本發(fā)明屬于水聲試驗(yàn)測試領(lǐng)域，具體涉及一種適用于氣泡聲學(xué)研究的音頻、視頻信號同步裝置及方法。

背景技術(shù)：

水聲試驗(yàn)測試是氣泡聲學(xué)的主要研究手段。由于氣泡的聲特性與氣泡的形狀、尺寸和運(yùn)動狀態(tài)等密切相關(guān)，因此，在試驗(yàn)中需要對氣泡的視頻和聲頻進(jìn)行同步記錄。通常，對氣泡形態(tài)的記錄采用高速攝像機(jī)拍攝，而對氣泡噪聲的記錄采用水聽器采集，如何將不同設(shè)備采集的信號精確地同步起來是影響分析結(jié)果的關(guān)鍵問題。

目前，解決聲、視頻同步問題最常用的辦法是：采用具有觸發(fā)功能的攝像機(jī)和信號采集卡。在測試開始的時(shí)刻，通過一路脈沖信號同時(shí)觸發(fā)攝像機(jī)和水聽器工作，使聲、視頻信號在同一時(shí)刻被激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)同步記錄。這種方法盡管有效，但存在兩個(gè)主要問題：一是要求所用的設(shè)備全部具備觸發(fā)功能，這就使得設(shè)備的選用受到一定限制，試驗(yàn)投入增加；二是存在校對上的困難，任何設(shè)備在受到觸發(fā)激勵(lì)后都存在一定的反應(yīng)延遲，而延遲量的大小便決定了同步精度的高低；專業(yè)儀器的校對具有較高的技術(shù)要求，一般試驗(yàn)人員難以勝任。

因此，我們迫切需要一種能解決攝像機(jī)和水聽器同步的裝置，能夠以較低的投入采集到高精度的音頻、視頻同步信號。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種適用于氣泡聲學(xué)研究的音頻、視頻信號同步裝置及方法，該裝置和方法能確保攝像機(jī)和水聽器同步記錄，從而確保水聲試驗(yàn)測試的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種適用于氣泡聲學(xué)研究的音頻、視頻信號同步裝置，其包括信號發(fā)生器、發(fā)光二極管、揚(yáng)聲器，所述信號發(fā)生器的輸出端與三通接頭連接，所述三通接頭與發(fā)光二極管、揚(yáng)聲器連接；所述發(fā)光二極管置于攝像機(jī)的攝像范圍內(nèi)，所述揚(yáng)聲器置于水聽器旁。

按上述方案，發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器通過三通接頭連接在信號發(fā)生器的同一輸出端上。

當(dāng)信號發(fā)生器開啟時(shí)，信號發(fā)生器的輸出端會輸出頻率為f的單頻正弦電壓信號，該信號通過三通接頭同時(shí)加載于發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器上。當(dāng)信號發(fā)生器開啟時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出亮光，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出頻率為f的單頻聲信號；當(dāng)信號發(fā)生器關(guān)閉時(shí)，發(fā)光二極管熄滅，同時(shí)揚(yáng)聲器停止工作，頻率為f的單頻聲信號消失。發(fā)光二極管光出現(xiàn)的時(shí)刻與頻率為f的單頻聲信號出現(xiàn)的時(shí)刻有明確對應(yīng)關(guān)系，發(fā)光二極管光消失的時(shí)刻與頻率為f的單頻聲信號消失的時(shí)刻也有明確對應(yīng)關(guān)系，此類時(shí)刻均可以作為聲、視頻的標(biāo)記點(diǎn)。

本發(fā)明為非觸發(fā)式音頻、視頻信號同步裝置，即采用信號發(fā)生器作為信號源，激發(fā)發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器產(chǎn)生一組具有明確對應(yīng)關(guān)系的聲、視頻信號，用這組信號對試驗(yàn)信號進(jìn)行標(biāo)記，將標(biāo)記信號出現(xiàn)(或消失)的時(shí)刻作為試驗(yàn)聲、視頻信號的時(shí)間同步點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)不同信號間的同步。本發(fā)明不要求采集設(shè)備具有觸發(fā)功能，而且同步精度僅取決于發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器的響應(yīng)特性，易于校對。

本發(fā)明還提供一種采用上述適用于氣泡聲學(xué)研究的音頻、視頻信號同步裝置進(jìn)行音頻、視頻信號同步的方法，該方法為：

在攝像機(jī)和水聽器工作期間的任意時(shí)刻，開啟信號發(fā)生器，攝像機(jī)捕捉發(fā)光二極管發(fā)亮的畫面，同時(shí)水聽器記錄的聲信號上會出現(xiàn)揚(yáng)聲器發(fā)出的頻率為f的單頻聲信號，將發(fā)光二極管發(fā)亮?xí)r的視頻時(shí)間與聲信號上開始出現(xiàn)頻率為f的單頻聲信號的時(shí)間作為聲頻和視頻的同步時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)聲、視頻信號的時(shí)域同步；或

開啟信號發(fā)生器，在攝像機(jī)和水聽器工作期間的任意時(shí)刻，關(guān)閉信號發(fā)生器，攝像機(jī)捕捉發(fā)光二極管熄滅的畫面，同時(shí)水聽器記錄頻率為f的單頻聲信號消失的聲信號，將發(fā)光二極管熄滅時(shí)的視頻時(shí)間與頻率為f的單頻聲信號消失時(shí)的聲信號的時(shí)間作為聲頻和視頻的同步時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)聲、視頻信號的時(shí)域同步；或

開啟信號發(fā)生器，在攝像機(jī)和水聽器工作期間的任意時(shí)刻，關(guān)閉信號發(fā)生器，攝像機(jī)捕捉發(fā)光二極管瞬間變亮的畫面，同時(shí)水聽器記錄出現(xiàn)明顯峰值的聲信號，將發(fā)光二極管瞬間變亮?xí)r的視頻時(shí)間與出現(xiàn)明顯峰值的聲信號的時(shí)間作為聲頻和視頻的同步時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)聲、視頻信號的時(shí)域同步。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明能在聲頻、視頻采集設(shè)備不具備觸發(fā)功能時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)聲、視頻信號的同步測試，需要的額外試驗(yàn)投入少；

本發(fā)明不要求聲頻、視頻采集設(shè)備具有觸發(fā)功能，拓寬了試驗(yàn)設(shè)備的選用范圍；原理簡單可靠，易于實(shí)現(xiàn)，便于對已有的非同步測試系統(tǒng)進(jìn)行改造；

本發(fā)明的同步精度僅取決于聲、光發(fā)生裝置的響應(yīng)特性，易于測量校對，通過合理選擇同步點(diǎn)，可以達(dá)到誤差小于2ms的同步精度。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為采用標(biāo)記信號同步試驗(yàn)信號的原理圖；

圖3為同步精度錘擊測試的聲測試結(jié)果；

圖4為錘擊測試中發(fā)光二極管的開閉狀態(tài)示意(a為非工作狀態(tài)，b為同步點(diǎn)狀態(tài))；

其中：1、信號發(fā)生器，1.1、輸出端，2、發(fā)光二極管，3、揚(yáng)聲器，4、三通接頭，5、攝像機(jī)，6、水聽器。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參見圖1，一種適用于氣泡聲學(xué)研究的音頻、視頻信號同步裝置，其包括信號發(fā)生器1、發(fā)光二極管2、揚(yáng)聲器3，信號發(fā)生器1的一個(gè)輸出端1.1與三通接頭4連接，三通接頭4與發(fā)光二極管2、揚(yáng)聲器3連接；發(fā)光二極管2置于攝像機(jī)5的攝像范圍內(nèi)，揚(yáng)聲器3置于水聽器6旁。

當(dāng)信號發(fā)生器1開啟時(shí)，信號發(fā)生器1的輸出端1.1會輸出頻率為f的單頻正弦電壓信號，該信號通過三通接頭4同時(shí)加載于發(fā)光二極管2和揚(yáng)聲器3上。當(dāng)信號發(fā)生器1開啟時(shí)，發(fā)光二極管2發(fā)出亮光，同時(shí)揚(yáng)聲器3發(fā)出頻率為f的單頻聲信號；當(dāng)信號發(fā)生器1關(guān)閉時(shí)，發(fā)光二極管2熄滅，同時(shí)揚(yáng)聲器3停止工作，頻率為f的單頻聲信號消失。發(fā)光二極管光出現(xiàn)的時(shí)刻與頻率為f的單頻聲信號出現(xiàn)的時(shí)刻有明確對應(yīng)關(guān)系，發(fā)光二極管光消失的時(shí)刻與頻率為f的單頻聲信號消失的時(shí)刻也有明確對應(yīng)關(guān)系，此類時(shí)刻均可以作為聲、視頻的標(biāo)記點(diǎn)。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，通過實(shí)際測試可知(見圖3)，當(dāng)信號發(fā)生器1開啟時(shí)，發(fā)光二極管2的亮度會逐漸增強(qiáng)，達(dá)到一定程度后才保持穩(wěn)定；而揚(yáng)聲器3輸出的單頻聲信號也存在幅值逐漸增強(qiáng)至某一值后再保持穩(wěn)定的過程。這種信號強(qiáng)度漸變的過程，給同步點(diǎn)的選取帶來了不確定性。當(dāng)信號發(fā)生器1關(guān)閉時(shí)，發(fā)光二極管2幾乎瞬間熄滅，而揚(yáng)聲器3輸出的單頻聲信號也幾乎瞬間消失，這一瞬時(shí)的過程更適合作為同步點(diǎn)。此外，在電路不存在任何防脈沖措施的情況下，關(guān)閉信號發(fā)生器1的瞬間會產(chǎn)生一個(gè)超壓脈沖，在該脈沖的作用下，發(fā)光二極管2的亮度會瞬間增大；揚(yáng)聲器3輸出的聲信號上也會出現(xiàn)一個(gè)寬度極窄的瞬時(shí)聲壓脈沖(出現(xiàn)明顯峰值的聲信號)，這兩個(gè)現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間都極短，且具有明確的對應(yīng)關(guān)系，是理想的聲、視頻同步標(biāo)記點(diǎn)。

參見圖1和圖2，一種采用上述適用于氣泡聲學(xué)研究的音頻、視頻信號同步裝置進(jìn)行音頻、視頻信號同步的方法，該方法為：

在攝像機(jī)5和水聽器6工作期間的任意時(shí)刻，開啟信號發(fā)生器1，攝像機(jī)5捕捉發(fā)光二極管2發(fā)亮的畫面，同時(shí)水聽器6記錄的聲信號上會出現(xiàn)揚(yáng)聲器3發(fā)出的頻率為f的單頻聲信號，將發(fā)光二極管2發(fā)亮?xí)r的視頻時(shí)間與聲信號上開始出現(xiàn)頻率為f的單頻聲信號的時(shí)間作為聲頻和視頻的同步時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)聲、視頻信號的時(shí)域同步；或

開啟信號發(fā)生器1，在攝像機(jī)5和水聽器6工作期間的任意時(shí)刻，關(guān)閉信號發(fā)生器1，攝像機(jī)5捕捉發(fā)光二極管2熄滅的畫面，同時(shí)水聽器6記錄頻率為f的單頻聲信號消失的聲信號，將發(fā)光二極管2熄滅時(shí)的視頻時(shí)間與頻率為f的單頻聲信號消失時(shí)的聲信號的時(shí)間作為聲頻和視頻的同步時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)聲、視頻信號的時(shí)域同步；或

開啟信號發(fā)生器1，在攝像機(jī)5和水聽器6工作期間的任意時(shí)刻，關(guān)閉信號發(fā)生器1，攝像機(jī)5捕捉發(fā)光二極管2瞬間變亮的畫面，同時(shí)水聽器6記錄出現(xiàn)明顯峰值的聲信號，將發(fā)光二極管2瞬間變亮?xí)r的視頻時(shí)間與出現(xiàn)明顯峰值的聲信號的時(shí)間作為聲頻和視頻的同步時(shí)間點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)聲、視頻信號的時(shí)域同步。

本方法不要求所采用的設(shè)備具備觸發(fā)功能，而是采用一套聲、光發(fā)生裝置發(fā)出有明確時(shí)間對應(yīng)關(guān)系的聲、光信號，對聲、視頻信號進(jìn)行標(biāo)記，通過對齊聲頻和視頻中標(biāo)記的同步點(diǎn)實(shí)現(xiàn)聲、視頻同步。所述的同步點(diǎn)可以是標(biāo)記信號的發(fā)生點(diǎn)、消失點(diǎn)，或其他有明確聲、光對應(yīng)現(xiàn)象的時(shí)刻。

參見圖2，所選的同步點(diǎn)為信號發(fā)生器1的開啟時(shí)間。而根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)可知，選擇信號發(fā)生器1的關(guān)閉時(shí)間，或關(guān)閉前超壓脈沖出現(xiàn)的時(shí)間作為同步點(diǎn)，可以獲得誤差低于2ms的同步精度。

采用錘擊試驗(yàn)對該同步方法的精度進(jìn)行驗(yàn)證，具體步驟如下：

(1)開啟攝像機(jī)5和水聽器6，攝像機(jī)5采樣頻率為500hz，水聽器6采樣頻率為10240hz；

(2)在攝像機(jī)5拍攝區(qū)域內(nèi)，用錘子敲擊金屬管三次；

(3)開啟信號發(fā)生器1，輸出頻率為2000hz的正弦電壓信號，激發(fā)發(fā)光二極管2與揚(yáng)聲器3；

(4)關(guān)閉信號發(fā)生器1，發(fā)光二極管2與揚(yáng)聲器3停止工作。

試驗(yàn)結(jié)果見圖3、4和表1。由圖3可知，水聽器6很好地捕捉到了三次錘擊時(shí)刻的聲壓峰值，以及揚(yáng)聲器3發(fā)出的2000hz聲信號。當(dāng)信號發(fā)生器1關(guān)閉時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的高電壓，在聲壓信號上可以觀測到一個(gè)很明顯的峰值，而在圖像上則可以看到發(fā)光二極管2的亮度瞬間變得十分明亮，這一瞬時(shí)的確定性現(xiàn)象可以作為同步點(diǎn)。以該點(diǎn)作為視頻與聲信號的時(shí)間0點(diǎn)，得到三次錘擊的時(shí)刻如表1所示。由于視頻的采樣頻率是500hz，而聲信號的采樣頻率是10240hz，因此兩者的最小時(shí)間間隔不同，分別為2ms和0.098ms。從表中數(shù)據(jù)可以看出，從同步點(diǎn)推算的視頻時(shí)間和聲信號時(shí)間幾乎是完全對應(yīng)的，誤差小于0.2ms。實(shí)際上，如果采用更高的視頻采樣頻率，這一誤差值有可能更小。

表1同步測試結(jié)果

應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。