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24年电赛G题_简易录音屏蔽系统

2.3k

简介：本设计利用了麦克风的非线性特性制作了一种阻塞式录音屏蔽系统，通过超声波噪声信号产生的拍频信号对声音信号进行干扰，使得录音设备无法录音。

开源协议

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CC BY-NC-SA 4.0

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创建时间：2024-08-04 04:07:55更新时间：2024-08-07 06:32:16

描述

一、团队介绍 本团队是来自广东交通职业技术学院，24年电赛省一。本次开源暂只开源硬件设计方案，具体软件源码暂不开源。  二、题目要求 设计并制作一个简易阻塞式录音屏蔽系统（简称“屏蔽系统”），包括：录音屏蔽信号发生器（简称“信号发生器”）和音频信号监测/识别模块，能够屏蔽（选择屏蔽）录音/回放装置和普通录音设备的窃录，且对正常音频交流无影响。 发声装置负责发出强度为人类正常谈话声压值（50dB/1m）的音频信号，发声时长不小于 10s，能重复播放。录音/回放装置可接收并录制/回放，100Hz~20kHz 频率范围的音频信号，内含满足录制≥ 10s 时长音频信号的存储空间。发声装置和录音/回放装置可使用手机。屏蔽系统工作原理框图如图 1 所示 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/ef5ed21df5d44383a03bc97c4f845a31.png" width="491" height="217" />  三、设计摘要 本设计利用了麦克风的非线性特性制作了一种阻塞式录音屏蔽系统，通过超声波噪声信号产生的拍频信号对声音信号进行干扰，使得录音设备无法录音。系统先由STM32F405微控制器产生白噪声信号，然后使用固定截止频率（25KHz）的高通滤波器和可设定截止频率的程控低通滤波器对白噪声进行滤波，产生特定频率范围的噪声信号，然后控制该噪声的幅度并放大功率，最后由超声波换能器矩阵发生到空中，麦克风接收到该超声波信号后，由于非线性特性产生而产生幅度很大、声音频率段的信号，从而使麦克风由于电压饱和而“阻塞”，从而干扰录音系统的正常工作。 四、题目分析 本题目由于采用的是使用超声波换能器，市面上有相当多的超声波换能器，其中常见的有超声波探头、超声波振子等，但是如何驱动他们运行起来尤为关键。常见的方案采用堆矩阵式超声波探头的方法并不能很好的解决距离和角度问题，但是是能够实现屏蔽效果，远近取决于数量的多少，但是这种方案过于浪费并且效果一般。（我在评审时看到一个队围了一个圆形，堆满了超声波，但是评测效果一般）。那么本次采用的为25KHz的专用屏蔽器超声波。下面队本题目进行较为详细的分析。 要求一分析：只要能满足屏蔽距离和屏蔽角度即可实现这一要求，其中距离主要看超声波发生的距离，角度看摆放的位置等。 要求二分析：这个最简单的采用咪头，经过放大再包络检波，在利用电压比较器。用IO口控制LED灯。这里特别注意最好使用MAX9814的AGC，音频AGC在这里有很大的优势，也便于做后面的要求。 要求三分析：主要是程控功率，要实现便携调整的方式，可以采用触摸屏来操作，可视化效果更好。 要求四分析：对不同音频段进行识别并自动屏蔽对应音频段。这里采用音频AGC就是最好的方式之一。通过采集后看FFT的数据，人声的频率较低，歌声的频率较高。 五、总体设计框图 MAX9148的作用时对麦克风获取的信号进行放大，指示声音有无。STM32F405微处理器是整个系统的核心，主要作用是把环境输入的声音信号进行数字化和分析，利用内置的DAC产生干扰所需要的白噪声，用户通过带触摸屏的LCD与系统进行交互，控制干扰系统的工作状态。数字电位器MCP41010的作用是调整干扰白噪声的幅度大小，从而调整干扰系统的输入功率，20KHz的固定截止频率高通滤波器和程控截止频率的低通滤波器MAX297的作用是把全频谱的白噪声处理成窄带白噪声，从而实现对特定频率声音信号进行干扰。 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/137b05b8b0b74a7a8d08bdc1efbd74f6.png" width="806" height="301" />  六、硬件电路组成 供电：为整个方案提供更好的稳定性，采用变压器供电的方式，整体设计除了功放单独供电±15V，其余均采用±5V的供电方式。 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/2c9f4a704c124a4ea32e197b417e3104.png" width="159" height="193" /> 声音采集模块：MAX9814的AGC是购买的集成模块。MAX9814具有自动增益，本设计采用的是放大40dB足以满足设计要求。 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/fa2bca4716b646599a33057465954653.png" /> 主控为自行设计的F405，因需要配套整个系统的接线稳定等需要，所有的端子均采用KF250端子， <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/c203c8cad3004582ac3294f86155d3a7.png" width="210" height="203" /> 数字电位器调节模块MCP41010，该模块可以通过程序实现阻值的调节，方便的控制白噪声的输出大小，也实现了控制功率的要求。该模块只需要建议的转出对应的接口即可。 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/fe09d193138f41d684c8de9a6b96074f.png" /> 本高通初始采用20K，测试发现25K更为合适，所以采用了四阶的巴特沃斯高通滤波器，该滤波器为压控电压型的高通滤波器。这样可以更好的实现阻带和通带的要求。 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/b3a8094137044b33b84be8825dd70a4d.png" width="348" height="180" /> 低通滤波器采用的是MAX297可程控低通滤波器，他为一个八阶、低通、椭圆函数、开关电容滤波器，该滤波器可以通过时钟来控制截止频率。其截止频率为：时钟/50。例如输出100KHz的方波信号（信号需要为高电平5V，低电平0V），那么截止频率为2KHz。即在我们的IN口输入2KHz以下频率信号均可通过，超过2K后无法通过。低通滤波的范围在（25-40KHz）之间。 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/a1a99ebae90b4648873e2e5caa6b5f82.png" width="321" height="220" /> 此时的信号经过高通和低通的滤波后在我们所需要的范围白噪声中即（25-40KHz）之间。 我们的白噪声在滤波后直接通过功放放大，我们这里采用的是LM1875，（实际D类功放效率更高，但是时间原因来不及购买），该模块也是采用现成模块，我们的信号不需要放大的过大，功放处只采用模块的11倍放大即可。 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/245aea343c5848dfbdf3a834763b9975.png" width="274" height="207" /> 换能器：采用的为25KHz的屏蔽器专用超声波探头，这里用了10个探头，上下两层足够实现。在经过功放的放大后，我们再板子上再加了一级升压变压器，此时的VPP可以去到60多V，满足我们的要求。 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/767ed53331054b699d299ac3af129001.png" width="230" height="212" /> 七、程序流程图 程序流程图如下 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/de8b9fa6a58b4b56955f92c1ef038ea0.png" width="535" height="449" /> 八、实物展示 采用亚克力板和隔离柱进行牢靠的固定，多采用SMA的连接线以及KF250，并且在每一级板子上加了很对的滤波电容，放置电源的噪声对信号的干扰，并且再用SMA的连接线，使得信号传输更为稳定，采用KF250的端子可以更好的连接电源线，不会造成供电的不牢靠等问题。 <img src="//image.lceda.cn/oshwhub/4b4812b7a36b40ab930986eb64752fa9.png" width="303" height="283" /> 九、实测效果 （1）输出功率为1W时测量结果 <table> <tbody> <tr> <td width="62"> 序号 </td> <td width="94"> 距离（米） </td> <td width="95"> 角度（度） </td> <td width="94"> 干扰结果 </td> </tr> <tr> <td width="62"> 1 </td> <td width="94"> 1 </td> <td width="95"> 60 </td> <td width="94"> 成功 </td> </tr> <tr> <td width="62"> 2 </td> <td width="94"> 1 </td> <td width="95"> 90 </td> <td width="94"> 成功 </td> </tr> <tr> <td width="62"> 3 </td> <td width="94"> 1 </td> <td width="95"> 120 </td> <td width="94"> 成功 </td> </tr> <tr> <td width="62"> 4 </td> <td width="94"> 1 </td> <td width="95"> 180 </td> <td width="94"> 不成功 </td> </tr> </tbody> </table> （2）输出功率为2W时测量结果 <table style="width: 30.6066%;"> <tbody> <tr> <td style="width: 18.0333%;" width="62"> 序号 </td> <td style="width: 27.3004%;" width="94"> 距离（米） </td> <td style="width: 27.5509%;" width="95"> 角度（度） </td> <td style="width: 27.3004%;" width="94"> 干扰结果 </td> </tr> <tr> <td style="width: 18.0333%;" width="62"> 1 </td> <td style="width: 27.3004%;" width="94"> 1 </td> <td style="width: 27.5509%;" width="95"> 60 </td> <td style="width: 27.3004%;" width="94"> 成功 </td> </tr> <tr> <td style="width: 18.0333%;" width="62"> 2 </td> <td style="width: 27.3004%;" width="94"> 1 </td> <td style="width: 27.5509%;" width="95"> 90 </td> <td style="width: 27.3004%;" width="94"> 成功 </td> </tr> <tr> <td style="width: 18.0333%;" width="62"> 3 </td> <td style="width: 27.3004%;" width="94"> 1 </td> <td style="width: 27.5509%;" width="95"> 120 </td> <td style="width: 27.3004%;" width="94"> 成功 </td> </tr> <tr> <td style="width: 18.0333%;" width="62"> 4 </td> <td style="width: 27.3004%;" width="94"> 1 </td> <td style="width: 27.5509%;" width="95"> 180 </td> <td style="width: 27.3004%;" width="94"> 不成功 </td> </tr> </tbody> </table> （3）输出功率为3W时测量结果 <table> <tbody> <tr> <td width="62"> 序号 </td> <td width="94"> 距离（米） </td> <td width="95"> 角度（度） </td> <td width="94"> 干扰结果 </td> </tr> <tr> <td width="62"> 1 </td> <td width="94"> 1 </td> <td width="95"> 60 </td> <td width="94"> 成功 </td> </tr> <tr> <td width="62"> 2 </td> <td width="94"> 1 </td> <td width="95"> 90 </td> <td width="94"> 成功 </td> </tr> <tr> <td width="62"> 3 </td> <td width="94"> 1 </td> <td width="95"> 120 </td> <td width="94"> 成功 </td> </tr> <tr> <td width="62"> 4 </td> <td width="94"> 1 </td> <td width="95"> 180 </td> <td width="94"> 不成功 </td> </tr> </tbody> </table> （4）输出功率为4W时测量结果 <table> <tbody> <tr> <td width="62"> 序号 </td> <td width="94"> 距离（米） </td> <td width="95"> 角度（度） </td> <td width="94"> 干扰结果 </td> </tr> <tr> <td width="62"> 1 </td> <td width="94"> 1.2 </td> <td width="95"> 60 </td> <td width="94"> 成功 </td> </tr> <tr> <td width="62"> 2 </td> <td width="94"> 1.2 </td> <td width="95"> 90 </td> <td width="94"> 成功 </td> </tr> <tr> <td width="62"> 3 </td> <td width="94"> 1.2 </td> <td width="95"> 120 </td> <td width="94"> 成功 </td> </tr> <tr> <td width="62"> 4 </td> <td width="94"> 1.2 </td> <td width="95"> 180 </td> <td width="94"> 不成功 </td> </tr> </tbody> </table> 经过测试，本设计的最大干扰距离是  2 米，最大干扰角度为  120  度。   十、注意事项 注意接线和焊接牢固。一定要注意采用SMA连接线，传统的杜邦线非常容易连接不牢固造成的信号传输不稳定和干扰。 十一、演示视频 视频后续再上传，因还需要再完善整体设计方案。 十二、附件内容 目前只上传硬件原理图pcb吗，其余暂不开源。