基于差頻超聲的音頻聲源產生和氣道特性測試方法與系統的制作方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發明屬生物信息檢測領域，具體涉及一種無侵入的音頻聲源產生和對生物體內氣道特性進行動態測量的方法與應用系統。
【【背景技術】】
[0002]氣道是很多動物及人類都有的管腔系統，其在呼吸過程和聲音產生過程中具有十分重要作用。在鳥類里，氣道包括氣管、鳴管、口腔、食道的上半部和喙；而哺乳動物中，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]聲音產生過程中，氣道的主要作用是共鳴，通過對聲源進行調制而產生具有不同音色的聲音。當聲源激勵氣道時，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，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構所決定，而氣道結構隨著發聲的不同而不同。以語音產生為例，主要通過改變舌頭、嘴唇、牙齒、硬腭、軟腭等發音器官的位置改變氣道結構，從而產生不同的語音。因此，氣道特性變化對于聲音的產生具有重要影響，氣道特性的測量對于了解聲音產生過程以及聲音音色特征等具有重要意義。
[0004]目前測量氣道特性的方法主要包括以下幾種:第一，線性預測分析方法是應用較廣的一種語音分析方法，能夠直接從語音信號中通過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圖信號中閉合相才能獲得較好的結果，受到噪聲影響較大。第二，利用核磁共振成像技術可以對氣道結構進行成像，再通過計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構信息，但是價格昂貴，并且計算過程難以模仿真實的氣道傳遞過程，同時由于成像速度的限制難以獲得動態的氣道特性。第三，超聲電子硬顎圖是一種利用超聲成像技術測量發聲過程中口腔結構的方法，從而利用該結構計算上聲道傳遞函數。該方法速度較快，但是只能獲得口腔某一截面的面積信息，難以反映整個氣道的整體特性，存在一定的局限性。
[0005]對于氣道系統特性的測量，最原始且準確的方法就是根據系統的輸入輸出時間函數來確定。雖然利用麥克風等傳感器可以直接在氣道輸出端(嘴唇)采集輸出信號，然而，從體外向氣道中直接施加已知并且可控的輸入信號是十分困難的。
[0006]因此，如果能夠從外部無侵入的向氣道中施加已知并且可控的音頻聲源作為激勵信號，那么通過實時同步測量氣道的輸出信號，就能夠實現對氣道特性的測量。
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【發明內容】
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[0007]為了解決氣道特性測量中聲源施加的問題，本發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生和氣道特性測試方法與系統。具體內容包括:
[0008]一種基于差頻超聲的音頻聲源產生系統，包括:信號產生模塊:產生兩個頻率不同的方波信號；信號放大模塊:對信號產生模塊產生的方波信號進行放大，以提高超聲探頭的驅動電壓，增強最終產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驅動產生兩列不同的超聲波，通過非線性相互作用產生頻率可控的音頻聲源。
[0009]所述信號產生模塊產生的方波信號的頻率為37?43kHz。
[0010]所述信號產生模塊產生的兩個頻率不同的方波信號的頻率差為f，其中，f的范圍為 I ?5000Hz ο
[0011]所述信號產生模塊通過單片機實現，單片機內設置有定時器，兩個頻率不同的方波信號通過定時器控制和輸出。
[0012]所述基于差頻超聲的音頻聲源產生系統產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，最大驅動電壓為150Vp-p，在30cm距離測量該超聲探頭產生的聲壓級達到108dB。
[0014]一種基于差頻超聲的音頻聲源產生方法，信號產生模塊產生兩個頻率差為f的方波信號，該兩個方波信號經放大后，同時驅動超聲探頭的兩個超聲換能器，產生兩列頻率不同的超聲波，經過兩個超聲波的相互作用最終產生頻率為f的音頻聲源。
[0015]一種基于無侵入音頻聲源的氣道特性測試方法，利用差頻超聲產生的音頻聲源作為氣道的輸入信號，同時測量氣道出口端的音頻信號作為氣道輸出信號，經過信號頻率分析最終得到氣道的傳遞特性。
[0016]氣道特性測試可以采用兩種不同的音頻聲源激勵方式:單頻激勵與掃頻激勵；對于單頻激勵，直接通過設置頻率控制參數f實現單一頻率聲源的產生與激勵，直接測量系統輸出信號并計算氣道特性；對于掃頻激勵，需要設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]與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果:
[0018]在本發明系統中，音頻聲源的頻率主要由信號產生模塊輸出的兩列方波信號的頻率差所決定，具體則通過設置一個頻率參數f(f>0Hz)來實現對音頻聲源的頻率控制。對于一個確定的f值，信號產生模塊會生成兩個頻率不同的方波信號，其頻率之差為f Hz，放大后同時驅動兩個超聲換能器，經過兩個超聲波的相互作用最終產生頻率為f Hz的音頻信號。基于本發明，能夠產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，本發明系統通過控制信號放大模塊可以實現對音頻聲源的聲壓控制，其目的是為了通過提高信號強度而提高信噪比，最終提高測量精度。
[0019]本發明在氣道內產生精確可控的已知聲源，通過測量輸出音頻信號直接計算聲道特征，相比現有的間接測量方法獲得的結果更精確；此外，本發明方法測量速度快，相比現有方法，能夠獲得聲道動態變化的結果。
【【附圖說明】】
[0020]圖1技術方案整體示意圖
[0021]圖2基于差頻超聲的音頻聲源產生硬件系統圖
[0022]圖3信號產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掃頻激勵的音頻聲源波形圖與時頻分析圖【具體實施方案】
[0025]1.整體技術及實施方案
[0026]如圖1所示，為本發明所涉及的整體技術及實施方案示意圖，主要包括基于差頻超聲的音頻聲源產生系統、控制方法、及氣道特性測量三個方面。首先，本發明設計實現了基于差頻超聲的音頻聲源產生硬件系統，能夠按照頻率控制要求生成兩個差頻為f Hz的方波信號，經過放大驅動兩個低頻超聲換能器產生兩列頻率不同的超聲波。其次，測量過程中，將超聲探頭成角度放置于氣道系統外部，使得兩個探頭表面與目標聲源位置在同一個平面內。系統開始工作后，兩列超聲波由于頻率不同發生非線性作用，從而產生頻率為f Hz的差頻信號。本發明系統中通過頻率控制f在I?5000Hz范圍內，能夠在氣道中產生頻率為f Hz的音頻聲源。最后，通過麥克風等音頻測量設備，能夠得到在音頻聲源激勵下的氣道系統的輸出信號。同時，音頻聲源是控制合成的已知信號，因此，在已知輸入信號與輸出信號的情況下，通過頻率分析能夠實現聲道的特征響應函數。
[0027]2.基于差頻超聲的音頻聲源產生硬件系統
[0028]本發明系統硬件部分主要包括信號產生模塊、信號放大模塊、超聲探頭模塊三個順序連接的部分。信號產生模塊主要用于產生兩個頻率不同的方波信號，其頻率范圍均在37?43kHz范圍內，且兩個方波信號的頻率可通過人工進行精確控制。信號產生模塊輸出的方波信號直接進入信號放大模塊，其主要實現對方波信號的控制放大，目的是為了提高超聲探頭的驅動電壓，從而增強最終產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驅動產生兩列頻率不同的超聲波，并通過非線性相互作用可產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生硬件系統圖。其中，信號產生模塊利用c8051f330內部定時器產生頻率在37?43kHz之間的兩個不同頻率的方波信號。信號放大模塊能夠將方波信號放大到30V左右，然后利用該信號驅動兩個超聲探頭產生兩列不同頻率的超聲波。
[0029]I)信號產生模塊
[0030]本發明系統中信號產生模塊由c8051f330單片機實現，通過該單片機的內部定時器2、3來分別控制和輸出兩個頻率不同的方波。圖3顯示了該信號產生模塊的程序流程圖，能夠實現固定頻率輸出和掃頻輸出兩種不同的信號模式。對于固定頻率輸出，只需要對定時器2和定時器3的頻率進行設定即可，定時器2通過IDAC端口輸出，定時器3通過端口P0.2輸出高低電平。對于掃頻輸出，利用循環程序使定時器2、3的頻率按照一定速度線性變化。本系統實現時，通過設定定時器2的頻率在37.5?40kHz范圍內線性遞減