CN105050018B - 扬声器部件谐振频率测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利提出了一种扬声器部件谐振频率测量方法及系统。本发明专利所提出的测量系统包括数据采集分析处理器、功率放大器、激励声源、被测扬声器部件、激光位移传感器、传声器、操作工作台和激励工作台和工装夹具等。激励声源安装在激励工作台台面上，激励工作台放置在操作工作台下方，下方的激励声源正对着上方的被测扬声器部件；激光位移传感器和传声器固定在上方的多功能支架上，多功能测量支架可在操作工作台台面上方空间上下、前后和左右任意移动。数据采集分析处理器负责产生激励信号、对测量得到的信号进行采集、分析处理、保存和显示测量结果。由于采用了声学测量环境的频响补偿和振动位移幅度调整等措施，本发明能够准确和方便地测量扬声器纸盆（振膜）和定心支片的谐振频率。

Description

扬声器部件谐振频率测量方法及系统

技术领域

本发明属于电声技术应用领域，涉及扬声器部件谐振频率测量方法及系统。采用本系统可测量扬声器部件（包括纸盆或振膜和定心支片）的谐振频率，可广泛应用于扬声器部件的质量检验（控制）及扬声器设计和研发。

背景技术

扬声器部件谐振频率测量的意义：

扬声器是一个电力声耦合的系统，主要由磁路系统、振动系统和声负载三部分组成。扬声器的纸盆和定心支片是扬声器振动系统的核心部件，谐振频率为其重要技术指标之一，该技术指标对扬声器的整体性能起着至关重要的作用。

现有的技术和方法：

传统的测试扬声器振膜谐振频率的主要方法是间接测试法。该方法首先将被测振膜固定在激励声源正上方，用正弦信号扫频信号驱动扬声器使得被测振膜随之振动。由振膜和激励声源所形成的空气腔体对激励声源产生反馈作用，进而导致驱动扬声器的电流发生变化，通过测量该电流变化可计算出被测振膜的谐振频率。该方法有很明显的局限性，它只能够测量谐振Q值较大、尺寸较大、且质量不大不小的振膜，并且对激励用的扬声器有较高要求，它要求该扬声器的谐振频率必须远小于被测振膜的谐振频率。因此，该方法的通用性和准确性存在诸多问题。

随着电子信息技术的发展，也出现了部分使用直接法测量扬声器振膜谐振频率的方法。中国专利申请公开书201310157000.8和201420149091.0披露了一种采用直接法测量扬声器振膜的谐振频率的方法。该方法采用激光位移传感器直接读取被测扬声器振膜的位移信号，并通过该位移信号直接计算出被测振膜的谐振频率。但是，该方法由于未充分考虑激励声源自身谐振频率及被测振膜与激励声源所形成腔体对测量结果的影响，因此，对于尺寸较小的微型扬声器或谐振频率与激励声源谐振频率较为接近的振膜都会产生较大测量误差。

除此之外，由于扬声器振膜在不同振幅下的谐振频率是不同的，即采用不同大小的力激励振膜会得到不同的谐振频率，在使用上述方法和传统设备测量时，因无法设定被测振膜的振动幅度，不同用户即使使用同一型号的同种设备测量得到的结果亦非相同，时常导致振膜供应方和采购方之间产生矛盾。

上述测量方法对扬声器纸盆和定心支片的谐振频率的测量亦存在类似问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出的扬声器部件（包括纸盆（或振膜）和定心支片）谐振频率测量方法及系统，采用频响补偿技术并通过定量指定振幅，可有效的解决传统测量方法所存在的弊端，进而能够获得可靠、准确的测量结果。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种扬声器部件谐振频率的测量方法和测量系统。

本发明提出的一种扬声器部件谐振频率的测量方法和测量系统能够准确地测量扬声器纸盆（振膜）和定心支片的谐振频率。

本发明解决技术问题所采用的技术方案为：

本发明提供的扬声器部件谐振频率测量系统，包括扬声器部件谐振频率测量系统，其特征在于该系统包括数据采集分析处理器、功率放大器、激励声源、激光位移传感器、传声器、激励工作台、操作工作台和组合工装夹具；操作工作台台面以嵌入方式安装有至少一套组合工装夹具；激励声源安装在激励工作台台面上，激励工作台放置在操作工作台下方，激励工作台上的激励声源正对着夹于组合工装夹具中的被测扬声器部件；激光位移传感器和传声器固定在上下（Z轴方向）移动的多功能测量支架上，多功能测量支架固定于双轴滑台上，双轴滑台设于操作工作台上方导轨内，双轴滑台在导轨内做前后（X轴方向）和左右（Y轴方向）任意位置移动；

所述的数据采集分析处理器上分别连接有功率放大器、激光位移传感器、传声器，功率放大器与激励声源连接，激光位移传感器和传声器测量时对着被测扬声器部件；

所述的数据采集分析处理器的功能是：为激光位移传感器和传声器供电；处理由激光位移传感器和传声器所采集的数据，并将处理结果显示和保存；将激励信号输出至功率放大器。

所述的功率放大器的功能是：将数据采集分析处理器所发出的激励信号进行放大后推动激励扬声器振动。

所述的激光位移传感器的功能是：采集被测部件的位移信号并交由数据采集分析处理器。

所述的传声器的功能是：在进行频响校准时拾取由激励扬声器所发出的声信号并交由数据采集分析处理器。

所述的被测扬声器部件包括扬声器纸盆或振膜和定心支片。

激励工作台放置在操作工作台下方，两工作台台面相互平行，且留有间隙，设于下方激励工作台上的激励声源正对着设于操作工作台上方的夹于组合工装夹具内的被测扬声器部件，激励声源与被测扬声器部件之间存有一定的间隙，两者之间空气敞开，不形成腔体。

激励声源是一个或多个不同类型的扬声器；所述的组合工装夹具由一系列半径不同的圆环组成，各圆环能够相互组合使用；在操作工作台台面设有多套组合工装夹具。

本发明所述的扬声器部件谐振频率测量方法包括校准和测量二个步骤，校准包含频响补偿和振幅调整两个部分，在完成校准过程后，开始正式测量步骤，其测量过程为：数据采集分析处理器产生的激励信号经功率放大器放大后送给激励声源，激励声源发出的声波推动被测扬声器部件产生振动；激光位移传感器拾取被测扬声器部件的振动位移信号并送回数据采集分析处理器，数据采集分析处理器对上述位移信号进行处理，并将处理结果显示和保存。

所述的频响补偿对包含激励声源、被测扬声器部件、操作工作台和激励工作台及其周边空气所构成的声学环境做频响补偿，使得在激励声源激励下，被测扬声器部件在测量频带内的任意频率点上所受力基本相同；频响补偿方法是通过测量并计算出上述声学环境的冲激响应，并通过该冲激响应构造出补偿滤波器，进而通过该滤波器调整激励信号不同频率处的激励电压。

所述的振幅调整使得被测扬声器部件的振幅达到期望值；其过程为：由激光位移传感器所拾取的位移信号计算得出当前振幅，将其与目标振幅作比较来调整激励信号的大小；若当前振幅大于目标振幅，则减小激励信号大小，反之则相反。

所述的振幅的计算方式为：位移信号最大值与最小值差值的一半；因此，仅需保证位移信号的最大值和最小值在激光位移传感器的量程范围内即可。

所述的激励信号线性扫频信号或对数扫频信号

上述的校准备是为了降低对激励声源（扬声器）的性能要求，消除激励声源本身及测量环境对被测扬声器部件振动产生的不良影响，提高系统的测量精度，在本系统正式测量之前，系统必须先对包含激励声源、被测扬声器部件、操作工作台和激励工作台及其周边空气所构成的声学环境做频响补偿，使得在激励声源激励下，被测扬声器部件在测量频带内的任意频率点上受力基本相同。

在完成上述频响补偿之后和正式测量之前，系统还需要进行激励信号大小的调整，最终使得被测扬声器部件的振幅达到目标值。

本发明的优点是：可以方便和快捷地测量得到包括纸盆（或振膜）和定心支片在内的扬声器部件的谐振频率，由于采用了频响补偿和激励信号大小调整，所获得的测量结果更加可靠、准确。

附图说明

图1测量系统方框图。

图2 测量系统工装剖视图。

图3 测量系统工装二视图。

图4 组合工装夹具。

图5 测试激励信号时域波形图。

图6 频响补偿后的激励信号时域波形图。

图7 频响补偿前后测量环境的频率响应。

图8 测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明包括：数据采集分析处理器(1)，功率放大器(2)，激励声源（扬声器）(3)，被测扬声器部件(4)，激光位移传感器(5)，传声器(6)，操作工作台(7)和激励工作台(8)。

操作工作台(7)台面以嵌入方式安装有组合测量夹具，组合测量夹具可固定不同尺寸的被测扬声器部件；激励声源(3)安装在激励工作台(8)台面上，激励工作台(8)放置在操作工作台(7)下方（两工作台台面相互平行，除放置于同一地面之外，无任何硬连接），下方的激励声源(3)正对着上方的被测扬声器部件(4)；激光位移传感器(5)和传声器(6)固定在多功能测量支架上，多功能测量支架可上下（Z轴方向）移动；多功能测量支架固定于双轴滑台上，双轴滑台通过固定于操作工作台(7)上方的导轨，可在操作工作台(7)台面上方空间做前后（X轴方向）和左右（Y轴方向）任意移动；

该测量系统的工作过程为：数据采集分析处理器(1)产生的激励信号经功率放大器(2)放大后送给激励声源(3)，激励声源发(3)出的声波推动被测扬声器部件(4)产生振动；激光位移传感器(5)拾取被测扬声器部件的振动位移信号并送回数据采集分析处理器(1)。数据采集分析处理器(1)对上述位移信号进行处理，并将处理结果显示和保存。

为了降低对激励声源（扬声器）(3)的性能要求，消除激励声源(3)本身及测量环境对被测扬声器部件(4)振动产生的不良影响，提高系统的测量精度，在本系统正式测量之前，系统必须先对包含激励声源(3)、被测扬声器部件(4)、操作工作台(7)和激励工作台(8)及其周边空气所构成的声学环境做频响补偿，使得在激励声源激励下，被测扬声器部件在测量频带内的任意频率点上受力基本相同。

频响补偿的过程如下：

数据采集分析处理器(1)产生的激励信号经功率放大器(2)放大后送给激励声源(3)，激励声源发(3)出的声波推动被测扬声器部件(4)产生振动；与此同时，将传声器(6)对准被测部件(4)的中心位置，并通过采集到的声信号和激励信号计算出此时包含激励声源(3)、被测扬声器部件(4)、操作工作台(7)和激励工作台(8)及其周边空气所构成的声学环境的频率响应。

计算频率响应的公式为

其中Hp(f)是频率响应的频域表示，P(f) 是传声器采集到的声信号的频域表示，U(f) 是激励信号的频域表示。

在获得频率响应后，通过公式计算出频响补偿后的激励信号，并以此信号作为激励声源的激励信号。其中，u’(t)为频响补偿后的激励信号，u(t)为频响补偿前的激励信号，*表示卷积，Hp(f)为由(1)计算出的频率响应， ^-1 F为反傅里叶变换。

至此，频率补偿环节完成。

图6为补偿后的激励信号。图7为频响补偿前后声学测量环境的频率响应。

在完成上述频响补偿之后和正式测量之前，系统还需要进行激励信号大小的调整。由激光位移传感器(5)所拾取集的位移信号计算得出当前振幅，再与目标振幅作比较来调整激励信号的大小。若当前振幅大于目标振幅，则减小激励信号大小；反之则相反。最终使得被测扬声器部件的振幅达到目标值。

激励信号大小调整过程如下：

数据采集分析处理器(1)产生的激励信号经功率放大器(2)放大后送给激励声源(3)，激励声源发(3)出的声波推动被测扬声器部件(4)产生振动；与此同时，在保证功率放大器(2)增益不变的情况下，将激光位移传感器(5)对准被测部件(4)的边缘位置，并通过采集到的位移信号对激励信号的大小进行调整，即：若通过位移信号计算出的振幅超过了目标振幅，则减小激励信号的大小，反之则相反。

通过位移信号计算振幅的方式为(Xmax-Xmin)/2，其中Xmax为位移信号的最大值，Xmin为位移信号的最小值。

由于采用通过位移信号的最大值和最小值计算得出被测扬声器部件振幅的方式，因此，激光位移传感器在每次测量前不必校零，仅需保证位移信号的最大值和最小值在激光位移传感器的量程范围内便即可。

至此，振幅调整环节完成。

在完成上述频响补偿和振幅调整过程后，通过调整后的激励信号推动激励声源(3)，同时使用激光位移传感器(5)拾取被测部件(4)的振动位移信号，通过该信号与正弦扫频信号的关系式，即公式，计算得出位移信号的频率响应，找出其频率响应最大值所对应的频率，即为被测部件的谐振频率（如图8所示）。上述公式中的Hx(f)是频率响应的频域表示，X(f) 是激光位移传感器采集到的位移信号的频域表示，U(f) 是激励信号的频域表示。

在激励信号确定、功率放大器增益不变的前提下，不同被测扬声器部件所产生的振幅不尽相同。因此，本系统还加入了反馈修正功能，即：当系统通过位移信号检测到被测扬声器部件的振幅未达到指定振幅时，将自动启动振幅校准功能并再次测量被测扬声器部件的谐振频率。

最后，应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明做了详细的说明，但是，本领域的技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种扬声器部件谐振频率测量系统，其特征在于该系统包括数据采集分析处理器、功率放大器、激励声源、激光位移传感器、传声器、激励工作台、操作工作台和组合工装夹具；操作工作台台面以嵌入方式安装有至少一套组合工装夹具；激励声源安装在激励工作台台面上，激励工作台放置在操作工作台下方，激励工作台上的激励声源正对着夹于组合工装夹具中的被测扬声器部件；激光位移传感器和传声器固定在上下移动的多功能测量支架上，多功能测量支架固定于双轴滑台上，双轴滑台设于操作工作台上方导轨内，双轴滑台在导轨内做前后和左右任意位置移动；

所述的数据采集分析处理器上分别连接有功率放大器、激光位移传感器、传声器，功率放大器与激励声源连接，激光位移传感器和传声器测量时对着被测扬声器部件；

所述的数据采集分析处理器的功能是：为激光位移传感器和传声器供电；处理由激光位移传感器和传声器所采集的数据，并将处理结果显示和保存；将激励信号输出至功率放大器；

所述的功率放大器的功能是：将数据采集分析处理器所发出的激励信号进行放大后推动激励扬声器振动；

所述的激光位移传感器的功能是：采集被测部件的位移信号并交由数据采集分析处理器；

所述的传声器的功能是：在进行频响校准时拾取由激励扬声器所发出的声信号并交由数据采集分析处理器。

2.根据权利要求1所述的扬声器部件谐振频率测量系统，其特征在于所述的被测扬声器部件包括扬声器纸盆、振膜、定心支片这三类部件。

3.根据权利要求1所述的扬声器部件谐振频率测量系统，其特征在于激励工作台放置在操作工作台下方，两工作台台面相互平行，且留有间隙，设于下方激励工作台上的激励声源正对着设于操作工作台上方的夹于组合工装夹具内的被测扬声器部件，激励声源与被测扬声器部件之间存有一定的间隙，两者之间空气敞开，不形成腔体。

4.根据权利要求1所述的扬声器部件谐振频率测量系统，其特征在于激励声源是一个或多个不同类型的扬声器；所述的组合工装夹具由一系列半径不同的圆环组成，各圆环能够相互组合使用；在操作工作台台面设有多套组合工装夹具。

5.一种基于权利要求1所述的扬声器部件谐振频率测量系统的扬声器部件谐振频率测量方法，其特征在于所述的扬声器部件谐振频率测量方法包括校准和测量二个步骤，校准包含频响补偿和振幅调整两个部分，在完成校准过程后，开始正式测量步骤，其测量过程为：数据采集分析处理器产生的激励信号经功率放大器放大后送给激励声源，激励声源发出的声波推动被测扬声器部件产生振动；激光位移传感器拾取被测扬声器部件的振动位移信号并送回数据采集分析处理器，数据采集分析处理器对上述位移信号进行处理，并将处理结果显示和保存。

6.根据权利要求5所述的扬声器部件谐振频率测量方法，其特征在于所述的频响补偿对包含激励声源、被测扬声器部件、操作工作台和激励工作台及其周边空气所构成的声学环境做频响补偿，使得在激励声源激励下，被测扬声器部件在测量频带内的任意频率点上所受力基本相同；频响补偿方法是通过测量并计算出上述声学环境的冲激响应，并通过该冲激响应构造出补偿滤波器，进而通过该滤波器调整激励信号不同频率处的激励电压。

7.根据权利要求5所述的扬声器部件谐振频率测量方法，其特征在于所述的振幅调整使得被测扬声器部件的振幅达到期望值；其过程为：由激光位移传感器所拾取的位移信号计算得出当前振幅，将其与目标振幅作比较来调整激励信号的大小；若当前振幅大于目标振幅，则减小激励信号大小，反之则相反。

8.根据权利要求7所述的扬声器部件谐振频率测量方法，其特征在于所述的振幅的计算方式为：位移信号最大值与最小值差值的一半；因此，仅需保证位移信号的最大值和最小值在激光位移传感器的量程范围内即可。

9.根据权利要求5所述的扬声器部件谐振频率测量方法，其特征在于所述的激励信号可以是线性扫频信号或对数扫频信号。