Требования

Настройка оборудования

Выполнение этого примера требует:

Типичные устройства аудиоинтерфейса DirectSound, поддерживаемые Data Acquisition Toolbox, не поддерживают аппаратную синхронизацию между выходным и входным каналами. Пары входных или выходных аудиоканалов синхронизируются аудиоустройством, однако выходные и входные каналы могут иметь не пренебрежимо малое относительное начальное отставание.

Для синхронизации временных меток выходных и входных данных в постобработке можно использовать следующую настройку:

Эхометрический гидролокатор

В качестве демонстрации этого подхода можно использовать аудиоустройство, динамик с питанием и микрофон, чтобы собрать вместе эхометрическую установку гидролокатора. Импульсный эхометр измеряет расстояние до объекта путем излучения короткого звукового импульса, измерения отраженного импульсного эхо и определения времени полета путем сравнения исходного выходного импульсного сигнала с измеренным входным ответным сигналом.

Динамик и микрофон расположены рядом друг с другом и ориентированы к стене, от которой отражается звуковой импульс, как показано на диаграмме ниже.

Синтезировать импульсный сигнал

Импульсный сигнал, обычно используемый для гидроакустических приложений, представляет собой частотный сдвиг короткой длительности или чирп. Поскольку острые края амплитуды в начале и конце плоского сигнала частотной модуляции могут вызывать артефакты измерения, импульс ослабляется/формируется функцией огибающей. Варианты включают Ханнинг, Гауссов, Кайзер и др. Диапазон частот, длительность или длительность импульса, огибающая/форма импульса зависят от предполагаемого применения. В этом примере измерения выполняются импульсом длительности 3 мс с линейным частотным чирпом 1-5 кГц и окном Хэннинга. Синтезированный сигнал показан на рисунке ниже. Исходный чирп-сигнал отображается слева, а сформированный импульс - справа. Окно Hanning отображается пунктирной линией.

Убедитесь, что используется диапазон частот сигнала, который может быть правильно сгенерирован динамиком, поднят микрофоном и дискретизирован устройством аудиоинтерфейса. Частота дискретизации, используемая для измерений аудиоустройства, составляет 192 кГц.

% Pulse width (s)
T = 3E-3;

% Sampling rate (Hz)
Fs = 192E+3;

% Initial and final pulse frequency (Hz)
f0 = 1E+3;
f1 = 5E+3;

% Time vector
t = (0:1/Fs:T)';

% Pulse signal, chirp attenuated by an windowing function
yc = chirp(t,f0,t(end),f1);
w = hanning(numel(t));
y = yc.*w;

% Plot the signal
figure
tileplot = tiledlayout(1,2);
tileplot.TileSpacing = 'compact';
tileplot.Padding = 'compact';

nexttile
plot(t,yc)
hold on
plot(t,w,'--')
xlabel("Time (s)")
ylabel("Amplitude")
title("Original chirp signal and Hanning envelope")

nexttile
plot(t,y)
xlabel("Time (s)")
title("Shaped pulse")

Сбор данных

Использовать два отдельных DataAcquisition объекты, один для каналов вывода звука и один для каналов ввода звука. Поскольку автоматическая синхронизация между парами каналов ввода и вывода звука невозможна, даже если это общая DataAcquisition объект используется для всех каналов, этот подход позволяет осуществлять больший контроль над операциями сбора данных.

do = daq("directsound");
addoutput(do,"Audio4","1","Audio");
addoutput(do,"Audio4","2","Audio");
do.Rate = Fs;

di = daq("directsound");
addinput(di,"Audio1","1","Audio");
addinput(di,"Audio1","2","Audio");
di.Rate = Fs;

Поскольку длительность импульса относительно мала, установите конец импульсного сигнала с нулевыми значениями (длительность 200 мс), чтобы гарантировать, что импульс генерируется правильно.

yout = [y; zeros(Fs*200E-3,1)];

Сначала запустите вход в виде непрерывного фонового захвата, затем создайте один и тот же сигнал на обоих каналах вывода звука. Один из каналов используется в качестве сигнала синхронизации.

start(di,"continuous")
write(do,[yout yout])
stop(di)

Считывание полученных данных в рабочую область. По умолчанию read функция возвращает timetable.

data = read(di,"all");

Постройте график полученных данных. Сигналы Audio1_1 и Audio1_2 соответствуют входным аудиоканалам 1 и 2. Входной канал 1 использовался для записи сигнала синхронизации, генерируемого выходным каналом 1, в конфигурации с закольцовыванием. Входной канал 2 использовался для записи фактического ответного сигнала, снятого микрофоном. В ответном сигнале наблюдаются два импульса, за которыми следуют другие вторичные эхо-сигналы, зависящие от акустики помещения. Также обратите внимание на большое относительное время задержки начала между входным и выходным каналами.

figure
stackedplot(data)

Синхронизация временных меток выходных и входных данных

Найдите запаздывание и выровняйте временные метки выходного и входного сигналов, отбросив точки перед обнаруженным сигналом синхронизации.

lag = finddelay(y, data.Audio1_1);
t0 = lag/Fs

t0 = 0.3058

alignedData = data(lag+1:end,:);
alignedData.Time = alignedData.Time-alignedData.Time(1);

figure
s = stackedplot(alignedData);
xlim(seconds([0 0.025]))
s.AxesProperties(1).YLimits = [-0.55 0.55];

Визуальная проверка качества синхронизации по времени путем сравнения данных синтетических импульсов с измеренным сигналом закольцовывания.

figure
plot(seconds(t),y,alignedData.Time(1:numel(t)),alignedData.Audio1_1(1:numel(t)))
ylabel("Amplitude")
xlabel("Time (s)")
legend(["Pulse signal to output","Measured loopback signal"],"Location","bestoutside")

Определение времени и расстояния распространения импульса

Вы можете использовать xcorr функция взаимной корреляции для определения и визуализации сходств между исходным импульсным сигналом и измеренным ответным сигналом.

[xCorr,lags] = xcorr(alignedData.Audio1_2,y);

figure
plot(lags/Fs,xCorr)
xlabel('Lags (s)')
ylabel('Cross-correlation')
axis tight

График взаимной корреляции указывает на несколько сходств, с двумя большими пиками и другими меньшими пиками из ревербераций.

Найти временную метку и общее расстояние распространения, соответствующие первым двум наблюдаемым коррелированным импульсам в измеренном сигнале. Первый наблюдаемый импульс соответствует пути прямого распространения от громкоговорителя к микрофону. Второй наблюдаемый импульс представляет собой эхо-импульс, отраженный стенкой. Функция finddelay возвращает запаздывание, для которого нормализованная взаимная корреляция имеет наибольшее значение, и в этом случае оно соответствует первому импульсу в ответном сигнале.

t1 = finddelay(y,alignedData.Audio1_2)/Fs

t1 = 0.0011

Можно рассчитать время распространения эхо-импульса как стартовой временной метки второго импульса в ответном сигнале, используя finddelay в сигнальной области после первого импульса.

t2 = t1 + T + finddelay(y,alignedData(timerange(seconds(t1+T),"inf"),:).Audio1_2)/Fs

t2 = 0.0122

% Plot the response signal and highlight the first two detected pulses
figure
plot(alignedData.Time,alignedData.Audio1_2)
xlim(seconds([0 t2+2*T]))

hold on
firstPulse = alignedData(timerange(seconds(t1),seconds(t1+T)),:);
plot(firstPulse.Time,firstPulse.Audio1_2)

echoPulse = alignedData(timerange(seconds(t2),seconds(t2+T)),:);
plot(echoPulse.Time,echoPulse.Audio1_2)
ylabel("Amplitude")
xlabel("Time (s)")

% Calculate distance corresponding to echo pulse (m)
% Speed of sound in air at 20 deg. C (m/s)
v = 343.1;
d2 = t2*v/2

d2 = 2.1006

Расстояние (2,10 м), измеренное эхометрическим гидролокатором (половина общего пути), очень близко к фактическому расстоянию (2,06 м) между динамиком/микрофоном и стенкой, отражающей эхолот.