2024年6月12日发(作者：茅凌青)
科技创新与应用ｌ ２０１３年第２８期 应用科技
基于声波的空间定位系统
马德魁 刘骁
（大连理工大学，辽宁大连１１６０２３）
摘要：这是一种进行声源定位的装置，利用波的特性，可以推知物体的空间位置。根据波的传播特性，来确定未知对象的空间位
置的思想在地震研究、无损检测和全球定位系统等方面都有重要应用。
关键词：声音；定位；系统
１方案论证与比较
２．１声响模块分析计算
１．１声响模块方案选择 声响模块主要由两节５号电池３Ｖ供电，由单片机产生ＰＷＭ
送至起开关作用的三极管推动扬声器进行发声．Ｐ２．１产生ＰＷＭ
在制作过程中，发现动圈式扬声器输出的声音频率并不是完全
波，
由控制其通断的方波信号频率决定。经分析这是因为扬声器有谐振
波送进由三极管组成的驱动电路＿由欧姆定律估算扬声器的电流．由
腔，其固有频率一般为２－３Ｋｈｚ，由于方波存在和其固有频率相同的
于要求发声模块总体功率不得大于２００ｍＷ，所以我们给扬声器串
信号成分，这个频率的信号就会由于谐振而放大，故由５００ｈｚ方波 接了２２ｎ的电阻，由于４３０单片机的功耗很小可以忽略不计，这样
控制扬声器发出的声音，其实有很强的非５００ｈｚ噪音信号。为了解 发声模块总体的功率一定可以小于２００ｍＷ。同时还有４个按键，其
决这个问题，有两种方案可供选择。
中一个用来控制复位，另外三个用来控制３种不同的发声模式。
２．２声音接收放大器分析计算
１．２用正弦信号来控制扬声器发出声音
优点：发出的声音为准确的５００ｈｚ
本模块由驻极体话筒和两级运算放大器组成，运算放大器选用
缺点：方案实施较为复杂。要搭建一个文氏桥电路来产生正弦
０ＰＡ２２２７，模块用￣５Ｖ供电，可以将驻极体话筒的毫伏级电压信号
信号。此外，由于电源小于３Ｖ故必须升压或者产生负电源来给运算
放大到伏级。
放大器供电，又由于题目要求功耗要小于２００ｍｗ，要搭建如此的电 如图ＬＳ１驻极体话筒经４．７Ｋ的电阻Ｒ５上拉偏置，产生的电压
路势必要降低扬声器的功耗从而导致声音信号强度的降低，为后续
信号经Ｃ１滤波送入第一级运算放大器，输出后再经ｌｕＦ的电容滤
的信号处理带来困难。
１．３安装谐振腔来使得声源的谐振频率在５００Ｈｚ左右
凸 凸 凸 凸
通过在扬声器发生处安装一个谐振腔来人为的改变其固有频
率来改善声源的质量。
优点：实施简易，并且在同样大的功耗会大大增大声源的振动
强度，从而为后续的信号处理带来便利。
缺点：无法使得谐振频率准备的为５００ｈｚ。
经过分析比较，权衡利弊采用第二种方案。
１．４音频接收和信号调理模块的论证与选择
通过４个排布成规则长方形的ＭＩＣ并进行前置放大，经带通
滤波器滤除干扰之后送到回滞比较器进行方波整形，再经稳压管稳
一
压后输送给单片机进行采样处理。
１．５控制系统的论证与选择
方案一：使用普通单片机对信号的边沿进行采样定时，可以测
：
出频率等等信息，但是普通单片机的引脚中断不及时，内部资源也
不是很丰富，甚至不带浮点数运算功能。
方案二：使用ＦＰＧＡ进行边沿的判断和运算，速度快，精度高，
缺点是难度大，成本高。
ｍ
方案三：使用ＴＩ公司的ｌａｕｎｃｈ ｐａｄ开发板，主控芯片为ｍｓｐ４３０
图２滞回比较器原理图
Ｇ２５５３，它有丰富的内部资源，性价比高，还有５路捕捉定时器，浮点
数运算等功能。
综合考虑采用方案三。
２声音定位系统方案
本系统主要由声响发生模块、音频接收模块、信号调理模块、主
控模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的理论分析计算
及电路与程序设计。
凸 凸
凸 凸
Ｌ＿］ｒ＿Ｊ
垂
图１运算放大器电路原理图
—．
图３ ＭＳＰ４３０单片机控制主板设计
２９２—．
应用科技 ２０１３年第２８期ｌ科技创新与应用
野生东北虎标本制作及新技术的应用
侯明纯
（黑龙江省博物馆，黑龙江哈尔滨１５００００）
摘要：我国动植物资源丰富，野生东北虎是我国特有物种，我们应该珍惜和爱护。文章就阐述一下关于野生东北虎标本制作相
关技术的应用。
关键词：野生东北虎；标本制作；技术
，
２０１０年２月２５日７时，在黑龙江省东方红林业局管区内发现
１－３制作假体
只野生东北幼虎，发现时该虎被卡在一处民宅的柴垛缝隙中，被
传统的标本假体，一般是利用干草以及脱脂棉等物品进行绑合
解救后于２月２８日９时死亡。黑龙江省博物馆获悉情况后立即向
填充，虽然制作快速，但是制作成的标本易变形、线条不明显。为了
上级领导申请，经国家林业局审核批准，由东方红林业局无偿捐赠 展现东北虎生前的王者风范，此次采用翻模工艺制作假体。将剥皮
给黑龙江省博物馆。
之后尚未剔除肌肉的躯体，包括头部整体翻模。这样就可以完美的
东北虎属国家一级保护野生动物，是世界濒危珍稀物种之一。 解决制作骨骼标本缺少头骨和四肢骨的问题。整套假体采用玻璃钢
随着人类生产、生活活动的增加，东北虎等野生动物栖息环境不断
制作，假体的各部分肌肉都能够按照真实比例呈现出来，牙用树脂
受到破坏，导致东北虎栖息地的破碎化，栖息面积不断减少，从而使
胶翻模制成，装于上、下颌骨上，牙齿上的磨痕也可很好的展现出
野生东北虎种群走向濒临灭绝的境地。
来，十分逼真。
此次野生东北虎标本的制作对于丰富馆藏和进行野生动物保
１．４缝合整理
护科研具有重要价值和作用，也能更加生动鲜明地展示出黑龙江这 将经过熟化防腐处理过的虎皮套在假体之上，调整好各关节位
片广袤地域的特色自然资源。
置之后，开始缝合，缝合采用内进外出的方法，这种方法的好处就是
本次东ｊＥ虎标本计划制作剥制标本一件，骨骼标本一件。由于
可以利用动物的毛发遮盖刀口和线头。
传统的哺乳动物标本的制作方法，一个动物只能做一个剥制标本，骨
这只幼虎是由于误闯农户家，加塞在柴草垛子的缝隙中致死，
骼标本因缺少颅骨、四肢骨，不能制作完整的骨架标本，若制作骨架 在柴草垛子缝隙中挣扎过程中，腿部和腹部不同程度的刮伤，以致
标本则不能做剥制标本，这样对珍贵动物势必造成资源浪费。我们
表皮毛发脱落，为了不影响标本制作出来的效果，利用与幼虎毛发
对传统的制作技术作了一些改进，成功地将东北虎幼虎制成了剥制 韧度、颜色相似的人工毛发进行填补粘贴，粘贴完成之后进行修剪、
和骨架两个标本。现将方法介绍如下。
梳理纹路。
１剥制标本制作及新技术应用
２骨骼标本的制作
１．１剥制 ２．１骨骼的清洁、消毒、脱脂及漂白
东北虎尸体的剥制采用传统的剥制方法，自腹部中线处顺下势 将骨骼从肌肉中剔出，然后至于清水中，通过自然腐烂将骨骼
开口，绕过肛门，至尾末端，然后四肢沿内侧开口，从后向前将皮肉 上残余的肌肉、筋腱、软组织去除掉。骨骼清洁之后经酒精、汽油轮
分离，剥至头部后在口唇部切断，至此皮张全部剥离。剥离头部时需
流浸泡脱脂后浸人５％过氧化氢溶液中漂白，取出后冲洗洁净。
要注意耳道、眼睛的处理，以防割破影响标本的外观。 ２．２骨架穿制
１．２皮张处理
首先将松动的上、下颌牙粘牢，将下颌骨与颅底相连，取一段钢
将剥离的虎皮去除碎肉、脂肪，去污后浸入幽兰混合液中。幽兰 筋，长度约为颅腔至尾骨前５ｅｒａ的距离，以脊柱的自然生理弯曲将
是一种液体防腐剂，国外广泛应用于纺织业的防蛀剂。幽兰可使毛
其成型。通过椎孔将椎骨按寰椎、颈椎、胸椎、腰椎、荐椎的顺序套在
发中的蛋白质发生化学转变，这种转变使得昆虫无法再将毛发当成
钢筋上，各椎骨之间用乳胶粘合，钢筋前端插入枕骨大孔，尾椎用铁
食物，也无法对其进行消化。经幽兰处理过的皮革抗腐蚀性高，保存 丝串连，把铁丝前端固定在骶管处的钢筋尾端，用细铁丝将每根肋
周期长久，与传统防腐剂砒霜相比较，幽兰更加的快捷有效，更加的
骨后端连接在椎骨上。将四肢骨间用铁丝穿连固定，用细铁丝穿制
环保，对人体的健康也没有任何影响。幽兰技术早在几年前国外已
四足，并连于四肢长骨下端，肱骨上端和股骨上端分别与肩胛骨和
经开始广泛使用，这项新技术的应用在黑龙江也是开创了先河。 髋骨相连，按正常位置将肩胛骨连于胸廓。最后在腰椎下方安置亚
传统的标本制作方法是对皮张只进行防腐处理，然后直接应用
克力透明支架，使整个骨骼标本更加稳固。
在假体上进行缝合。这次我们将皮张防腐处理之后，还利用鞣制剂
经改进的方法可将一个动物同时制成外形和骨架两个标本，对
和毛皮油对皮张进行鞣制，让生皮变为熟皮，鞣制好的皮张不但异 于珍贵的东北虎来说利用效果得到了很高的提升。
常柔软，光彩鲜艳，而且毛发的韧性也有了很大的改变，更加利于标
本制作。之所以采用全新的熟皮制作技术，是因为北方秋冬气候寒
一
冷干燥，传统的生皮制作技术很容易让标本在这种环境下身体表面
失水开裂，影响美观。熟皮之后不但能够最大限度的避免这种情况
的发生，而且制作出的标本更加的栩栩如生，还原自然形态。
波送至第二级放大器输出，理论最大电压增益，足可以把几十毫伏
的电压信号放大到伏级。
２．３数据处理原理分析、计算
声音数据处理模块主要由单片机，ＬＭ３３９电压比较器组成的迟
滞比较器，０ＰＡ２２２７和ＮＥ５５３２运算放大器组成的带通有源滤波
器。３．３Ｖ稳压电源按键及显示器件组成．主要负责捕捉从处理模块
且话筒比较灵敏而且运算放大器放大倍数很大，杂音对信号的干扰
很大所以我们加了二阶有源带通滤波器，滤除５５０Ｈｚ以外的高次谐
波及高次杂波，经过滤波器之后输入滞回比较器滞回门限可以进一
步阻止由噪声或者杂音造成的误触发，从而提高定位的准确度。
根据以上方案设计出原理图，做ＰＣＢ板，实践证明可以利用波
的特性，推知物体的空间位置。
出来的触发信号，并计算到达的时间差，通过时间差作为输入信息
作者简介：马德魁（１９９１，４一），男，民族：汉，籍贯：河南省新乡
通过算法计算出声源的位置。
市，大连理工大学本科在读。
其中，电压迟滞比较器的门限宽度为：Ｒ１（ｖｏｈ—ＶｏＩ）／（Ｒｆ＋Ｒ１ ，此
处，Ｒｆ＝５１ｋ，Ｒ２＝４．７ｋ，Ｖｏｈ＝６ｖ，Ｖｏｌ＝一６ｖ，故门限宽度为：１．Ｏ１Ｖ。
经上级两级运算放大器放大的信号峰值能够达到接近１０Ｖ，而
——
２９３ ．
2024年6月12日发(作者：茅凌青)
科技创新与应用ｌ ２０１３年第２８期 应用科技
基于声波的空间定位系统
马德魁 刘骁
（大连理工大学，辽宁大连１１６０２３）
摘要：这是一种进行声源定位的装置，利用波的特性，可以推知物体的空间位置。根据波的传播特性，来确定未知对象的空间位
置的思想在地震研究、无损检测和全球定位系统等方面都有重要应用。
关键词：声音；定位；系统
１方案论证与比较
２．１声响模块分析计算
１．１声响模块方案选择 声响模块主要由两节５号电池３Ｖ供电，由单片机产生ＰＷＭ
送至起开关作用的三极管推动扬声器进行发声．Ｐ２．１产生ＰＷＭ
在制作过程中，发现动圈式扬声器输出的声音频率并不是完全
波，
由控制其通断的方波信号频率决定。经分析这是因为扬声器有谐振
波送进由三极管组成的驱动电路＿由欧姆定律估算扬声器的电流．由
腔，其固有频率一般为２－３Ｋｈｚ，由于方波存在和其固有频率相同的
于要求发声模块总体功率不得大于２００ｍＷ，所以我们给扬声器串
信号成分，这个频率的信号就会由于谐振而放大，故由５００ｈｚ方波 接了２２ｎ的电阻，由于４３０单片机的功耗很小可以忽略不计，这样
控制扬声器发出的声音，其实有很强的非５００ｈｚ噪音信号。为了解 发声模块总体的功率一定可以小于２００ｍＷ。同时还有４个按键，其
决这个问题，有两种方案可供选择。
中一个用来控制复位，另外三个用来控制３种不同的发声模式。
２．２声音接收放大器分析计算
１．２用正弦信号来控制扬声器发出声音
优点：发出的声音为准确的５００ｈｚ
本模块由驻极体话筒和两级运算放大器组成，运算放大器选用
缺点：方案实施较为复杂。要搭建一个文氏桥电路来产生正弦
０ＰＡ２２２７，模块用￣５Ｖ供电，可以将驻极体话筒的毫伏级电压信号
信号。此外，由于电源小于３Ｖ故必须升压或者产生负电源来给运算
放大到伏级。
放大器供电，又由于题目要求功耗要小于２００ｍｗ，要搭建如此的电 如图ＬＳ１驻极体话筒经４．７Ｋ的电阻Ｒ５上拉偏置，产生的电压
路势必要降低扬声器的功耗从而导致声音信号强度的降低，为后续
信号经Ｃ１滤波送入第一级运算放大器，输出后再经ｌｕＦ的电容滤
的信号处理带来困难。
１．３安装谐振腔来使得声源的谐振频率在５００Ｈｚ左右
凸 凸 凸 凸
通过在扬声器发生处安装一个谐振腔来人为的改变其固有频
率来改善声源的质量。
优点：实施简易，并且在同样大的功耗会大大增大声源的振动
强度，从而为后续的信号处理带来便利。
缺点：无法使得谐振频率准备的为５００ｈｚ。
经过分析比较，权衡利弊采用第二种方案。
１．４音频接收和信号调理模块的论证与选择
通过４个排布成规则长方形的ＭＩＣ并进行前置放大，经带通
滤波器滤除干扰之后送到回滞比较器进行方波整形，再经稳压管稳
一
压后输送给单片机进行采样处理。
１．５控制系统的论证与选择
方案一：使用普通单片机对信号的边沿进行采样定时，可以测
：
出频率等等信息，但是普通单片机的引脚中断不及时，内部资源也
不是很丰富，甚至不带浮点数运算功能。
方案二：使用ＦＰＧＡ进行边沿的判断和运算，速度快，精度高，
缺点是难度大，成本高。
ｍ
方案三：使用ＴＩ公司的ｌａｕｎｃｈ ｐａｄ开发板，主控芯片为ｍｓｐ４３０
图２滞回比较器原理图
Ｇ２５５３，它有丰富的内部资源，性价比高，还有５路捕捉定时器，浮点
数运算等功能。
综合考虑采用方案三。
２声音定位系统方案
本系统主要由声响发生模块、音频接收模块、信号调理模块、主
控模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的理论分析计算
及电路与程序设计。
凸 凸
凸 凸
Ｌ＿］ｒ＿Ｊ
垂
图１运算放大器电路原理图
—．
图３ ＭＳＰ４３０单片机控制主板设计
２９２—．
应用科技 ２０１３年第２８期ｌ科技创新与应用
野生东北虎标本制作及新技术的应用
侯明纯
（黑龙江省博物馆，黑龙江哈尔滨１５００００）
摘要：我国动植物资源丰富，野生东北虎是我国特有物种，我们应该珍惜和爱护。文章就阐述一下关于野生东北虎标本制作相
关技术的应用。
关键词：野生东北虎；标本制作；技术
，
２０１０年２月２５日７时，在黑龙江省东方红林业局管区内发现
１－３制作假体
只野生东北幼虎，发现时该虎被卡在一处民宅的柴垛缝隙中，被
传统的标本假体，一般是利用干草以及脱脂棉等物品进行绑合
解救后于２月２８日９时死亡。黑龙江省博物馆获悉情况后立即向
填充，虽然制作快速，但是制作成的标本易变形、线条不明显。为了
上级领导申请，经国家林业局审核批准，由东方红林业局无偿捐赠 展现东北虎生前的王者风范，此次采用翻模工艺制作假体。将剥皮
给黑龙江省博物馆。
之后尚未剔除肌肉的躯体，包括头部整体翻模。这样就可以完美的
东北虎属国家一级保护野生动物，是世界濒危珍稀物种之一。 解决制作骨骼标本缺少头骨和四肢骨的问题。整套假体采用玻璃钢
随着人类生产、生活活动的增加，东北虎等野生动物栖息环境不断
制作，假体的各部分肌肉都能够按照真实比例呈现出来，牙用树脂
受到破坏，导致东北虎栖息地的破碎化，栖息面积不断减少，从而使
胶翻模制成，装于上、下颌骨上，牙齿上的磨痕也可很好的展现出
野生东北虎种群走向濒临灭绝的境地。
来，十分逼真。
此次野生东北虎标本的制作对于丰富馆藏和进行野生动物保
１．４缝合整理
护科研具有重要价值和作用，也能更加生动鲜明地展示出黑龙江这 将经过熟化防腐处理过的虎皮套在假体之上，调整好各关节位
片广袤地域的特色自然资源。
置之后，开始缝合，缝合采用内进外出的方法，这种方法的好处就是
本次东ｊＥ虎标本计划制作剥制标本一件，骨骼标本一件。由于
可以利用动物的毛发遮盖刀口和线头。
传统的哺乳动物标本的制作方法，一个动物只能做一个剥制标本，骨
这只幼虎是由于误闯农户家，加塞在柴草垛子的缝隙中致死，
骼标本因缺少颅骨、四肢骨，不能制作完整的骨架标本，若制作骨架 在柴草垛子缝隙中挣扎过程中，腿部和腹部不同程度的刮伤，以致
标本则不能做剥制标本，这样对珍贵动物势必造成资源浪费。我们
表皮毛发脱落，为了不影响标本制作出来的效果，利用与幼虎毛发
对传统的制作技术作了一些改进，成功地将东北虎幼虎制成了剥制 韧度、颜色相似的人工毛发进行填补粘贴，粘贴完成之后进行修剪、
和骨架两个标本。现将方法介绍如下。
梳理纹路。
１剥制标本制作及新技术应用
２骨骼标本的制作
１．１剥制 ２．１骨骼的清洁、消毒、脱脂及漂白
东北虎尸体的剥制采用传统的剥制方法，自腹部中线处顺下势 将骨骼从肌肉中剔出，然后至于清水中，通过自然腐烂将骨骼
开口，绕过肛门，至尾末端，然后四肢沿内侧开口，从后向前将皮肉 上残余的肌肉、筋腱、软组织去除掉。骨骼清洁之后经酒精、汽油轮
分离，剥至头部后在口唇部切断，至此皮张全部剥离。剥离头部时需
流浸泡脱脂后浸人５％过氧化氢溶液中漂白，取出后冲洗洁净。
要注意耳道、眼睛的处理，以防割破影响标本的外观。 ２．２骨架穿制
１．２皮张处理
首先将松动的上、下颌牙粘牢，将下颌骨与颅底相连，取一段钢
将剥离的虎皮去除碎肉、脂肪，去污后浸入幽兰混合液中。幽兰 筋，长度约为颅腔至尾骨前５ｅｒａ的距离，以脊柱的自然生理弯曲将
是一种液体防腐剂，国外广泛应用于纺织业的防蛀剂。幽兰可使毛
其成型。通过椎孔将椎骨按寰椎、颈椎、胸椎、腰椎、荐椎的顺序套在
发中的蛋白质发生化学转变，这种转变使得昆虫无法再将毛发当成
钢筋上，各椎骨之间用乳胶粘合，钢筋前端插入枕骨大孔，尾椎用铁
食物，也无法对其进行消化。经幽兰处理过的皮革抗腐蚀性高，保存 丝串连，把铁丝前端固定在骶管处的钢筋尾端，用细铁丝将每根肋
周期长久，与传统防腐剂砒霜相比较，幽兰更加的快捷有效，更加的
骨后端连接在椎骨上。将四肢骨间用铁丝穿连固定，用细铁丝穿制
环保，对人体的健康也没有任何影响。幽兰技术早在几年前国外已
四足，并连于四肢长骨下端，肱骨上端和股骨上端分别与肩胛骨和
经开始广泛使用，这项新技术的应用在黑龙江也是开创了先河。 髋骨相连，按正常位置将肩胛骨连于胸廓。最后在腰椎下方安置亚
传统的标本制作方法是对皮张只进行防腐处理，然后直接应用
克力透明支架，使整个骨骼标本更加稳固。
在假体上进行缝合。这次我们将皮张防腐处理之后，还利用鞣制剂
经改进的方法可将一个动物同时制成外形和骨架两个标本，对
和毛皮油对皮张进行鞣制，让生皮变为熟皮，鞣制好的皮张不但异 于珍贵的东北虎来说利用效果得到了很高的提升。
常柔软，光彩鲜艳，而且毛发的韧性也有了很大的改变，更加利于标
本制作。之所以采用全新的熟皮制作技术，是因为北方秋冬气候寒
一
冷干燥，传统的生皮制作技术很容易让标本在这种环境下身体表面
失水开裂，影响美观。熟皮之后不但能够最大限度的避免这种情况
的发生，而且制作出的标本更加的栩栩如生，还原自然形态。
波送至第二级放大器输出，理论最大电压增益，足可以把几十毫伏
的电压信号放大到伏级。
２．３数据处理原理分析、计算
声音数据处理模块主要由单片机，ＬＭ３３９电压比较器组成的迟
滞比较器，０ＰＡ２２２７和ＮＥ５５３２运算放大器组成的带通有源滤波
器。３．３Ｖ稳压电源按键及显示器件组成．主要负责捕捉从处理模块
且话筒比较灵敏而且运算放大器放大倍数很大，杂音对信号的干扰
很大所以我们加了二阶有源带通滤波器，滤除５５０Ｈｚ以外的高次谐
波及高次杂波，经过滤波器之后输入滞回比较器滞回门限可以进一
步阻止由噪声或者杂音造成的误触发，从而提高定位的准确度。
根据以上方案设计出原理图，做ＰＣＢ板，实践证明可以利用波
的特性，推知物体的空间位置。
出来的触发信号，并计算到达的时间差，通过时间差作为输入信息
作者简介：马德魁（１９９１，４一），男，民族：汉，籍贯：河南省新乡
通过算法计算出声源的位置。
市，大连理工大学本科在读。
其中，电压迟滞比较器的门限宽度为：Ｒ１（ｖｏｈ—ＶｏＩ）／（Ｒｆ＋Ｒ１ ，此
处，Ｒｆ＝５１ｋ，Ｒ２＝４．７ｋ，Ｖｏｈ＝６ｖ，Ｖｏｌ＝一６ｖ，故门限宽度为：１．Ｏ１Ｖ。
经上级两级运算放大器放大的信号峰值能够达到接近１０Ｖ，而
——
２９３ ．