CN101536551A - 装置的响应信号的谐波部分和非谐波部分的确定方法 - Google Patents

装置的响应信号的谐波部分和非谐波部分的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对装置(2)的响应信号(RS)的谐波部分和非谐波部分进行确定的方法，该装置例如是声电装置或电装置，所述方法包括如下步骤：将输入信号(IS)提供给装置(2)，以便使装置(2)以响应信号(RS)做出响应，其中输入信号(IS)是具有连续增大或连续减小的频率(f)的正弦信号；俘获响应信号(RS)；将所俘获的响应信号(RS)从时间域变换至相位域；以及对经过相位域变换的响应信号(TRS)就其谐波部分和/或非谐波部分进行分析，或者在定义输入信号(IS)时建立参考函数，并借助通过对参考函数进行数值积分而执行的傅立叶变换来分析响应信号(RS)。

Description

装置的响应信号的谐波部分和非谐波部分的确定方法
技术领域
本发明涉及一种对装置(例如声电装置或电装置)的响应信号的谐波部分和非谐波部分进行确定的方法，该方法包括将输入信号提供给装置以便使装置利用响应信号来做出响应，其中输入信号是频率连续增大或者连续减小的正弦信号。
本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品可被直接载入诸如数字信号处理器之类的可编程装置的存储器，该计算机程序产品包括软件代码部分，当所述计算机程序产品在所述装置上运行时，软件代码部分用于执行根据第一段所述的方法的步骤。
本发明还涉及诸如数字信号处理器之类的一种可编程装置，其适用于处理在上一段所提到的计算机程序产品。
背景技术
在各种技术应用中，例如在质量控制中，技术元件或者技术装置(例如，诸如声电换能器之类的声电装置)的传递函数必须被确定为频率的函数。
一般来说，传递函数是系统的输入和输出之间的关系的数学表达式。例如，传递函数通常被用在对单输入单输出声电装置或模拟电子电路的分析中。对于时间连续的输入信号x(t)和输出信号y(t)，在其最简单的形式中，传递函数是输入的拉普拉斯变换X(s)与输出Y(s)之间的线性映射：
Y(s)＝H(s)X(s)
或者H(s)＝Y(s)/X(s)
其中H(s)是线性时变系统的传递函数。
为了确定传递函数，必须将适当的输入信号提供给元件或者装置，以便使元件或装置利用响应信号做出响应。如果假设输入信号是纯正弦信号，那么响应信号可被粗略地分为根本上不同的三个部分：
a)与输入信号频率相同的正弦函数，
b)谐波部分(频率为输入信号频率的整数倍的正弦函数)，
c)非谐波部分(提取出分量a和b之后信号的剩余部分)。
已知可通过使用傅立叶变换或类似数学算法来确定响应信号的部分a)和b)，即正弦函数以及谐波部分。这些算法要求输入信号具有恒定的频率。因此，“步进”正弦信号被用作输入信号来确定响应信号的所述部分的频率相关性。这些步进正弦信号在特定的时期内具有恒定的频率。随后，在很短的切换时间(跳转)内，频率被切换至将被分析的下一个频率值。
理论上，随后可以通过减去所确定的信号部分a)和b)来确定响应信号的部分c)，即非谐波部分。但是，这一处理包含了非常高的计算负担，这是因为还要精确地确定相位位置，并且在响应信号的采样速率未远高于将要分析的频率时可能出现较大错误。此外，对于具有传输途径中的特征频率的技术元件的情况，正弦信号被切换至另一频率时出现的输入信号中的所述跳转会导致这些特征频率的激发，而这随后会被错误地解释为输入信号的非谐波部分。
在许多情况下(例如在扬声器的声测量期间)，能够确定不包含输入信号频率的频带中的非谐波部分。所述频带中的信号的平均幅度或能值构成了一个很好的传递函数品质系数，并且可以通过诸如简单滤波或Hibert变换之类的已知算法来很容易地确定该平均幅度或能值。这样，可以极大地减少计算时间。
为了避免输入信号(输入信号的一阶导数和二阶导数至少应该是连续的)中的跳转对传输途径中的谐振的激发，已知的可以采用其频率随时间连续增大或减小的输入信号(也称为“线性调频”信号-在声学中，对数函数常被用于该目的)。
所述已知措施产生了两种用于确定各个部分的简单方法，但是必须执行两个不同的测量操作。由于实施两个不同的测量操作并且由于步进信号产生了较长的瞬变时间，所以测量时间特别地长。
从文献WO 02/25997A1已知了一种测试声电装置的方法，其中将测试信号提供给装置，以便使装置利用响应信号来做出响应。测试信号优选地为扫频或步进正弦波信号。响应信号被捕获，并针对瞬变进行分析，并且从瞬变中提取出表示瞬变的信息。对响应信号进行分析包括：在一个或多个不同频带中进行带通滤波、对经带通滤波后的信号进行校正、以及对校正后的信号进行低通滤波。对针对瞬变进行过分析之后的信号求微分。微分之后，在各个频带中，信号表示来自被测试装置的响应信号的斜率或者斜度，并且它们是对被测试装置中可能的异音(rub and buzz)的存在与否的量化测量结果。在例如扬声器换能器的质量控制中，这些斜度信号中的每一个都与预定阈值相比较。只有斜度值完全处于阈值以下的换能器才被认为通过了质量控制测试。
但是，已知方法存在这样的缺点，即，测量时间和计算负担非常高并且/或者只能确定传递函数的各个部分中的子集。
发明内容
本发明的一个目的是提供说明书第一段所定义的类型的方法，其中避免了上述缺点。具体地说，本发明的一个目的是提供一种对装置或元件的响应信号的谐波部分和非谐波部分进行确定的方法，其中通过适当量的信号处理，可以使测量和计算时间最小化。
为了实现上述目的，提供了一种对装置(例如声电装置或电装置)的响应信号的谐波部分和非谐波部分进行确定的方法，该方法包括如下步骤：
将输入信号提供给装置，以便使装置利用响应信号做出响应，其中输入信号是具有连续增大或连续减小的频率的正弦信号，
俘获响应信号，
将所俘获的响应信号从时间域变换至相位域，并且对经过相位域变换的响应信号就其谐波部分和/或非谐波部分进行分析，或者在定义输入信号(IS)时建立参考函数，并借助通过对参考函数进行数值积分而执行的傅立叶变换来分析响应信号(RS)。
为了实现上述目的，还提供了一种计算机程序产品，其可直接载入可编程装置的存储器中，该可编程装置可以是数字信号处理器，该计算机程序产品包括软件代码部分，用于在所述计算机程序产品运行在所述装置上时执行根据本发明的方法的步骤。
为了实现上述目的，最后还提供了一种可编程装置，该可编程装置可以是数字信号处理器，该可编程装置具有算术逻辑单元和存储器，并适于处理如上一段所述的计算机程序产品。
根据本发明的特征提供了这样的优势，即，在一个测量操作中通过适当量的信号处理确定了响应信号的所有部分，从而使测量和计算时间最少。
为了能够通过执行针对特定频率点的傅立叶分析来对经相位域转换的响应信号就其谐波部分和/或非谐波部分进行分析，建议定义经相位域转换的响应信号的子域，其中子域涵盖了较低边界频率和较高边界频率之间的所有频率，并且其中，定义了所述子域中的标称频率，以将其用作执行傅立叶分析的频率点。
为了以较少计算花费来实现傅立叶分析并得到较好的结果，还建议：以恒定时间间隔对响应信号进行采样，并且利用输入信号的瞬时频率来对采样值进行加权，从而将所俘获的响应信号从时间域变换至相位域。随后，利用加权后的采样值来执行傅立叶分析。
通过将标称频率分配给经过相位域变换的响应信号的每个子域，并且在所述标称频率下执行对经过相位域变换的响应信号的傅立叶分析，可以进一步降低计算花费。一个简单但充分精确的方式是将所述子域的边界频率间的中心频率确定为所述标称频率。
为了使计算时间最少，适合的是，在定义输入信号时建立用于子域的参考函数。通过该参考函数，傅立叶变换被简化为数值积分。当参考函数被定义为具有输入信号的整数倍频率的正弦函数时，可以很容易地执行数值积分。参考函数可以是表格的形式。
为了避免必须在每次测量期间对响应信号进行加权，建议在建立参考函数时对其进行加权。但是，应该注意的是，只有在对相同的输入信号执行几次测量的情况下(即，例如在质量控制测试系统中将要测量多个装置时)，该方式的优点才会显现。
可以看出，本发明方法的特征可在装置或元件测试单元中直接实现，例如用于测试声电装置的质量的装置。
根据下文将要描述的示例性实施例，本发明的上述方面以及其它方面将变得明显，并且将参照该示例性实施例来对本发明的上述方面以及其它方面进行描述。
附图说明
下文将参考示例性实施例详细描述本发明。但是，本发明并不限于该示例性实施例。
图1示出了用于测试声电换能器的测试系统的示意性电路框图，在该测试系统中实施了根据本发明的方法。
图2A示出了具有恒定幅值和连续增大的频率的输入信号在时间域中的示图。
图2B示出了图2A的输入信号的一部分在频率域中的表示。
图3示出了响应信号在时间域中的示图。
图4示出了图3的经变换后的响应信号在相位域中的示图。
具体实施方式
图1示出了用于测试类似声电换能器之类的装置2的测试系统的示意性电路框图。该测试系统包括信号发生器1，该信号发生器1能够在其输出端提供频率会连续改变的电正弦波信号。信号发生器1的输出端连接至将被测试的装置2，在本实施例中，该装置2为声电扬声器。信号发生器1所产生的信号被提供作为装置2的输入信号IS。输入信号IS使装置2以声信号AS做出响应。该声信号AS被麦克风3俘获并且被转换成电响应信号RS。麦克风3是一个高品质测量麦克风，所以为了便于描述，可认为它在不扭曲信号的情况下将声信号AS转换成电响应信号RS。响应信号RS被馈入可编程数字信号处理器4，该信号处理器4适于执行根据本发明的方法。信号处理器4经由控制线路5控制信号发生器1，从而信号处理器4控制了输入信号IS的幅度和频率。信号处理器4包括用于以恒定的采样速率来对响应信号RS进行数字采样的采样装置4a。信号处理器的结果OUT可能是所测试的装置2的传递函数或者其相关部分，例如谐波部分和非谐波部分，或者可能例如是表示装置2是否通过了质量测试的信号。应该注意的是，扬声器的传递函数正常情况下应该仅具有谐波部分。因此，当数字信号处理器4对响应信号RS的分析得出非谐波部分时，则可认为扬声器有缺陷(例如膜与扬声器的支撑部件紧靠)，因此应该抛弃或者维修该扬声器。
根据本发明，提供给装置2的输入信号IS是频率连续增大的正弦信号，即所谓的“线性调频”信号。在图2A中，在时域中示出了输入信号IS(图示IS(t))。图2B的图示IS(f)是输入信号IS在频域中的表示。图示IS(f)的宽度w取决于频率增大速率。在特定时期内，频率变化得越快，宽度w越宽。
根据本发明，响应信号RS的所有分量都将被数字信号处理器4所确定，即与输入信号频率相同的正弦函数、谐波部分(频率为输入信号的频率的整数倍的正弦函数)、以及非谐波部分。
通过分别提供频率连续增大或减小的输入信号IS，所要求的测量和计算时间可最小化，这是因为不会浪费由于瞬变和步进正弦信号的情况下可能出现的响应时间而损失用于测量的时间。由于将被测试的装置2可能具有一些高Q系数的谐振，所以输入信号IS的频率变化速率必须较低，从而所述谐振以全幅度可见。但是，将频率连续增大或减小的正弦信号提供作为输入信号IS仍然优选于步进正弦信号，原因在于，在后一种情况下，频率密度必须非常高以便确保能够可靠地检测到高Q系数的谐振。因此，为步进信号而耗费的时间将更长。
基本上，到目前为止，测量操作的持续时间被最小化并且响应信号RS的非谐波部分可被确定，但是由于响应信号RS中的连续频率变化，所以还不能通过对响应信号RS进行简单的傅立叶变换，来确定与输入信号IS具有相同频率的正弦函数、以及响应信号RS的谐波部分。为了克服这一缺点，本发明提出将响应信号RS从“时间域”变换至信号的“相位域”，现在将通过参考图3和图4来对此进行解释。图3示出了响应信号RS在时间域中的示图，图4示出了经变换的响应信号RS在相位域中的示图。将响应信号RS从时间域变换至相位域意味着时间轴被拉伸。换言之，以恒定采样速率来对响应信号RS进行采样，从而得到采样值si(其中i＝1，2…)。由于恒定采样速率的原因，每个响应信号RS周期所得到的采样值si的数目随着频率的增大而减少。例如，当响应信号RS的频率为大约100Hz时，在信号的一个周期内将获得十个采样值s1至s10(假设每秒获取1000次采样)。当响应信号RS的频率达到大约33333Hz时，在一个周期内仅能获取三个采样值s30至s32。严格地说，由于连续的频率变化，采样值的数量已经在一个周期的多个部分中改变。
应该理解的是，数字信号处理器4不仅适于测量采样值si的幅度，并且也适于将正确的相位分配给每个采样值si。为了便于理解本发明，应该注意到是，响应信号RS从时间域到相位域的变换可被想像成：针对相位来描绘采样值si的幅度，从而产生经变换的响应信号TRS，该响应信号TRS是具有恒定周期(即频率不变)的伪正弦波信号。这在数学上等同于对具有输入信号IS的当前频率的每个采样值si进行加权。在图3和图4的示例中，对100Hz(即99Hz和101Hz之间)下的采样值s1至s10的加权为1/10(因为获取了十个采样值)，并且对33333Hz(即33233Hz和33433Hz之间)下的采样值s30至s32的加权为1/3(因为只获取了三个采样值)。一般来说，该规律可被设置成：频率越高，采样值si的权重越高。
借助这个加权后的信号，可以通过合理的方式来执行对变换后的响应信号的预定子域的傅立叶分析。例如，子域SR100、SR333、SRi可被定义为响应信号RS的一个或多个周期。应该理解的是，在这种情况下，子域SR100、SR333、Sri的宽度在时间域中将随着响应信号RS频率的增大而减小(参见图3)，但是在相位域中将保持恒定(参见图4)。
可通过将标称频率fn100、fn333…fni分配给每个子域SRi来适当地描述每个子域SRi。标称频率fni可被确定为子域SR100、SR333、Sri的边界频率(分别为99Hz、101Hz以及33233Hz、33433Hz)之间的中心频率(例如100Hz、33333Hz)。随后，在所述标称频率(fn100…fni)下执行对经过相位域变换的响应信号TRS的傅立叶分析。
但是，为了使计算时间最少，更恰当的是在定义输入信号IS时建立参考函数，并且使用这些参考函数经由数值积分来执行傅立叶变换。
根据幅度an(ω)、bn(ω)的一般公式，如果响应信号RS被加权，那么参考函数是频率为输入信号IS的整数倍的正弦函数：
an(ω)＝∫x(t)k(t)sin(nωt)
bn(ω)＝∫x(t)k(t)cos(nωt)
n＝1，2，3…
其中k(t)是预先已知的缩放系数，并且乘积[k(t)sin(nωt)]和[k(t)cos(nωt)]是可预先计算的参考函数，这是因为这些乘积中出现的所有系数都是已知的。上面等式中的信号x(t)对应于图3中的信号RS。乘法[x(t)k(t)]等同于从时间域到相位域的变换。
例如，可采用一组参考函数，该参考函数包括基频和该基频的前五个谐波频率，其中基频分别对应于前面提到的响应信号RS和变换后的响应信号TRS的子域的标称频率。
为了使为响应信号RS的加权不是必须在每个测量期间执行，可以在建立参考函数时对其进行加权。从而可以省略测量操作之后的这个计算步骤。但是，只有在对相同的预定输入信号IS执行几次测量时，对参考函数进行加权的优点才会显现。因此，这在对例如声电装置的生产进行检查的过程中尤其有用。
本发明的优点可总结如下：
-仅仅需要一个用于确定响应信号RS的所有基本部分的测量操作；
-可能的最短输入信号IS可被使用；
-通过加权后的参考函数，使计算负担保持为最少；
-由于输入信号IS的连续频率变化，不会很容易地忽视具有非常高的Q系数的谐振；
-由于较短测量和计算时间，可对制造条件进行远远更好的调节。
可以看出，除了将响应信号RS变换至相位域之外，还可以通过将参考函数变换至时间域、并且在此将其用于响应函数的傅立叶变换来执行本发明，原因在于这在数学上是模拟操作，这是应用数学领域的普通技术人员所公知的。
本发明方法可被实现为硬件的形式或者数字信号处理器4可执行的辅助软件。
最后，应该注意到是，前述实施例说明而不是限制了本发明，所以本领域技术人员能够在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下设计出多种替换实施例。权利要求中，括号中的任何标号都不被解释为限制权利要求。术语“包括”及其连词的使用并不排除除了列出在作为整体的权利要求或说明书中的这些元素或步骤之外的其它元素或步骤的存在。元素的单数标号并不排除该元素的复数标号的存在，反之亦然。在枚举了多个装置的装置权利要求中，这些装置中的一些可被同一个软件或硬件所实现。事实仅仅在于，相互不同从属权利要求中所述的某些措施并不表示这些措施的组合不能用来提供优势。

Claims (11)

1.一种对装置(2)的响应信号(RS)的谐波部分和非谐波部分进行确定的信号确定方法，该装置(2)可以是声电装置或电装置，所述方法包括如下步骤：
将输入信号(IS)提供给装置(2)，以便使装置(2)以响应信号(RS)做出响应，其中输入信号(IS)是具有连续增大或连续减小的频率(f)的正弦信号，
俘获响应信号(RS)，
将所俘获的响应信号(RS)从时间域变换至相位域，以及
对经过相位域变换的响应信号(TRS)就其谐波部分和/或非谐波部分进行分析，或者在定义输入信号(IS)时建立参考函数，并借助通过对参考函数进行数值积分而执行的傅立叶变换来分析响应信号(RS)。
2.如权利要求1所述的信号确定方法，其中对经过相位域变换的响应信号(TRS)就其谐波部分和非谐波部分进行分析的步骤包括对经过相位域变换的响应信号(TRS)的子域(SR100…SRi)进行傅立叶分析。
3.如权利要求2所述的信号确定方法，其中标称频率(fn100…fni)被分配给经过相位域变换的响应信号(TRS)的每个子域(SR100…SRi)，并且在所述标称频率(fn100…fni)下执行对经过相位域变换的响应信号(TRS)的傅立叶分析。
4.如权利要求3所述的信号确定方法，其中经过相位域变换的响应信号的子域的中心频率被确定为所述标称频率。
5.如权利要求1或2所述的信号确定方法，其中将所俘获的响应信号(RS)从时间域变换至相位域的步骤包括：在恒定采样速率下对响应信号(RS)进行采样，并且利用输入信号(IS)的瞬时频率(f)来对采样值(s1，s2…si)进行加权。
6.如权利要求2所述的信号确定方法，其中在定义输入信号(IS)时针对子域(SR100…SRi)建立参考函数，通过该参考函数，借助数值积分来执行傅立叶变换。
7.如权利要求6所述的信号确定方法，其中参考函数是频率为输入信号(IS)的频率的整数倍的正弦函数。
8.如权利要求6或7所述的信号确定方法，其中在建立参考函数时对参考函数进行加权。
9.一种计算机程序产品，其可直接载入可编程装置的存储器中，该可编程装置可以是数字信号处理器(4)，该计算机程序产品包括软件代码部分，用于在所述计算机程序产品运行在所述装置上时执行根据权利要求1至8的方法的步骤。
10.如权利要求9所述的计算机程序产品，其中该计算机程序产品被存储在计算机可读介质中。
11.一种可编程装置，该可编程装置可以是数字信号处理器(4)，该可编程装置具有算术逻辑单元和存储器，其中计算机适于处理如权利要求9所述的计算机程序产品。
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