目标物材料特性对激光语音获取的影响研究

张宇泽，李丽艳，曾华林，周 燕

（中国科学院 半导体研究所光电系统实验室，北京100083）

引言

通过激光干涉获取语音信息具有非接触、实时测量、隐蔽性高等特点，可广泛用于军事、反恐等领域［1］。激光语音检测系统能够将激光投射到目标物表面，通过检测人说话时引起的目标物振动信号还原出语音信息，实现远距离非接触式语音获取［2-4］。目前该技术已进入实际应用阶段。为了提高语音信息获取性能，并满足不同的环境条件，系统干涉光路的优化和PGC解调算法的改进一直是该领域的研究重点［5］。由于该语音检测方法是通过声致振动的检测来还原语音信号的［6］，因此目标物的振动特性将直接影响解调后的输出结果［7］。本文以实验室自主研制的语音检测系统为基础，对目标物材料特性进行研究，分析了不同材料受声波作用时的声致振动特性，从而判断其对语音检测的影响，为后续的系统性能改进、目标物选取及扩大应用范围提供理论依据。

1 理论研究

1.1 系统原理

激光语音检测系统的原理如图1所示。波长为1 550nm的激光通过光纤分束器（FPBS）分成两条光路：信号光路和参考光路。信号光经过声光调制器（AOM）调制后，通过准直器2、分束镜BS1和透镜将激光投射到振动目标物表面，经过漫反射返回到BS1后与BS2处的参考光束发生干涉。干涉信号经过PGC解调算法解调后获得语音信号。光电探测器接收到的干涉信号［5］为

式中：A为背景光强；B为干涉光强；C是相位调制幅度；ω0是调制频率；φ（t）是低频率环境噪声；Dcos（ωst）是要检测的目标物的振动函数；D是目标物表面的振动幅度；ωs是目标物受声波作用产生的振动频率。D和ωs不仅受语音信号的影响，还取决于目标物的振动，而材料特性是影响目标物振动的直接因素。

图1 激光语音检测系统原理图Fig.1 Schematic of laser voice acquisition system

1.2 目标物材料特性对声致振动的影响

经过介质传播到达目标物表面的声波可看作是正弦谐波压力载荷。设目标物位于z＝0平面，中心在坐标原点，厚度为h。入射波传播方向在xz平面里，与z夹角为θ1。则目标物表面的声压［8］为

式中：P0是声压的幅值；θ1是入射角；（x1，z1）表示入射声波的坐标。板状结构模型如图2所示。

图2 入射声波与目标物的相互作用Fig.2 Interaction of incident wave with target

入射声波Pin在目标物表面与目标物发生相互作用，产生反射波Pre和透射波Ptran，透射波将穿过目标物并伴随衰减。由于目标物会作受迫振动，因此声波引起的目标物振动频率将等于声波频率。设目标物的反射系数为R，透射系数为T，则目标物表面的声压可表示为

其中，

式中θ3是目标物底部声波出射的出射角。（x2，z2）是目标物底部出射点的坐标。当Φ确定后，目标物沿z方向振动的振幅u即可根据下式进行计算［9］：

式中角频率ω＝2πf。将（3）式与（6）式联立，在目标物上表面，即z处，目标物的振幅可转化为

此外，反射系数与透射系数满足：

声透射系数是在不连续的传输线中复杂的发射波与入射波的振幅之比。对于单板结构，声透射系数T可以通过声传播损耗（STL）来计算：

于是求解目标物的声传播损耗成为求解目标物表面振幅的关键。

声传播损耗可通过Sewell-Sharp-Cremer模型来计算［10］。对于不同的频率，计算STL的表达式也不相同［11］。通常用相干频率fco对频率段进行划分，分为小于fco／2，从fco／2到fco以及大于fco三部分。

对于单层板状结构，截止频率可通过下式进行计算：

式中：μ＝ρh是单位面积上的质量，即面密度；v是材料的泊松比；E是材料的杨氏模量；h是单板的厚度；c0是声速。当频率f＜fco／2，根据质量定律STL为

式中：S为板状结构的面积；k是空气中的波数；k1是材料中的波数；Λ是板状结构的长宽比（Λ＝L／W）；U（Λ）是对不规则矩形就行形状修正的参数，计算表达式如下：

当f＞fco／2时，STL的计算表达式为

当fco／2≤f≤fco时，STL 为fco／2和fco处的线性插值。

根据目标物的截止频率，通过计算得到不同频率段的声传播损耗即可计算出目标物表面受不同声波作用产生的振幅大小。

2 仿真分析

激光语音检测系统通常用于会议室、公用场合等地，可选取的目标物根据材料分为金属材料和非金属材料两种。表1列出了4种常见材料及其可作为目标物的对应物品。铁和铝为金属材料，塑料和纸板为非金属材料，对应物品均为常见物品。

表1 常见材料及对应物品Table 1 Application of objects

由于激光语音检测是通过目标物振动信号来还原语音信号，因而材料的声致振动特性将直接影响语音检测效果。根据上述的理论分析，目标物的相干频率和声传播损耗会随着材料的不同而发生变化，导致目标物的振动幅度发生改变［12］。材料的参数主要包括密度、泊松比和杨氏模量。表2给出了4种常见材料的参数。

表2 常见目标物材料参数Table 2 Materials'parameters of targets

经理论推导，通过Matlab计算并得到4种材料的声致振动幅度（图3）。其中铁和铝为金属材料，塑料和纸为非金属材料。

图3 4种材料的振动幅度Fig.3 Vibration amplitude of 4 materials

从图3我们可以得到4种材料在语音频率范围内均随着频率的增加而单调递减。其中铁板的振动幅度最小，纸板的振动幅度最大，即语音获取时纸板的信号强度将远大于铁板的信号强度。此外，不难发现非金属材料振动幅度随频率的增加衰减相较金属材料更加明显。两种金属材料的振动幅度为1nm～30nm，两种非金属材料的振动幅度为7nm～70nm。因此，对频率的敏感度及振动幅度的动态范围将是选取目标物的主要依据。

3 实验验证

3.1 语音获取系统

实验采用实验室自主研发的基于PGC解调的激光干涉语音获取系统对4种目标物进行语音获取的结果。首先通过信号发生器产生300Hz～3 400Hz的单频信号并通过扬声器将声压为60dB的单频声波信号作用于目标物表面。之后语音获取系统通过将激光打到目标物中心来检测目标物的振动信号。返回光经过光路与参考光干涉后通过光电探测器得到散斑干涉信号，经过PGC解调后激励PC声卡最终还原出音频信号。实验原理如图4所示。

图4 激光语音获取实验原理图Fig.4 Setup of laser voice acquisition experiment

实验过程中首先在4种目标物中心分别贴上反光量相同的反光膜，避免材料表面粗糙度引起的回光强度不同带来的误差。之后将4种不同材料的单板固定在支架上使激光垂直入射到目标物表面。调整信号发生器的输出频率并记录对应的语音获取结果，来检测各材料在不同频率下的振动幅度。

3.2 4种材料的语音获取结果

图5为4种材料在300Hz、1 000Hz及2 000Hz的单频信号作用得到的语音获取结果。通过图5可以看出，激光语音获取系统能够检测到4种材料在语音频率范围内的振动信号，进而还原出音频信号。并且信号的幅度随着频率的增加而单调递减。非金属材料的振动幅度明显高于金属材料。此外，非金属材料对频率的变化较金属材料更加敏感。良好的频率敏感度有利于获取语音信号，但是如果在低频部分的响应过高，则高频部分的信号容易被低频部分淹没。因此，适当的动态范围和频率敏感度在选取目标物时尤为重要。通过本实验发现，金属材料的语音获取效果优于非金属材料，更适合作为语音获取的目标物。

图5 4种材料的语音获取结果Fig.5 Voice acquisition results of 4 materials

4 结论

在激光语音获取中，目标物的材料特性是影响目标物振动幅度的主要原因，也是影响语音获取效果的主要原因。通过理论分析及实验，得到目标物振动幅度在300Hz～1 000Hz呈指数型衰减，在1 000Hz以上衰减趋于平缓，因此高频部分信号容易被低频信号淹没。300Hz处非金属材料振幅为69nm和62nm，高于金属材料的30nm和10nm。因此，激光语音检测系统能够检测到纳米量级的振动信号，并且金属材料动态范围在1nm～30nm，非金属材料动态范围在10nm～70nm，频率敏感度低。为能够稳定得到各个频率的振动信号，激光语音获取系统应选用满足检测量程的金属材料作为目标物。

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