CN113483882A - 一种电控发声装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种电控发声装置，可以作为汽车行业的声学激励，开展传递路径分析测试。该电控发声装置中，在滞回电压解锁电路中的解锁开关和触发电路中的触发开关均断开时，若滞回电压解锁电路中的第二运算放大器输出高电平且触发电路中的第一运算放大器输出低电平，促使布置在交流电源和变压器之间的开关电路形成为超级电容充电的通路；在触发电路中的触发开关被闭合且滞回电压解锁电路中的解锁开关保持断开时，若滞回电压解锁电路中的第二运算放大器输出的信号由低电平跳变为高电平且触发电路中的第一运算放大器输出高电平，促使布置在交流电源和变压器之间的开关电路重新形成为超级电容充电的通路；触发开关被闭合时，触发发声头利用超级电容中存储的能量进行发声。
Description
技术领域
本发明属于汽车振动噪声测试领域，具体涉及一种电控发声装置。
背景技术
振动噪声性能是车辆的重要性能指标。振动、噪声和粗糙度（NVH）成了专门研究领域，拥有多学科背景，涉及多物理场，和车辆其它性能深度耦合、高度相关。传递路径分析(TPA)是识别激励源到车内响应的能量传递，利用结构优化设计，完善系统阻抗匹配，直接降低结构噪声和空气噪声传递率，从而降低车内响应。传递路径分析是从系统动力学角度，开展激励探测、系统传递函数识别和响应预测分析工作，是建立“输入激励-系统传递函数-输出响应”之间的动力学关系，在这三个量中，在线性时不变动力学基本假设下，通过测试其中两个量，就能够识别第三个量。
利用TPA技术可以识别某一条路径的贡献量，可以对各路径结构声、空气声贡献量分析排序，找到贡献量最大的路径，从而为优化设计提供方向性指导。由于减少了大量工装设计，手工磨具设计和零部件换装，减少了基于传统控制变量法的优化设计工作量，可以一次性分析十几个路径，因而提升了优化设计工作效率。
要完成TPA，就必需考虑车内振动和噪声响应的激励源构成。不论是燃油车还是纯电动汽车，激励都可以分为三个大类，第一类是动力总成内部激励力，第二类是路面，第三类是流动空气。动力总成的工作原理和结构设计决定了存在动态激励力，驾驶运行车辆时流动空气始终存在，激励分别以力或者压力的形式出现。通常把车辆内部噪声源分为两类，一类是空气声、一类是结构声。不管是哪种噪声形式，目前比较贴近工程应用的简化处理方式是考虑结构声系统的传递函数，传递函数是系统NVH性能非参数化描述，是非常重要的“中间环节”，测试振-声传递函数仅仅靠压电力锤或者大功率激振器是不够的，因为结构表面法向通常没有力锤敲击所需的运动空间，也没有安装相应激振设备的空间，即使有空间允许使用力锤，也无法完成表面两个切向方向的传递函数测试。通过凸台工装结构完成测试的方法，效率低下，且修改了结构动态特性，结构粘贴刚度不足的情况下容易引起测试误差。解决这个测试难题的方法是联合使用三向加速度传感器和体积加速度声源，在互易性原理假设下，可以在消声室环境下完成系统传递函数测试，识别系统极点和振型。
体积声源是汽车行业做传递路径分析必不可少的硬件设备，分为体积速度声源和体积加速度声源。作为一种发声激励装置，通常内置大量程麦克风和扬声器，对体积声源要求有较宽频响范围、较大输入功率、较小体积。公开的体积声源专利技术有多种形式，一种是采用参考声腔容积方法以便计算得到体积速度；一种是基于体积速度测试，进行模拟电路微分，得到体积加速度；也有研究报道，类似于P-P声强测试技术，使用两个或者多个麦克风通过差分算法间接完成体积加速度测试。现有体积声源激励方式，一部分是基于函数发生器发出信号，经过滤波和功率放大，发出声音；一部分是通过控制执行机构运动，发出扫频信号。由于功率放大器有带宽限制和功率限制，容易在高频引起信号畸变，因此功率放大设备主要应用于低频。基于管道声学，在一维假设下完成入射声和反射声分离的技术，会受到管道尺寸截止频率限制，无法分析高频部分，高频互易性结果差。
发明内容
本发明是一种电控发声装置，该装置可以作为汽车行业的声学激励，开展传递路径分析测试。
本发明的技术方案为：
本发明实施例提供了一种电控发声装置，包括：
交流电源、变压器（B2）、开关电路（3）、超级电容（5）、发声头（6）、滞回电压解锁电路（8）和触发电路（9）；
在所述滞回电压解锁电路（8）中的解锁开关（SB2）和所述触发电路（9）中的触发开关（SB1）均断开时，若所述滞回电压解锁电路（8）中的第二运算放大器（IC4）输出高电平且所述触发电路（9）中的第一运算放大器（IC3）输出低电平，促使布置在交流电源和所述变压器（B2）之间的开关电路（3）形成为所述超级电容（5）充电的通路；
在所述滞回电压解锁电路（8）中的解锁开关（SB2）和所述触发电路（9）中的触发开关（SB1）均断开时，若所述滞回电压解锁电路（8）中的第二运算放大器（IC4）输出的信号由高电平跳变为低电平且所述触发电路（9）中的第一运算放大器（IC3）输出低电平，促使布置在交流电源和所述变压器（B2）之间的开关电路（3）形成停止为所述超级电容（5）充电的断路；
在所述滞回电压解锁电路（8）中的解锁开关（SB2）被闭合时，通过机械联动装置带动所述触发电路（9）中的触发开关（SB1）断开，若所述滞回电压解锁电路（8）中的第二运算放大器（IC4）输出低电平且所述触发电路（9）中的第一运算放大器（IC3）输出的信号由低电平跳变为高电平，促使布置在交流电源和所述变压器（B2）之间的开关电路（3）形成停止为所述超级电容（5）充电的断路；
在所述触发电路（9）中的触发开关（SB1）被闭合且所述滞回电压解锁电路（8）中的解锁开关（SB2）保持断开时，若所述滞回电压解锁电路（8）中的第二运算放大器（IC4）输出的信号由低电平跳变为高电平且所述触发电路（9）中的第一运算放大器（IC3）输出高电平，促使布置在交流电源和所述变压器（B2）之间的开关电路（3）重新形成为所述超级电容（5）充电的通路；同时，所述触发开关（SB1）被闭合时，触发所述发声头（6）利用所述超级电容（5）中存储的能量进行发声。
优选地，所述电控发声装置还包括：
AC-DC芯片（B1）；
与所述AC-DC芯片（B1）连接的稳压电路（7），所述稳压电路（7）用于将AC-DC芯片（B1）的电压转换为两路低压；
所述触发电路（9）的一端连接所述AC-DC芯片（B1）；
所述稳压电路（7）的一路低压输出作为所述触发电路（9）的参考电压，所述稳压电路（7）的另一路低压输出作为所述滞回电压解锁电路（8）的参考电压。
优选地，所述装置还包括：
连接在所述超级电容（5）和所述变压器（B2）之间的整流滤波电路（4）；
连接在所述整流滤波电路（4）和所述超级电容（5）之间的取样电路，所述取样电路与所述滞回电压解锁电路（8）的取样端连接。
优选地，所述开关电路（3）包括：
相连接的限流电阻（R16）和防静电电阻（R17），所述限流电阻（R16）与所述触发电路（9）的输出端连接，所述防静电电阻（R17）的另一端接地；
单向可控硅（SCR1），所述单向可控硅（SCR1）的正极与所述滞回电压解锁电路（8）的输出端连接，所述单向可控硅（SCR1）的控制极连接在所述限流电阻（R16）和所述防静电电阻（R17）之间，所述单向可控硅（SCR1）的阴极接地；
可控硅光耦（IC5），所述可控硅光耦（IC5）中的发光二极管的正极与所述滞回电压解锁电路（8）的输出端连接，所述发光二极管的负极接地；
双向可控硅（SCR2），所述双向可控硅（SCR2）的控制极连接所述可控硅光耦（IC5）中的双向触发二极管的一极；所述双向可控硅（SCR2）的第一电极连接所述交流电源，所述双向可控硅（SCR2）的第二电极连接所述变压器（B2）；
第十五电阻（R15），所述第十五电阻（R15）连接在所述双向可控硅（SCR2）的第二阳极和所述可控硅光耦（IC5）中的双向触发二极管的另一极之间。
优选地，所述滞回电压解锁电路（8）包括：
解锁开关（SB2），所述解锁开关（SB2）的一端接地；
第二运算放大器（IC4），所述第二运算放大器（IC4）的取样端连接所述取样电路；所述第二运算放大器（IC4）的参考端通过第十二电阻（R12）连接至所述稳压电路（7）的另一路低压输出端；所述第二运算放大器（IC4）的输出端通过第十三电阻（R13）分别连接所述单向可控硅（SCR1）、所述解锁开关（SB2）和所述可控硅光耦（IC5）中的发光二极管；所述第二运算放大器（IC4）的输出端还通过所述第七二极管（D7）和第十一电阻（R11）连接至所述第二运算放大器（IC4）的参考端；
所述稳压电路（7）的一路低压输出端依次连接第六二极管（D6）、第十电阻（R10）、第七二极管（D7）和第十一电阻（R11）后再连接至所述第二运算放大器（IC4）的参考端。
优选地，所述触发电路（9）包括：
触发开关（SB1）；
第一运算放大器（IC3），所述稳压电路（7）的一路低压输出端通过所述触发开关（SB1）连接所述第一运算放大器（IC3）的参考端；
第九电阻（R9），其一端连接在所述第一运算放大器（IC3）的参考端和所述触发开关（SB1）之间，另一端接地；
第一RC阻容（C7），其一端连接在所述第一运算放大器（IC3）的参考端和所述触发开关（SB1）之间，另一端接地；
其中，所述稳压电路（7）的另一路低压输出端连接所述第一运算放大器（IC3）的参考端，且所述稳压电路（7）的另一路低压输出端还通过第八电容（C8）接地；
所述第一运算放大器（IC3）的输出端一路连接至所述限流电阻（R16）；另一路连接分压支路后接地；
场效应管（T1），所述场效应管（T1）的栅极连接所述分压支路；所述场效应管（T1）的源极接地；
电磁铁（YA），其连接在所述AC-DC芯片（B1）和所述场效应管（T1）的漏极之间；
与所述电磁铁（YA）并联设置的第五二极管（D5），其连接在所述AC-DC芯片和所述场效应管（T1）的漏极之间；
其中，所述触发开关（SB1）闭合时，给所述第一RC阻容（C7）充电，触发所述第一运算放大器（IC3）输出高电平；所述触发开关（SB1）断开时，所述第一RC阻容（R7）缓慢放电，延迟触发所述第一运算放大器（IC3）输出低电平；且所述触发开关（SB1）闭合时，所述电磁铁（YA）推进负电极向正电极运动，触发所述发声头（6）利用所述超级电容（5）中存储的能量发声；
在所述第二运算放大器（IC4）输出高电平、所述解锁开关（SB1）闭合且所述第一运算放大器（IC3）输出高电平时，所述单向可控硅（SCR1）导通且所述可控硅光耦（IC5）导通，进而带动所述双向可控硅（SCR2）导通，使交流电源和所述变压器（B2）之间形成通路。
优选地，所述装置还包括：
连接在所述交流电源和所述变压器（B2）之间的可控硅保护电路(10)；所述可控硅保护电路（10）与所述开关电路（3）并联设置，以防止所述超级电容（5）在放电过程中感生电势将所述可控硅光耦（IC5）击穿；
连接在所述交流电源之后的第一检测灯（H1），所述第一检测灯（H1）连接在所述可控硅保护电路(10)和所述开关电路（3）之前；
连接在所述变压器（B2）之前的第二检测灯（H2），且所述第二检测灯（H2）连接在所述可控硅保护电路(10)和所述开关电路（3）之后；
第三检测灯（H3），其连接在所述AC-DC芯片（B1）和所述场效应管（T1）的漏极之间，且所述第三检测灯（H3）与所述第五二极管（D5）并联；
连接在所述AC-DC芯片（B1）的正极和负极之间的第四检测灯（H4）。
优选地，所述整流滤波电路（4）包括：
全波整流桥，所述全波整流桥的第一接入端连接所述变压器（B2）的次级第一端，所述全波整流桥的第二接入端连接所述变压器（B2）的次级第二端；
旁路电容（C3），所述旁路电容（C3）连接在所述全波整流桥的第三接入端和第四接入端之间；
第一电阻（R1），所述第一电阻（R1）连接在所述全波整流桥的第三接入端和所述超级电容（5）的一端之间，所述超级电容（5）的另一端连接所述全波整流桥的第四接入端并接地；
所述取样电路的一端连接在所述第一电阻（R1）和所述超级电容（5）之间，另一端接地。
优选地，所述取样电路（2）包括：串联设置的第二电阻（R2）和第三电阻（R3），所述第三电阻（R3）的另一端接地，所述第二运算放大器（IC4）的取样端连接在所述第二电阻（R2）和所述第三电阻（R3）之间；
所述分压支路包括：串联设置的第七电阻（R7）和第八电阻（R8），所述第八电阻（R8）的一端接地，所述第七电阻（R7）的一端连接所述第一运算放大器（IC3）的输出端，所述场效应管（T1）的栅极连接在所述第七电阻（R7）和所述第八电阻（R8）之间。
优选地，所述稳压电路（7）包括：
稳压芯片（IC1），所述稳压芯片（IC1）的输入端连接所述AC-DC芯片（B1），所述稳压芯片（IC1）的输出端一路连接所述触发开关（SB1）、所述第六二极管（D6）的正极和所述第二运算放大器（IC4）的电源正极；所述稳压芯片（IC1）的输出端另一路在连接第五电容（C5）后接地，所述稳压芯片（IC1）的输出端另一路还在连接第二RC阻容（C6）吸收纹波后接地，所述稳压芯片（IC1）的输出端另一路还在连接第四电阻（R4）后连接至所述第十二电阻（R12）和第一运算放大器（IC3）的反向输入端；所述稳压芯片（IC1）的输出端另一路还连接第四电阻（R4）后通过并联稳压集成电路（IC2）接地，所述稳压芯片（IC1）的输出端另一路还在连接第四电阻（R4）后通过串联设置的第五电阻（R5）和第六电阻（R6）接地。
优选地，所述电磁铁（YA）的输出端与所述发声头（6）连接的接头处包裹有铜丝屏蔽网，所述滞回电压解锁电路（8）的取样端与所述取样电路（2）连接的接头处包裹有铜丝屏蔽网；
所述触发电路（9）、所述滞回电压解锁电路（8）、所述稳压电路（7）、所述开关电路（3）、所述单向可控硅（SCR1）和所述可控硅保护电路(10)均置于金属外壳内。
本发明与现有发声激励方式都不同，不需要使用功率放大器，这样避免了功率放大器的低通滤波作用和高频畸变问题；另外，本发明与现有专利技术所发出信号类型不同，现有激励信号类型主要是函数发声器产生的白噪声、步进正弦、扫频正弦、粉红噪声、猝发随机噪声等，都不是脉冲型噪声源，而本发明直接提供且只能提供脉冲声源；发声机理也不一样，不是通过扬声器发声而是通过电离空气发声，这是本发明技术方案与现有技术最大不同。为了使得振动响应信号满足信噪比要求，需要得到较高的瞬时脉冲幅值，通过合理匹配元器件，直接提供较高声压脉冲，这是本发明专利一个重要特色。
上述装置，在1米距离近场瞬时声压约为140dB，应用于汽车领域可满足较高信噪比测试需求，即使是普通室内环境下，加速度信噪比也满足10dB；瞬时声压持续时间短，尖脉冲激励宽度非常小，声压持续时间约为1豪秒，具有较宽的频响范围，非常适合纯电动汽车领域对高频范围内的测试需求；测试装置体积小、重量轻，便于携带和安装，短时间内没有回声干扰，这些特性对于降低测试环境要求，降低测试操作难度和提升测试结果精度具有重要意义，进一步联合大量程、宽频响麦克风测试技术就能实现系统动态特性测试，具有广阔应用背景。
本发明基本原理是通过低压电源，升压以后给放电装置充电，在放电过程中产生较大声压，直接向开阔空间辐射尖脉冲声压信号。为了储存足够电量，使用了抗高压超级电容。电路基本组成部分包含升压充电电路，整流电路，发声头，解锁开关和触发开关，自锁电路，滞回电压解锁回路，以及散热器，其他附属件包括由电压反馈构成的电量指示灯，电磁屏蔽网，高压屏蔽线缆等。
本发明创新性主要体现在使用瞬时声压发声装置，可提升在高频范围内测试精度；同时该装置可以在普通室内环境使用，仍然能够保证较高信噪比，降低了对消声室环境的需求；该发声装置体积小，发声头结构尺寸约200mm×60mm×60mm，可以放入车内等狭小空间。
附图说明
图1为本发明实施例中的装置结构组成部分示意图；
图2为本发明实施例中的装置主要详细电路设计原理图；
图3为本发明实施例中的装置产生声压测试结果图。
具体实施方式
参照图1与图2，本发明实施例提供了一种电控发声装置，包括：
交流电源、变压器B2、开关电路3、超级电容5、发声头6、滞回电压解锁电路8和触发电路9；
在所述滞回电压解锁电路8中的解锁开关SB2和所述触发电路9中的触发开关SB1均断开时，若所述滞回电压解锁电路8中的第二运算放大器IC4输出高电平且所述触发电路9中的第一运算放大器IC3输出低电平，促使布置在交流电源和所述变压器B2之间的开关电路3形成为所述超级电容5充电的通路；
在所述滞回电压解锁电路8中的解锁开关SB2和所述触发电路9中的触发开关SB1均断开时，若所述滞回电压解锁电路8中的第二运算放大器IC4输出的信号由高电平跳变为低电平且所述触发电路9中的第一运算放大器IC3输出低电平，促使布置在交流电源和所述变压器B2之间的开关电路3形成停止为所述超级电容5充电的断路；
在所述滞回电压解锁电路8中的解锁开关SB2被闭合时，通过机械联动装置带动所述触发电路9中的触发开关SB1断开，若所述滞回电压解锁电路8中的第二运算放大器IC4输出低电平且所述触发电路9中的第一运算放大器IC3输出的信号由低电平跳变为高电平，促使布置在交流电源和所述变压器B2之间的开关电路3形成停止为所述超级电容5充电的断路；
在所述触发电路9中的触发开关SB1被闭合且所述滞回电压解锁电路8中的解锁开关SB2保持断开时，若所述滞回电压解锁电路8中的运算放大器IC4输出的信号由低电平跳变为高电平且所述触发电路9中的运算放大器IC3输出高电平，促使布置在交流电源1和所述变压器B2之间的开关电路3重新形成为所述超级电容5充电的通路；同时，所述触发开关SB1被闭合时，触发所述发声头6利用所述超级电容5中存储的能量进行发声。
本发明实施例中，利用超级电容5放电过程中直接向开阔空间辐射尖脉冲声压信号，超级电容5放电时瞬时发声，实现电控发声头6发声。
本实施例中，为了击穿空气产生足够高声压，需要释放很高能量，实际采用了耐3000伏(V)以上超级电容。
其中，所述电控发声装置还包括：
AC-DC芯片B1；
与所述AC-DC芯片B1连接的稳压电路7，所述稳压电路7用于将AC-DC芯片B1的电压转换为两路低压；
所述触发电路9的一端连接所述AC-DC芯片B1；
所述稳压电路7的一路低压输出作为所述触发电路9的参考电压，所述稳压电路7的另一路低压输出作为所述滞回电压解锁电路8的参考电压。
所述装置还包括：
连接在所述超级电容5和所述变压器B2之间的整流滤波电路4；
连接在所述整流滤波电路4和所述超级电容5之间的取样电路，所述取样电路与所述滞回电压解锁电路8的取样端连接。
其中，所述开关电路3包括：
所述开关电路3包括：
相连接的限流电阻R16和防静电电阻R17，所述限流电阻R16与所述触发电路9的输出端连接，所述防静电电阻R17的另一端接地；
单向可控硅SCR1，所述单向可控硅SCR1的正极与所述滞回电压解锁电路8的输出端连接，所述单向可控硅SCR1的控制极连接在所述限流电阻R16和所述防静电电阻R17之间，所述单向可控硅SCR1的阴极接地；
可控硅光耦IC5，所述可控硅光耦IC5中的发光二极管的正极与所述滞回电压解锁电路8的输出端连接，所述发光二极管的负极接地；
双向可控硅SCR2，所述双向可控硅SCR2的控制极连接所述可控硅光耦IC5中的双向触发二极管的一极；所述双向可控硅SCR2的第一电极连接所述交流电源，所述双向可控硅SCR2的第二电极连接所述变压器B2；
第十五电阻R15，所述第十五电阻R15连接在所述双向可控硅SCR2的第二阳极和所述可控硅光耦IC5中的双向触发二极管的另一极之间。
所述滞回电压解锁电路8包括：
解锁开关SB2，所述解锁开关SB2的一端接地；
第二运算放大器IC4，所述第二运算放大器IC4的取样端连接所述取样电路；所述第二运算放大器IC4的参考端通过第十二电阻R12连接至所述稳压电路7的另一路低压输出端；所述第二运算放大器IC4的输出端通过第十三电阻R13分别连接所述单向可控硅SCR1、所述解锁开关SB2和所述可控硅光耦IC5中的发光二极管；所述第二运算放大器IC4的输出端还通过所述第七二极管D7和第十一电阻R11连接至所述第二运算放大器IC4的参考端；
所述稳压电路7的一路低压输出端依次连接第六二极管D6、第十电阻R10、第七二极管D7和第十一电阻R11后再连接至所述第二运算放大器IC4的参考端。
所述触发电路9包括：
触发开关SB1；
第一运算放大器IC3，所述稳压电路7的一路低压输出端通过所述触发开关SB1连接所述第一运算放大器IC3的参考端；
第九电阻R9，其一端连接在所述第一运算放大器IC3的参考端和所述触发开关SB1之间，另一端接地；
第一RC阻容C7，其一端连接在所述第一运算放大器IC3的参考端和所述触发开关SB1之间，另一端接地；
其中，所述稳压电路7的另一路低压输出端连接所述第一运算放大器IC3的参考端，且所述稳压电路7的另一路低压输出端还通过第八电容C8接地；
所述第一运算放大器IC3的输出端一路连接至限流电阻R16；另一路连接分压支路后接地；
场效应管T1，所述场效应管T1的栅极连接所述分压支路；所述场效应管T1的源极接地；
电磁铁YA，其连接在所述AC-DC芯片和所述场效应管T1的漏极之间；
与所述电磁铁YA并联设置的第五二极管D5，其连接在所述AC-DC芯片和所述场效应管T1的漏极之间；
其中，所述触发开关SB1闭合时，给所述第一RC阻容C7充电，触发所述第一运算放大器IC3输出高电平；所述触发开关SB1断开时，所述第一RC阻容R7缓慢放电，延迟触发所述第一运算放大器IC3输出低电平；且所述触发开关SB1闭合时，所述电磁铁YA推进负电极向正电极运动，触发所述发声头6利用所述超级电容5中存储的能量发声；
在所述第二运算放大器IC4输出高电平、所述解锁开关SB1闭合且所述第一运算放大器IC3输出高电平时，所述单向可控硅SCR1导通且所述可控硅光耦IC5导通，进而带动所述双向可控硅BCR导通，使交流电源和所述变压器B2之间形成通路。
所述装置还包括：
连接在所述交流电源和所述变压器B2之间的可控硅保护电路(10)；所述可控硅保护电路10与所述开关电路3并联设置，以防止所述超级电容5在放电过程中感生电势将所述可控硅光耦IC5击穿；
连接在所述交流电源之后的第一检测灯H1，所述第一检测灯H1连接在所述可控硅保护电路10和所述开关电路3之前；
连接在所述变压器B2之前的第二检测灯H2，且所述第二检测灯H2连接在所述可控硅保护电路10和所述开关电路3之后；
第三检测灯H3，其连接在所述AC-DC芯片B1和所述场效应管T1的漏极之间，且所述第三检测灯H3与所述第五二极管D5并联；
连接在所述AC-DC芯片B1的正极和负极之间的第四检测灯H4。
所述整流滤波电路4包括：
全波整流桥，所述全波整流桥的第一接入端连接所述变压器B2的次级第一端，所述全波整流桥的第二接入端连接所述变压器B2的次级第二端；
旁路电容C3，所述旁路电容C3连接在所述全波整流桥的第三接入端和第四接入端之间；
第一电阻R1，所述第一电阻R1连接在所述全波整流桥的第三接入端和所述超级电容5的一端之间，所述超级电容5的另一端连接所述全波整流桥的第四接入端并接地；
所述取样电路的一端连接在所述第一电阻R1和所述超级电容5之间，另一端接地。
所述取样电路2包括：串联设置的第二电阻R2和第三电阻R3，所述第三电阻R3的另一端接地，所述第二运算放大器IC4的取样端连接在所述第二电阻R2和所述第三电阻R3之间；
所述分压支路包括：串联设置的第七电阻R7和第八电阻R8，所述第八电阻R8的一端接地，所述第七电阻R7的一端连接所述第一运算放大器IC3的输出端，所述场效应管T1的栅极连接在所述第七电阻R7和所述第八电阻R8之间。
所述稳压电路7包括：
稳压芯片IC1，所述稳压芯片IC1的输入端连接所述AC-DC芯片B1，所述稳压芯片IC1的输出端一路连接所述触发开关SB1、所述第六二极管D6的正极和所述第二运算放大器IC4的电源正极；所述稳压芯片IC1的输出端另一路在连接第五电容C5后接地，所述稳压芯片IC1的输出端另一路还在连接第二RC阻容C6吸收纹波后接地，所述稳压芯片IC1的输出端另一路还在连接第四电阻R4后连接至所述第十二电阻R12和第一运算放大器IC3的反向输入端；所述稳压芯片IC1的输出端另一路还连接第四电阻R4后通过并联稳压集成电路IC2接地，所述稳压芯片IC1的输出端另一路还在连接第四电阻R4后通过串联设置的第五电阻R5和第六电阻R6接地。
优选地，所述电磁铁YA的输出端与所述发声头6连接的接头处包裹有铜丝屏蔽网，所述滞回电压解锁电路8的取样端与所述取样电路2连接的接头处包裹有铜丝屏蔽网；
所述触发电路9、所述滞回电压解锁电路8、所述稳压电路7、所述开关电路3、所述单向可控硅SCR1和所述可控硅保护电路10均置于金属外壳内。
本实施例中的上述该装置使用静电发声原理，通过电容（C1和C2）受控放电，击穿发声头6的两个临近电极之间空气层，空气分子高温电离以后剧烈运动，体积膨胀、冷却收缩，释放弹性波能量并向四周辐射声音，瞬时放电过程时间短，瞬时声压接近于一个理想尖脉冲信号。电极刚度必需足够高，以避开电极共振频率产生附加声源对信号的不利干扰，总体上电极振动发出的声音几乎可以忽略。放电电极在短时间内会通过很大的电流，带来电磁辐射，需要设计屏蔽层，避免对测试设备造成影响。同时，释放能量过程会带来热冲击，需要通过热传导和对流效应迅速冷却电极，以便重复使用过程中电极不会发生高温融化。放电会产生震荡电流，需要R1抑制和吸收震荡电流。
为了将电压升上去，采用了变压器B2并经过整流滤波电路4整流。需要选用耐高压和大电流的超级电容。闭合电源开关BX，通过变压器B2充电，解锁电路以后，当解锁开关SB2断开且触发开关SB1闭合时，超级电容5释放电流就可以促使发声头6放电并发出声音。
本实施例中的上述装置，器主要功能模块和技术设计说明如下：
、升压储能模块，包括变压器B2、超级电容5
断开触发开关SB1，接通外部电源，利用变压器B2输出高压，整流(D1-D4)以后给超级电容(C1、C2)充电，将电荷存储起来。充电过程是单向的，不需要反方向充电。同时，放电过程中，需要自动断开外部电源，以免外部电源发生短路，具有自锁功能。给超级电容5充电是受控短路，需要选用大功率电阻限流。
（2）、放电发声模块
接通超级电容5的正负极，让电流通过发声头6的电极，就可以击穿电极之间的空气层，发出声音。只有达到一定条件才能产生足够声压，缩短电极距离和提升电压都有利于触发放电，但是空气层太薄、电极距离太短，击穿空气发出声音不够响；电极距离太大，则无法提供足够高击穿电压，无法完成尖端放电，或者会受限于电容耐压上限值。通过高压放电击穿空气层的方式发声，放电击穿电压或者工作电压要远大于3000V，需要瞬时释放大量电荷，时间越短，产生的声音也越短，频响范围越宽，越有利于提供高频激励。回路电阻阻值不需要很高，但是在短时间内承受大电流冲击，需要足够高受电功率。为了减小发声头体积，采用了高压电缆分离了发声头6和作为充放电设备的超级电容5。
参考图3，高频变压器2把交流220V市电（本装置配有逆变器，可以使用12V蓄电池供电）升压成高电压，经D1、D2、D3、D4高压硅柱（虚线框内为高压整流电路板，C3为旁路电容，R1为限流电阻，R2和R3为采样电阻）组成的全波整流桥，变高压交流为高压直流电。经限流电阻R1向储能电容器C1、C2充电。从超级电容正极到负极构成的放电回路中，分布电感越小，放电持续时间越短，发出的声音越接近于理想的尖脉冲信号。通过低感抗的同轴电缆连接电极到电容，最大程度控制或缩短放电时间。过大的电流易烧毁电容，因此需要控制电极距离，并选取合理的回路电阻。存储的电荷计算为Q=U*C，采用串联电容的方式可以提升工作电压U或者降低电容耐压水平，但是串联电容以后降低了总电容C。
（3）解锁开关和触发开关设计
因为是高压大电流，设计了安全开关，在外壳没有打开的情况下解锁开关SB2处于闭合状态，外壳打开后解锁开关SB2断开，解锁开关SB2断开以后开关电路3就处于断路状态，这样可以保证不直接接触高压元器件，保障放电过程不会产生危害；利用普通按钮形成的触发开关SB1控制放电，火花间隙导通时间控制设计在纳秒级别。发声头6的电极距离应该控制在1mm左右，以保证工作稳定性。参考图2，第三运算放大器IC3（7脚）的输出分两路，一路利用场效应管T1控制放电。其中，R9与C7组成延时回路，使触发开关SB1松手后，第三运算放大器IC3还有一个稳定的工作时间。D5是电磁铁线圈YA的续流二极管，防止电磁铁线圈YA断电时，感应电动势击穿场效应管T1。第一云散放大器IC3的另一路触发单向可控硅SCR1导通，使可控硅光耦IC5的（1、2脚）短路，阻止光耦正常工作，设备自锁。要想恢复充电功能，需要按下解锁开关SB2。
（4）正反馈防止误触发设计
当取样电阻R3电压超过基准电压5V时，第四运算放大器IC4输出立即翻转为低电平，以上叙述工作状态全部反转，变压器B2停止工作，电容C1、C2上的电压停止上升。由于第四运算放大器IC4的输出端转为低电平，二极管D7中有电流流过，R11、R12、D7联合作用，实际第四运算放大器IC4的参考端的基准电压不再是5V，而是低了0.125V。计算公式为：(基准电压5V-二极管压降0.7V)*R12/（R12+R11）=0.125V，这样设计使IC4的输出端电压翻转平稳，参考电压不再是5V，而是4.875V，可以有效防止多次误触发。
（5）耐热耐压设计
发声头6的电极采用耐热的钨合金，抵抗大电流冲击，避免高温融化金属电极；电极设计为尖端放电形状，有利于放电过程；用银合金将电极头焊接到铜柱基座上，利用铜的良好导热性能，将放电过程产生热量导出，快速冷却电极，以便重复充放电。放电回路振荡能量易击穿元器件，设计高压旁路电容C3，给振荡能量提供回路，保护整流管，限流电阻R1起到消耗振荡能量的作用。
（6）电磁屏蔽设计
瞬时放电过程会产生较强的电磁辐射，危害电测设备，干扰传感器正常工作。为此，发声头6和超级电容5采用了整体式金属外壳，同时发声头6的表面附近设计了铜丝屏蔽网，加强电磁屏蔽效应，降低对其他用电设备的干扰。
使用该设备的基本步骤如下：
步骤1，打开电源开关BX，作为电源指示的第一检测灯H1亮绿灯。作为控制电源指示灯的第三检测灯H3亮绿灯，作为充电指示灯的第二检测灯H2亮黄灯，此时超级电容5正在充电。
步骤2，连接该装置和外部电源，给超级电容充电。充电时间大约10秒，第二检测灯H2进入微亮状态，这时候可进行通过触发开关SB1进行触发操作。如果30秒未触发，由于电压跌落，仪器会自动补充充电，第二检测灯H2再度亮起。
步骤3，按下触发开关SB1，让电流通过火花间隙，击穿空气层放电，释放能量，产生窄脉冲声波。松开触发开关SB1，发声头6的放电电极延时0.5秒复位。
步骤4，放电的同时，作为电路充电回路的开关电路3被关闭自锁，如果要继续放电操作，需要按下解锁开关SB2对电路解锁。
步骤5，完成振动噪声测试和系统非参数识别。在放电以后，会残余部分电荷，需断开电路，并静置一个小时以上才能彻底释放电荷，不允许在工作过程中或者放电结束以后立即打开设备。
所述方法和工程化方案仅为本发明实施例子，并不对本发明有任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、和改进等均包含在本发明中，受到专利法的保护。
Claims (11)
1.一种电控发声装置，其特征在于，包括：
交流电源、变压器（B2）、开关电路（3）、超级电容（5）、发声头（6）、滞回电压解锁电路（8）和触发电路（9）；
在所述滞回电压解锁电路（8）中的解锁开关（SB2）和所述触发电路（9）中的触发开关（SB1）均断开时，若所述滞回电压解锁电路（8）中的第二运算放大器（IC4）输出高电平且所述触发电路（9）中的第一运算放大器（IC3）输出低电平，促使布置在交流电源和所述变压器（B2）之间的开关电路（3）形成为所述超级电容（5）充电的通路；
在所述滞回电压解锁电路（8）中的解锁开关（SB2）和所述触发电路（9）中的触发开关（SB1）均断开时，若所述滞回电压解锁电路（8）中的第二运算放大器（IC4）输出的信号由高电平跳变为低电平且所述触发电路（9）中的第一运算放大器（IC3）输出低电平，促使布置在交流电源和所述变压器（B2）之间的开关电路（3）形成停止为所述超级电容（5）充电的断路；
在所述滞回电压解锁电路（8）中的解锁开关（SB2）被闭合时，通过机械联动装置带动所述触发电路（9）中的触发开关（SB1）断开，若所述滞回电压解锁电路（8）中的第二运算放大器（IC4）输出低电平且所述触发电路（9）中的第一运算放大器（IC3）输出的信号由低电平跳变为高电平，促使布置在交流电源和所述变压器（B2）之间的开关电路（3）形成停止为所述超级电容（5）充电的断路；
在所述触发电路（9）中的触发开关（SB1）被闭合且所述滞回电压解锁电路（8）中的解锁开关（SB2）保持断开时，若所述滞回电压解锁电路（8）中的第二运算放大器（IC4）输出的信号由低电平跳变为高电平且所述触发电路（9）中的第一运算放大器（IC3）输出高电平，促使布置在交流电源和所述变压器（B2）之间的开关电路（3）重新形成为所述超级电容（5）充电的通路；同时，所述触发开关（SB1）被闭合时，触发所述发声头（6）利用所述超级电容（5）中存储的能量进行发声。
2.根据权利要求1所述的电控发声装置，其特征在于，所述电控发声装置还包括：
AC-DC芯片（B1）；
与所述AC-DC芯片（B1）连接的稳压电路（7），所述稳压电路（7）用于将AC-DC芯片（B1）的电压转换为两路低压；
所述触发电路（9）的一端连接所述AC-DC芯片（B1）；
所述稳压电路（7）的一路低压输出作为所述触发电路（9）的参考电压，所述稳压电路（7）的另一路低压输出作为所述滞回电压解锁电路（8）的参考电压。
3.根据权利要求2所述的电控发声装置，其特征在于，所述装置还包括：
连接在所述超级电容（5）和所述变压器（B2）之间的整流滤波电路（4）；
连接在所述整流滤波电路（4）和所述超级电容（5）之间的取样电路（2），所述取样电路（2）与所述滞回电压解锁电路（8）的取样端连接。
4.根据权利要求3所述的电控发声装置，其特征在于，所述开关电路（3）包括：
相连接的限流电阻（R16）和防静电电阻（R17），所述限流电阻（R16）与所述触发电路（9）的输出端连接，所述防静电电阻（R17）的另一端接地；
单向可控硅（SCR1），所述单向可控硅（SCR1）的正极与所述滞回电压解锁电路（8）的输出端连接，所述单向可控硅（SCR1）的控制极连接在所述限流电阻（R16）和所述防静电电阻（R17）之间，所述单向可控硅（SCR1）的阴极接地；
可控硅光耦（IC5），所述可控硅光耦（IC5）中的发光二极管的正极与所述滞回电压解锁电路（8）的输出端连接，所述发光二极管的负极接地；
双向可控硅（SCR2），所述双向可控硅（SCR2）的控制极连接所述可控硅光耦（IC5）中的双向触发二极管的一极；所述双向可控硅（SCR2）的第一电极连接所述交流电源，所述双向可控硅（SCR2）的第二电极连接所述变压器（B2）；
第十五电阻（R15），所述第十五电阻（R15）连接在所述双向可控硅（SCR2）的第二阳极和所述可控硅光耦（IC5）中的双向触发二极管的另一极之间。
5.根据权利要求4所述的电控发声装置，其特征在于，所述滞回电压解锁电路（8）包括：
解锁开关（SB2），所述解锁开关（SB2）的一端接地；
第二运算放大器（IC4），所述第二运算放大器（IC4）的取样端连接所述取样电路（2）；所述第二运算放大器（IC4）的参考端通过第十二电阻（R12）连接至所述稳压电路（7）的另一路低压输出端；所述第二运算放大器（IC4）的输出端通过第十三电阻（R13）分别连接所述单向可控硅（SCR1）、所述解锁开关（SB2）和所述可控硅光耦（IC5）中的发光二极管；所述第二运算放大器（IC4）的输出端还通过第七二极管（D7）和第十一电阻（R11）连接至所述第二运算放大器（IC4）的参考端；
所述稳压电路（7）的一路低压输出端依次连接第六二极管（D6）、第十电阻（R10）、第七二极管（D7）和第十一电阻（R11）后再连接至所述第二运算放大器（IC4）的参考端。
6.根据权利要求5所述的电控发声装置，其特征在于，所述触发电路（9）包括：
触发开关（SB1）；
第一运算放大器（IC3），所述稳压电路（7）的一路低压输出端通过所述触发开关（SB1）连接所述第一运算放大器（IC3）的参考端；
第九电阻（R9），其一端连接在所述第一运算放大器（IC3）的参考端和所述触发开关（SB1）之间，另一端接地；
第一RC阻容（C7），其一端连接在所述第一运算放大器（IC3）的参考端和所述触发开关（SB1）之间，另一端接地；
其中，所述稳压电路（7）的另一路低压输出端连接所述第一运算放大器（IC3）的参考端，且所述稳压电路（7）的另一路低压输出端还通过第八电容（C8）接地；
所述第一运算放大器（IC3）的输出端一路连接至所述限流电阻（R16）；另一路连接分压支路后接地；
场效应管（T1），所述场效应管（T1）的栅极连接所述分压支路；所述场效应管（T1）的源极接地；
电磁铁（YA），其连接在所述AC-DC芯片（B1）和所述场效应管（T1）的漏极之间；
与所述电磁铁（YA）并联设置的第五二极管（D5），其连接在所述AC-DC芯片和所述场效应管（T1）的漏极之间；
其中，所述触发开关（SB1）闭合时，给所述第一RC阻容（C7）充电，触发所述第一运算放大器（IC3）输出高电平；所述触发开关（SB1）断开时，所述第一RC阻容（C7）缓慢放电，延迟触发所述第一运算放大器（IC3）输出低电平；且所述触发开关（SB1）闭合时，所述电磁铁（YA）推进负电极向正电极运动，触发所述发声头（6）利用所述超级电容（5）中存储的能量发声；
在所述第二运算放大器（IC4）输出高电平、所述解锁开关（SB1）闭合且所述第一运算放大器（IC3）输出高电平时，所述单向可控硅（SCR1）导通且所述可控硅光耦（IC5）导通，进而带动所述双向可控硅（SCR2）导通，使交流电源和所述变压器（B2）之间形成通路。
7.根据权利要求6所述的电控发声装置，其特征在于，所述装置还包括：
连接在所述交流电源和所述变压器（B2）之间的可控硅保护电路(10)；所述可控硅保护电路（10）与所述开关电路（3）并联设置，以防止所述超级电容（5）在放电过程中感生电势将所述可控硅光耦（IC5）击穿；
连接在所述交流电源之后的第一检测灯（H1），所述第一检测灯（H1）连接在所述可控硅保护电路(10)和所述开关电路（3）之前；
连接在所述变压器（B2）之前的第二检测灯（H2），且所述第二检测灯（H2）连接在所述可控硅保护电路(10)和所述开关电路（3）之后；
第三检测灯（H3），其连接在所述AC-DC芯片（B1）和所述场效应管（T1）的漏极之间，且所述第三检测灯（H3）与所述第五二极管（D5）并联；
连接在所述AC-DC芯片（B1）的正极和负极之间的第四检测灯（H4）。
8.根据权利要求4所述的电控发声装置，其特征在于，所述整流滤波电路（4）包括：
全波整流桥，所述全波整流桥的第一接入端连接所述变压器（B2）的次级第一端，所述全波整流桥的第二接入端连接所述变压器（B2）的次级第二端；
旁路电容（C3），所述旁路电容（C3）连接在所述全波整流桥的第三接入端和第四接入端之间；
第一电阻（R1），所述第一电阻（R1）连接在所述全波整流桥的第三接入端和所述超级电容（5）的一端之间，所述超级电容（5）的另一端连接所述全波整流桥的第四接入端并接地；
所述取样电路（2）的一端连接在所述第一电阻（R1）和所述超级电容（5）之间，另一端接地。
9.根据权利要求6所述的电控发声装置，其特征在于，
所述取样电路（2）包括：串联设置的第二电阻（R2）和第三电阻（R3），所述第三电阻（R3）的另一端接地，所述第二运算放大器（IC4）的取样端连接在所述第二电阻（R2）和所述第三电阻（R3）之间；
所述分压支路包括：串联设置的第七电阻（R7）和第八电阻（R8），所述第八电阻（R8）的一端接地，所述第七电阻（R7）的一端连接所述第一运算放大器（IC3）的输出端，所述场效应管（T1）的栅极连接在所述第七电阻（R7）和所述第八电阻（R8）之间。
10.根据权利要求6所述的电控发声装置，其特征在于，所述稳压电路（7）包括：
稳压芯片（IC1），所述稳压芯片（IC1）的输入端连接所述AC-DC芯片（B1），所述稳压芯片（IC1）的输出端一路连接所述触发开关（SB1）、所述第六二极管（D6）的正极和所述第二运算放大器（IC4）的电源正极；所述稳压芯片（IC1）的输出端另一路在连接第五电容（C5）后接地，所述稳压芯片（IC1）的输出端另一路还在连接第二RC阻容（C6）吸收纹波后接地，所述稳压芯片（IC1）的输出端另一路还在连接第四电阻（R4）后连接至所述第十二电阻（R12）和第一运算放大器（IC3）的反向输入端；所述稳压芯片（IC1）的输出端另一路还连接第四电阻（R4）后通过并联稳压集成电路（IC2）接地，所述稳压芯片（IC1）的输出端另一路还在连接第四电阻（R4）后通过串联设置的第五电阻（R5）和第六电阻（R6）接地。
11.根据权利要求7所述的电控发声装置，其特征在于，所述电磁铁（YA）的输出端与所述发声头（6）连接的接头处包裹有铜丝屏蔽网，所述滞回电压解锁电路（8）的取样端与所述取样电路（2）连接的接头处包裹有铜丝屏蔽网；
所述触发电路（9）、所述滞回电压解锁电路（8）、所述稳压电路（7）、所述开关电路（3）、所述单向可控硅（SCR1）和所述可控硅保护电路(10)均置于金属外壳内。
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