基于差頻超聲的音頻聲源產(chǎn)生和氣道特性測(cè)試方法與系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬生物信息檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)侵入的音頻聲源產(chǎn)生和對(duì)生物體內(nèi)氣道特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的方法與應(yīng)用系統(tǒng)。
【【背景技術(shù)】】
[0002]氣道是很多動(dòng)物及人類都有的管腔系統(tǒng)，其在呼吸過(guò)程和聲音產(chǎn)生過(guò)程中具有十分重要作用。在鳥(niǎo)類里，氣道包括氣管、鳴管、口腔、食道的上半部和喙；而哺乳動(dòng)物中，氣道一般包括氣管和上聲道兩部分，上聲道分為喉腔、咽腔、口腔和鼻腔。
[0003]聲音產(chǎn)生過(guò)程中，氣道的主要作用是共鳴，通過(guò)對(duì)聲源進(jìn)行調(diào)制而產(chǎn)生具有不同音色的聲音。當(dāng)聲源激勵(lì)氣道時(shí)，聲源譜中各分量被聲道有選擇的傳遞，即有些諧波分量被加強(qiáng)，而有些被減弱，最終決定聲音的頻率特性。氣道的頻率傳遞特性主要由氣道的結(jié)構(gòu)所決定，而氣道結(jié)構(gòu)隨著發(fā)聲的不同而不同。以語(yǔ)音產(chǎn)生為例，主要通過(guò)改變舌頭、嘴唇、牙齒、硬腭、軟腭等發(fā)音器官的位置改變氣道結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生不同的語(yǔ)音。因此，氣道特性變化對(duì)于聲音的產(chǎn)生具有重要影響，氣道特性的測(cè)量對(duì)于了解聲音產(chǎn)生過(guò)程以及聲音音色特征等具有重要意義。
[0004]目前測(cè)量氣道特性的方法主要包括以下幾種:第一，線性預(yù)測(cè)分析方法是應(yīng)用較廣的一種語(yǔ)音分析方法，能夠直接從語(yǔ)音信號(hào)中通過(guò)共振峰分析直接提取上聲道特征。然而，該方法需要同步電聲門(mén)圖信號(hào)中閉合相才能獲得較好的結(jié)果，受到噪聲影響較大。第二，利用核磁共振成像技術(shù)可以對(duì)氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，再通過(guò)計(jì)算獲得氣道傳遞特性。這種方法雖然能夠得到較為清晰的氣道結(jié)構(gòu)信息，但是價(jià)格昂貴，并且計(jì)算過(guò)程難以模仿真實(shí)的氣道傳遞過(guò)程，同時(shí)由于成像速度的限制難以獲得動(dòng)態(tài)的氣道特性。第三，超聲電子硬顎圖是一種利用超聲成像技術(shù)測(cè)量發(fā)聲過(guò)程中口腔結(jié)構(gòu)的方法，從而利用該結(jié)構(gòu)計(jì)算上聲道傳遞函數(shù)。該方法速度較快，但是只能獲得口腔某一截面的面積信息，難以反映整個(gè)氣道的整體特性，存在一定的局限性。
[0005]對(duì)于氣道系統(tǒng)特性的測(cè)量，最原始且準(zhǔn)確的方法就是根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出時(shí)間函數(shù)來(lái)確定。雖然利用麥克風(fēng)等傳感器可以直接在氣道輸出端(嘴唇)采集輸出信號(hào)，然而，從體外向氣道中直接施加已知并且可控的輸入信號(hào)是十分困難的。
[0006]因此，如果能夠從外部無(wú)侵入的向氣道中施加已知并且可控的音頻聲源作為激勵(lì)信號(hào)，那么通過(guò)實(shí)時(shí)同步測(cè)量氣道的輸出信號(hào)，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣道特性的測(cè)量。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0007]為了解決氣道特性測(cè)量中聲源施加的問(wèn)題，本發(fā)明利用超聲波的非線性相互作用，提出一種基于差頻超聲的音頻聲源產(chǎn)生和氣道特性測(cè)試方法與系統(tǒng)。具體內(nèi)容包括:
[0008]一種基于差頻超聲的音頻聲源產(chǎn)生系統(tǒng)，包括:信號(hào)產(chǎn)生模塊:產(chǎn)生兩個(gè)頻率不同的方波信號(hào)；信號(hào)放大模塊:對(duì)信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行放大，以提高超聲探頭的驅(qū)動(dòng)電壓，增強(qiáng)最終產(chǎn)生的音頻聲源的有效聲壓和有效聲功率；超聲探頭:包括兩個(gè)中心頻率相同的低頻寬帶超聲換能器，分別由放大后的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生兩列不同的超聲波，通過(guò)非線性相互作用產(chǎn)生頻率可控的音頻聲源。
[0009]所述信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的方波信號(hào)的頻率為37?43kHz。
[0010]所述信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的兩個(gè)頻率不同的方波信號(hào)的頻率差為f，其中，f的范圍為 I ?5000Hz ο
[0011]所述信號(hào)產(chǎn)生模塊通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)內(nèi)設(shè)置有定時(shí)器，兩個(gè)頻率不同的方波信號(hào)通過(guò)定時(shí)器控制和輸出。
[0012]所述基于差頻超聲的音頻聲源產(chǎn)生系統(tǒng)產(chǎn)生的音頻聲源頻率范圍為I?5000Hz。
[0013]所述低頻寬帶超聲換能器的中心頻率為40kHz，阻抗為500 Ω，靈敏度為103dB，最大驅(qū)動(dòng)電壓為150Vp-p，在30cm距離測(cè)量該超聲探頭產(chǎn)生的聲壓級(jí)達(dá)到108dB。
[0014]一種基于差頻超聲的音頻聲源產(chǎn)生方法，信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生兩個(gè)頻率差為f的方波信號(hào)，該兩個(gè)方波信號(hào)經(jīng)放大后，同時(shí)驅(qū)動(dòng)超聲探頭的兩個(gè)超聲換能器，產(chǎn)生兩列頻率不同的超聲波，經(jīng)過(guò)兩個(gè)超聲波的相互作用最終產(chǎn)生頻率為f的音頻聲源。
[0015]一種基于無(wú)侵入音頻聲源的氣道特性測(cè)試方法，利用差頻超聲產(chǎn)生的音頻聲源作為氣道的輸入信號(hào)，同時(shí)測(cè)量氣道出口端的音頻信號(hào)作為氣道輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)頻率分析最終得到氣道的傳遞特性。
[0016]氣道特性測(cè)試可以采用兩種不同的音頻聲源激勵(lì)方式:單頻激勵(lì)與掃頻激勵(lì)；對(duì)于單頻激勵(lì)，直接通過(guò)設(shè)置頻率控制參數(shù)f實(shí)現(xiàn)單一頻率聲源的產(chǎn)生與激勵(lì)，直接測(cè)量系統(tǒng)輸出信號(hào)并計(jì)算氣道特性；對(duì)于掃頻激勵(lì)，需要設(shè)置掃頻的范圍與速度，其中，最大頻率范圍為I?5000Hz，掃頻速度為I?5000Hz/s。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果:
[0018]在本發(fā)明系統(tǒng)中，音頻聲源的頻率主要由信號(hào)產(chǎn)生模塊輸出的兩列方波信號(hào)的頻率差所決定，具體則通過(guò)設(shè)置一個(gè)頻率參數(shù)f(f>0Hz)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻聲源的頻率控制。對(duì)于一個(gè)確定的f值，信號(hào)產(chǎn)生模塊會(huì)生成兩個(gè)頻率不同的方波信號(hào)，其頻率之差為f Hz，放大后同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)超聲換能器，經(jīng)過(guò)兩個(gè)超聲波的相互作用最終產(chǎn)生頻率為f Hz的音頻信號(hào)?；诒景l(fā)明，能夠產(chǎn)生的音頻聲源頻率范圍為I?5000Hz，且頻率控制精度小于1Hz。此外，本發(fā)明系統(tǒng)通過(guò)控制信號(hào)放大模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻聲源的聲壓控制，其目的是為了通過(guò)提高信號(hào)強(qiáng)度而提高信噪比，最終提高測(cè)量精度。
[0019]本發(fā)明在氣道內(nèi)產(chǎn)生精確可控的已知聲源，通過(guò)測(cè)量輸出音頻信號(hào)直接計(jì)算聲道特征，相比現(xiàn)有的間接測(cè)量方法獲得的結(jié)果更精確；此外，本發(fā)明方法測(cè)量速度快，相比現(xiàn)有方法，能夠獲得聲道動(dòng)態(tài)變化的結(jié)果。
【【附圖說(shuō)明】】
[0020]圖1技術(shù)方案整體示意圖
[0021]圖2基于差頻超聲的音頻聲源產(chǎn)生硬件系統(tǒng)圖
[0022]圖3信號(hào)產(chǎn)生模塊的程序流程圖
[0023]圖4基于差頻超聲的音頻聲源波形圖
[0024]圖51?2000Hz掃頻激勵(lì)的音頻聲源波形圖與時(shí)頻分析圖【具體實(shí)施方案】
[0025]1.整體技術(shù)及實(shí)施方案
[0026]如圖1所示，為本發(fā)明所涉及的整體技術(shù)及實(shí)施方案示意圖，主要包括基于差頻超聲的音頻聲源產(chǎn)生系統(tǒng)、控制方法、及氣道特性測(cè)量三個(gè)方面。首先，本發(fā)明設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于差頻超聲的音頻聲源產(chǎn)生硬件系統(tǒng)，能夠按照頻率控制要求生成兩個(gè)差頻為f Hz的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大驅(qū)動(dòng)兩個(gè)低頻超聲換能器產(chǎn)生兩列頻率不同的超聲波。其次，測(cè)量過(guò)程中，將超聲探頭成角度放置于氣道系統(tǒng)外部，使得兩個(gè)探頭表面與目標(biāo)聲源位置在同一個(gè)平面內(nèi)。系統(tǒng)開(kāi)始工作后，兩列超聲波由于頻率不同發(fā)生非線性作用，從而產(chǎn)生頻率為f Hz的差頻信號(hào)。本發(fā)明系統(tǒng)中通過(guò)頻率控制f在I?5000Hz范圍內(nèi)，能夠在氣道中產(chǎn)生頻率為f Hz的音頻聲源。最后，通過(guò)麥克風(fēng)等音頻測(cè)量設(shè)備，能夠得到在音頻聲源激勵(lì)下的氣道系統(tǒng)的輸出信號(hào)。同時(shí)，音頻聲源是控制合成的已知信號(hào)，因此，在已知輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的情況下，通過(guò)頻率分析能夠?qū)崿F(xiàn)聲道的特征響應(yīng)函數(shù)。
[0027]2.基于差頻超聲的音頻聲源產(chǎn)生硬件系統(tǒng)
[0028]本發(fā)明系統(tǒng)硬件部分主要包括信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)放大模塊、超聲探頭模塊三個(gè)順序連接的部分。信號(hào)產(chǎn)生模塊主要用于產(chǎn)生兩個(gè)頻率不同的方波信號(hào)，其頻率范圍均在37?43kHz范圍內(nèi)，且兩個(gè)方波信號(hào)的頻率可通過(guò)人工進(jìn)行精確控制。信號(hào)產(chǎn)生模塊輸出的方波信號(hào)直接進(jìn)入信號(hào)放大模塊，其主要實(shí)現(xiàn)對(duì)方波信號(hào)的控制放大，目的是為了提高超聲探頭的驅(qū)動(dòng)電壓，從而增強(qiáng)最終產(chǎn)生的音頻聲源的有效聲壓和有效聲功率。超聲探頭模塊包括兩個(gè)中心頻率均為40kHz的低頻寬帶超聲換能器，分別由放大后的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生兩列頻率不同的超聲波，并通過(guò)非線性相互作用可產(chǎn)生頻率可控的音頻聲源。如圖2所示，為基于差頻超聲的音頻聲源產(chǎn)生硬件系統(tǒng)圖。其中，信號(hào)產(chǎn)生模塊利用c8051f330內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生頻率在37?43kHz之間的兩個(gè)不同頻率的方波信號(hào)。信號(hào)放大模塊能夠?qū)⒎讲ㄐ盘?hào)放大到30V左右，然后利用該信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)超聲探頭產(chǎn)生兩列不同頻率的超聲波。
[0029]I)信號(hào)產(chǎn)生模塊
[0030]本發(fā)明系統(tǒng)中信號(hào)產(chǎn)生模塊由c8051f330單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)該單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器2、3來(lái)分別控制和輸出兩個(gè)頻率不同的方波。圖3顯示了該信號(hào)產(chǎn)生模塊的程序流程圖，能夠?qū)崿F(xiàn)固定頻率輸出和掃頻輸出兩種不同的信號(hào)模式。對(duì)于固定頻率輸出，只需要對(duì)定時(shí)器2和定時(shí)器3的頻率進(jìn)行設(shè)定即可，定時(shí)器2通過(guò)IDAC端口輸出，定時(shí)器3通過(guò)端口P0.2輸出高低電平。對(duì)于掃頻輸出，利用循環(huán)程序使定時(shí)器2、3的頻率按照一定速度線性變化。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，通過(guò)設(shè)定定時(shí)器2的頻率在37.5?40kHz范圍內(nèi)線性遞減