CN115855237A - 基于声级计的传声器故障自动识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于声级计的传声器故障自动识别系统。本发明包括传声器，将声信号转换为电信号；前置放大器，将电信号滤波放大后的输出电压e0输出到声级计主机信号反馈端；声级计主机，检验时生成故障识别电压ei，接收输出电压e0；外接电容器，将故障识别电压ei在外接电容器和前置放大器之间分配。声级计主机根据检验时接收的不同频率的声压级故障识别信号下的输出电压e0与对应的参考输出电压比较，判断传声器是否故障。不需要额外的校准工具或者需要实验室环境，局限性小，故障诊断方便。

Description

基于声级计的传声器故障自动识别系统

技术领域

本发明涉及传声器故障识别领域，尤其涉及一种基于声级计的传声器故障自动识别系统。

背景技术

声级计上的传声器属于高灵敏度传感器，极易损坏，碰撞、跌落会导致传声器振膜破损，而且随着时间的增加振膜也会老化，这些都会导致传声器的灵敏度或频响发生改变，使测量结果不准确。

传统的传声器测量方法需要用校准器来校准灵敏度，用静电激励法测量频响，前者需要用到专用校准器具，后者只有实验室才能做到，实现起来都比较有局限性。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种传声器校准方法”，其公告号CN101895809B，，包括由前至后依次连接的消声器、待校准传声器安装段、标准传声器安装段与声源，且在待校准传声器安装段上开有待校准传声器安装孔，用于安装待校准传声器；标准传声器安装段上开有标准传声器安装孔，用于安装标准传声器。根据不同的频率选择不同的两个标准传声器安装孔安装两只标准传声器，测量得消声器复反射系数r，继而获得待校准传声器的复灵敏度曲线；由声源分别发出不同频率的声波，得到待校准传声器的复灵敏度曲线，从而达到了待校准传声器校准的目的。该方案需要安装特定的校准器实现，具有一定的局限性。

发明内容

本发明主要解决现有技术的传声器测量方法需要专门的校准工具或者需要实验室环境，具有局限性的问题；提供基于声级计的传声器故障自动识别系统，将电容器与传声器和故障识别前置放大器输入的组合串联在一起，检验时发送故障信号，信号在小电容器和传声器前置放大器阻抗之间分配，根据反馈信号判断传声器是否故障。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

基于声级计的传声器故障自动识别系统，包括

传声器，将声信号转换为电信号；

前置放大器，将电信号滤波放大后的输出电压e0输出到声级计主机信号反馈端；

声级计主机，检验时生成故障识别电压ei，接收输出电压e0；

外接电容器，将故障识别电压ei在外接电容器和前置放大器之间分配。

声级计主机根据检验时接收的不同频率的声压级故障识别信号下的输出电压e0与对应的参考输出电压比较，判断传声器是否故障。

系统出厂时，声级计主机分别生成不同频率声压级的故障识别信号ei，通过外接电容器分配输入到前置放大器，同时接收返回信号e0，分别保存各个频率点的声压级作为参考。声级计使用时，ei为断开状态，所以不会影响声级计测量。当需要检查传声器是否正常时，声级计主机分别生成不同频率声压级的故障识别信号从ei，通过外接电容器分配输入到前置放大器，同时接收返回信号e0，分别与之前保存的各频率点声压级作对比，如果差值超过±0.5dB，则传声器有故障。不需要额外的校准工具或者需要实验室环境，局限性小，故障诊断方便。

作为优选，所述的传声器包括电容Cm；前置放大器包括放大器以及并联的电容Ci和电阻Ri；电容Cm的一端通过放大器连接到声级计主机的信号反馈端，电容Ci的一端与电容Cm的一端连接，电容Cm的另一端接地；外接电容器Cc的一端与电容Cm的一端连接，电容器Cc的另一端与声级计主机的故障信号发射端连接。

作为优选，所述的外接接容器为设置在PCB两侧的铜片。由于该电容很小，且为了减少电容的寄生电感，使用了在PCB两面加铜片来实现电容的效果。

作为优选，所述的外接电容器的容值设计为：

其中，

为外接电容器的电容量；

A为铜片平面的面积；

Dk为板间介质的介电常数；

K为真空介电常数；

H为铜片平面之间的厚度。

计算出所需电容值的铜片平面面积。

作为优选，所述的外接电容器的铜片由内到外包括一块实心铺铜以及若干环形铺铜，铺铜之间通过焊锡连接。通过不同的铺铜面积实现不同的电容容值，以检测不同程度的传声器故障。

作为优选，故障识别电压ei在外接电容器和前置放大器之间分配的设计为：

其中，e0为输出到声级计主机的输出电压；

ei为声级计主机生成的故障识别电压；

g为故障识别前置放大器增益；

Cc为故障识别输入的外接电容器容值；

Cm为传声器电容；

Ci为前置放大器输入电容容值。

由于Cc和Ci都远小于Cm，导致输出e0与传声器的电容Cm近似成反比。传声器电容Cm的任何细微变化都将反映在测量输出e0的变化中。当声信号直接加到传声器上时，通道电气部分的变化也将使输出e0变化。当故障识别信号ei关闭时，电容器Cc对故障识别前置放大器的输入电容Ci的贡献很小，而对测量输出e0的影响也很小。 当故障识别信号ei打开时，如果传声器有损坏就会导致Cm变化，从而导致e0的变化，这个变化会被声级计主机测得，主机通过对比传声器损坏前后的e0差就能判断出传声器是否损坏。

作为优选，所述的声级计主机分别生成250Hz、500Hz、1000Hz、8000Hz 声压级114dB的故障识别信号。

本发明的有益效果是：

1. 将电容器与传声器和故障识别前置放大器输入的组合串联在一起，检验时发送故障信号，信号在小电容器和传声器前置放大器阻抗之间分配，根据反馈信号判断传声器是否故障。不需要额外的校准工具或者需要实验室环境，局限性小，故障诊断方便。

2.通过不同的铺铜面积实现不同的电容容值，以检测不同程度的传声器故障。

3. 使用了在PCB两面加铜片来实现电容的效果，电容小，且减少了电容的寄生电感。

附图说明

图1是本发明的传声器故障自动识别系统连接示意图。

图2是本发明的外接电容的铜片的结构示意图。

图中1.传声器，2.前置放大器，3.声级计主机，4.外接电容器，5.实心铺铜，6.环形铺铜。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例的基于声级计的传声器故障自动识别系统，如图1所示，包括依次连接的传声器1、前置放大器2、声级计主机3和外接电容器4。

传声器1中包括电容Cm，传声器1用于将声信号转换为电信号。

前置放大器2将电信号滤波放大后的输出电压e0输出到声级计主机信号反馈端。前置放大器2包括电容Ci、电阻Ri和放大器F。

外接电容器4为电容Cc，外接电容器4将故障识别电压ei在外接电容器4和前置放大器2之间分配。外接电容器4和前置放大器2构成了故障识别前置放大器，用于阻抗变换，且带有故障识别电路。

声级计主机3接收电信号，计算并显示噪声数据。且带有故障识别软件，检验时生成故障识别电压ei，接收输出电压e0。

电容Ci和电阻Ri并联，电容Cm的一端通过放大器F连接到声级计主机3的信号反馈端，电容Ci的一端与电容Cm的一端连接，电容Cm的另一端接地。外接电容器Cc的一端与电容Cm的一端连接，电容器Cc的另一端与声级计主机3的故障信号发射端连接。

声级计主机3中故障识别信号ei生成，输入到外接电容器Cc，外接电容器Cc与传声器1和前置放大器输入的组合串联在一起，信号在电容器和传声器前置放大器阻抗之间分配，故障识别电压ei在外接电容器和前置放大器之间分配满足：

其中，e0为输出到声级计主机的输出电压。

ei为声级计主机生成的故障识别电压。

g为故障识别前置放大器增益，典型值0.98。

Cc为故障识别输入的外接电容器容值，0.2pF。

Cm为传声器电容，对于1/2英寸传声器典型值15pF。

Ci为前置放大器输入电容容值，0.3pF。

Ri为故障识别前置放大器输入电阻，典型值15GΩ；由于其与电容Ci并联，且阻抗远大于电容Ci的容抗，所以在计算时忽略不计。

由于电容Cc和电容Ci都远小于电容Cm，导致输出电压e0与传声器1的电容Cm近似成反比。传声器1的电容Cm的任何细微变化都将反映在测量输出电压e0的变化中。

当声信号直接加到传声器1上时，通道电气部分的变化也将使输出电压e0变化。

当故障识别电压ei关闭时，外接电容器Cc对前置放大器的输入电容Ci的贡献很小，而对测量输出电压e0的影响也很小。

当故障识别电压ei打开时，如果传声器1有损坏就会导致电容Cm变化，从而导致输出电压e0的变化，这个变化会被声级计主机3测得，声级计主机3通过对比传声器1损坏前后的输出电压e0差就能判断出传声器1是否损坏。

本实施例的方案加入了外接电容器4，电容Cc的容值选取为0.2pF，由于该电容很小，且为了减少电容的寄生电感，使用在PCB两面加铜片来实现电容的效果。PCB上设置包括前置放大器2和声级计主机3等电路结构，外接电容器的容值设计为：

其中，

为外接电容器的电容量，在本实施例中为0.2pF。

A为铜片平面的面积。

Dk为板间介质的介电常数，在本实施例中为4.5。

K为真空介电常数，值为8.854 187 818× 10-12(F/m)。

H为铜片平面之间的厚度，在本实施例中为1mm。

通过上述公式可得出铜片平面面积A约为

，在PCB两面画出该面积的 铜皮，即实现了0.2pF的电容。

为了能确定故障类型，实现了可动态配置的电容方案，通过不同的铺铜面积实现不同的电容容值，以检测不同程度的传声器故障。将电容Cc的铺铜设计成如图2所示。

外接电容器4的铜片由内到外包括一块实心铺铜5以及若干环形铺铜6，铺铜之间通过焊锡连接。

在本实施例中，实心铺铜5为矩形铺铜，环形铺铜6为与实心铺铜5形状适配的矩形镂空铺铜，以实心铺铜5为中心，由内到外依次设置在对应的环形铺铜镂空处。各铺铜之间通过焊锡连接。

将铺铜设计为环形结构，连接点通过焊锡连接，从中心开始，连接各环的连接点，以实现不同面积的铺铜。

当铺铜面积较小时，电容Cc容值很小，传声器1的电容变化到输出电压e0的变化将很敏感，可以检测到细微的问题如振膜老化、有灰尘、有水汽等。

当铺铜面积较大时，电容Cc容值增大，传声器的电容变化到输出电压e0的变化将不那么敏感，可以检测到如振膜破损、褶皱等问题。

通过不同面积大小的铜片配置，以检测不同程度的传声器故障。

本实施例的系统使用过程为：

系统出厂时，声级计主机3分别生成250Hz、500Hz、1000Hz、8000Hz声压级114dB的故障识别电压ei输入到前置放大器2，同时接收返回的输出电压e0，分别保存各个频率点的声压级作为参考。

声级计使用时，ei为断开状态，所以不会影响声级计测量。

当需要检查传声器1是否正常时，声级计主机3分别生成250Hz、500Hz、1000Hz、8000Hz 声压级114dB的故障识别电压ei输入到前置放大器2，同时接收返回的输出电压e0，分别与之前保存的各频率点声压级作对比，如果差值超过±0.5dB，则传声器有故障。

应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.基于声级计的传声器故障自动识别系统，其特征在于，包括

传声器，将声信号转换为电信号；

前置放大器，将电信号滤波放大后的输出电压e0输出到声级计主机信号反馈端；

声级计主机，检验时生成故障识别电压ei，接收输出电压e0；

外接电容器，将故障识别电压ei在外接电容器和前置放大器之间分配；

声级计主机根据检验时接收的不同频率的声压级故障识别信号下的输出电压e0与对应的参考输出电压比较，判断传声器是否故障。

2.根据权利要求1所述的基于声级计的传声器故障自动识别系统，其特征在于，所述的传声器包括电容Cm；前置放大器包括放大器以及并联的电容Ci和电阻Ri；电容Cm的一端通过放大器连接到声级计主机的信号反馈端，电容Ci的一端与电容Cm的一端连接，电容Cm的另一端接地；外接电容器Cc的一端与电容Cm的一端连接，电容器Cc的另一端与声级计主机的故障信号发射端连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于声级计的传声器故障自动识别系统，其特征在于，所述的外接接容器为设置在PCB两侧的铜片。

4.根据权利要求3所述的基于声级计的传声器故障自动识别系统，其特征在于，所述的外接电容器的容值设计为：

其中，

为外接电容器的电容量；

A为铜片平面的面积；

Dk为板间介质的介电常数；

K为真空介电常数；

H为铜片平面之间的厚度。

5.根据权利要求3所述的基于声级计的传声器故障自动识别系统，其特征在于，所述的外接电容器的铜片由内到外包括一块实心铺铜以及若干环形铺铜，铺铜之间通过焊锡连接。

6.根据权利要求1或2所述的基于声级计的传声器故障自动识别系统，其特征在于，故障识别电压ei在外接电容器和前置放大器之间分配的设计为：

其中，e0为输出到声级计主机的输出电压；

ei为声级计主机生成的故障识别电压；

g为故障识别前置放大器增益；

Cc为故障识别输入的外接电容器容值；

Cm为传声器电容；

Ci为前置放大器输入电容容值。

7.根据权利要求1所述的基于声级计的传声器故障自动识别系统，其特征在于，所述的声级计主机分别生成250Hz、500Hz、1000Hz、8000Hz 声压级114dB的故障识别信号。

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