CN1152851A - 电声转换器件参数的测量方法及其测量系统 - Google Patents

Abstract

一种电声转换器件参数的测量方法及其测量系统，其方法是：对器件输入间断的窄脉冲信号，测出其输出信号，对输出及输入信号进行数学变换及运算处理，得到所需参数；测量系统，包括一标准传声器、一主机及其周边设备；在计算机控制系统操作程序控制下，一信号发生器给被测器件提供特定发射信号；一电子开关实时接收来自标准传声器或信号发生器的信号，经抗混淆滤波器、前置放大器、A/D转换器及采样保持器分别滤波、放大、转换及时采样后，输入到计算机控制系统进行变换及运算处理，处理结果由所述周边设备输出。

Description

电声转换器件参数的测量方法及其测量系统

本发明涉及一种电声转换器件参数的测量方法及其测量系统，特别是一种在普通房间进行测量的一种电声转换器件参数的测量方法及其测量系统。

随着科学技术的进步，特别是音频电子技术的发展，声学这门古老的学科正在渗入各技术领域，电声器件日趋完善，因此，声学参数的测试，特别是电声器件参数的测试越来越受到人们的重视，在电器行业中电声指标的测量也是必不可少的一门技术，在我国，为了控制产品质量，该行业中规定，没有经过测试的器件及设备不许发放许可证；目前世界各国通用的电声参数的测试都是建立在一百多年前由物理学家Rayligh提出的稳态理论基础上的；根据这种理论，对电声参数测量时，必须将待测设备置于自由声场中进行，所谓自由声场即声场中各点的声压与该点到声源的距离成反比的声场。在理论上自由声场只能是将声源处于无穷大的几何空间中才能形成，在实际环境中这种条件是不可能实现的，为了模拟自由声场，人们耗费巨资建设消声室。在消声室中，其六个界面上设置了吸声性强的吸声材料(是一种结构十分复杂的声学元件)，基本消除了各界面的反射声场，因而，可在一定频率范围内形成近似的自由声场。由此可见，消声室是电声参数测量的一大关键；由于大多数生产单位无力建造消声室，就无法进行产品质量的中间控制，目前这些厂家多是携带产品到有消声室的单位进行测试，非常不便，且延长了生产周期，这种情况严重影响了我国电声技术的发展。

上述测试方法存在以下缺点：

1、耗资大：建立一个消声室系统约化费650万元(包括设备费)，很多用户建立不起消声室；

2、利用现有的一般设备条件无法进行电声器件瞬态响应特性的测量，但瞬态响应特性是电声转换器件的重要性能之一；

3、在消声室中进行电声转换器件参数的测试工作量十分浩大，需要用的设备多。

为了解决电声转换器件参数的非消声室测量，各国科技工作者进行了大量研究及开发工作，七十年代美国人Cable提出用扫频信号及延迟技术模拟自由声场；丹麦B.K.公司购买了这一技术推出″5842″单元，与其它仪器配套使用；后来B.K.公司又提出应用闸门系统的专用单元″4440″与其它设备配合作出在普通房间进行电声测量，但由于其原理中的固有矛盾，加之配套设备价格昂贵而无法推广。

另外，有人企图采用电子技术人为地改善测试环境的声学参数，如西德曾有人提出在反射墙上贴压电材料，以此接收到的信号送到发射端进行处理，以抵消反射信号的方法，得到近似的自由声场。由于房间声场结构十分复杂，所以一直没有达到实用水平。

本发明的主要目的在于提供一种在普通房间就可进行电声转换四端网络参数测量的测量方法及其测量系统。

本发明的另一目的在于提供一种可测量电声转换器件的稳态指标，可测量电声转换器件的瞬态响应的综合智能化的电声参数的测量方法及其测量系统。

本发明的目的之三在于提供一种测量效果好，且成本低的电声转换器件参数的测量方法及其测量系统。

本发明的目的之四在于提供一种简单而直接的测量电子四端网络(如电子功率放大器)的瞬态互调失真(TIM)的测量方法；在现有技术中尚无一种能直接测量瞬态互调失真的设备。

本发明的理论根据如下：

普通房间之所以不能形成自由声场，是因为当声源发射信号时，房间边界会产生反射信号，并迭加在直达声信号上；若声源不发射连续稳态信号，而发射脉冲信号，接收端在反射信号到来之前只接收直达信号，在发射信号达之时关闭接收通道，那么接收到的直达声就是完全的自由声场了。

我们可以证明，采用数字信号处理(DSP)对发射脉冲和接收的直达脉冲进行必要的运算，就可求得所需要的被测器件的各种电声参数。

数学分析如下：

如图1所示，在普通测试房间1设置待测电声转换器件2及标准测试传声器3；假设待测电声器件2的传递函数为S(ω)，输入信号为f(t)；测试传声器3的传递函数为M(ω)，输出信号为g(t)；并且它们的相应频域函数分别为：F(ω)及及G(ω)，即：

f(t)＝F(ω)；g(t)＝G(ω)

设此系统的等效算子为L，则：

g(t)＝L[f(t)]    (1)

用付里叶算子F作用(1)式两端，即可得：

G(ω)＝H(ω)F(ω)        (2)

由于H(ω)＝S(ω)M(ω)    (3)

由于作为标准测试传声器的M(ω)为常数，在适当归一后，可令此常数为1，所以(1)式可变为：

G(ω)＝S(ω)×M(ω)·F(ω)＝S(ω)× F(ω)

因此：S(ω)＝G(ω)÷F(ω) (4)

相应的，在离散情况下：

Sn＝Gn÷Fn                (5)

也就是说，待测电声转换器件的频应曲线可以通过对输入输出信号(脉冲)进行谱分析而得到。这样求解频应曲线的物理问题就转化为求解传递函数的数学问题了，也就是时域问题转移到了频域求解问题，且两者是完全等效的。

当然，由式(1)得到式(2)的前提条件是电声转换器件(L)为一线性系统，从声学原理可知，作为电声转换器件在一定的振幅范围内，其微分方程就是波动方程，即线性方程(即在小振幅范围内，电声系统是一个线性系统)。而实际测量中，其非线性失真不超过10％，也即不超过0.9db，是允许的。所以(4)和(5)式总是成立的。

根据国标规定，电声器件主要参数有十余项之多，从频域角度，不难发现这些参数均可以谱线为基础求得，如：方向性、谐波失真、互调失真、瞬态响应等都可以谱线求得。

方向性：是求某个固定谱线在各个方向上的总和；

谐波失真：单频输入时的谱分析；

互调失真：两个特定正弦波迭加时的谱分析；

瞬态响应：是求3.15KHZ的脉冲和15KHZ的正弦波的谱分析；等。

因此，以数字信号处理理论为基础，采用计算机技术，可以通过谱分析得到电声器件的所有参数。这样我们采用瞬态测试理论，不仅可以取消消声室，而可以用同一台设备求得所有参数。

为达到上述目的，本发明采取如下测量方法及其测量系统：

本发明的电声转换器件参数的测量方法，其步骤如下：

a.在电声转换器件的输入端输入一预定信号f(t)；

b.测出电声转换器件的输出信号g(t)；

c.对所述输出及输入信号进行运算；

其特征在于：

所述输入信号f(t)为间断的脉冲信号，在进行运算前，对输出及输入信号进行便于谱分析的快速付里叶变换或小波变换。

所述电声转换器件参数的测量方法，其特征在于，

所述信号的输入、测量、变换及运算可在计算机控制下进行；

所述输入的脉冲信号为一宽度为10μS～20μS的窄脉冲信号。

所述电声转换器件参数的测量方法，其特征在于，

所述输入的脉冲信号为一宽度为10μS的窄脉冲信号。

一种实现上述测量方法的电声转换器件参数的测量系统，其特征在于，其包括一标准传声器、一主机及其周边设备；

所述主机包括计算机控制系统、用于产生各种特殊要求的信号发生器及功率放大器、电子开关、抗混淆滤波器、前置放大器、A/D转换器及采样保持器、功能键、显示器、电源；

被测电声转换器件连接在所述主机的信号输出端，标准传声器连接在主机的信号输入端，输入端设有两个由电子开关选择联接的信号通道：相应于所述发射信号的A通道及相应于接收信号的B通道；

在所述计算机控制系统控制下，信号发生器给被测电声转换器件提供发射信号f(t)；所述电子开关在实时接收来自标准传声器或信号发生器的信号，接收信号经抗混淆滤波器、前置放大器、A/D转换器及采样保持器分别滤波、放大、转换、采样后，输入到计算机控制系统进行所述付里叶变换或小波换的运算处理，处理结果由显示器显示及由所述周边设备输出；所述计算机控制系统中存有专用操作程序及所述数学变换软件。

本发明具有如下效果：

由于本发明是以数字信号处理理论为基础，采用计算机技术，可以通过频谱分析及采用瞬态测试理论得到电声转换器件的所有参数。这样，电声转换器件的参数测量就可以在普通房间中进行，而且可以用同一台设备求得电声转换器件的所有参数，打破了必须在消声室进行电声参数测量的常规。本发明的测量方法省时、省力，而且可节省巨大建筑资金，为电声器件的常规测试提供了方便；利用本发明的方法及设备对电声器件性能测量的结果与在消声室中测量的结果完全相似，如图6、7所示。总之，本发明为电声转换器件的参数测量技术开辟了新途径。

以下结合附图及实施例对本发明电声转换器件参数测量电路及其测量方法进行详细说明。

附图说明：

图1：分发明的电声转换器件参数测试状态参数设定示意图；

图2：本发明的一实施例的电路方框图；

图3：本发明的计算机控制系统的内存分配和数据流动示意图；

图4：本发明的电路接口概况示意图；

图5：本发明的应用程序流程示意图。

图6：采用以往的测量方法在消声室中测得的扬声器的频应曲线示意图。

图7：采用本发明的测量方法在普通房间中测得的扬声器的频应曲线示意图。

如图2所示，其为本发明的一实施例的电路方框图，其包括主机10及周边设备如打印机21及绘图仪22，以及一标准传声器3；主机10包括计算机控制系统14、用于产生各种变换函数的信号发生器及功率放大器11、电子开关16、抗混淆滤波器17、前置放大器18、采样保持器及A/D转换器19、功能键15、显示器12、电源13；被测电声器件2连接在主机10的信号输出端，标准传声器3连接在主机10的信号输入端，输入端设有两个由电子开关联接的信号通道：相应于发射信号f(t)的A通道及相应于接收信号g(t)的B通道；

在功能键15作用下，函数发生器及功率放大器11在计算机控制系统14控制下给被测电声转换器件2提供发射信号f(t)；电子开关16在计算机控制系统14控制下实时接收来自标准传声器3或函数发生器及功率放大器11的信号，该信号经抗混淆滤波器17、前置放大器18、采样保持器及A/D转换器19分别滤波、放大及转换后，输入到计算机控制系统14进行数据处理，处理结果由显示器12显示及由打印机21及绘图仪22输出。

主机10面板的功能键设置可为：

功率放大器的谐波失真；

互调失真；

瞬态互调失真；

功率放大器频应曲线；

频应曲线；

阻抗特性曲线；

方向特性。

主机10面板的功能键15设置：

总清：将有关寄存器清零；

启动：对需要分步骤进行的操作，它可作为暂停后从新启动而设置。

参数输入键：

测方向性时的频率设定；

标准传声器灵敏度设定，以备在坐标上作绝对标度之用。此键可在内面板上设置。

输入输出选择键：

坐标选择，直角坐标或极坐标；

输出选择：对数或线性；

打印机启动选择；

X-Y绘图仪选择；

显示放大。

如图3所示，本发明的计算机控制系统14的内存分配和数据流动示意图；计算机控制系统14的内存包括运算区(RAM)31、结果区(RAM)32、程序和参数存放区(RAM或EPROM)33，由A/D缓存(由定点一浮点)输入数据存入运算区(RAM)31，运算结果数据存入结果区(RAM)32；由结果区处理后的信号输出到相应的I/O接口。

为完成前述功能本机存有下述固定子程序：

1.规格化；  2.浮点加；  3.浮点减；  4.浮点乘；

5.浮点除；

6.定点转换成浮点；  7.浮点转换成定点；

8.FFT程序(1024个标本点)；

9.求对数；  10.求正弦；  11.求余弦；

12.其中(含有可公共使用的程序块)。

如图4所示，其为本发明的电路接口概况示意图；各寄存器功能说明如下：

1.M_频率值：此寄存器数值可由主机设置，也可由面板设置。在信号源“自动”工作状态由M_频率值决定高稳定信号源的工作频率，经信号源的类型选择直接由功能键选择。

2.M_{输入信号选择}：根据需要确定选择A、B通道中的某一通道的数据输入模/数转换器，如可设定：

0-A通道，1-B通道；

3.M_开始调整：

通知“放大器调整单元”是否进行放大量调整，如可设定：

0-不调整，1-调整；

4.M_放大值：存储放大量最后结果的数字表示，以作绝对标度用。放大量调整前，该寄存器总是零，随着放大量的衰减而增加，可逐步对寄存器内容加1。

5.M_调整好：通知主机“放大器调整单元”已经调整完毕；如可作如下设置：

0-“放大器调整”正在进行；

1-“放大器调整”已经结束。

6.M_{滤波器选择}：在前置放大器18中插入不同的滤波器：如可作如下设置：

0-低通滤波器截止频率为20KHZ；

1-低通滤波器截止频率为2KHZ；

2-低通滤波器截止频率为500HZ；

3-低通滤波器截止频率为100HZ。

7.M_接收完：模/数转换器接收1024个点后通知主机可以接收数据，如可作如下设置：

0-模/数转换器正在接收；

1-模/数转换器已接收1024个点，主机可工作。

8.M_封输入：将模/数转换器封锁，不再输入，如可作如下设置：

0-模/数转换器可以输入；

1-模/数转换器输入端封闭。

9.总清：总清键按下后，执行以下动作：

a、将M_频率值、M_{输入信号选择}、M_开始调整、M_放大值和M_{滤波器选择}等寄存器以及A/D缓存寄存器的地址计数器、内存地址计数器置零；

b、将M_调整好、M_接收完、M_封输入置“1”。

10.启动：仅用于瞬态(TIM)测量中。

对关键部件的说明：

本发明的测试系统的关键在于：

1.前置放大器：考虑到电声转换器件的灵敏度及频宽，标准传声器的灵敏度和A/D灵敏度，对前置放大器要求如下：

频宽及不均匀度：20HZ～20KHZ，≤0.1db

电压放大倍数：  ≥60db，

信噪比：        S/N≤40db，

谐波失真：      ≤0.1％。

2.信号发生器：

应能产生下述五种信号：

单频正弦波；

宽度为10～20μs的脉冲；

单周期猝发声；

两个政弦波信号按振动幅一定比例的迭加；

3.15KHZ脉冲和15KHZ正弦波之和；

各单频正弦波的谐波失真≤0.001％；

频率稳定度为10^-7。

本发明采用数字频率直接合成脉冲。

3.窄脉冲宽度的选择：

它受很多条件限制，若窄脉冲宽度选择过宽，则(4)式或(5)式中的某些F(ω)或Fn为0，无法完成运算，并且脉冲过宽可能使接收端无法分辨直达声与反射声信号；若窄脉冲宽度选择过窄，则f(t)稳定，使得测试结果离散性大。窄脉冲宽度可选择10μS；振幅可反算测试所用房间的最小尺寸。

如图5所示，其为本发明的应用程序流程示意图；

在开始测量时首先进入总清51，然后进入程序52：读入面板的设置参数，再进入程序53：功能码转移，然后选择进入程序54中的一个，其包括541～547，它们分别是：谐波失真，互调失真，瞬态失真，频应曲线，扬声器频应特性，扬声器阻抗特性，扬声器方向特性；选项测试后，进入程序55--I/O：参数状态改变，始总清状态如改变，则进入程序561～563它们分别是：打印程序，按面板设置参数更新显示数据，绘图程序；如改变，则回到初始总清状态；这样即可得到所需测量项目的结果数据。

软件的关键：

1、时窗函数的选择和实现

实际的时窗函数g(t)是直达声和反射声迭加的连续信号，为获得代表自由声场的直达声，需要采集的信号g(t)必须是有限长的。为此，就需要对g(t)进行适当截尾；截尾对频域带来的后果是，在频域函数G(ω)中附加一些新的成份，这是我们所不希望的为使截尾效应的影响降低到最低限度，必须根据具体要求选取适当的时窗函数，较适合的时窗函数为Hammin时窗，并要求将时窗函数用软件优化到1秒左右。

2、数字滤波器的设计

众所周知，应用离散信号的FFT技术得到的频谱结构的频率分辨率Δf＝f_n/N(f_n为采样频率，N为采样点数)，也就是说，对于相同的f_n和N，Δf是相同的。但在电声测量中，频应曲线必须绘在双对数坐标中，这种绘图方式要求在不同频率的Δf是不同的，频率越高，Δf越低，为此，在软件设计时，将整个频域分成四个部分：

a、20HZ～100HZ

b、100HZ～500HZ

c、500HZ～2KHZ

d、2KHZ～20KHZ

这就要求在处理每个信号时，必须设计三个低通滤波器，其通带内不均匀度不能超过+0.5db，衰减斜率为：98db/oct.。

在测量过程中，在将信号送入计算机控制系统进行变换及运算处理时，分别通过其转折频率各为100HZ、500HZ、2KHZ、20KHZ的四个低通滤波器后，分段进行相应变换和处理，然后再将其连接为一连续的频应曲线。

综合考虑全套设备的定时特性，要求每个滤波器的运算时间不能超过1秒。

3、1024个样本点的快速付里叶变换FFT(或小波变换)

本发明的实施例采用快速付里叶变换FFT，设备中反复应用的程序包是FFT，所以这一软件运行速度是整个设备实时性的关键；综合各种因素，确定每个FFT运行时间不得超过1.5秒。

4、样本点数与猝发声周期相应的自动调整

在测量电声器件和四端网络的谐波失真时，f(t)应为单周期猝发声信号。为保证采样后的离散信号可以复原为原始信号，样本点N必须与所有可能的单周期猝发声信号的周期相等，否则由于频率的重抽样而使得信号附加很多其他谱线，带来很大误差，因此必须设计一种自动调节的方法，各个频率的猝发声周期与N样吻合。

Claims (10)

1、一种电声转换器件参数的测量方法，其步骤如下：

a.在器件的输入端输入一预定的信号f(t)；

b.测出器件的输出信号g(t)；

c.对所述输出及输入信号进行运算；

其特征在于：

所述输入信号f(t)为间断的脉冲信号，在进行运算前，对输出及输入信号进行便于谱分析的数学变换。

2、根据权利要求1所述的电声转换器件参数的测量方法，其特征在于：

所述变换为快速付里叶变换。

3、根据权利要求1所述的电声转换器件参数的测量方法，其特征在于：

所述信号的输入、测量、变换及运算是在计算机控制下进行的；

所述输入的脉冲信号为一宽度为10μS～20μS的窄脉冲信号。

4、根据权利要求3所述的电声转换器件参数的测量方法，其特征在于：

所述输入的脉冲信号为一宽度为10μS的窄脉冲信号。

5、根据权利要求1所述的电声转换器件参数的测量方法，其特征在于：

所述变换为小波变换。

6、一种实现权利要求1～5所述电声转换器件参数的测量方法的电声转换器件参数的测量系统，其特征在于：

其包括一标准传声器、一主机及其周边设备；

所述主机包括计算机控制系统、用于产生各种特殊要求的信号发生器及功率放大器、电子开关、抗混淆滤波器、前置放大器、采样保持器及A/D转换器、功能键、显示器、电源；

被测电声转换器件连接在所述主机的信号输出端，标准传声器连接在主机的信号输入端，输入端设有两个由电子开关选择联接的信号通道：相应于所述发射信号的A通道及相应于接收信号的B通道；

在所述计算机控制系统控制下，所述信号发生器给被测电声转换器件提供发射信号f(t)；所述电子开关在实时接收来自标准传声器或信号发生器的信号，接收信号经抗混淆滤波器、前置放大器、A/D转换器及采样保持器分别滤波、放大、转换、采样后，输入到计算机控制系统进行所述变换及运算处理，处理结果由显示器显示及由所述周边设备输出；

所述计算机控制系统中存有专用操作程序及所述数学变换软件。

7、根据权利要求6所述的电声转换器件参数的测量系统，其特征在于，所述前置放大器具有如下技术性能：

频宽及不均匀度：20HZ～20KHZ，≤0.1db

电压放大倍数：  ≥60db，

信噪比：        S/N≤40db，

谐波失真：      ≤0.1％。

8、根据权利要求6所述的电声转换器件参数的测量系统，其特征在于，

对所述信号发生器可产生下述五种信号：

单频正弦波；

宽度为10μs的脉冲；

单周期猝发声；

两个正弦波信号按振动幅一定比例的迭加；

3.15KHZ脉冲和15KHZ正弦波之和；

单频正弦波：

谐波失真≤0.001％

频率稳定度为10^-7。

9、根据权利要求8所述的电声转换器件参数的测量系统，其特征在于，所述各种信号采用数字频率直接合成。

10、根据权利要求4所述的电声转换器件参数的测量系统，其特征在于，所述周边设备为打印机及绘图仪。

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