CN105828267B - 基于超声波干涉的扬声器bl值的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明及一种基于超声波干涉的扬声器BL值的测量装置及其测量方法，主要由信号发生器、双通道示波器及位置调节器组成；其中，基座的一端设置有一对定位杆，扬声器的外缘与定位杆相切，基座上设置有滑道，下滑块设置在滑道上，下螺杆穿过下滑块，下滑块通过竖直方向的测微螺杆与水平方向的悬臂的一端相连，下滑块上还设置有滑杆，滑杆垂直固连在下滑块上，固定夹具固连在悬臂的下表面，悬臂上还设置有上螺杆，上螺杆安装有可调角度夹具；该装置可以在满足测量精度和灵敏度的前提下有效降低成本，对于尺寸不同的扬声器可以通过采用不同口径的超声波换能器和充分利用调节器所提供的四个运动自由度来适应待测量的扬声器。

Description

基于超声波干涉的扬声器BL值的测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于电声领域，具体涉及一种基于超声波干涉的扬声器BL值的测量装置及其测量方法。

背景技术

扬声器的BL值是扬声器的重要性能参数，指的是间隙磁感应强度B与有效音圈长度L的乘积。其物理意义是：反应单元的驱动强度(T.m)。测量BL值的基本方法是，在扬声器纸盆上施加负载(重物)，其质量可以用电子天平精确测量。施加重物后，扬声器纸盆将发生一定的位移，此时向扬声器通入直流电，缓慢增加电压，扬声器内的线圈受到的电磁力因此增加，推动纸盆恢复至原状态。根据力的平衡原理，此时电磁力等于负载，于是BL值由公式：m g/i计算。其中i为输入扬声器电流大小(A)，mg为重物重力(N)。由此可见，测量扬声器该参数的一个重要的前提是能够在扬声器纸盆恢复至原状态时给出提示。具体的就是应用技术手段标定扬声器纸盆的一定位移状态，如空载时的状态、施加负载后的状态等。在更加深入的研究中，还需要确定扬声器纸盆的位移与BL值的对应关系。因此还需要对纸盆一定位移状态的具体位移值进行测量。

目前，对于测量扬声器BL值时用于标定扬声器纸盆位置的方法多为接触式指示法或者较为昂贵的精光精密测距仪。

接触指示器也即利用简单电路的通断作为指示标志，这就要求一个电路回路在某位置处截断，一方与扬声器纸盆贴合(如采用金属箔)，另一方固定在空间某位置(如采用金属杆)。标记纸盆位置时，使金属杆恰好与金属箔相接触，此时电路接通，电路上的指示标记(如小灯泡)发光。由于恰好接触的状态很难调节，接触点必定存在相互作用力，就会造成纸盆和金属杆的微小变形。这种微小形变会有两方面的不良影响，一方面，一旦纸盆离开被标定位置，在弹性作用下触点处变形将得以恢复，则金属杆所标记的纸盆位置较真实位置存在偏差，由于扬声器纸盆振动幅度为毫米量级，这样的偏差往往相对过大。另一方面，利用这种方法无法测量纸盆离开被标记位置的位移，就无法确定纸盆的BL值与纸盆位移的关系，而只能在确定的状态下测量该状态的BL值。总而言之，即采用接触式指示的方法并不能十分精确的标记扬声器纸盆位置，也无法给出BL值与位移间的定量关系。

激光测距仪是一种精密的测量工具，在固定精光测距仪后，可以通过精确测量纸盆在发生位移前后较自身的距离，求出纸盆发生的位移，纸盆的位移状态可以通过测量纸盆与测距仪间的精确距离直接标记。精光测距仪价格较高，实际的扬声器参数测量中，应用激光测距仪不适应经济性原则。此外，激光测距仪涉及的是光学法，与本发明的声学声学方法有所区别。

而采用超声波的方法，尽管超声波的波长要远远大于激光波长，但是较之纸盆振动的毫米级别幅度而言，只需采用较高的超声波的频率便可有效降低超声波波长，以提高干涉状态对于位移变化的敏感度，从而使测量精度以达到工程测量的精度要求，获得足够多的数据。因此本发明的优点在于较接触式方法可高精度标记纸盆在空间中的位置，并较精光测距方法有效降低成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超声波干涉的扬声器纸盆BL值的测量装置，以消除目前所采用技术的以上缺点。该装置可以在满足测量精度和灵敏度的前提下有效降低成本，对于尺寸不同的扬声器可以通过采用不同口径的超声波换能器和充分利用调节器所提供的四个运动自由度来适应待测量的扬声器，这就决定了本发明应用时的灵活性。

本发明为了解决以上问题采用的技术方案如下：

一种基于超声波干涉的扬声器纸盆位移测量装置，主要由信号发生器12、双通道示波器13及位置调节器组成；其中，位置调节器主要由超声波换能器1、定位杆2、下滑块3、基座4、下螺杆5、测微螺杆7、上螺杆10及悬臂8组成，基座4的一端设置有一对定位杆2，扬声器14的外缘与定位杆2相切(保证信号传播平面)，基座4上设置有滑道，下滑块3设置在滑道上，下螺杆5穿过下滑块3，用于推动下滑块3在滑道中自由移动，下滑块3通过竖直方向的测微螺杆7与水平方向的悬臂8的一端相连，通过测微螺杆7可以调节悬臂8的上下运动，下滑块3上还设置有滑杆6，滑杆6垂直固连在下滑块3上，悬臂8上有与滑杆6对应的通孔，滑杆6穿过该通孔，使悬臂8不会发生水平方向旋转，只能竖直方向的平动。固定夹具9固连在悬臂8的下表面，夹持口竖直向下，悬臂长450mm，固定夹具9固定在距离悬臂带有通孔的一端150mm处，用于夹持超声波换能器；悬臂8上还设置有上螺杆10，上螺杆10安装有可调角度夹具11，用来夹持超声波换能器；信号发生器12通过导线与双通道示波器13和一个超声波换能器连接，另一个超声波换能器与双通道示波器连接。

进一步地，所述的定位杆2为圆柱杆。

进一步地，所述的可调角度夹具11具有旋转关节，用于调节超声波换能器1的角度；

进一步地，通过调节上螺杆10使两个超声波换能器间的水平距离在0到300mm范围内变化。

进一步地，测微螺杆7的精度为0.01mm，测量范围为0-200mm。

一种基于超声波干涉的扬声器纸盆位移测量装置的测量方法，具体步骤如下：

(1)、首先测量扬声器的空载状态，进行纸盆初始位置的标记：

打开信号发生器和双通道示波器，调节信号发生器的信号频率至超声波换能器的谐振频率，示波器上显示正弦波输出信号，调节超声波换能器的位置和相对位置，直至输出信号出现极大值，即超声波换能器间的声波形成驻波，并且接收换能器表面处于波腹位置，输出信号此状态即对应纸盆的初始位置；

(2)、测量扬声器空载状态下的BL值，即为0位移状态下的BL值：

用电子天平称量一定质量的重物，将重物放置在扬声器纸盆中央，纸盆受负载作用发生向下的位移，向扬声器中通入直流电，提高电压，使得纸盆恢复至初始位置，当纸盆恢复至初始位置时，输出信号再次出现输出信号极大值，即换能器间声波为驻波状态，并且接收换能器表面处于波腹位置，利用公式：BL＝mg/i即可计算出零位移即空载下的BL值,其中mg为重物重力(N)，i为直流电流(A)；

(3)、测量扬声器负载状态下的BL值，并测量负载引起的位移：

重复标记空载状态的过程，向纸盆施加一定质量的重物，纸盆发生一定的位移，双通道示波器的输出信号发生变化，调节测微螺杆7使得悬臂整体向下移动，当超声波换能器和纸盆间的相对位置恢复至空载状态时，即输出信号恢复至极大值，换能器间声波为驻波状态，并且接收换能器表面处于波腹位置，利用测微螺杆7对应刻度值变化读出测微螺杆7下降的位移，即为纸盆在负载作用下的位移，重复步骤(2)，即在有负载的基础上，施加额外的一定质量的重物mg，通入一定大小的电流i使扬声器纸盆恢复至原位置，代入公式BL＝mg/i，即可测出纸盆一定位移下，扬声器的BL值。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明提供的装置操作简单，易于实现，且所得数据点个数多，数据值可靠。由于该装置采用反射式接受，即将超声波换能器接入本装置的夹具后，对于倾角30°的纸盆，其可以将敏感位移缩短至原来的2/3，即约0.03mm，考虑到测微螺杆7的精度可达0.01mm这样的精度对于3mm位移范围的扬声器可以产生约100个数据点，足以清晰描述位移BL值的特征。

附图说明

图1是本发明的基于超声波干涉的扬声器纸盆位移测量装置的结构示意图；

图2是本发明的位置调节器的侧视图；

图3是本发明的位置调节器的仰视图；

图4是本发明的调节接收换能器角度和位置的原理示意图；

图5是本发明的确定声波入射面几何原理的示意图；

图6是本发明的基于超声波干涉的扬声器纸盆位移测量装置的有负载状态下的结构示意图。

其中：超声波换能器1、定位杆2、下滑块3、基座4、下螺杆5、滑杆6、测微螺杆7、悬臂8、固定夹具9、上螺杆10、可调角度夹具11、信号发生器12、双通道示波器13、扬声器14、重物15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，本发明实施方式不限于以下方式，采用与之相同或相似的实施方式而实现相同的测定效果，均在本发明的保护范围之内。

实施例1、空载或自然状态下的扬声器BL值得测量

如附图1—5所示，一种基于超声波干涉的扬声器纸盆位移测量装置，主要由信号发生器12、双通道示波器13及位置调节器组成；其中，位置调节器主要由超声波换能器1、定位杆2、下滑块3、基座4、下螺杆5、测微螺杆7、上螺杆10及悬臂8组成，基座4的一端设置有一对定位杆2，扬声器14的外缘与定位杆2相切(保证信号传播平面)，基座4上设置有滑道，下滑块3设置在滑道上，下螺杆5穿过下滑块3，用于推动下滑块3在滑道中自由移动，下滑块3通过竖直方向的测微螺杆7与水平方向的悬臂8的一端相连，通过测微螺杆7可以调节悬臂8的上下运动，下滑块3上还设置有滑杆6，滑杆6垂直固连在下滑块3上，悬臂8上有与滑杆6对应的通孔，滑杆6穿过该通孔，使悬臂8不会发生水平方向旋转，只能竖直方向的平动。固定夹具9固连在悬臂8的下表面，夹持口竖直向下，悬臂长450mm，固定夹具9固定在距离悬臂的一端150mm处，用于夹持超声波换能器；悬臂8上还设置有上螺杆10，上螺杆10安装有可调角度夹具11，用来夹持超声波换能器；信号发生器12通过导线与双通道示波器13的x通道和一个超声波换能器连接，另一个超声波换能器与双通道示波器的y通道连接。信号发生器12的输出信号经传输线分别进入发射换能器1和示波器13的x通道。接收换能器经传输线连接在示波器的y通道。

其中，定位杆2为圆柱杆，可调角度夹具11具有旋转关节，用于调节超声波换能器1的角度，通过调节上螺杆10使两个超声波换能器间的水平距离在0到300mm范围内变化。

进一步地，测微螺杆7的精度为0.01mm，测量范围为0-200mm。

一种基于超声波干涉的扬声器纸盆位移测量装置的测量方法，具体步骤如下：

(1)、进行测量前的准备工作：

将位置调节器和扬声器放置在实验平台上，并使扬声器与位置调节器的定位杆2相接触。如图5所示。则在误差范围内，声波的入射平面将位于扬声器的纵向对称平面。此时由位置调节器和扬声器整体具有纵向对称性，即具有纵向对称性。将超声波换能器安装在位置调节器的夹具上，固定夹具夹持的换能器与信号发生器相连接，用于发射超声波，固定夹具竖直朝向试验平台，即该换能器竖直向下发射超声波。可调角度夹具夹持的换能器与示波器相连接，用于接收超声波强度并转化为电信号，电信号进入示波器显示为信号波形。另外使用十字接口将信号发生器输出信号接入示波器。

旋转下螺杆5可在纵向对称面内调节上悬臂水平单向平动，从而改变发射器正对纸盆位置，即超声波在纸盆表面的入射点。打开信号发生器12，将信号频率调至换能器的谐振频率。上螺杆10使可调角度夹具11在纵向对称面内水平平动，同时调节可调角度夹具11的旋转关节使接收器表面正对声波在纸盆上的入射点，当接收器恰好垂直接收经纸盆反射的声波时，示波器显示的信号出现正弦波形。标志着准备工作完成。

(2)、测量扬声器空载状态的BL值：

调节测微螺杆7带动上悬臂8整体竖直方向平动，当平动至某一位置时，示波器13出现信号极大值，此时超声波在传输路径上形成驻波，且接收器表面处于驻波的波腹位置。完成标记纸盆的空载状态。

向纸盆中心加负载，施加负载过程中驻波状态将被破坏，对应示波器显示的信号波形的幅值显著下降。向扬声器通入直流电流，缓缓增大电压，当纸盆位置恢复至空载状态位置时，示波器显示的信号波形的幅值再次恢复为极大值，此时表明，纸盆位置已恢复。根据此时通入扬声器的直流电流i以及加载在扬声器纸盆上的负载重量mg，应用公式：BL＝mg/i即可计算出零位移即空载下的BL值,其中mg为重物重力(N)，i为直流电流(A)。

实施例2、有负载状态下位移与BL值测量

(1)在加载前，根据实施例1标记空载状态，完成标记时输出信号的波形幅值为极大值；施加的负载为P，加载后，情形如图6所示。注意：有负载下测量扬声器BL值的初始状态即为此加载状态。

(2)调节测微螺杆7，使得悬臂8在纵向对称面内向着扬声器纸盆位移的方向平动，当平动的距离恰好等于纸盆在负载作用下发生的位移时，换能器与纸盆相对位置恢复至与空载状态相同，示波器显示输出信号的波形幅值恢复极大值，换能器间声波为驻波状态，并且接收换能器表面处于波腹位置，读取测微螺杆7的刻度变化，即为纸盆的位移，设为r。此时，由于输出信号幅值为极大值，扬声器的位置处于被标记状态。

向纸盆中心加负载，施加负载过程中驻波状态将被破坏，对应示波器显示的信号波形的幅值显著下降。向扬声器通入直流电流，缓缓增大电压，当纸盆位置恢复至空载状态位置时，示波器显示的信号波形的幅值再次恢复为极大值，此时表明，纸盆位置已恢复。根据此时通入扬声器的直流电流i以及加载在扬声器纸盆上的负载重量mg，应用公式：BL＝mg/i即可计算出在位移r即负载P下的BL值,其中mg为重物重力(N)，i为直流电流(A)。

完成实施例1和实施例2后可以得到两组位移—BL值数据点，通过改变实施例2中施加的负载P的质量，可以得到更多数据点。

Claims (4)

1.一种基于超声波干涉的扬声器BL值的测量装置，其特征在于，主要由信号发生器(12)、双通道示波器(13)及位置调节器组成；其中，位置调节器主要由超声波换能器(1)、定位杆(2)、下滑块(3)、基座(4)、下螺杆(5)、测微螺杆(7)、上螺杆(10)及悬臂(8)组成，基座(4)的一端设置有一对定位杆(2)，扬声器(14)的外缘与定位杆(2)相切，基座(4)上设置有滑道，下滑块(3)设置在滑道上，下螺杆(5)穿过下滑块(3)，用于推动下滑块(3)在滑道中自由移动，下滑块(3)通过竖直方向的测微螺杆(7)与水平方向的悬臂(8)的一端相连，通过测微螺杆(7)可以调节悬臂(8)的上下运动，下滑块(3)上还设置有滑杆(6)，滑杆(6)垂直固连在下滑块(3)上，悬臂(8)上有与滑杆(6)对应的通孔，滑杆(6)穿过该通孔，使悬臂(8)不会发生水平方向旋转，只能竖直方向的平动，固定夹具(9)固连在悬臂(8)的下表面，夹持口竖直向下，夹持超声波换能器；悬臂(8)上还设置有上螺杆(10)，上螺杆(10)安装有可调角度夹具(11)，夹持超声波换能器；信号发生器(12)通过导线与双通道示波器(13)和一个超声波换能器连接，另一个超声波换能器与双通道示波器连接；所述的悬臂长450mm，固定夹具(9)固定在距离悬臂带有通孔的一端150mm处；所述的定位杆(2)为圆柱杆；所述的可调角度夹具(11)具有旋转关节。

2.如权利要求1所述的一种基于超声波干涉的扬声器BL值的测量装置，其特征在于，所述的两个超声波换能器间的水平距离在0到300mm范围。

3.如权利要求1所述的一种基于超声波干涉的扬声器BL值的测量装置，其特征在于，所述的测微螺杆(7)的精度为0.01mm，测量范围为0-200mm。

4.一种如权利要求1所述的一种基于超声波干涉的扬声器BL值的测量装置的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)、首先测量扬声器的空载状态，进行纸盆初始位置的标记：

打开信号发生器和双通道示波器，调节信号发生器的信号频率至超声波换能器的谐振频率，示波器上显示正弦波输出信号，调节超声波换能器的位置和相对位置，直至输出信号出现极大值，即超声波换能器间的声波形成驻波，并且接收换能器表面处于波腹位置，输出信号此状态即对应纸盆的初始位置；

(2)、测量扬声器空载状态下的BL值，即为0位移状态下的BL值：

用电子天平称量一定质量的重物，将重物放置在扬声器纸盆中央，纸盆受负载作用发生向下的位移，向扬声器中通入直流电，提高电压，使得纸盆恢复至初始位置，当纸盆恢复至初始位置时，输出信号再次出现输出信号极大值，即换能器间声波为驻波状态，并且接收换能器表面处于波腹位置，利用公式：BL＝mg/i即可计算出零位移即空载下的BL值,其中mg为重物重力，i为直流电流；

(3)、测量扬声器负载状态下的BL值，并测量负载引起的位移：

重复标记空载状态的过程，向纸盆施加一定质量的重物，纸盆发生一定的位移，双通道示波器的输出信号发生变化，调节测微螺杆7使得悬臂整体向下移动，当超声波换能器和纸盆间的相对位置恢复至空载状态时，即输出信号恢复至极大值，换能器间声波为驻波状态，并且接收换能器表面处于波腹位置，利用测微螺杆7对应刻度值变化读出测微螺杆下降的位移，即为纸盆在负载作用下的位移，重复步骤(2)，即在有负载的基础上，施加额外的一定质量的重物mg，通入一定大小的电流i使扬声器纸盆恢复至原位置，代入公式BL＝mg/i，即可测出纸盆一定位移下，扬声器的BL值。