Avisoft-UltraSoundGate 116H 動物超聲聲學監測儀 工作原理

核心定位：單通道、USB 總線供電、基于 PC 的高精度超聲采集系統，專為嚙齒類（小鼠 / 大鼠）、蝙蝠等動物的高頻超聲發聲（20kHz–150kHz） 錄制與實時監測設計，完整流程為：超聲聲信號→麥克風→前置放大→抗混疊濾波→Δ-Σ 模數轉換→USB 傳輸→PC 軟件存儲 / 分析 / 實時聽

一、信號采集前端（聲學→電信號轉換）

1. 超聲麥克風（CM16/CMPA，標配）

• 采用外極化電容式超聲咪頭，頻響平坦覆蓋20Hz–250kHz，高靈敏度、低噪聲，可捕捉動物微弱超聲（如小鼠 20–100kHz 社交 / 疼痛超聲）

• 工作原理：超聲聲波振動振膜，改變極板間距→電容變化→產生微弱交變電荷信號；咪頭需外部極化電壓（由 116H 主機提供），保證高頻線性與低失真

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2. 前置放大與輸入接口

• 麥克風輸出的微弱電荷信號，經主機內置低噪聲前置放大器放大（連續 40dB 增益可調，或 3dB 步進可選），提升信噪比、抑制環境電磁干擾（EMI）。

• 采用5 芯 XLR 平衡模擬輸入，差分傳輸，大幅降低線纜與環境噪聲，適合野外 / 實驗室長距離布線。

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二、信號調理與模數轉換（模擬→數字）

1. 自適應抗混疊濾波

• 內置與采樣率聯動的自適應低通抗混疊濾波器：自動匹配當前采樣率（最高 750kHz），濾除高于奈奎斯特頻率（采樣率 1/2）的高頻噪聲，避免采樣混疊失真，保證超聲信號保真。

2. Δ-Σ（Delta-Sigma）模數轉換（ADC）

• 核心：16 位高精度 Δ-Σ ADC，支持8/16 位分辨率、多檔采樣率（1000/750/666.6/500/400/375/333.3/300…kHz），滿足 150kHz 以內超聲的無失真采樣（奈奎斯特準則）。

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• 原理：通過過采樣（遠高于信號最高頻率）+ 噪聲整形 + 數字抽取濾波，將量化噪聲推至高頻并濾除，實現高動態范圍、低失真的模數轉換，適合微弱超聲信號采集。

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3. 增益與電平控制

• 連續增益調節 + 峰值電平表 / 過載指示燈（紅），防止信號削波失真，確保采集信號處于最佳動態范圍。

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三、數據傳輸與 PC 端處理（數字→存儲 / 分析 / 聽）

1. USB 2.0 高速同步傳輸

• 主機通過 USB 2.0（B 型接口）連接 PC，總線供電（無需外接電源）、同步高速傳輸，將數字化超聲數據流實時上傳至 PC，無延遲、無丟包，保證長時間連續錄制穩定性。

2. Avisoft-RECORDER USGH 軟件控制

• 實時顯示超聲波形 + 頻譜圖（spectrogram），直觀查看動物超聲（如小鼠的 USV 超聲）；支持手動 / 聲觸發 / 外部 TTL 觸發錄制，自動啟停、分段存儲，適配行為學實驗場景Avisoft Bioacoustics。

• 提供實時聲學：將高頻超聲下變頻（2–30 倍采樣率降頻）至人耳可聽范圍（20Hz–20kHz），音量可調，實現超聲實時，便于現場調試與監測。

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3. 數據存儲與后處理

• 錄制數據以標準音頻格式（WAV）存儲，可直接導入 Avisoft-SASLab Pro 等軟件，做超聲信號的頻譜分析、參數提取、發聲分類與統計，完成動物聲學行為研究Avisoft Bioacoustics。

四、完整工作流程（一步式）

1. 動物發出超聲聲波 → CM16 麥克風將聲壓轉為微弱電信號

2. 前置放大 + 平衡輸入 → 提升信噪比、抑制干擾

3. 自適應抗混疊濾波 → 濾除混疊噪聲

4. Δ-Σ 16 位 ADC → 模擬超聲轉為高精度數字信號

5. USB 2.0 同步傳輸 → 數字數據上傳 PC

6. RECORDER USGH → 實時顯示、觸發錄制、降頻、存儲 WAV

7. SASLab Pro → 后處理分析、超聲發聲研究

五、關鍵技術優勢（原理層面）

• 平衡輸入 + 低噪前置：高抗干擾、高信噪比，適合弱超聲采集

• Δ-Σ ADC + 自適應濾波：高保真、低失真、寬動態范圍，覆蓋全動物超聲頻段

• USB 總線供電 + 實時觸發：便攜、低延遲、適配野外 / 實驗室

• 實時降頻聽：人耳可聽超聲，大幅提升現場操作效率

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