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

背景技術：

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

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)功能的攝像機和信號采集卡。在測試開始的時刻，通過一路脈沖信號同時觸發(fā)攝像機和水聽器工作，使聲、視頻信號在同一時刻被激發(fā)，從而實現同步記錄。這種方法盡管有效，但存在兩個主要問題：一是要求所用的設備全部具備觸發(fā)功能，這就使得設備的選用受到一定限制，試驗投入增加；二是存在校對上的困難，任何設備在受到觸發(fā)激勵后都存在一定的反應延遲，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要求，一般試驗人員難以勝任。

因此，我們迫切需要一種能解決攝像機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。

技術實現要素：

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

本發(fā)明所采用的技術方案是：

一種適用于氣泡聲學研究的音頻、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、揚聲器連接；所述發(fā)光二極管置于攝像機的攝像范圍內，所述揚聲器置于水聽器旁。

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

當信號發(fā)生器開啟時，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加載于發(fā)光二極管和揚聲器上。當信號發(fā)生器開啟時，發(fā)光二極管發(fā)出亮光，同時揚聲器發(fā)出頻率為f的單頻聲信號；當信號發(fā)生器關閉時，發(fā)光二極管熄滅，同時揚聲器停止工作，頻率為f的單頻聲信號消失。發(fā)光二極管光出現的時刻與頻率為f的單頻聲信號出現的時刻有明確對應關系，發(fā)光二極管光消失的時刻與頻率為f的單頻聲信號消失的時刻也有明確對應關系，此類時刻均可以作為聲、視頻的標記點。

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)光二極管和揚聲器產生一組具有明確對應關系的聲、視頻信號，用這組信號對試驗信號進行標記，將標記信號出現(或消失)的時刻作為試驗聲、視頻信號的時間同步點，從而實現不同信號間的同步。本發(fā)明不要求采集設備具有觸發(fā)功能，而且同步精度僅取決于發(fā)光二極管和揚聲器的響應特性，易于校對。

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

在攝像機和水聽器工作期間的任意時刻，開啟信號發(fā)生器，攝像機捕捉發(fā)光二極管發(fā)亮的畫面，同時水聽器記錄的聲信號上會出現揚聲器發(fā)出的頻率為f的單頻聲信號，將發(fā)光二極管發(fā)亮時的視頻時間與聲信號上開始出現頻率為f的單頻聲信號的時間作為聲頻和視頻的同步時間點，實現聲、視頻信號的時域同步；或

開啟信號發(fā)生器，在攝像機和水聽器工作期間的任意時刻，關閉信號發(fā)生器，攝像機捕捉發(fā)光二極管熄滅的畫面，同時水聽器記錄頻率為f的單頻聲信號消失的聲信號，將發(fā)光二極管熄滅時的視頻時間與頻率為f的單頻聲信號消失時的聲信號的時間作為聲頻和視頻的同步時間點，實現聲、視頻信號的時域同步；或

開啟信號發(fā)生器，在攝像機和水聽器工作期間的任意時刻，關閉信號發(fā)生器，攝像機捕捉發(fā)光二極管瞬間變亮的畫面，同時水聽器記錄出現明顯峰值的聲信號，將發(fā)光二極管瞬間變亮時的視頻時間與出現明顯峰值的聲信號的時間作為聲頻和視頻的同步時間點，實現聲、視頻信號的時域同步。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明能在聲頻、視頻采集設備不具備觸發(fā)功能時，仍能實現聲、視頻信號的同步測試，需要的額外試驗投入少；

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

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

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中：

圖1為本發(fā)明實施例的結構示意圖；

圖2為采用標記信號同步試驗信號的原理圖；

圖3為同步精度錘擊測試的聲測試結果；

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、揚聲器，4、三通接頭，5、攝像機，6、水聽器。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實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、揚聲器3，信號發(fā)生器1的一個輸出端1.1與三通接頭4連接，三通接頭4與發(fā)光二極管2、揚聲器3連接；發(fā)光二極管2置于攝像機5的攝像范圍內，揚聲器3置于水聽器6旁。

當信號發(fā)生器1開啟時，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同時加載于發(fā)光二極管2和揚聲器3上。當信號發(fā)生器1開啟時，發(fā)光二極管2發(fā)出亮光，同時揚聲器3發(fā)出頻率為f的單頻聲信號；當信號發(fā)生器1關閉時，發(fā)光二極管2熄滅，同時揚聲器3停止工作，頻率為f的單頻聲信號消失。發(fā)光二極管光出現的時刻與頻率為f的單頻聲信號出現的時刻有明確對應關系，發(fā)光二極管光消失的時刻與頻率為f的單頻聲信號消失的時刻也有明確對應關系，此類時刻均可以作為聲、視頻的標記點。

經過研究發(fā)現，通過實際測試可知(見圖3)，當信號發(fā)生器1開啟時，發(fā)光二極管2的亮度會逐漸增強，達到一定程度后才保持穩(wěn)定；而揚聲器3輸出的單頻聲信號也存在幅值逐漸增強至某一值后再保持穩(wěn)定的過程。這種信號強度漸變的過程，給同步點的選取帶來了不確定性。當信號發(fā)生器1關閉時，發(fā)光二極管2幾乎瞬間熄滅，而揚聲器3輸出的單頻聲信號也幾乎瞬間消失，這一瞬時的過程更適合作為同步點。此外，在電路不存在任何防脈沖措施的情況下，關閉信號發(fā)生器1的瞬間會產生一個超壓脈沖，在該脈沖的作用下，發(fā)光二極管2的亮度會瞬間增大；揚聲器3輸出的聲信號上也會出現一個寬度極窄的瞬時聲壓脈沖(出現明顯峰值的聲信號)，這兩個現象的持續(xù)時間都極短，且具有明確的對應關系，是理想的聲、視頻同步標記點。

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

在攝像機5和水聽器6工作期間的任意時刻，開啟信號發(fā)生器1，攝像機5捕捉發(fā)光二極管2發(fā)亮的畫面，同時水聽器6記錄的聲信號上會出現揚聲器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)亮時的視頻時間與聲信號上開始出現頻率為f的單頻聲信號的時間作為聲頻和視頻的同步時間點，實現聲、視頻信號的時域同步；或

開啟信號發(fā)生器1，在攝像機5和水聽器6工作期間的任意時刻，關閉信號發(fā)生器1，攝像機5捕捉發(fā)光二極管2熄滅的畫面，同時水聽器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熄滅時的視頻時間與頻率為f的單頻聲信號消失時的聲信號的時間作為聲頻和視頻的同步時間點，實現聲、視頻信號的時域同步；或

開啟信號發(fā)生器1，在攝像機5和水聽器6工作期間的任意時刻，關閉信號發(fā)生器1，攝像機5捕捉發(fā)光二極管2瞬間變亮的畫面，同時水聽器6記錄出現明顯峰值的聲信號，將發(fā)光二極管2瞬間變亮時的視頻時間與出現明顯峰值的聲信號的時間作為聲頻和視頻的同步時間點，實現聲、視頻信號的時域同步。

本方法不要求所采用的設備具備觸發(fā)功能，而是采用一套聲、光發(fā)生裝置發(fā)出有明確時間對應關系的聲、光信號，對聲、視頻信號進行標記，通過對齊聲頻和視頻中標記的同步點實現聲、視頻同步。所述的同步點可以是標記信號的發(fā)生點、消失點，或其他有明確聲、光對應現象的時刻。

參見圖2，所選的同步點為信號發(fā)生器1的開啟時間。而根據實測數據可知，選擇信號發(fā)生器1的關閉時間，或關閉前超壓脈沖出現的時間作為同步點，可以獲得誤差低于2ms的同步精度。

采用錘擊試驗對該同步方法的精度進行驗證，具體步驟如下：

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

(2)在攝像機5拍攝區(qū)域內，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與揚聲器3；

(4)關閉信號發(fā)生器1，發(fā)光二極管2與揚聲器3停止工作。

試驗結果見圖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刻的聲壓峰值，以及揚聲器3發(fā)出的2000hz聲信號。當信號發(fā)生器1關閉時，會產生一個瞬時的高電壓，在聲壓信號上可以觀測到一個很明顯的峰值，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，這一瞬時的確定性現象可以作為同步點。以該點作為視頻與聲信號的時間0點，得到三次錘擊的時刻如表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，因此兩者的最小時間間隔不同，分別為2ms和0.098ms。從表中數據可以看出，從同步點推算的視頻時間和聲信號時間幾乎是完全對應的，誤差小于0.2ms。實際上，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同步測試結果

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。