适用于气泡声学研究的音频、视频信号同步装置及方法

摘要

本发明公开了一种适用于气泡声学研究的音频、视频信号同步装置，其包括信号发生器、发光二极管、扬声器，所述信号发生器的输出端与三通接头连接，所述三通接头与发光二极管、扬声器连接；所述发光二极管置于摄像机的摄像范围内，所述扬声器置于水听器旁。本发明还提供一种适用于气泡声学研究的音频、视频信号同步方法。本发明能在声频、视频采集设备不具备触发功能时，仍能实现声、视频信号的高精度同步测试。

说明书

技术领域

本发明属于水声试验测试领域，具体涉及一种适用于气泡声学研究的音频、视频信号同步装置及方法。

背景技术

水声试验测试是气泡声学的主要研究手段。由于气泡的声特性与气泡的形状、尺寸和运动状态等密切相关，因此，在试验中需要对气泡的视频和声频进行同步记录。通常，对气泡形态的记录采用高速摄像机拍摄，而对气泡噪声的记录采用水听器采集，如何将不同设备采集的信号精确地同步起来是影响分析结果的关键问题。

目前，解决声、视频同步问题最常用的办法是：采用具有触发功能的摄像机和信号采集卡。在测试开始的时刻，通过一路脉冲信号同时触发摄像机和水听器工作，使声、视频信号在同一时刻被激发，从而实现同步记录。这种方法尽管有效，但存在两个主要问题：一是要求所用的设备全部具备触发功能，这就使得设备的选用受到一定限制，试验投入增加；二是存在校对上的困难，任何设备在受到触发激励后都存在一定的反应延迟，而延迟量的大小便决定了同步精度的高低；专业仪器的校对具有较高的技术要求，一般试验人员难以胜任。

因此，我们迫切需要一种能解决摄像机和水听器同步的装置，能够以较低的投入采集到高精度的音频、视频同步信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于气泡声学研究的音频、视频信号同步装置及方法，该装置和方法能确保摄像机和水听器同步记录，从而确保水声试验测试的准确性。

本发明所采用的技术方案是：

一种适用于气泡声学研究的音频、视频信号同步装置，其包括信号发生器、发光二极管、扬声器，所述信号发生器的输出端与三通接头连接，所述三通接头与发光二极管、扬声器连接；所述发光二极管置于摄像机的摄像范围内，所述扬声器置于水听器旁。

按上述方案，发光二极管和扬声器通过三通接头连接在信号发生器的同一输出端上。

当信号发生器开启时，信号发生器的输出端会输出频率为F的单频正弦电压信号，该信号通过三通接头同时加载于发光二极管和扬声器上。当信号发生器开启时，发光二极管发出亮光，同时扬声器发出频率为F的单频声信号；当信号发生器关闭时，发光二极管熄灭，同时扬声器停止工作，频率为F的单频声信号消失。发光二极管光出现的时刻与频率为F的单频声信号出现的时刻有明确对应关系，发光二极管光消失的时刻与频率为F的单频声信号消失的时刻也有明确对应关系，此类时刻均可以作为声、视频的标记点。

本发明为非触发式音频、视频信号同步装置，即采用信号发生器作为信号源，激发发光二极管和扬声器产生一组具有明确对应关系的声、视频信号，用这组信号对试验信号进行标记，将标记信号出现(或消失)的时刻作为试验声、视频信号的时间同步点，从而实现不同信号间的同步。本发明不要求采集设备具有触发功能，而且同步精度仅取决于发光二极管和扬声器的响应特性，易于校对。

本发明还提供一种采用上述适用于气泡声学研究的音频、视频信号同步装置进行音频、视频信号同步的方法，该方法为：

在摄像机和水听器工作期间的任意时刻，开启信号发生器，摄像机捕捉发光二极管发亮的画面，同时水听器记录的声信号上会出现扬声器发出的频率为F的单频声信号，将发光二极管发亮时的视频时间与声信号上开始出现频率为F的单频声信号的时间作为声频和视频的同步时间点，实现声、视频信号的时域同步；或

开启信号发生器，在摄像机和水听器工作期间的任意时刻，关闭信号发生器，摄像机捕捉发光二极管熄灭的画面，同时水听器记录频率为F的单频声信号消失的声信号，将发光二极管熄灭时的视频时间与频率为F的单频声信号消失时的声信号的时间作为声频和视频的同步时间点，实现声、视频信号的时域同步；或

开启信号发生器，在摄像机和水听器工作期间的任意时刻，关闭信号发生器，摄像机捕捉发光二极管瞬间变亮的画面，同时水听器记录出现明显峰值的声信号，将发光二极管瞬间变亮时的视频时间与出现明显峰值的声信号的时间作为声频和视频的同步时间点，实现声、视频信号的时域同步。

本发明的有益效果在于：

本发明能在声频、视频采集设备不具备触发功能时，仍能实现声、视频信号的同步测试，需要的额外试验投入少；

本发明不要求声频、视频采集设备具有触发功能，拓宽了试验设备的选用范围；原理简单可靠，易于实现，便于对已有的非同步测试系统进行改造；

本发明的同步精度仅取决于声、光发生装置的响应特性，易于测量校对，通过合理选择同步点，可以达到误差小于2ms的同步精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为采用标记信号同步试验信号的原理图；

图3为同步精度锤击测试的声测试结果；

图4为锤击测试中发光二极管的开闭状态示意(a为非工作状态，b为同步点状态)；

其中：1、信号发生器，1.1、输出端，2、发光二极管，3、扬声器，4、三通接头，5、摄像机，6、水听器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，一种适用于气泡声学研究的音频、视频信号同步装置，其包括信号发生器1、发光二极管2、扬声器3，信号发生器1的一个输出端1.1与三通接头4连接，三通接头4与发光二极管2、扬声器3连接；发光二极管2置于摄像机5的摄像范围内，扬声器3置于水听器6旁。

当信号发生器1开启时，信号发生器1的输出端1.1会输出频率为F的单频正弦电压信号，该信号通过三通接头4同时加载于发光二极管2和扬声器3上。当信号发生器1开启时，发光二极管2发出亮光，同时扬声器3发出频率为F的单频声信号；当信号发生器1关闭时，发光二极管2熄灭，同时扬声器3停止工作，频率为F的单频声信号消失。发光二极管光出现的时刻与频率为F的单频声信号出现的时刻有明确对应关系，发光二极管光消失的时刻与频率为F的单频声信号消失的时刻也有明确对应关系，此类时刻均可以作为声、视频的标记点。

经过研究发现，通过实际测试可知(见图3)，当信号发生器1开启时，发光二极管2的亮度会逐渐增强，达到一定程度后才保持稳定；而扬声器3输出的单频声信号也存在幅值逐渐增强至某一值后再保持稳定的过程。这种信号强度渐变的过程，给同步点的选取带来了不确定性。当信号发生器1关闭时，发光二极管2几乎瞬间熄灭，而扬声器3输出的单频声信号也几乎瞬间消失，这一瞬时的过程更适合作为同步点。此外，在电路不存在任何防脉冲措施的情况下，关闭信号发生器1的瞬间会产生一个超压脉冲，在该脉冲的作用下，发光二极管2的亮度会瞬间增大；扬声器3输出的声信号上也会出现一个宽度极窄的瞬时声压脉冲(出现明显峰值的声信号)，这两个现象的持续时间都极短，且具有明确的对应关系，是理想的声、视频同步标记点。

参见图1和图2，一种采用上述适用于气泡声学研究的音频、视频信号同步装置进行音频、视频信号同步的方法，该方法为：

在摄像机5和水听器6工作期间的任意时刻，开启信号发生器1，摄像机5捕捉发光二极管2发亮的画面，同时水听器6记录的声信号上会出现扬声器3发出的频率为F的单频声信号，将发光二极管2发亮时的视频时间与声信号上开始出现频率为F的单频声信号的时间作为声频和视频的同步时间点，实现声、视频信号的时域同步；或

开启信号发生器1，在摄像机5和水听器6工作期间的任意时刻，关闭信号发生器1，摄像机5捕捉发光二极管2熄灭的画面，同时水听器6记录频率为F的单频声信号消失的声信号，将发光二极管2熄灭时的视频时间与频率为F的单频声信号消失时的声信号的时间作为声频和视频的同步时间点，实现声、视频信号的时域同步；或

开启信号发生器1，在摄像机5和水听器6工作期间的任意时刻，关闭信号发生器1，摄像机5捕捉发光二极管2瞬间变亮的画面，同时水听器6记录出现明显峰值的声信号，将发光二极管2瞬间变亮时的视频时间与出现明显峰值的声信号的时间作为声频和视频的同步时间点，实现声、视频信号的时域同步。

本方法不要求所采用的设备具备触发功能，而是采用一套声、光发生装置发出有明确时间对应关系的声、光信号，对声、视频信号进行标记，通过对齐声频和视频中标记的同步点实现声、视频同步。所述的同步点可以是标记信号的发生点、消失点，或其他有明确声、光对应现象的时刻。

参见图2，所选的同步点为信号发生器1的开启时间。而根据实测数据可知，选择信号发生器1的关闭时间，或关闭前超压脉冲出现的时间作为同步点，可以获得误差低于2ms的同步精度。

采用锤击试验对该同步方法的精度进行验证，具体步骤如下：

(1)开启摄像机5和水听器6，摄像机5采样频率为500Hz，水听器6采样频率为10240Hz；

(2)在摄像机5拍摄区域内，用锤子敲击金属管三次；

(3)开启信号发生器1，输出频率为2000Hz的正弦电压信号，激发发光二极管2与扬声器3；

(4)关闭信号发生器1，发光二极管2与扬声器3停止工作。

试验结果见图3、4和表1。由图3可知，水听器6很好地捕捉到了三次锤击时刻的声压峰值，以及扬声器3发出的2000Hz声信号。当信号发生器1关闭时，会产生一个瞬时的高电压，在声压信号上可以观测到一个很明显的峰值，而在图像上则可以看到发光二极管2的亮度瞬间变得十分明亮，这一瞬时的确定性现象可以作为同步点。以该点作为视频与声信号的时间0点，得到三次锤击的时刻如表1所示。由于视频的采样频率是500Hz，而声信号的采样频率是10240Hz，因此两者的最小时间间隔不同，分别为2ms和0.098ms。从表中数据可以看出，从同步点推算的视频时间和声信号时间几乎是完全对应的，误差小于0.2ms。实际上，如果采用更高的视频采样频率，这一误差值有可能更小。

表1同步测试结果

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。