Page 61 - 《应用声学》2022年第3期
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第 41 卷 第 3 期              张巧花等: 圆形阵列无线传感器的鸟鸣声检测方法                                           383


                 海岛及滨海湿地等栖息地中阵列无线传感器                           特性,声信号进入接收窗时的各向一致性好,且对各
             长期暴露在野外湿、热、盐、风、雨等环境下,既要                           频点模态相对平滑,有利于传声器阵列更好地拾取
             对拾声传感器进行有效保护,又不能影响对声音的                            鸣声信号及后处理。
             拾取。为了适应野外环境,传感器的结构采用球形
             刚性壳体设计,将硬件电路和数字式传声器阵列密                                    20     n/
                                                                              n/
             封在壳体中,有效防止硬件电路系统被海岛高盐和                                    10     n/
             潮湿环境侵蚀及减少野外风、海浪等噪声干扰,保                                     0     n/
             证电路长期稳定运行。在球形壳体结构中间留有高                                 b n↼kr↽  /dB  -10
             8 mm 的传声器拾声窗口,声音经过窗口到达传声                                -20
             器阵列时满足平面波要求。球体下方的方形密封电                                  -30
             路仓内放置信号采集处理电路和控制通信电路,刚                                  -40
             性球形结构如图1所示。                                             -50
                                                                            10 -1         10 0         10 1
                                                                                        kr
             1.2 球形结构的接收声场分析
                                                                                     (a) ᭤Ѹভု
                 刚性球形结构具有各向同性的特点,能够较好
                                                                       20
             地利用球谐域傅里叶变换对频率信号和空间信号
                                                                       10
             进行解耦,解决宽带相干信号定位问题,同时大大降
             低结构声散射对鸟鸣声拾取的影响,为了分析刚性                                    0
             球的声散射特性,将刚性球和非刚性球进行了对比。                                b n ↼kr↽  /dB  -10
             所谓刚性球就是圆球表面为刚性表面,计算声场分                                  -20
                                                                                                  n/
             布时需考虑散射的影响,而非刚性球就是指虚拟球                                  -30                          n/
                                                                                                  n/
             体,声波到达球体表面时无需考虑散射影响。假设                                  -40                          n/
             单位平面波从某个方向入射后,非刚性球和刚性球                                  -50   10 -1         10 0          10 1
             情况下的模态强度函数b n (kr)满足           [16]                                       kr
                                                                                     (b) Ѹভု
              b n (kr) =
                                                                         图 2  不同阶下的模态强度值变化
              
              4πj n (kr),                   非刚性球,                Fig. 2 Modal strength variation in different orders
              
                   (                     )              (2)
                             ′
                             j (kr)
                             n
              4π j n (kr) −
                                  h n (kr) , 刚性球,
                             h (kr)                            2 子带能量谱熵比特征鸣声段检测
                              ′
                              n
             其中,j n (kr) 和 j (kr) 分别为 n 阶球贝塞尔函数及
                           ′
                           n
             导数,h n (kr) 和 h (kr) 分别为 n 阶球汉克尔函数及               2.1  原理与方法
                            ′
                            n
             导数,k 为波数,等于信号角频率与声速的比值,r 为                            子带能量特征检测方法通过比较特定子带 (时
             球体的半径。                                            域、频域或者其他变换域) 内信号能量与设定阈值
                 仿真分析模态强度 b n (kr) 随 kr 的变化如图 2                判决信号是否存在。子带谱熵将一帧鸣声分成若
             所示,模态强度的变化将影响球面位置的对应频                             干子带,再求每一个子带谱熵。海岛野外噪声具有
             点声压。由图 2 可知,与非刚性球比较,b n (kr) 在不                   随机性和复杂性,这就降低了环境噪声对每一条谱
             同阶所关注的频点上不存在模态强度突然下拉的                             线幅值的影响。相关研究表明,鸟鸣声信号的频谱
             点,避免了噪声在该频点上被放大的问题。鸟类鸣                            基本集中在 500 Hz ∼ 10 kHz 之间,大部分鸣声频
             声源的频率大部分集中在 1 kHz ∼ 6 kHz 之间,本                    谱在 1 kHz ∼ 6 kHz 之间    [17] 。本文采用 500 Hz ∼
             文所采用的刚性球的直径为 114 mm,对应的 kr 为                      10 kHz的带通滤波器对数据进行降噪处理。
             1.03 ∼ 6.21 之间,因此采用刚性球有助于提高传感                         七阵元圆形阵列无线传感器系统采集的数据
             器的鲁棒性,避免模态强度在不同频率之间剧烈抖                            包含鸣声与噪声,鸟类活跃时间不固定,大部分时
             动。在结构的设计和制造过程中,非球形结构会产                            间段采集的是环境噪声。鸟类活动鸣声段检测及
             生各向一致性差的问题。因此,利用刚性球的散射                            自动分段,是开展鸟类鸣声监测和生态学研究的基
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