江豚被动声学监测系统硬件设计

深圳大学光电工程学院 张 帆 余思瑶 朱璐璐 唐 雪 郭金川

1.引言

江豚是国家二级保护动物，其淡水亚种长江江豚为中国所特有，为濒危亚种。使用声学方法为对长江江豚数量、行为等进行科学考察的重要手段之一。白鱀豚已“功能性灭绝”，未能保留下可用于细胞培养的活细胞，但还有在野外存在少量个体的可能。

近年来在针对长江江豚和白鱀豚的科学研究和科学考察中，采用的是由标准水听器、同轴电缆、主放大器、高采样率信号记录仪或采集卡、处理软件等组成的系统，或者使用专用的双声道微型发声事件记录仪。标准水听器是为了作为计量标准而生产的，稳定性好，售价高，在野外使用中易损坏。

目前使用的微型发声事件记录仪为进口产品，售价高，使用中易丢失而造成较大经济损失。此记录仪将采集的超声信号进行模拟带通滤波和检波后，进行2kHz采样率的模数转换并记录在闪存上。因此，该设备只能记录江豚的回声定位信号的特征，无法记录完整波形。

本文将介绍一种由宽频带水声USB录音机等组成的廉价齿鲸亚目动物被动声学实时监测系统设计。

2.硬件系统描述

系统主要由简易水听器、前置差分输出放大器、信号电缆、USB录音机主板、微机、配套软件构成，可以记录信号的完整波形并进行实时处理。整个系统造价十分低廉，即使损坏或丢失，损失也很小。系统还可以同时记录下可能还存在的白鱀豚的哨叫声和回声定位信号。另有基于NI数据采集卡的宽带录音播放系统用于系统调试和校准。

2.1 简易水听器

用于制作简易水听器的压电陶瓷管外直径为8mm、内直径为6mm，长12mm，订购自淄博宇海电子陶瓷有限公司。计划使用软线将压电陶瓷管连接至前置放大器，并增加绝缘、屏蔽、防水结构后，制成简易水听器。目前，防水密封工艺尚未能成功完成。

端屏蔽近似下，径向极化压电陶瓷管水听器低频接收灵敏度为[1]：

将内半径a=3mm，外半径b=4mm，PZT-5A材料的g31=-11.4×10-3Vm/N，g33=24.9×10-3Vm/N[2]代入上式，可得接收灵敏度为31.4μV/Pa，即-210dB(相对1V/μPa)。

在前置放大器中，压电陶瓷管产生的信号电压被一片低噪声CMOS双运算放大器ADI AD8656放大至94倍，并转为差分信号。前置放大器由正5V单电源供电。这样，用于连接前置放大器和USB录音机主板的屏蔽信号电缆内仅需一对信号、一对电源共两对双绞线即可，避免了使用昂贵的同轴电缆。

2.2 USB录音机主板设计

输入到USB录音机主板上的信号，被TI THS4131双极型低噪声全差分运算放大器放大至12.2倍，设计3dB通频带为87Hz～165kHz。此防混叠滤波器网络结构采用THS4131的器件手册上所推荐的结构。图1为包含前置放大器和缓冲放大器在内的系统模拟前端整体的电路原理图。

模数转换芯片使用TI ADS8323，这是16位、双极性差分输入、并行输出模数转换器芯片。数据转换速率设置为500ksps，所需数据传输速度为1MB/s。因ADS8323内部没有输入缓冲放大器，因此必须配合输入缓冲放大器使用，否则会得到错误的转换结果。模数转换芯片输出的数据经Cypress CY7C68013A后，使用USB 2.0总线连接至微机。CY7C68013A输入时钟信号由24MHz晶振给出。传输数据时，USB 2.0总线工作于批量数据传输模式。测试表明，当数据传输速度为1MB/s时，仅仅使用CY7C68013A内置的FIFO缓存，即可保证在长时间传输中，数据不丢失。

AD转换和数据传输的时序控制信号，由3.3V供电的CPLD Altera EPM3064生成，其输入时钟信号由20MHz晶振给出。因ADS8323要求高电平信号至少为3.0V，而EPM3064在3.3V供电下输出的高电平最低为3.1V，余量较小，因此使用一片5V供电的74HCT244进行电平转换。为减小CPLD中数字电路的运行导致的噪声，在采样瞬间，CPLD内状态发生转换的触发器数量应最小化。

系统需要的模拟和数字3.3V电源为使用线性稳压芯片ASM1117-3.3对5V的USB供电降压后获得。系统需要的模拟和数字5V电源为先用开关电源芯片MC33063对USB供电升压至7.1V后，再使用线性稳压芯片得到，以提高电源稳定度，降低噪声。

仿真得到系统在5kHz处总电压放大倍数为1142倍。一个模数转换单位(ADU)对应模数转换芯片输入端的76.3μV，即在压电陶瓷管端为0.0668μV/ADU。由压电陶瓷管接收灵敏度为31.4μV/Pa可得系统灵敏度约为2.13mPa/ADU。

图2为试制的系统实物照片。拍摄时尚未在水听器外安装绝缘及屏蔽层。

图1 系统模拟前端电路原理图

图2 江豚被动声学监测系统硬件原型照片

图3 系统的噪声功率谱

3.软件及录音播放系统

配套的软件为使用C++编写的Windows控制台应用程序。目前代码总量约2000行。软件为多线程工作，设计为可实时识别江豚回声定位信号并输出信号特征参数，并可保存录音至.wav文件。

NI PCI-6040E能够以每秒最高1M采样的采样率，12位的量化精度输出最高电压为±10V的信号。这足以满足要求，故调试用录音播放系统使用NI PCI-6040E数据采集卡的模拟信号输出直接驱动压电陶瓷，工作采样率为500ksps。播放程序使用C语言编写，通过调用NI DAQmx库函数控制数据采集卡。

4.硬件系统初步测试结果

系统原型在空气中可录下清晰的讲话声音。图3为在足够安静的环境下的空气中测得的系统的噪声功率谱，测试时，反馈电容C8、C9因故未安装。

在关注的100kHz～150kHz共50kHz的带宽内，噪声电压有效值为2.7ADU。设系统灵敏度为2.13mPa/ADU，则此50kHz的带宽内噪声对应单频信号的峰峰值为约16.3mPa，或84.2dB(相对1μPa)。另外，在此灵敏度下，不饱和最大信号声压级峰峰值为163dB(相对1μPa)。

长江江豚发出的回声定位信号脉冲中心频率在125kHz左右，信号的声源级峰峰值SL平均约197dB(相对1μPa @ 1m)；15℃下淡水中125kHz平面声波衰减为λ≈0.004dB/m；在球面波传播情况下，接收点声压级SPL与声源级间的关系为SL=SPL+20logR+λR，R为距离[3]。忽略环境噪声，可算出84.2dB最小检测声压级SPL对应的探测最远距离为8.54km。

在关注的4～8kHz频段，系统噪声有效值在大部分频点上略小于0.3ADU2/kHz，即在50Hz带宽内噪声峰峰值约0.35ADU，在2.13mPa/ADU灵敏度下，对应声压级峰峰值为57.4dB(相对1μPa)。但在4.05、4.7、5.4、6.1kHz±25Hz频点上，噪声分别为10.4、6.2、0.91、0.37ADU2/kHz。

白鱀豚回声定位信号中心频率在77kHz左右，具有线性周期调制特性[4][5]。

白鱀豚哨叫声基频频率平均为5.7kHz(标准差0.67)；声源级峰峰值SL平均为143.2dB(标准差5.8，相对1μPa@ 1m)[6]。根据SL=SPL+15logR+λR(计入水底声吸收的浅水近似)，以及λ≈10-5dB/m[7]，忽略环境噪声，可算出57.4dB最小检测声压级SPL对应的探测最远距离为322km，但考虑水面曲率、水较浑浊等的影响后，探测距离可能将远不能达到此值。如果依然使用球面波传播近似计算，忽略环境噪声，可算出探测最远距离为19.1km。

5.结语

本文主要给出了一个宽频带水声USB录音机的硬件设计。经初步测试，基于此USB水声录音机的江豚及白鱀豚被动声学监测系统可以实现设计的功能。与目前长江江豚及白鱀豚科考中使用的系统相比，此系统同时具有成本低，可实现实时监测，可保存完整录音数据的特点。

[1]栾桂冬,张金铎,王仁乾.压电换能器和换能器阵[M].北京大学出版社,1990：224.

[2]Mattiat.O.E.超声换能器材料[M].科学出版社,1979.

[3]Li S,Akamatsu T,Wang D,et al.Localization and tracking of phonating finless porpoises using towed stereo acoustic data-loggers[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2009,126：468.

[4]荆显英,肖友芙,景荣才.白鱀豚的回声定位信号[J].海洋学报(中文版),1983,1：11.

[5]王丁,刘仁俊,陈佩薰,王治藩,卢文祥,杨叔子.白鱀豚的发声及其与环境适应的初步研究[J].水生生物学报,1989,03：210-217.

[6]Wang K,Wang D,Akamatsu T,et al.Estimated detection distance of a baiji’s(Chinese river dolphin,Lipotes vexillifer)whistles using a passive acoustic survey method[J].The Journal of the Acoustical Society of America,2006,120：1361.

[7]刘伯胜,雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨工程大学出版社,1993：69-71.