麦克风特性研究的教学实验系统搭建

宫 琴，陈又圣

（清华大学 医学院 生物医学工程系，北京 100084）

声学的工程分析和应用课程是生物医学工程系中比较重要的专业基础课程，该门课程通常采用的是以理论学习为主，以实验学习为辅的教学模式。其中，在语音信号的分析和处理等实验教学课程中都以Matlab仿真为主要形式[1]，这种与课程的理论知识结合的实验[2]有助于学生对课程知识要点的深入理解。但是，传统的Matlab里的仿真教学是经过简化的实验，比如选用的信号都是理想化的信号，常常是白噪和正弦信号等，即使在滤波实验里，所选的信号也是由Maltab生成的正弦加白噪的简单模型。而在该门课程中，涉及到不同声场环境下，对经过麦克风采集送入计算机再进行处理的语音信号的研究，以及对这些语音信号进行语音增强的处理等实验测试，由于声场的不同，实际环境噪声就不是标准的白噪声[3]，不同的声场环境造成麦克风实际采集特性的变化，而且为了进一步便于学生更好地理解实际声场环境中不同麦克风采集到的声音信号的特征，以深入了解不同声场条件下麦克风实际采集特性的变化；为进一步开展麦克风阵列语音增强的开放性实验研究奠定基础，本文开发了一套基于USB声卡的麦克风信号采集综合教学实验系统，用于测试自由声场以及放置头部模型等不同声场条件下的麦克风的特性。该系统包含双麦克风模块、放大和滤波电路、为麦克风和电路芯片提供电压的电源电路、实现信号的A／D转换和信号传输的USB声卡以及用于后续信号处理的计算机。所搭建的系统使用了2个TP型麦克风，可以采集到四路信息，为该平台开展麦克风阵列的语音增强的开放性实验研究奠定了基础。

1 硬件电路的设计

1.1 系统结构

本文所搭建的基于USB声卡的麦克风信号采集和信号特征研究的综合教学实验系统结构如图1所示，共有五大模块。包括对声信号进行采集并转换的麦克风模块，对信号进行放大和滤波的预处理电路，将模拟信号转换为数字信号的USB声卡，对整个系统进行供电的电源电路和对信号进行处理、分析、显示的终端计算机[4]。

图1 系统结构图

其中，信号采集麦克风模块包含2个微型的麦克风将声信号转换为电信号，每个微型麦克风均有2个采集口，能同时输出全向性和指向性信号，因而系统能同时获取四路采集的信号。由于麦克风模块输出的电信号非常微弱并且混有噪声，系统里的预处理电路用于放大麦克风采集到的信号和滤除噪声。预处理电路输出的是模拟信号，USB声卡的作用是把模拟信号转换为数字信号并且通过USB高速传输方式把信号发送到计算机中，终端计算保存采集到的信号，并进行后续的信号、分析和波形的显示。

1.2 电路的具体实现和器件选择

信号采集麦克风模块包含2个TP型的麦克风，该TP型微型麦克风模块集成了全向性TO型麦克风模块和指向性TD型麦克风模块的功能于一体，但体积与单个TO型或者TD型麦克风模块相当。每个TP型麦克风能同时输出全向性和指向性信号，因而系统能同时获取四路采集的信号，并且能调节延迟、角度和权重等参数，能够满足开放性实验研究中对较为复杂的极性图的设计要求，具有很高的教学实用价值。麦克风模块比较小，而且为了便于调整麦克风信号采集的方位，使用独立的圆形PCB板来固定麦克风模块，并且留有相应的接口以连接麦克风模块的信号输出端口、电源端口和接地端口，而这3个接口同时通过排线连接到主电路板上。主电路板主要是放大电路、滤波电路和电源电路，由于本实验中使用2个麦克风采集信号，因而放大电路和滤波电路均有两路，分别对2个麦克风采集到的信号实现放大和滤波。

放大电路由一级放大和二级放大电路组成，其中，一级放大电路使用了仪表放大器AD 624，该芯片的噪声系数低，适合用于放大前端微弱的信号并且减少噪声；而二级放大电路由运算放大器OP 275和滑动变阻器以及一些电阻、电容组成，该滑动变阻器可用来调节不同的增益以便放大后的信号达到所需要的范围。

滤波电路使用了运算放大器OP 275以及相应的电阻电容器件。该电路包括二阶的低通滤波电路和二阶的高通滤波电路，所构成的带通滤波器的理论通带在200Hz和12000Hz之间，而50Hz的工频干扰在该频带之外。

电源电路主要为麦克风模块以及预处理电路的各个芯片提供电压。其中，通过基准电压芯片REF 2912提供1.25V的电压，而仪表放大器AD 624和运算放大器OP 275所需要的＋12V和－12V的电压由电源模块NR5D12来提供。整个主电路板留有电源适配器端口和USB端口来提供外置的电压，通过5V的电源适配器或者通过USB连接线把电路板接入计算机中（二选一）来获得5V的电压。

2 旋转平台和辅助器件的搭建

为了便于测试不同方位信号采集的特征，本文同时搭建了旋转平台以及相应的辅助器件来简化信号采集的过程。常规的测试不同方位信号采集的方法是：在不同方位分别放置音箱，然后依次播放信号。该方法需要大型的音箱阵列，系统复杂度高，并且会增加实验测试的难度。

本文设计了旋转移动平台，通过调整麦克风和音箱的相对位置来实现不同方位的信号采集[5]，如图2所示。麦克风模块通过一个可调支架固定，并且调整为合适的间距，硬件电路以及麦克风模块和可调支架一同放置在旋转平台上。旋转平台上精确标记了从0°到360°的各个方位精确刻度（大格10°，小格2°），当我们需要采集来自不同方位信号的时候，可以通过旋转平台来调整麦克风和音箱的相对位置来实现，该平台在只有一个音箱的条件下能完成各个方位的信号采集测试，有助于简化实验流程和提高实验的效率。

为了便于测试自由声场条件下和头部影响条件下的信号采集特征，预先在旋转平台的圆形转盘上标记了头部模型的位置，当测试在头部影响条件下的信号采集特征时，需要把头部模型放置在标记好的位置，当测试自由声场条件下的信号采集特征时，只需要相应地把头部模型移开即可。

图2 旋转测试平台的系统外观图

3 信号采集的软件实现流程

预处理电路把放大和滤波后的信号通过USB声卡完成A／D转换，并且传输到计算机里，计算机实时采集信号，该信号采集程序是基于Maltab编写的，数据采集的流程如图3所示。

图3 基于Matlab的数据采集流程图

在图3的基于Matlab数据采集流程图中，采集前先设置好硬件对应的采集参数，包括USB声卡对应在计算机里的ID号、声卡USB端口位置、采集的通道标号、采样率和信号采集时间等，同时需要初始化采集的硬件。进入正式的信号采集阶段后，需要初始化设备对象，然后把采集到的数据依次存储起来。当信号采集的方位发生变化后，需要重新采集新的信号，不同方位的信号采集完成后，需要停止数据的采集，删除设备对象以及清除数据采集过程中保存在缓存里的数据，释放系统资源。基于Matlab的采集界面如图4所示。

图4 信号采集的界面

开始实验的时候，按GUI里的“Run”按钮运行程序，然后在GUI里设置好所需要的各个参数（包括通道类型、采样率、信号采集时间和声卡类型等），之后按“开始采集”按钮，当所需要的目标信号采集完成后，按“停止采集”按钮来停止数据的采集，最后按“数据保存”按钮，选择所需要的路径来保存采集到的信号文件。

4 麦克风在不同声场条件下信号采集和特征对比

进行信号采集的时候，首先把硬件系统放置在旋转平台上，调整麦克风模块使之正好在转盘的圆心位置。音箱放在距离麦克风模块约1.5m处，音箱可以播放不同类型的信号，在启动硬件采集后，实时采集音箱播放来的信号并传入计算机中保存。

当进行“头部影响”实验的时候，一般需要测试不同频率的头部影响特征，因而从音箱播放出来的信号是纯音信号。可以预先用Matlab合成出不同频率的几个纯音信号，合成纯音信号时需要考虑好信号的包络形状（如矩形包络和梯形包络）、纯音的播放时间、不同频率信号的间隔和播放次数等。由于在旋转平台上已经预先标记好了头部模型的放置位置，因此把头部模型放置在该位置后，启动硬件系统进行信号采集，同时控制音箱播放不同频率的纯音信号，就可以得到某一方位下的头部模型对信号采集影响的数据。需要测试、采集其他方位的信号特征时，只需要旋转麦克风到一定的刻度，重新进行上述的信号采集过程即可。为了比较头部影响和自由声场下的信号采集特征，进行完头部影响实验后，把头部模型移开，信号在没有头部干扰情形下进行信号采集，代表的是自由声场下的特征。

采集到的数据保存在计算机中进行后续的处理，可以用Matlab来画出相应的信号波形和不同方位的幅度来显示信号采集的特征。由于音箱本身的频率特性不是非常好，也就是说，从Matlab合成的不同频率信号的幅度是一致的，但从音箱播放出来的不同信号的实际幅度却是有差异的，为了排除音箱本身频率特性的影响，可以以某一方位的信号幅度为基准（如0°方位），统计其他方位的相对幅度[6]，这样就可以看出实际不同方位的信号采集在自由声场和头部影响条件下的特征了。

这里以四通道电子耳蜗中的一个频率（选用通道2的中心频率953Hz）为例说明具体信号采集的结果，如图5所示。

图5 在自由声场和头部影响情形下的不同方位的信号采集的特征

语音信号的能量主要集中在1000Hz附近的低频段，因而本文里使用了与1000Hz较为接近的通道2的中心频率953Hz来测试信号采集的特征。从图5中可以看到，在自由声场条件下，信号采集在各个方位的幅度是基本一致的，因而自由声场条件下麦克风的信号采集具有较好的全向性特征。当麦克风处于头部模型的影响条件下，信号采集的幅度发生了变化，不同方位的信号幅度有明显变化。在无头部模型直接遮挡一侧（对应硬件平台左侧方向，图中的0°到180°方位），头部模型对音箱传来的信号主要起了部分反射的作用，从图5中的幅度值看出，在该侧方向的信号仍保持了较好的全向性特征，幅度变化在0～3dB之间；而在头部直接遮挡一侧（对应硬件平台右侧方向，图中的180°～360°方位）头部模型阻碍了来自音箱信号直线传递到麦克风上，信号发生绕射和衰减。从图5中信号在180°～360°方位的极性图看，该侧信号的幅度比较杂乱，没有比较明显的规律，而且总体幅度是降低了，信号幅度之间的变化较大，在0～15dB之间。

可以基于该平台进一步测试不同频率的信号采集特征，归纳头部影响与频率的关系，并进一步让学生开放性研究测试麦克风阵列的语音增强作用，以此帮助学生更贴近实际地理解不同实际声场条件下麦克风信号采集的特性，以及麦克风阵列进行语音增强潜力。

5 结束语

本文搭建了基于USB声卡的测试麦克风特性的声学教学实验系统，对比研究了自由声场和放置了头部模型影响的不同声场条件下的麦克风采集信号的特征。该平台为声学信号采集、处理和相关课程提供了一个综合的采集和分析平台，可配合相关的理论课程开展实验测试和研究，有助于提高学生的实践能力和丰富教学内容。另外，头部的声学干扰会对麦克风阵列领域里算法（如延迟波束形成技术[7－9]、声源定位[10－11]和语音增强[12]）产生影响，因而该平台也为学生进一步探索麦克风阵列里的前沿技术和理论研究提供了一个开放的实验测试平台。

（References）

[1]袁骏，张卫，胡金华，等.基于Matlab的圆阵宽带多波束形成仿真平台开发[J].实验技术与管理，2013，30（2）：97-100.

[2]何鹏，侯艳阳，房汉雄.生物医学实验教学装置研制与应用[J].实验技术与管理，2013，30（2）：70-73.

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[4]陈又圣，宫琴.基于双TP型麦克风的电子耳蜗前端指向性语音增强系统的研制[J].仪器仪表学报，2010（9）：1952-1958.

[5]Yousheng Chen，Qin Gong.Head influence platform for cochlearimplant[J].WC 2012，Beijing，China，2013（39）：1468-1471.

[6]陈又圣.基于麦克风阵列的电子耳蜗前端语音增强关键技术的研究[D].北京：清华大学，2013.

[7]Gong Qin，Chen Yousheng.Parameter selection methods of delay and beamforming for cochlear implant speech enhancement[J].Acoust Phys-Engl Tr，2011，57（4）：542-550.

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[9]陈辉，刘成城，李冬海.基于子带SDL的宽带自适应波束形成[J].信号处理，2012，28（12）：1685-1691.

[10]陈孝杰.麦克风阵列声源定位方法研究[D].北京：清华大学，2007.

[11]宋辉.复杂环境下麦克风阵列声源定位和语音增强方法研究[D].北京：清华大学，2011.

[12]董保帅.近距离双麦克风语音增强算法研究[D].北京：清华大学电子系，2012.