[发明专利]基于差频超声的音频声源产生和气道特性测试方法与系统

说明书

【技术领域】

本发明属生物信息检测领域，具体涉及一种无侵入的音频声源产生和对生物体内气道特性进行动态测量的方法与应用系统。

【背景技术】

气道是很多动物及人类都有的管腔系统，其在呼吸过程和声音产生过程中具有十分重要作用。在鸟类里，气道包括气管、鸣管、口腔、食道的上半部和喙；而哺乳动物中，气道一般包括气管和上声道两部分，上声道分为喉腔、咽腔、口腔和鼻腔。

声音产生过程中，气道的主要作用是共鸣，通过对声源进行调制而产生具有不同音色的声音。当声源激励气道时，声源谱中各分量被声道有选择的传递，即有些谐波分量被加强，而有些被减弱，最终决定声音的频率特性。气道的频率传递特性主要由气道的结构所决定，而气道结构随着发声的不同而不同。以语音产生为例，主要通过改变舌头、嘴唇、牙齿、硬腭、软腭等发音器官的位置改变气道结构，从而产生不同的语音。因此，气道特性变化对于声音的产生具有重要影响，气道特性的测量对于了解声音产生过程以及声音音色特征等具有重要意义。

目前测量气道特性的方法主要包括以下几种：第一，线性预测分析方法是应用较广的一种语音分析方法，能够直接从语音信号中通过共振峰分析直接提取上声道特征。然而，该方法需要同步电声门图信号中闭合相才能获得较好的结果，受到噪声影响较大。第二，利用核磁共振成像技术可以对气道结构进行成像，再通过计算获得气道传递特性。这种方法虽然能够得到较为清晰的气道结构信息，但是价格昂贵，并且计算过程难以模仿真实的气道传递过程，同时由于成像速度的限制难以获得动态的气道特性。第三，超声电子硬颚图是一种利用超声成像技术测量发声过程中口腔结构的方法，从而利用该结构计算上声道传递函数。该方法速度较快，但是只能获得口腔某一截面的面积信息，难以反映整个气道的整体特性，存在一定的局限性。

对于气道系统特性的测量，最原始且准确的方法就是根据系统的输入输出时间函数来确定。虽然利用麦克风等传感器可以直接在气道输出端(嘴唇)采集输出信号，然而，从体外向气道中直接施加已知并且可控的输入信号是十分困难的。

因此，如果能够从外部无侵入的向气道中施加已知并且可控的音频声源作为激励信号，那么通过实时同步测量气道的输出信号，就能够实现对气道特性的测量。

【发明内容】

为了解决气道特性测量中声源施加的问题，本发明利用超声波的非线性相互作用，提出一种基于差频超声的音频声源产生和气道特性测试方法与系统。具体内容包括：

一种基于差频超声的音频声源产生系统，包括：信号产生模块：产生两个频率不同的方波信号；信号放大模块：对信号产生模块产生的方波信号进行放大，以提高超声探头的驱动电压，增强最终产生的音频声源的有效声压和有效声功率；超声探头：包括两个中心频率相同的低频宽带超声换能器，分别由放大后的方波信号驱动产生两列不同的超声波，通过非线性相互作用产生频率可控的音频声源。

所述信号产生模块产生的方波信号的频率为37～43kHz。

所述信号产生模块产生的两个频率不同的方波信号的频率差为f，其中，f的范围为1～5000Hz。

所述信号产生模块通过单片机实现，单片机内设置有定时器，两个频率不同的方波信号通过定时器控制和输出。

所述基于差频超声的音频声源产生系统产生的音频声源频率范围为1～5000Hz。

所述低频宽带超声换能器的中心频率为40kHz，阻抗为500Ω，灵敏度为103dB，最大驱动电压为150Vp-p，在30cm距离测量该超声探头产生的声压级达到108dB。

一种基于差频超声的音频声源产生方法，信号产生模块产生两个频率差为f的方波信号，该两个方波信号经放大后，同时驱动超声探头的两个超声换能器，产生两列频率不同的超声波，经过两个超声波的相互作用最终产生频率为f的音频声源。

一种基于无侵入音频声源的气道特性测试方法，利用差频超声产生的音频声源作为气道的输入信号，同时测量气道出口端的音频信号作为气道输出信号，经过信号频率分析最终得到气道的传递特性。

气道特性测试可以采用两种不同的音频声源激励方式：单频激励与扫频激励；对于单频激励，直接通过设置频率控制参数f实现单一频率声源的产生与激励，直接测量系统输出信号并计算气道特性；对于扫频激励，需要设置扫频的范围与速度，其中，最大频率范围为1～5000Hz，扫频速度为1～5000Hz/s。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：