外文翻译

毕业设计（论文）外文翻译

题目基于虚拟仪器的声音

采集系统设计

专业机械电子工程

班级2012级3班

学生张桂文

指导教师董绍江

重庆交通大学

2016 年

一种水声录音设备的设计与实现

翻译后摘要：监测的水下声音和压力波所产生的如水下爆破和打桩，一个自主的人为活动系统设计记录水下声信号。水下的声音记录装置（USR）允许两水听器或其他动态连接压力传感器，过滤器的高频噪声的收集的信号，有一个增益可以独立设置为每个传感器，并允许2小时的数据采集。二我的版本创建的：潜水模型部署能够最大深度300米，和无懈可击的但不完全潜水模型。测试是在实验室中使用usr执行一种数据采集系统直接发送单频正弦电压的各个组成部分。这些试验表明，该装置的操作设计和执行以及较大的出售可用的数据采集系统，不适合于现场使用。平均而言，所设计的增益值不同于实际测得的增益值约0.35分贝。设备的原型作为一个案例研究来测量爆炸压力在调查影响水下岩石爆破对少年奇努克鲑鱼和虹鳟鱼。在案例研究中，最大正压力从爆炸中被发现显着相关，个别鱼的损伤频率。案例研究还表明设备经受了运行在恶劣的环境中，使这是一个有价值的工具，用于收集现场测量。

关键词：水声录音；水下声学；爆破

1.景区简介

许多水下的过程，如水下爆破、打桩、有创造的声音和压力波的危害鱼类或其他水生生物[1-7]的潜力。记录鱼伤这种活动范围从非致死性致死，这取决于声音和压力波的特点。非致死性损伤所经历的鱼可能会导致改变的生理状态，包括甲烷而在规模损失，激素水平、感官检测、应力和/或免疫反应、组织损伤、栓塞和破裂的鱼鳔，这可能表现为行为和性能的变化[ 5,8-11 ]。威胁和随后的行为变化可以增加曝光的肉食性鱼类捕食，海洋哺乳动物和鸟类的风险认知改变[12,13]。此外，非致死损伤可以表现为业绩下降，特别是游泳成绩，鱼斗争来保持浮力和平衡和避免障碍或不利水流[ 12、14，15 ]。致命伤是主要

的伤害的结果（例如，鳃和/或心脏栓塞，内部器官损伤或撕裂），或轻、中度损伤，大失血或大组织损伤[ 16 ]结果的高潮。鉴于水下活动的多样性、环境（例如，打开或关闭水、基质类型、环境噪声），这些活动，和物种生物学、科学IFIC社区不完全同意，或有声和压力波特性驱动的影响看到在鱼。虽然水下声化学和物理参数三维压力波是相当好的理解，由此产生的声音和压力波是复杂的[ 17 ]。为了解开这些波的复杂性及其对鱼类的影响，信息是必要的探索作（例如，电荷和爆炸时间，收费和爆炸重量、岩石类型、爆炸的设计特点，如数量、深度、间距和孔）或曝光特性（ST如频率拉曼诱导克尔效应谱、强度、持续时间等参数），和他们的能量释放（如振幅、频率、持续时间、压力、冲动、能量通量密度）[补充]。

监测潜在的有害的水下过程需要一个便携式的，自主的，水密，和用户友好的设备（可操作的非工程师或技术人员），可以连接到多个小时或其他水下声/压力传感器。该设备还必须容忍在极端环境中的处理（例如，暴露于天气，小型船装载齿轮）。水听器可测量动态压力变化，但通常输出相对较低的电压，因此，输入信号往往需要进行放大。因此，该设备应该有一个可变增益放大器的放大器控制允许具有宽范围的声压级测量水声信号。该装置也可用于其他活动所产生的声音效果等记录LS或某些海洋哺乳动物的发声。

有几个国家的艺术自治声录音设备由各研究机构]和[ 20-23商用系统或其他水传感器网络[ 24 ]。然而,他们要么是专为海洋环境和应用程序（海洋噪声或海洋哺乳动物检测），或不符合我们的要求，采样频率，便携性和成本，或没有提供开关水听器和不同环境下的水声传感器的灵活性或水下过程。本研究的目的是设计，建造，测试部署的水下录音设备（USR）研究水下过程（如水下爆破或丸电子驾驶）及其对鱼类或其他水生生物的潜在影响。USR是轻便，防水，易于使用的设备设计记录或其他两水听器水声信号她的水下声音传感器。在使用两个模型进行了designed-a潜水模型和水密而非潜水模型。台式实

验室测试证实，该器件为设计空间。模拟现场测试在一个大水箱使用水听器和大功率水声换能器表明usr执行以及较大的市售的数据采集系统，这是不适合野外使用。usr作为一个案例研究中，青少年奇努克鲑鱼和虹鳟鱼暴露于声音和压力波的水下岩塞爆破进行的深化波特兰、俄勒冈、美国和太平洋之间的“海峡”导航通道。

USR的设计与实现

由四节D-cell电池，电池电压监测、电源板、信号处理板、数字数据记录器，防水外壳，用于传感器两防水连接器OR，一个有线遥控的防水连接器，并使功率四分之一防水连接器（图1）。不同类型的住房是一个数据采集，吨可以在表面（非潜水）和另一个设计是完全的，以访问他的数据浸没在水涨到300米的深度。

图1。水下录音机原理图。

2.1电源板

电源转换器板[图2（a）]转换电压从四节D-cell电池±12 V电压转换是由两个开关调节器来完成（模型lt1533 1A，线性技术，Milpitas，CA，USA）。这些监管机构被选为他们的快速转换率。的电路设计实现了系统的效率约为35%，这导致在电池寿命约为30小时。该电路的输入电压范围为4.4至7 V，使镍金属氢化物碱性或–使用（镍氢）电池。

图2。功率转换单元。（一）电池电压监视器

2.2电池电压监测

电池电压监视电路板[图2（b）]在一个小的3.5位液晶显示器显示当前电池电压（模型DPM 1，马特尔公司伦敦德里，NH，美国）。该显示器可以让用户通过查看当前的电池电压来判断电池的状况，以确定是否需要更换电池。

2.3水听器信号处理板

水听器信号处理板的设计过程是从两个平行的水听器或其他传感器的信号。每个信号最初由一个26分贝的前置放大器放大。信号n通过一三极点低通滤波器和贝塞尔[ 25 ]截止频率（15 kHz?3 dB）。一个贝塞尔滤波器被选为它的能力，以保持其形状的滤波波形，由于其平坦群时延。经过过滤后，信号通

过用户可选择增益值为1、2、5、、10、0、6、14、20分贝的增益级。附加金额增益。

每个通道选择通过放置一个跨接在适当的引脚（图3）。

2.4数据记录器

滤波后的波形保存为数字数据记录器（模型pcm-d50，索尼公司，东京，日本）。该数据记录器具有最大分辨率为24位，最高采样率为96千赫。数据记录仪有4千兆字节（GB）的内置内存，这使得总共约1小时55分钟，记录时间在最大分辨率和采样率。的总金额埃默里可以扩展到一个额外的4国标通过使用记忆棒亲汞二人记忆卡（索尼公司），虽然只有一种类型的内存可以使用在一个时间。开始和停止记录与数据记录仪在使用外壳，有线远程控制模块（模型rm-pcm1，包括索尼公司）。数据保存到内存的波形音频文件（xxx.wav，也被称为“波”的文件），可从网上下载通过通用串行总线数据记录仪（USB）与个人计算机（PC）的连接。确保自动增益控制的定义，大的录音增益旋钮录音机设置为其最大值，并将一块磁带放在旋钮上，以防止用户无意中移动它。在最大记录增益，数据记录器提供增益4分贝。

2.5非潜水外壳

一只鹈鹕1400例（鹈鹕产品公司，托兰斯，CA，USA）是用于对使用非潜水版本（图4）。这种情况的外部尺寸为34，29.5，15.2厘米（不含碳onnectors）。在壳体的侧四下连接器（Subconn数控，映衬下，NE，USA）。两连接器用于连接每个水听器。如果只有一个疏水要使用一个新的插头，将插头插入，以保持接头端子干燥。另一个连接器是用于通过插入一个可插入的插件来为设备供电。第四连接器是连接远程控制模块，还包括USB连接器的电缆。类似的水听器连接器，当远程和USB连接是不需要的，提供宿舍bmersible插头可以用在这里。

图4水下声记录器的非潜版本。（一）鹈鹕1400外防水连接件。

2.6.submersible

对使用潜水版，潜水壳（模型a8.403ss，prevco海底LLC，喷泉山，亚利桑那州，美国）是用（图5）。外壳是由铝构成的，并为最大外径为300米的最大深度为26.7厘米，长度（不含接头）为59厘米。房屋的质量是10.9公斤，10.3公斤海水中?空气。Subconn下在连接器，用于对使用非潜水版本相同的，

也有用于连接的水听器，远程控制模块和USB 接口，并打开录音机功率。图5。

水下录音机的“潜”版。（一）prevco 潜水住房；（b ）外部防水连接。

3测试方法

测试水听器信号处理板的pcm-d50数据记录器，和完整的规则体系，单一频率的正弦电压的数据采集系统提供了苏bsequent 部分，直接向被测试的组件的输入。信号五十对数间隔100赫兹和50千赫之间的频率被送到记录系统部件测试。每个信号由1000个周期，每一个频率，每一个周期的采样点100个。 除了有限的最大采样率，在频率高于40 kHz 的发生。在每个频率的信号被发送，结果的计算的根均方分析信号的输入和自动元件测试使用方程（1）的输出电压。

=R M S V n Xi ∑2 (1)

3.1水听器信号处理板

USR 水听器信号处理板采用数据采集卡进行测试（modelpxie-6124，民族乐器[镍]，奥斯丁，得克萨斯州，美国）安置在一个pxie-1073底盘（Ni ）和连接到一个电脑运行微软视窗7操作系统。该数据采集卡有一个16位数字转换器（模拟输入）和一个16位数字模拟转换器模拟输出），每一个最大采样率为4兆赫。数据采集卡是由程序控制（MathWorks 公司，Natick ，MA ，USA ）专门为这些测试的书面。所有的数据分析也采用MATLAB 程序进行。其中的一个

pxie-6124模拟输出被用来发送正弦信号，与一个峰值的峰值电压为90个压，一个通道的水听器信号处理板。该通道没有被测试的输入端在与一个50欧姆的负载。水听器的信号处理板的输出被发送到一个模拟输入的pxie-6124。创建测试水听器信号处理板的MATLAB程序启用完全板的自动化测试。程序运行后，确定每一频率下的增益；此外，增益随输入频率的函数。每个通道进行了测试每个用户可选择的增益值。为了适应每一个增益值，数据采集卡的模拟输入范围被增加，以增加量的增益。对于1×增益选择使用范围为：1、2、2、5、5、10

3.2数据记录器

pcm-d50数据记录器也使用NI数据采集卡进行测试pxie-6124。其中的一个pxie-6124模拟输出被用来将正弦信号，用峰峰值电压为1.2 V，T一个通道的pcm-d50数据记录器。另一个通道的数据记录器被终止与50欧姆负载。每个输入信号在每个测试频率被记录到一个单独的波形音频数据记录器文件。这是通过MATLAB程序提示仪时开始记录什么时候停止记录每个测试频率信号的数据记录器。在所有的文件收集ED，他们被转移后处理从数据记录器的计算机运行MATLAB，通过USB电缆连接数据记录仪和PC。

3.3完整的水下录音机系统

完整的规则系统测试遵循类似的pcm-d50记录仪单独测试过程。主要的区别是输入正弦信号电压的使用。输入在较高的使用增益设置电压必须保持在较低水平，防止削波的信号时，他们被pcm-d50数据记录仪记录。低电压和高分辨率进行处理其中一个更高的电压信号从NI数据采集卡使用凯837型衰减器（凯Elemetrics公司公司，林肯公园，新泽西州，美国）。镍pxie-6124是由镍pci-6110替换数据采集这个测试匹配衰减器和数据采集卡采集卡的阻抗。

pci-6110具有最高采样速率为5 MHz和16位数字和一个4 MHz的最大采样率转换器12位模数转换器。水听器信号处理唱板试验板上使用pci-6110数据采集卡和所得到的结果比较采用NI pxie-6124卡。几乎相同的结果，得到使用乙其他板卡。这个测试确保了在镍卡的变化不会影响测试结果。正弦信号的峰峰值输出电压为50 mV的pci-6110。衰减设置在凯837衰减器是相同的增益值设置在水听器信号处理板进行测试（0分贝，6分贝，14分贝，或20分贝）。

3.4坦克测试

在使用台式测试之后，在水箱测试。这些测试是模拟真实世界的水下声学信号。双水下声信号被使用，其中的氮ormalized波形如下图所示（图6）。第一个是水下爆炸[ 16 ]，其次是鲸鱼的叫声[ 26 ]。测试是在一个细长的椭圆形罐测量7.32米升一×宽3.05米，深1.83米×。信号被保存为WAVE文件，从PC到放大器的音频输出发送（模型IPA 300t，建筑声学，科比普敦郡，英国）这是连接到一个宽频带大功率压电换能器（模型ll9162t，Lubell Labs公司，哥伦布，OH，USA）。水声换能器是悬浮在半水DEP沿罐中心线约1.5米，从一端。水听器（8104型，BRüEL和KJ?r，哥本哈根，丹麦）被放置在水下传感器1米远。自动记录每个波形至少五次，每个通道和四个用户测试的增益组合。每个增益值设置在USR的的IPA 300t增益调整以避免被pcm-d50记录仪任何裁剪。后立即使用记录每个波形，8104型水听器被连接到一个VP2000放大器费里（RESON公司，斯朗厄鲁普，丹麦），反过来，连接到一个在pxie-6124数据采集卡的模拟输入。对水听器和数据采集系统进行了标定该内衬吸声材料[ 27 ]。设置在IPA 300t放大器相同的增益，每个波形记录到计算机至少五次使用pxie-6124数据采集卡。为了防止削波的波形，该VP2000放大器的增益，在pxie-6124 W输入范围在调整为每个记录的信号。

图6罐试验用波形。（一）水下爆炸。

在信号都用的到，pxie-6124数据采集卡为每个使用通道增益组合记录，所记录的波形放大使用相应的措施ED的使用增益和放大器的增益测量的VP2000。水听器的灵敏度，然后用以将单位从电压转换为压力。随着波形缩放和转换压力单位，快速傅里叶变换[ 28 ]在每个波形进行，所得的光谱归一化波形长度确定所记录的信号的频率内容在压力信号的物理单位。为每一组测量的结果进行平均。最后，从光谱的最大压力来自用户得到的结果相比，从pxie-6124数据采集卡的结果。

3.5案例研究：爆破监测

水下岩塞爆破是一个完整的20年的哥伦比亚河渠道改进方案，深化与波特兰、俄勒冈的航道的最后步骤，和太平洋OC想让满载巴拿马型船（30米宽、183–213米长、14–吃水15米）交通安全。国家海洋和大气管理局等监管机构不允许水下岩石爆破（或水环境附近的爆炸）没有不良声音的缓解和不缓解的不良声音和唯一的反应状态的爆破（或爆炸附近的水环境），但是，可以进行评估

只有当鱼被回收，并检查后，立即曝光。鉴于哥伦比亚河，重船交通和大型监测区的浊度和流出流量，它将是难以检测受致命伤或终止鱼从爆炸风险[ 16 ]。

此外，不是所有的伤害，从声音和压力波是致命的，但需要时间的表达的非致死效应，如减少健身或增加对捕食的敏感性。

在笼子里的鱼暴露（少年奇努克鲑鱼和虹鳟）进行评估，对鱼类的影响在不同的声音和prespressure效应。监测鱼“取”爆破活动，直接死亡是由水下岩石爆破产生的波。在暴露的笼子里的鱼被运送到预定的坐标由一个美国提供的16个美国陆军工程师代表团。笼被部署到水悬浮从锚定的驳船，举行的压力传感器系统和一个空气泵连接到一个深循环电池。压力传感器系统包括ICP 压力传感器模型138a01，PCB Piezotronics迪普，NY，USA），布线，功率放大器，一个原型版本USR、和外部文件存储。所有传感器的数据进行了调整，每个传感器的校准。一旦部署，系统的功能是由撞船和监测验证数字录音机上的信号。根据时间的不同，录音机在记录位置或稍后开始暂停。所有暂停的信号记录单位开始了最低

爆炸前15分钟。曝光的笼子和压力传感器系统进行检索，在爆炸15分钟回到移动实验室在滨海剖检和系统下载。尸检过程涉及的小心基于77个潜在损伤的外部和内部损伤的观察。假鱼被处理，部署和检索类似的爆炸暴露的鱼除了他们的笼redepl岸前引爆者。在USR数据下载，对信号进行缩放使用测量系统的频率响应和压力传感器的物理单位校准。每一个波形进行快速傅立叶变换，并将所得的光谱进行归一化的波形的长度来确定的频率内容的记录的信号，我压力的物理单位。

测试结果与讨论

4.1水听器信号处理板

水听器信号处理板的平均增益在每个频率测试，为水听器信号处理板上的每一个增益设置，绘制如下（图7）。所观察到的水听器信号处理板的增益是平均

约0.35分贝高于设计值。四种不同的水听器信号处理oards测试，获得的测量值是非常相似的，与只有0.02分贝的平均标准偏差。低通滤波器的截止频率，定义为增益的点下降3 dB，在15.1千赫的平均值。图7。平均水听器信号处理板的频率响应为每个增益设置。

4.2数据记录器

在每个测试的频率各pcm-d50数据记录器增益，为每个通道，下面的绘制（图8）。在不同的pcm-d50数据记录器的测试结果表明，增益比水听器信号处理板的增益略多。平均增益为4.15分贝，标准偏差为0.25分贝。数据记录器的截止频率是非常一致的，具有44.3千赫的值和一个标准偏差只有6赫兹。该截止频率非常接近48千赫的Nyquist频率，它是可能的最大频率这可以用96千赫采样率测量。

图8pcm-d50数据记录器的频率响应为每个通道的每个单元测试。

图9水声记录器系统各增益设置的平均频率响应。

4.3完整的水下录音机系统

在每个测试的频率的使用系统的平均增益，增益设置为每个水听器信号处理板，下面的绘制（图9）。正如预期的那样，获得的收益使用系统完成从对水听器信号处理板和pcm-d50数据记录器增益值的总和计算增益非常相似。平均差异不他实际系统增益和计算增益只有0.02%。这种小的差异有助于加强测

试的有效性。完整的规则系统的截止频率是平均约0.5千赫以内的水听器信号处理板单独，平均值为14.6千赫。

4.4坦克测试

总的来说，这两个波形使用自动系统和pxie-6124数据采集卡的测量很好的比较。鲸鱼通话（表1）的测量结果比不同意他测量水下爆炸（表2）。这可能是一个事实，鲸的通话带宽远低于水下爆炸的事实的结果。样品谱FR测量鲸鱼的叫声和水下爆炸（图10）还有一个样本的放大在鲸的叫声和水下爆炸波形（图11）所示。总平均百分比差异的鲸鱼呼叫测量是1.4%；2个增益设定值最大，平均相差4.7%。对水下爆炸测试，整体的平均差异为3%，与2×增益设置有大平均差异为6.1%。

表1。从pxie-6124测量和水下录音机测量鲸鱼叫波形之间的结果差异百分比。

1×Gain 2×Gain 5×Gain 10×Gain Average 0.3% 4.7% 0.3% 0.3% Std. Dev. 0.5% 0.6% 0.3% 0.5%

表2。从pxie-6124测量和水下录音机测量水下爆炸波形之间的结果差异百分比。

1×Gain 2×Gain 5×Gain 10×Gain Average 2.5% 6.1% 1.9% 1.5% Std. Dev. 1.7% 1.2% 0.8% 1.0%

图10坦克试验的样本谱比较。（一）水下爆炸。

图11样本放大比较坦克测试。（一）水下爆炸。

4.5案例研究

对于每一个爆破事件，所记录的波形包括爆炸性电荷信号和主爆炸信号。从每一个测量，下面的参数计算从记录ED充电爆炸信号：峰值正压力（kPa），峰值负压力（kPa），峰值绝对压力（kPa），均方根（RMS）压力（kPa），主要频率（Hz），主要频率幅值乌德（kPa），和持续时间（s）。此外，总有效压力（kPa）

和总功率从雷管和炸药信号的组合估计。充电和爆炸信号我的形式，以及在压力下的物理单位的电荷和爆炸信号谱图绘制（图12）。

图12水下岩石爆破测量。（一）充电和爆炸信号波型；（二）电荷信号谱；（三）爆炸信号谱。

记录声音和压力波与暴露的笼子里的能力是至关重要的监测水下爆破活动在冬季在太平洋西北部的雾，迅速黑暗的水，和沉重的船舶交通复杂进行视觉动物调查工作。24个潜在的声音和压力波属性处理，爆炸的最大正压力（范围从14.5至163 kPa）是最重要的，每个人的回归对鱼的伤害频率（0到8伤害）。在低冲击最大正压力，如14.5至32.78 kPa，0至2伤害，每鱼是常见的。在高风的最大正压力，如103至163 kPa，3每鱼8损伤的观察。与EAC的严重程度或生理成本h损伤型显著增加高炉最大正压和。例如，轻度损伤，如扩大的毛细血管床和血肿，包括更多的总伤害/ FISH比在较高的爆炸压力下爆炸压力记录。相反，严重的伤害，如出血，肝脏和鱼鳔，包括更多的总伤害每记录高爆炸压力较低的爆炸压力的鱼。声音媒体之间的关系数据压力水平（剂量）和鱼的伤害（响应）将提高科学家和监管者对水下爆炸对组织的损伤，致死效果的理解，和幼鱼的估计以见卡尔森等人。2011全面报告）。

5 结论

本研究的主要目标是设计，建造和测试一个便携式，水密，和用户友好的设备，以记录潜在的极端环境中的水下声信号。这是通过水下录音机设计完成（USR）。该设备允许1小时和55分钟的数据，同时收集来自2个传感器。自动过滤掉高频成分以上15千赫，让系统的总增益调整为30分贝，36分贝，44分贝，或50分贝为每个传感器独立。

紧凑的使用使得收集水下声场的测量。为了提高系统的通用性，使用两个版本的设计和建造。这两个版本都具有相同的成分部件装在一个防水外壳。主要的区别是，一个版本的设计是完全淹没在水和其他用于水面边操作。潜水版本允许设备被连接到两个水听器和部署到300米，最大深度为这做出相应的应用中是可取的收集潜水版长时间测量的深度，这将需要非常长的水听电缆或延长电缆，它可以引入附加噪声的测量。非潜水的版本是更适合于应用程序在其中的水下事件进行监测相对较短的时间和一个已知的开始和结束时间；与非潜水版，研究人员可以使用远程控制模块和USB连接器很容易开始录像，停止录像，一第二提取数据。因为非潜水的版本仍然是水密的，它可以安全地操作在一个船或从岸上在几乎所有的天气条件。在实验室进行的测试使用数据采集系统直接发送单频正弦电压的每个组件已经验证了该设备的设计和执行，以及更大的商业可用的数据采集系统，不适合于现场使用。平均而言，所设计的增益值不同于实际测得的增益值，只有0.35分贝。四使用的系统测试泰德，平均标准偏差为0.27分贝的增益。水听器信号处理板仅占7%的变异之间的不同系统，与现成的索尼对于剩余的93% pcm-d50记录仪会计。从水池试验验证，用户可以获得在频域上是非常相似的峰值压力的结果峰值压力得到的国家仪器数据采集系统。

案例研究进行了样机的usr-involved录制声音和压力波的几种水下岩塞爆破事件同时曝光的少年奇努克鲑鱼一在笼子里的一道彩虹鱼被关在笼子里的声音和压力波。尸检在暴露的鱼来识别潜在的外部和内部的损伤进行77。24个潜在的声音三维压力波属性处理，爆炸最大正压为最当每个人显著的回归对鱼的伤害频率。USR是取得成绩的关键，这有助于水下爆炸的影响的理解组织损伤，致死率，和估计的少年鱼。

致谢

本文所描述的工作是由美国能源署的能源效率和可再生能源风力发电计划的资助。这项研究是在太平洋西北部进行的国家实验室（PNNL）在丽晶，华盛顿，这是由巴特尔为美国能源部。作者感谢和许多太平洋西北国家实验室工作人员输入的贡献，包括丁杰夫的病房，米歇尔霍尔沃森，安德列压顶，辉映任凯文Gervais，和Vinh Nguyen。安德列Currie是此文件的技术编辑。