基于ECM的水听器设计及信号采集实验方案

吕文红， 苑娇娇， 吴 琪， 侯佳辰， 郭银景

（山东科技大学 a.交通学院；b.电子信息工程学院，山东 青岛 266590）

0 引 言

近年来，无论军事还是民用领域，海洋研究发展迅速。现阶段，水声通信［1］，水下目标探测、定位和识别［2-4］等技术研究主要采用以矢量水听器为信号接收单元。国内研制的微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）矢量水听器具有灵敏度高、低频响应好、体积小等优点，能在水下获取目标声源的声音信息，但水下环境中水听器检测到的声音信号非常微弱。为了更好地进行后续的信号采集、分析和处理，水听器信号调理电路的合理设计对整个水声信号检测系统具有十分重要的意义［5-9］。

现有的MEMS矢量水听器信号采集实验研究中水听器设计成本较高，并且信号采集过程较为复杂。本文以低成本、安装灵活性以及高便捷性为特点，设计一款基于驻极体电容式麦克风（Electret Condenser Microphone，ECM）的水听器，搭建了信号采集实验平台，开展水声信号采集检测研究。探讨水听器信号调理电路增益、不同发射信号、发射换能器和水听器之间不同距离（水声通信距离）对水声信号采集的影响。

1 基于ECM的水听器设计

1.1 ECM组成及工作原理

ECM由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关键元件是驻极体振动膜，它是一片极薄的塑料膜片。在其上面蒸垫上一层金属垫圈，当此膜经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片上垫有金属垫圈的一面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容［10-11］。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波改变而变化的交变电压。ECM的组成和内部结构分别如图1、2所示。

图1 ECM的组成

图2 ECM内部结构

目前，ECM广泛应用于声学领域，它是采用一种绝缘的永久性极化材料制成。声音进入麦克风，声波的疏密变化引起带负电的薄金属膜片振动，随即将声能转变为机械能，膜片振动在驻体上产生压力，传递至驻极体后板，驻极体后板和膜片底部都与场效应晶体管前置放大器相连并有一终端通向外部。当膜片振动时，膜片和驻极体后板间的距离和空间发生改变，产生电压，通过固定在麦克风上的场效应晶体管，将机械能转变为电能，再通过终端传到放大器［12］。ECM频响宽、灵敏度高且耐用，而膜片是它唯一运动的部分。通过膜片振动，将振动信号转化为电压信号输出，从而实现对水下声信号声压大小的测量。

图3为ECM电路板与相应的驻极体实物图，图4为聚氨酯［13］封装防水水听器。

图3 水听器电路板及驻极体实物图

图4 聚氨酯封装的防水水听器

1.2 水听器放大电路设计及仿真

当水下环境中矢量水听器接收到声音信号时，声场中的振动使水听器敏感单元产生微弱的差分电压信号，需要对其进行放大处理。本方案采用NE5532芯片［14-15］对水听器微弱电压信号进行两级放大，根据系统设计指标要求，确定各元件参数，采用两级放大，通过调整电阻大小来设计不同电路增益，放大电路原理设计如图5所示。

图5 水听器放大电路原理设计图

为了防止电流反置，在12 V电源供电端加入二极管和稳压芯片（12 V转9 V），并分别加一个容值为22 μF的钽电容C9、C10。在第1级放大中，通过调节可调电阻调整放大倍数，分别将可调电阻调至整个电阻值的25%、50%、75%、100%，对应的放大倍数A1分别为13.5、26、38.5、51。第2级放大中，放大倍数表示为

因此，总放大倍数为A=A1A2。

对上述设计电路在Multisim中进行仿真，信号发生器输入峰值Up-p为5 mV，频率为1 kHz的正弦信号，仿真结果如图6所示：红色（Channel A）代表输入信号；绿色（Channel B）代表放大后的输出信号。当可调电阻R调至最大时（即调至整个电阻值的100%时），两级增益的理论设计值计算为

由仿真曲线可以看出信号峰峰值由19.194 mV放大到4.447 V，放大倍数为231.7倍，接近理论设计值237.6。

2 实验材料

实验测试原理如图7所示，信号源发射信号采用不同频率的单频连续信号、线性调频信号（LFM）等多种信号形式，发射换能器距水听器的距离为3 m，发射换能器、水听器距离水面距离为0.8 m，发射换能器的发射角为0 °，即正对水听器。

图7 实验原理图

信号源采用不同形式的声音信号，发射换能器将电信号转换为声音信号，发射信号经过水声信道传输至水听器，水听器的输出端通过内录线将声音信号传输至PC端，结合AU软件平台，采集声音信号并进行后续处理和分析，以验证该系统平台的可行性。

水听器测试实验过程中使用的器材和元件如表1所示。

表1 实验材料

3 实验方案

由于水下环境复杂，接收信号质量受多种因素影响。在实验过程中应尽量注意水面平稳以及发射换能器和水听器的稳定，降低水面波动带来的环境噪声干扰。同时，尽可能保持发射角度和接收角度为0°，避免采集误差对接收信号质量的影响。当实验环境状态调整好后，即可控制发射换能器发射信号，借助AU软件，水听器将接收的信号实时显示、存储并分析。

打开PC端的AU软件前，首先插入AUX内录线进行信号采集，插入耳机进行听觉回放感知。设置完毕后，打开AU软件，新建一音频文件，设置采样率，如图8所示。并结合计算机设备选择音频硬件中的输入和输出，如图9所示。实验准备好后，点击录制系统即可开始采集信号并进行存储分析，在编辑器会看到实时采集到的水声信号。

图8 新建音频文件

图9 音频硬件设置

实验探讨多因素对水声信号采集影响，包括水听器信号调理电路增益、不同发射信号形式、发射换能器和水听器之间的距离。

选用1 kHz的正弦信号，作为发射信号通过调节可调电阻的阻值设置不同电路增益A，设置可调电阻分别为最大电阻的25%、50%、75%、100%，则水听器放大电路增益分别对应为62.9，121.1，179.4，237.6。因水听器防水后无法调节阻值，需在水上设置不同电路增益并借助AU软件对未防水水听器进行信号波形采集，根据听觉回放感知和波形分析，确定最佳放大电路增益。

确定最佳放大电路增益后，对水听器进行聚氨酯防水处理。水声信号采集实验在淡水环境中进行，固定发射换能器的位置不动，选用啁啾信号（线性调频信号）为发射信号，调整水听器的放置距离d为50、100、150、200 cm，依次采集随放置距离变化的水声信号波形，通过事后回放、波形及频率分析，综合对比不同距离下采集到的水声信号。

探讨不同发射信号形式对水声信号采集的影响，主要采用单频连续正弦信号、啁啾信号（线性调频信号）两种不同形式的发射信号，观察水听器接收信号采集的差异。实验流程图如图10所示。

图10 水听器接收信号的实验流程图

4 实验结果及分析

4.1 不同电路增益下水听器接收信号采集

在4种不同电路增益A下，水听器采集到的信号波形及其分别对应的频率特性图如图11所示。频率特性图的横坐标为频率（Hz），纵坐标是声音音量（dB），频率特性图显示了不同频率下声音的音量大小。同时，随着电路增益的提高，采集到的信号振幅随之增大，则说明放大电路效果良好。

图11 不同电路增益下的信号采集波形

4.2 不同通信距离下水听器接收信号采集

在4种不同距离下，防水水听器接收到的信号采集波形如图12所示。可以看出，随着水声通信距离增大，声波在水中传播时波束越发散，水吸收能力越强，则水声信号在水中衰减得越严重。频率分析也反映了信号质量逐渐下降，但水听器在距离较远处仍可以采集到较清晰的声音。

图12 4种不同通信距离下的水听器接收信号波形

4.3 不同发射信号下水听器接收信号采集

分别以单频连续正弦信号、啁啾信号（线性调频信号）作为发射信号，水听器接收到的波形如图13所示。由图13可看出，不同发射信号在水下的频率特性有明显不同。

图13 2种不同发射信号下的水听器接收信号波形

5 结 论

该水听器设计方案可广泛应用于水声通信、水下目标识别、水下定位等试验中，水听器信号采集实验分别从水听器信号调理电路增益、发射换能器和水听器之间不同距离、不同发射信号形式3方面进行，借助AU软件采集信号波形，并通过频谱分析、事后回放等分析项目分析水声信号采集质量，得出以下结论：

（1）利用水听器放大电路中可调电阻调整不同电路增益，经不同增益下波形对比及频率特性分析，直接观察到，采用电路增益为237.6时采集到的信号波形质量（如完整性、平滑度、噪声干扰）更优。

（2）随着水听器距发射换能器的距离不断增大，水声信号振幅总体呈现变小的趋势，但在相对较远通信距离下水听器采集到的信号波形。仍有振幅，且经事后回放，仍可听到发射信号音频。

（3）发射信号不同，水听器接收的频率特性表现有较大差异。

本文设计的水声信号采集系统使用自制水听器结合计算机的方式，实现水声信号的收发通信、实时采集、存储，实验完成后可用Matlab软件分析所采集水声信号的各项参数和算法解算，用于水下目标识别、探测及定位等领域。