)乘以载波信号s(t)，获得合成信号y(t)，获得如下公式(2)：
y(t)＝a(t)×s(t) (2)
其中，调制过程就是两个信号合成的过程。其中，获得的合成信号y(t)既包含了动物器官的节律特征，又含有对器官敏感的特定频率信号。
作为上述技术方案的改进之一，获得调制信号a(t)具体包括：
通过现有的声呐或者其他医学仪器测量获得动物体器官的节律特征，由于不同的动物，其对应的动物体器官的呼吸频次和呼吸比也是不同的，因此，根据测量得到的呼吸频次和吸呼比，获得呼吸波形，该呼吸波形为调制信号，设定为a(t)；其中，所述调制信号为时域信号，包含了表征生物节律特征的幅值和周期；所述幅值是根据呼吸气压或呼吸流速得到，表征其气压或者流速的强弱；周期表征呼吸的节奏。
作为上述技术方案的改进之一，获得载波信号s(t)具体包括：
采用信号发生器或者软件，产生载波信号，利用公式(1)，获得载波信号；
Figure BDA0001855793090000061
其中，s(t)为载波信号，优选为正弦信号；f为载波信号的频率，该频率是对应器官敏感频率，即该频率对器官的生物效应最为显著，是在大量试验的基础上获得的；A为信号幅值；t为时间；
Figure BDA0001855793090000062
为初始相位。
下面结合某次湖试数据和附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。
试验参数：载波频率f＝440Hz，每分钟呼吸次数，吸呼比EH＝1：2，即呼吸频次n＝40，水下强声声压级197dB，强声换能器与实验对象的距离d＝2米。
如图5所示，试验中的水听器型号为BK8104，是用以测量声波声压级的装置。
目标器官：巴马小型猪肺脏，分为对照组、试验组；其中，对照组为常规生物效应增强方式，试验组采用本发明生物效应增强方法。生物效应增强时间均为3分钟。
实验用强声换能器及其参数如下表所示：
Figure BDA0001855793090000071
对照组和试验组两次试验的强声换能器声压级相同，对比结果如图6和7所示，图6是常规生物效应增强效果，图7是本发明方法的强声生物效应增强效果，显然本发明效果优于常规生物效应方式。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于水下强声生物效应增强的信号处理方法，其特征在于，该方法具体包括：
步骤1)根据动物体器官的节律特征，获得调制信号a(t)；
步骤2)采用信号发生器，生成对动物体的特定器官敏感的载波信号s(t)；
步骤3)将步骤1)获得的调制信号与步骤2)获得的载波信号进行相乘，获得合成信号y(t)；
步骤4)将步骤3)获得的合成信号y(t)经功率放大器放大后，再传输至强声换能器，通过强声换能器将放大后的合成信号y(t)转换成声波，对动特定海域进行辐射。
2.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：
根据测量得到的呼吸频次和吸呼比，获得呼吸波形，该呼吸波形为调制信号，设定为a(t)；其中，所述调制信号为时域信号，包含了表征生物节律特征的幅值和周期；所述幅值是根据呼吸气压或呼吸流速得到，表征其气压或者流速的强弱；周期表征呼吸的节奏。
3.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：
采用信号发生器，产生载波信号，利用公式(1)，获得载波信号；
Figure FDA0001855793080000011
其中，s(t)为载波信号；f为载波信号的频率；A为信号幅值；t为时间；
Figure FDA0001855793080000012
为初始相位。
4.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：
步骤1)获得的调制信号a(t)对步骤2)获得的载波信号s(t)进行调制，用调制信号a(t)乘以载波信号s(t)，获得合成信号y(t)，获得如下公式(2)：
y(t)＝a(t)×s(t) (2)
其中，获得的合成信号y(t)既包含了动物器官的节律特征，又含有对器官敏感的特定频率信号。
5.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：
将步骤3)获得的合成信号y(t)发送至功率放大器，进行功率放大，放大后的合成信号再传输至强声强声换能器，通过强声换能器将放大后的合成信号y(t)转换成声波，进行特定海域辐射，完成声波机械效应和共振效应的叠加。
6.一种基于权利要求1-5中任一所述的用于水下强声生物效应增强的信号处理方法的信号处理系统，其包括：
合成信号生成模块，用于根据调制信号和载波信号相乘，获得合成信号；
功率放大模块，用于将合成信号进行放大；
强声换能器，用于接收放大后的合成信号，通过强声换能器将放大后的合成信号y(t)转换成声波，并对特定海域进行辐射。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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