德国Avisoft超声声音声学监测仪116H

Avisoft-UltraSoundGate 116H 动物超声声学监测仪 工作原理

核心定位：单通道、USB 总线供电、基于 PC 的高精度超声采集系统，专为啮齿类（小鼠 / 大鼠）、蝙蝠等动物的高频超声发声（20kHz–150kHz） 录制与实时监测设计，完整流程为：超声声信号→麦克风→前置放大→抗混叠滤波→Δ-Σ 模数转换→USB 传输→PC 软件存储 / 分析 / 实时听

一、信号采集前端（声学→电信号转换）

1. 超声麦克风（CM16/CMPA，标配）

• 采用外极化电容式超声咪头，频响平坦覆盖20Hz–250kHz，高灵敏度、低噪声，可捕捉动物微弱超声（如小鼠 20–100kHz 社交 / 疼痛超声）

• 工作原理：超声声波振动振膜，改变极板间距→电容变化→产生微弱交变电荷信号；咪头需外部极化电压（由 116H 主机提供），保证高频线性与低失真

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2. 前置放大与输入接口

• 麦克风输出的微弱电荷信号，经主机内置低噪声前置放大器放大（连续 40dB 增益可调，或 3dB 步进可选），提升信噪比、抑制环境电磁干扰（EMI）。

• 采用5 芯 XLR 平衡模拟输入，差分传输，大幅降低线缆与环境噪声，适合野外 / 实验室长距离布线。

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二、信号调理与模数转换（模拟→数字）

1. 自适应抗混叠滤波

• 内置与采样率联动的自适应低通抗混叠滤波器：自动匹配当前采样率（最高 750kHz），滤除高于奈奎斯特频率（采样率 1/2）的高频噪声，避免采样混叠失真，保证超声信号保真。

2. Δ-Σ（Delta-Sigma）模数转换（ADC）

• 核心：16 位高精度 Δ-Σ ADC，支持8/16 位分辨率、多档采样率（1000/750/666.6/500/400/375/333.3/300…kHz），满足 150kHz 以内超声的无失真采样（奈奎斯特准则）。

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• 原理：通过过采样（远高于信号最高频率）+ 噪声整形 + 数字抽取滤波，将量化噪声推至高频并滤除，实现高动态范围、低失真的模数转换，适合微弱超声信号采集。

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3. 增益与电平控制

• 连续增益调节 + 峰值电平表 / 过载指示灯（红），防止信号削波失真，确保采集信号处于最佳动态范围。

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三、数据传输与 PC 端处理（数字→存储 / 分析 / 听）

1. USB 2.0 高速同步传输

• 主机通过 USB 2.0（B 型接口）连接 PC，总线供电（无需外接电源）、同步高速传输，将数字化超声数据流实时上传至 PC，无延迟、无丢包，保证长时间连续录制稳定性。

2. Avisoft-RECORDER USGH 软件控制

• 实时显示超声波形 + 频谱图（spectrogram），直观查看动物超声（如小鼠的 USV 超声）；支持手动 / 声触发 / 外部 TTL 触发录制，自动启停、分段存储，适配行为学实验场景Avisoft Bioacoustics。

• 提供实时声学：将高频超声下变频（2–30 倍采样率降频）至人耳可听范围（20Hz–20kHz），音量可调，实现超声实时，便于现场调试与监测。

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3. 数据存储与后处理

• 录制数据以标准音频格式（WAV）存储，可直接导入 Avisoft-SASLab Pro 等软件，做超声信号的频谱分析、参数提取、发声分类与统计，完成动物声学行为研究Avisoft Bioacoustics。

四、完整工作流程（一步式）

1. 动物发出超声声波 → CM16 麦克风将声压转为微弱电信号

2. 前置放大 + 平衡输入 → 提升信噪比、抑制干扰

3. 自适应抗混叠滤波 → 滤除混叠噪声

4. Δ-Σ 16 位 ADC → 模拟超声转为高精度数字信号

5. USB 2.0 同步传输 → 数字数据上传 PC

6. RECORDER USGH → 实时显示、触发录制、降频、存储 WAV

7. SASLab Pro → 后处理分析、超声发声研究

五、关键技术优势（原理层面）

• 平衡输入 + 低噪前置：高抗干扰、高信噪比，适合弱超声采集

• Δ-Σ ADC + 自适应滤波：高保真、低失真、宽动态范围，覆盖全动物超声频段

• USB 总线供电 + 实时触发：便携、低延迟、适配野外 / 实验室

• 实时降频听：人耳可听超声，大幅提升现场操作效率

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