CN114355463A - 一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及使用太赫兹波对声音进行感知与检测的方法及系统。包括：太赫兹发射源，隔声箱体，增益天线和太赫兹探测器。隔声箱体表面使用阻尼材料覆盖以达到隔绝声音的目的。太赫兹波由发射源发出，经过增益天线后收束直接或者透过隔声箱体照射到发声物体表面。太赫兹探测器测量反射回来的太赫兹波强度并通过时频分析原理对声音进行恢复。本发明不需要昂贵的麦克风阵列探测以及对工艺要求较高的光学光纤探测方法，通过对处于有或无隔声环境下的未知声音物体发射太赫兹波，并采集回波数据解析以及对相位信息的时频分析，获取被测声源的振动状态和发声频率。实现有或无隔声环境下更快、更精确的太赫兹波声音感知与探测。
Description
技术领域
本发明涉及到使用太赫兹波对声音进行探测与感知的领域，具体地说是一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的方法及系统。
背景技术
近几十年，随着科研人员在光子学和电子学领域的深入研究，超快激光技术、非线性光学技术和微电子技术的研究进展使得太赫兹波的辐射和探测技术也得到了飞速发展。太赫兹波是一种频率范围在0.1THz到10THz之间，介于微波和红外波之间的高频电磁波。它的波长在0.03mm到3mm范围内。与传统的麦克风感知相比，太赫兹波具有更高的空间分辨率，它能够测出物体在振动过程中各个位置的详细振动情况包括中心振动频率，二次谐波以及频率失真情况。另外，与光学感知相比，太赫兹波的波长更长。这种特性使得太赫兹波能够穿过表面材料探知物体内部的细微机械振动这些优势使得太赫兹波在声音探测和感知领域有着广阔的应用前景。这些优势使得太赫兹波在声音探测和感知领域有着广阔的应用前景。
现有的声音探测技术大都采用点式传感的方式。主要是通过麦克风或者光纤进行声音的探测和感知。麦克风感知方法灵敏度较低并且需要阵列形式才能达到较好的探测效果。光纤感知方法则对光纤的加工工艺较高并且该种方法适用于探测水中的超声波。上述声音探测方法都不同程度的存在弱点。
尤其是，当被测声源处于隔声环境下，未知声音信号无法向隔声环境以外传播。此种情况下，传统的声学传感器无法采集被测声源的未知声音信号，无法分析未知声音，无法进行探测和识别。
发明内容
针对上述技术不足，本发明的目的提供一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的方法及系统。太赫兹波在被测物体表面反射后，回波中的相位信息可以精确地表示出物体与波源之间细微的距离变化。再通过快速傅里叶变换对相位信息进行分析可以得出距离变化的快慢，这种振动速度快慢的变化就是物体发声时产生的细微振动。同时，本发明还设置了声学感知受限的条件。隔声箱体的加入使得传统的声学传感无法得到声音的频率，而通过太赫兹波的强穿透性可以穿透隔声箱进入到内部探知物体发声的状况。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的方法，通过向有或无隔声环境下的被测声源发射太赫兹波，使得太赫兹波与被测声音信号产生干涉现象，并对采集的太赫兹回波信号进行探测，识别感知未知声音频率，包括以下步骤：
S1、设定矢量网络分析仪中的参数，使其采样频率不低于被测声源中最大声音频率的两倍；
S2、打开被测声源，控制矢量网络分析仪发射太赫兹波至被测声源，采集太赫兹回波信号，并以散射S参数的形式存储；
S3、解析太赫兹回波信号、获取相位信息，通过快速傅里叶变换解析被测声音信号的频率。
所述设定矢量网络分析仪的采样频率设定，包括：
a.在矢量网络分析仪中设置参数，包括采样点数n，中频带宽m；
b.计算采样频率：
其中，扫描时间t为矢量网络分析仪根据采样点数n、中频带宽m计算获得；
c.若计算出的采样频率fs满足香农采样定理，则停止设置参数，否则返回步骤a重新设置参数。
所述香农采样定理公式如下：
其中，fs,min是fs的最低频率，B是待测声音信号的带宽，M则是
结果的小数部分，N则是整数部分，fmax是待测声音信号中的最大频率。
所述以散射S参数的形式存储的太赫兹波回波信号复数的形式表达如下：
其中，R表示网络中的阻抗，L为电感，C为电容，ω为角频率。
所述通过快速傅里叶变换解析被测声音信号的频率，包括：
通过对S参数进行处理以及快速傅里叶变换得出太赫兹波的相位变化频率，即为太赫兹系统与被测目标物体间的周期性距离变化，从而确定被测物体的发声频率。
所述该方法适用于有或无隔声环境下的未知声音的频率感知，所述隔声箱体(3)采用纸箱或亚克力材质箱体，箱体内壁或外壁贴阻尼材料。
所述矢量网络分析仪发射的频率为太赫兹波段。
一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的系统，包括：太赫兹收发一体设备、增益天线、隔声箱体、被测声源、控制计算机；所述太赫兹收发一体设备的波导输出端口连接增益天线；控制计算机分别连接被测声源、太赫兹收发一体设备；控制计算机中存储有程序，当加载程序时执行如上所述的方法步骤，实现通过控制计算机控制发射太赫兹波，经过增益天线后收束直接或者透过隔声箱体照射在被测声源上产生干涉现象，采集太赫兹回波信号进行探测，并识别感知未知声音频率。
所述太赫兹收发一体设备包括：依次连接的矢量网络分析仪、扩频模块、频率扩展器；所述频率扩展器的波导输出端口连接增益天线；所述矢量网络分析仪连接控制计算机。
所述扩频模块以及频率扩展器用于对矢量网络分析仪输出的太赫兹波进行频率在75-110GHz范围的提升。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明提供一种新的探测声音的方法，利用太赫兹波的较高的空间分辨率，可实现对发声物体的精细测量，恢复其频率。
2.本发明采用相位恢复的方法，可精确测出被测物体与探测装置间的细微距离变化，进而确定变化的频率。
3.本发明设置了声学感知受限的条件。隔声箱体的加入使得传统的声学传感无法得到声音的频率，而通过太赫兹波的强穿透性可以穿透隔声箱进入到内部探知物体发声的状况。
4.本发明利用太赫兹波的良好的穿透性可以精确地识别感知有或无隔声环境下被测声源物体发出的未知声音频率。
附图说明
图1为使用太赫兹波对声音进行感知的系统结构示意图；
图2为本发明的流程图。
图3为本发明在正常情况下对连续音乐的探测结果；
图4为本发明在隔声条件下对连续音乐的探测结果；
其中，1为太赫兹收发一体设备，是太赫兹发射源也是太赫兹探测器，2为增益天线，3为隔声箱体，4为被测声源物体，5电子计算机。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示为本发明的系统结构示意图。本发明使用太赫兹波对声音进行感知与检测。该系统包括：太赫兹收发一体设备1，隔声箱体3，增益天线2和被测声源物体4和电子计算机5。隔声箱体3表面使用阻尼材料覆盖以达到隔绝声音的目的。隔声箱体3采用纸箱或亚克力材质箱体，箱体内壁或外壁贴聚氨酯阻尼材料，聚氨酯阻尼材料厚度为2mm。实验中通过放置或不放置隔声箱体3来设置有或无隔声环境。太赫兹收发一体设备1包括依次连接的矢量网络分析仪、扩频模块、频率扩展器；频率扩展器的波导输出端口连接增益天线；所述增益天线2为喇叭形状，开口朝向被测声源4。所述矢量网络分析仪连接控制计算机5。太赫兹波由矢量网络分析仪发出，经过增益天线后收束直接或者透过隔声箱体照射到被测声源物体4表面。同时作为太赫兹探测器的矢量网络分析仪测量反射回来的太赫兹波强度，由控制计算机5通过时频分析原理对处于有或无隔声环境下的未知声音信号进行恢复和识别感知。
方法，包括以下过程：
步骤1、搭建能够发射的太赫兹波的发射系统。将矢量网络分析仪与扩频模块以及频率扩展器相连接使得其频率范围提升至75-110GHz。
步骤2、在频率扩展器前端加装对应频率范围的增益天线，放置或不放置隔声箱体3制造有或无隔声环境，使得矢量网络分析仪(VNA)发出的太赫兹波集中照射到被测声源上。
步骤3、设定矢量网络分析仪中的参数使得它的采样频率不低于所测声音中最大声音频率的两倍。
步骤4、打开电脑上的播放软件播放声音，并启动数据采集程序对太赫兹回波进行采集。
步骤5、解析回波信号并获取信号的相位信息；通过快速傅里叶变换将相位信息解析得出声音信号的频率。
其中，详细步骤如下：
步骤1、搭建能产出太赫兹波段的发射系统，将矢量网络分析仪(VNA)，扩频模块与频率扩展器组装。频率扩展器选择75-110GHz频段。
步骤2、在频率扩展器前端加装对应频率范围的增益天线。通过在频率扩展器前方固定位置处接受到的太赫兹波来判断天线的增益效果。
步骤2-2、在频率扩展器前端固定距离处放置另一个频率扩展器并与扩频模块和VNA相连接，通过加装增益天线前后固定位置处得到的电磁波功率观测增益天线的效果
步骤3、设定矢量网络分析仪中的参数使得它的采样频率不低于被测声音中最大声音频率的两倍。
步骤3-1、计算出VNA在参数设定情况下的采样时间。
a.确定矢量网络分析仪中的设置参数，包括采样点数，中频带宽以及扫描时间。这些参数可以在VNA的操作界面得出。
b.根据公式(1)得出VNA的采样频率
n为VNA中设定的扫描点数，m为VNA的中频带宽。由于在VNA中当n与m确定后，VNA通过现有的参数即可计算出的扫描时间t。
c.计算出的采样频率需要满足香农采样定理，公式如下所示
在上述公式中，fs,min是fs的最低频率。B是所测声音信号的带宽。M则是
结果的小数部分，N则是整数部分。fmax是所测声音信号中的最大频率。对于单频率声音信号来说，其本身是一个频谱在中心振动频率附近的信号。
可以认为近似为0忽略不计。声音信号的带宽B相对于信号中的最高频fmax很小，N很大并且M<1。从而认为采样的最低频率要不低于声音信号中含有的最高频率的两倍。
步骤3-2、根据VNA中设定参数计算出的采样频率需要大于被测声音信号中频率最大值的两倍。
步骤4、打开电脑上的播放软件播放声音，并启动数据采集程序对太赫兹回波进行采集。
步骤4-1、在使用电脑中的Labview软件控制VNA进行数据采集时，考虑到通信延时以及设备中的误差，软件中的采集时间需要大于在步骤3中确定的VNA扫描时间。一般设定软件中的采集时间为VNA中扫描时间的1.5倍。
步骤5、解析回波信号并获取信号的相位信息；通过快速傅里叶变换将相位信息解析得出声音信号的频率。
步骤5-1、使用矢量网络分析仪的散射参数(S参数)对VNA发射出的太赫兹回波进行数据存储。此散射参数描述了被测件的反射与传输特性。在测试时，VNA将进入器件的回波信号相位与器件响应信号的相位进行比较得出一个比值关系。这种关系便是VNA测试得出的S参数。并且，由于S参数在可以使用双端口网络中的阻抗表达的同时可以使用复数的形式表达
在上述公式中R表示网络中的阻抗，L为电感而C为电容。ω为角频率。通过公式(3)以及快速傅里叶变换即可得出太赫兹波的相位变化频率。而这种相位的频率改变即可认作是VNA与被测目标物体间的周期性距离变化。从而确定被测物体的发声频率。而这种相位的频率改变即可认作是VNA与被测目标物体间的周期性距离变化。从而确定被测物体的发声频率。
实验例证：
为了验证本发明的有效性和实用性，我们使用本发明的使用太赫兹波对声音进行感知的系统对扬声器产生的8种不同的音阶进行为了实验。扬声器分别播放不同的音阶，将回波按照本发明所述的步骤进行处理，得到的结果如下表所示。
表1
| 音阶名称 | 设定值(Hz) | 测量值(Hz) | 误差(Hz) |
| do | 261.63 | 264.19 | 2.56 |
| re | 293.66 | 296.54 | 2.88 |
| mi | 329.63 | 334.29 | 4.66 |
| fa | 349.23 | 355.85 | 6.62 |
| SO | 392.00 | 398.99 | 6.99 |
| la | 440.00 | 447.51 | 7.51 |
| ti | 493.88 | 501.43 | 7.55 |
| doo | 523.25 | 533.78 | 10.53 |
从表格中可以看出使用太赫兹波进行声音的感知可以达到很好的效果，并且在将扬声器放在隔声箱体后再次进行测试，所得到的实验结果相同，验证了本发明感知方法的可行性与准确性。
本发明在进行正常空间和隔声条件下对乐曲《卡农》的测试结果分别如图3和图4所示。在这两幅结果图片中，横坐标代表频率，纵坐标代表所测频率的幅值。图中每个波形的尖端的数字代表使用本发明测试得出的乐曲中的声音频率。通过图3和图4可以看出本发明在隔声条件下的测试结果和在正常情况下得出的一致。虽然由于隔声材料的限制导致每个声音频率的幅值减小，但是频率不变。
本发明利用太赫兹波段具有较高的空间分辨率的特点，测出发声物体在发声过程中的频率。此外，本发明利用太赫兹波穿透性强的特点在发声物体被隔声材料包裹的条件下测出其发声频率。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的方法，其特征在于，通过向有或无隔声环境下的被测声源(4)发射太赫兹波，使得太赫兹波与被测声音信号产生干涉现象，并对采集的太赫兹回波信号进行探测，识别感知未知声音频率，包括以下步骤：
S1、设定矢量网络分析仪中的参数，使其采样频率不低于被测声源中最大声音频率的两倍；
S2、打开被测声源，控制矢量网络分析仪发射太赫兹波至被测声源，采集太赫兹回波信号，并以散射S参数的形式存储；
S3、解析太赫兹回波信号、获取相位信息，通过快速傅里叶变换解析被测声音信号的频率。
2.根据权利要求1所述的一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的方法，其特征在于，所述设定矢量网络分析仪的采样频率设定，包括：
a.在矢量网络分析仪中设置参数，包括采样点数n，中频带宽m；
b.计算采样频率：
其中，扫描时间t为矢量网络分析仪根据采样点数n、中频带宽m计算获得；
c.若计算出的采样频率fs满足香农采样定理，则停止设置参数，否则返回步骤a重新设置参数。
3.根据权利要求2所述的一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的方法，其特征在于，所述香农采样定理公式如下：
其中，fs,min是fs的最低频率，B是待测声音信号的带宽，M则是
结果的小数部分，N则是整数部分，fmax是待测声音信号中的最大频率。
4.根据权利要求1所述的一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的方法，其特征在于，所述以散射S参数的形式存储的太赫兹波回波信号复数的形式表达如下：
其中，R表示网络中的阻抗，L为电感，C为电容，ω为角频率。
5.根据权利要求1所述的一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的方法，其特征在于，所述通过快速傅里叶变换解析被测声音信号的频率，包括：
通过对S参数进行处理以及快速傅里叶变换得出太赫兹波的相位变化频率，即为太赫兹系统与被测目标物体间的周期性距离变化，从而确定被测物体的发声频率。
6.根据权利要求1所述的一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的方法，其特征在于，所述该方法适用于有或无隔声环境下的未知声音的频率感知，所述隔声箱体(3)采用纸箱或亚克力材质箱体，箱体内壁或外壁贴阻尼材料。
7.根据权利要求1所述的一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的方法，其特征在于，所述矢量网络分析仪发射的频率为太赫兹波段。
8.一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的系统，其特征在于，包括：太赫兹收发一体设备(1)、增益天线(2)、隔声箱体(3)、被测声源(4)、控制计算机(5)；所述太赫兹收发一体设备(1)的波导输出端口连接增益天线(2)；控制计算机(5)分别连接被测声源(4)、太赫兹收发一体设备(1)；控制计算机(5)中存储有程序，当加载程序时执行如权利要求1-7任意一项所述的方法步骤，实现通过控制计算机(5)控制发射太赫兹波，经过增益天线(2)后收束直接或者透过隔声箱体照射在被测声源(4)上产生干涉现象，采集太赫兹回波信号进行探测，并识别感知未知声音频率。
9.根据权利要求8所述的一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的系统，其特征在于，所述太赫兹收发一体设备(1)包括：依次连接的矢量网络分析仪、扩频模块、频率扩展器；所述频率扩展器的波导输出端口连接增益天线；所述矢量网络分析仪连接控制计算机(5)。
10.根据权利要求8所述的一种使用太赫兹波进行声音探测与感知的系统，其特征在于，所述扩频模块以及频率扩展器用于对矢量网络分析仪输出的太赫兹波进行频率在75-110GHz范围的提升。
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