張宇澤，李麗艷，曾華林，周 燕

（中國科學(xué)院 半導(dǎo)體研究所光電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

引言

通過激光干涉獲取語音信息具有非接觸、實(shí)時(shí)測(cè)量、隱蔽性高等特點(diǎn)，可廣泛用于軍事、反恐等領(lǐng)域［1］。激光語音檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)⒓す馔渡涞侥繕?biāo)物表面，通過檢測(cè)人說話時(shí)引起的目標(biāo)物振動(dòng)信號(hào)還原出語音信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸式語音獲?。?-4］。目前該技術(shù)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。為了提高語音信息獲取性能，并滿足不同的環(huán)境條件，系統(tǒng)干涉光路的優(yōu)化和PGC解調(diào)算法的改進(jìn)一直是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)［5］。由于該語音檢測(cè)方法是通過聲致振動(dòng)的檢測(cè)來還原語音信號(hào)的［6］，因此目標(biāo)物的振動(dòng)特性將直接影響解調(diào)后的輸出結(jié)果［7］。本文以實(shí)驗(yàn)室自主研制的語音檢測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)目標(biāo)物材料特性進(jìn)行研究，分析了不同材料受聲波作用時(shí)的聲致振動(dòng)特性，從而判斷其對(duì)語音檢測(cè)的影響，為后續(xù)的系統(tǒng)性能改進(jìn)、目標(biāo)物選取及擴(kuò)大應(yīng)用范圍提供理論依據(jù)。

1 理論研究

1.1 系統(tǒng)原理

激光語音檢測(cè)系統(tǒng)的原理如圖1所示。波長為1 550nm的激光通過光纖分束器（FPBS）分成兩條光路：信號(hào)光路和參考光路。信號(hào)光經(jīng)過聲光調(diào)制器（AOM）調(diào)制后，通過準(zhǔn)直器2、分束鏡BS1和透鏡將激光投射到振動(dòng)目標(biāo)物表面，經(jīng)過漫反射返回到BS1后與BS2處的參考光束發(fā)生干涉。干涉信號(hào)經(jīng)過PGC解調(diào)算法解調(diào)后獲得語音信號(hào)。光電探測(cè)器接收到的干涉信號(hào)［5］為

式中：A為背景光強(qiáng)；B為干涉光強(qiáng)；C是相位調(diào)制幅度；ω0是調(diào)制頻率；φ（t）是低頻率環(huán)境噪聲；Dcos（ωst）是要檢測(cè)的目標(biāo)物的振動(dòng)函數(shù)；D是目標(biāo)物表面的振動(dòng)幅度；ωs是目標(biāo)物受聲波作用產(chǎn)生的振動(dòng)頻率。D和ωs不僅受語音信號(hào)的影響，還取決于目標(biāo)物的振動(dòng)，而材料特性是影響目標(biāo)物振動(dòng)的直接因素。

圖1 激光語音檢測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of laser voice acquisition system

1.2 目標(biāo)物材料特性對(duì)聲致振動(dòng)的影響

經(jīng)過介質(zhì)傳播到達(dá)目標(biāo)物表面的聲波可看作是正弦諧波壓力載荷。設(shè)目標(biāo)物位于z＝0平面，中心在坐標(biāo)原點(diǎn)，厚度為h。入射波傳播方向在xz平面里，與z夾角為θ1。則目標(biāo)物表面的聲壓［8］為

式中：P0是聲壓的幅值；θ1是入射角；（x1，z1）表示入射聲波的坐標(biāo)。板狀結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 入射聲波與目標(biāo)物的相互作用Fig.2 Interaction of incident wave with target

入射聲波Pin在目標(biāo)物表面與目標(biāo)物發(fā)生相互作用，產(chǎn)生反射波Pre和透射波Ptran，透射波將穿過目標(biāo)物并伴隨衰減。由于目標(biāo)物會(huì)作受迫振動(dòng)，因此聲波引起的目標(biāo)物振動(dòng)頻率將等于聲波頻率。設(shè)目標(biāo)物的反射系數(shù)為R，透射系數(shù)為T，則目標(biāo)物表面的聲壓可表示為

其中，

式中θ3是目標(biāo)物底部聲波出射的出射角。（x2，z2）是目標(biāo)物底部出射點(diǎn)的坐標(biāo)。當(dāng)Φ確定后，目標(biāo)物沿z方向振動(dòng)的振幅u即可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算［9］：

式中角頻率ω＝2πf。將（3）式與（6）式聯(lián)立，在目標(biāo)物上表面，即z處，目標(biāo)物的振幅可轉(zhuǎn)化為

此外，反射系數(shù)與透射系數(shù)滿足：

聲透射系數(shù)是在不連續(xù)的傳輸線中復(fù)雜的發(fā)射波與入射波的振幅之比。對(duì)于單板結(jié)構(gòu)，聲透射系數(shù)T可以通過聲傳播損耗（STL）來計(jì)算：

于是求解目標(biāo)物的聲傳播損耗成為求解目標(biāo)物表面振幅的關(guān)鍵。

聲傳播損耗可通過Sewell-Sharp-Cremer模型來計(jì)算［10］。對(duì)于不同的頻率，計(jì)算STL的表達(dá)式也不相同［11］。通常用相干頻率fco對(duì)頻率段進(jìn)行劃分，分為小于fco／2，從fco／2到fco以及大于fco三部分。

對(duì)于單層板狀結(jié)構(gòu)，截止頻率可通過下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：μ＝ρh是單位面積上的質(zhì)量，即面密度；v是材料的泊松比；E是材料的楊氏模量；h是單板的厚度；c0是聲速。當(dāng)頻率f＜fco／2，根據(jù)質(zhì)量定律STL為

式中：S為板狀結(jié)構(gòu)的面積；k是空氣中的波數(shù)；k1是材料中的波數(shù)；Λ是板狀結(jié)構(gòu)的長寬比（Λ＝L／W）；U（Λ）是對(duì)不規(guī)則矩形就行形狀修正的參數(shù)，計(jì)算表達(dá)式如下：

當(dāng)f＞fco／2時(shí)，STL的計(jì)算表達(dá)式為

當(dāng)fco／2≤f≤fco時(shí)，STL 為fco／2和fco處的線性插值。

根據(jù)目標(biāo)物的截止頻率，通過計(jì)算得到不同頻率段的聲傳播損耗即可計(jì)算出目標(biāo)物表面受不同聲波作用產(chǎn)生的振幅大小。

2 仿真分析

激光語音檢測(cè)系統(tǒng)通常用于會(huì)議室、公用場(chǎng)合等地，可選取的目標(biāo)物根據(jù)材料分為金屬材料和非金屬材料兩種。表1列出了4種常見材料及其可作為目標(biāo)物的對(duì)應(yīng)物品。鐵和鋁為金屬材料，塑料和紙板為非金屬材料，對(duì)應(yīng)物品均為常見物品。

表1 常見材料及對(duì)應(yīng)物品Table 1 Application of objects

由于激光語音檢測(cè)是通過目標(biāo)物振動(dòng)信號(hào)來還原語音信號(hào)，因而材料的聲致振動(dòng)特性將直接影響語音檢測(cè)效果。根據(jù)上述的理論分析，目標(biāo)物的相干頻率和聲傳播損耗會(huì)隨著材料的不同而發(fā)生變化，導(dǎo)致目標(biāo)物的振動(dòng)幅度發(fā)生改變［12］。材料的參數(shù)主要包括密度、泊松比和楊氏模量。表2給出了4種常見材料的參數(shù)。

表2 常見目標(biāo)物材料參數(shù)Table 2 Materials'parameters of targets

經(jīng)理論推導(dǎo)，通過Matlab計(jì)算并得到4種材料的聲致振動(dòng)幅度（圖3）。其中鐵和鋁為金屬材料，塑料和紙為非金屬材料。

圖3 4種材料的振動(dòng)幅度Fig.3 Vibration amplitude of 4 materials

從圖3我們可以得到4種材料在語音頻率范圍內(nèi)均隨著頻率的增加而單調(diào)遞減。其中鐵板的振動(dòng)幅度最小，紙板的振動(dòng)幅度最大，即語音獲取時(shí)紙板的信號(hào)強(qiáng)度將遠(yuǎn)大于鐵板的信號(hào)強(qiáng)度。此外，不難發(fā)現(xiàn)非金屬材料振動(dòng)幅度隨頻率的增加衰減相較金屬材料更加明顯。兩種金屬材料的振動(dòng)幅度為1nm～30nm，兩種非金屬材料的振動(dòng)幅度為7nm～70nm。因此，對(duì)頻率的敏感度及振動(dòng)幅度的動(dòng)態(tài)范圍將是選取目標(biāo)物的主要依據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 語音獲取系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的基于PGC解調(diào)的激光干涉語音獲取系統(tǒng)對(duì)4種目標(biāo)物進(jìn)行語音獲取的結(jié)果。首先通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生300Hz～3 400Hz的單頻信號(hào)并通過揚(yáng)聲器將聲壓為60dB的單頻聲波信號(hào)作用于目標(biāo)物表面。之后語音獲取系統(tǒng)通過將激光打到目標(biāo)物中心來檢測(cè)目標(biāo)物的振動(dòng)信號(hào)。返回光經(jīng)過光路與參考光干涉后通過光電探測(cè)器得到散斑干涉信號(hào)，經(jīng)過PGC解調(diào)后激勵(lì)PC聲卡最終還原出音頻信號(hào)。實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示。

圖4 激光語音獲取實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.4 Setup of laser voice acquisition experiment

實(shí)驗(yàn)過程中首先在4種目標(biāo)物中心分別貼上反光量相同的反光膜，避免材料表面粗糙度引起的回光強(qiáng)度不同帶來的誤差。之后將4種不同材料的單板固定在支架上使激光垂直入射到目標(biāo)物表面。調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率并記錄對(duì)應(yīng)的語音獲取結(jié)果，來檢測(cè)各材料在不同頻率下的振動(dòng)幅度。

3.2 4種材料的語音獲取結(jié)果

圖5為4種材料在300Hz、1 000Hz及2 000Hz的單頻信號(hào)作用得到的語音獲取結(jié)果。通過圖5可以看出，激光語音獲取系統(tǒng)能夠檢測(cè)到4種材料在語音頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而還原出音頻信號(hào)。并且信號(hào)的幅度隨著頻率的增加而單調(diào)遞減。非金屬材料的振動(dòng)幅度明顯高于金屬材料。此外，非金屬材料對(duì)頻率的變化較金屬材料更加敏感。良好的頻率敏感度有利于獲取語音信號(hào)，但是如果在低頻部分的響應(yīng)過高，則高頻部分的信號(hào)容易被低頻部分淹沒。因此，適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)范圍和頻率敏感度在選取目標(biāo)物時(shí)尤為重要。通過本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，金屬材料的語音獲取效果優(yōu)于非金屬材料，更適合作為語音獲取的目標(biāo)物。

圖5 4種材料的語音獲取結(jié)果Fig.5 Voice acquisition results of 4 materials

4 結(jié)論

在激光語音獲取中，目標(biāo)物的材料特性是影響目標(biāo)物振動(dòng)幅度的主要原因，也是影響語音獲取效果的主要原因。通過理論分析及實(shí)驗(yàn)，得到目標(biāo)物振動(dòng)幅度在300Hz～1 000Hz呈指數(shù)型衰減，在1 000Hz以上衰減趨于平緩，因此高頻部分信號(hào)容易被低頻信號(hào)淹沒。300Hz處非金屬材料振幅為69nm和62nm，高于金屬材料的30nm和10nm。因此，激光語音檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到納米量級(jí)的振動(dòng)信號(hào)，并且金屬材料動(dòng)態(tài)范圍在1nm～30nm，非金屬材料動(dòng)態(tài)范圍在10nm～70nm，頻率敏感度低。為能夠穩(wěn)定得到各個(gè)頻率的振動(dòng)信號(hào)，激光語音獲取系統(tǒng)應(yīng)選用滿足檢測(cè)量程的金屬材料作為目標(biāo)物。

［1］ Lutzmann P，G?hlera B，Van Putten F，et al.Laser vibration sensing overview and applications［J］.SPIE，2011，8186：818602-1-16.

［2］ Shang Jianhua，He Yan，Liu Dan，et al.Laser doppler vibrometer for real-time speech-signal acquirement［J］.Chin.Opt.Lett.，2009，7（8）：732-733.尚建華，賀巖，劉丹，等.激光多普勒振動(dòng)計(jì)用于實(shí)時(shí)語音信號(hào)獲?。跩］.中國光學(xué)快報(bào)，2009，7（8）：732-733.

［3］ Bi Borui，Chen Shengshi，Hou Fengqian，et al.Laser simultaneous communication system for data and audio［J］.Journal of Applied Optics，2011，32（6）：1291-1294.畢博瑞；陳勝石；侯風(fēng)乾，等.一種數(shù)話同傳的激光通信系 統(tǒng) 的 實(shí) 現(xiàn) ［J］.應(yīng) 用 光 學(xué)，2011，32（6）：1291-1294.

［4］ He Wuguang，Wang Baoting，Yang Chunping，et al.Noisy Doppler signal processing for homodyne laser vibrometer system［J］.Journal of Optoelectronics·Laser，2011，22（12）：1842-1846.何武光，王豹亭，楊春平，等.零差激光測(cè)振系統(tǒng)中含噪多普勒信號(hào)處理方法［J］.光電子·激光，2011，22（12）：1842-1846.

［5］ Zhang Qin，Zhang Jianyong，Zeng Hualin，et al.Acoustic signal detection system using PGC demodulation algorithm and laser Doppler effect［J］.Infrared and Laser Engineering，2011，40（6）：1115-1118.張勤，張建勇，曾華林，等.基于PGC解調(diào)的激光多普勒語音檢測(cè)系統(tǒng)［J］.紅外與激光工程，2011，40（6）：1115-1118.

［6］ Jia Shuhai，Li Yigui，Tan Yushan，A novel DSPI system for vibration quantificational analysis［J］.Journal of Applied Optics，2007，28（1）：92-96.賈書海，李以貴，譚玉山.一種新的數(shù)字散斑振動(dòng)定量分析系統(tǒng)［J］.應(yīng)用光學(xué)，2007，28（1）：92-96.

［7］ Brekhovskikh L M，Godin O A .Acoustics of layered media［M］.New York：Springer Press，1990.

［8］ Zhang Hailan.Theoretical acoustics［M］.Beijing：Higher Education Press，2007.張海瀾.理論聲學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［9］ Brekhovskikh L M，Godin O A.Acoustics of layered media II：point sources and bounded beams ［M］.New York：Springer Press，1999.

［10］ Callister J R，George A R，F(xiàn)reeman G E.An empirical scheme to predict the sound transmission loss of single-thickness panels［J］.Sound Vibration，1999，222（1）：145-151.

［11］ Tadeu A，Antnio J，Mateus D.Sound insulation provided by single and double panel walls——a comparison of analytical solutions versus experimental results［J］.Applied Acoustics，2004，65（1）：15-29.

［12］ Qu Yufu，Wang tao，Zhu Zhigang.Vision-aided laser doppler vibrometry for remote automatic voice detection［J］.IEEE／ASME Trans.Mechatronics，2011，16（6）：1110-1119.