揚聲器參數集成檢測系統的研究

穆瑞林，周振南，許增樸，宋華建

(1.天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點實驗室，天津 300222；2.天津科技大學 機械工程學院，天津 300222)

1 引言

諧振頻率、正負極性和絕緣阻抗是揚聲器的三個重要參數。目前工業生產上對揚聲器上述參數的檢測需要三個工位并進行三次裝卡才能完成，效率低、誤差大、檢測成本高[1]。為了節省人力資源、提高生產效率和自動化程度，提出了揚聲器三參數集成測量的方法，并設計由數據采集卡、計算機構成的揚聲器的三參數集成檢測系統。通過集成檢測系統，可以實現一鍵對揚聲器的正負極性、絕緣阻抗和諧振頻率的測量，并通過軟件界面顯示檢測結果。實驗結果表明，集成檢測系統可最大幅度的減少人為干預，降低生產成本，提高產品的檢測效率，滿足企業要求。

2 系統原理

2.1 諧振頻率測量原理

揚聲器的諧振頻率為其阻抗曲線上的最大阻抗模值對應的頻率[2]。當電路中存在定值電阻和變電阻時，如果定值電阻的阻值大于變電阻阻值10倍以上，變電阻阻值變化對回路阻值影響較小，即可實現回路恒流，揚聲器的電壓曲線就與阻抗曲線成正比，這樣就可通過電壓曲線找到諧振頻率點[3，4]。電路圖如圖1所示，這里的R為串聯大電阻，Z為揚聲器等效電阻，整個回路的電流接近恒定，揚聲器電壓曲線與阻抗曲線近似。

圖1 恒壓法測諧振頻率原理圖

系統所研究的某型號揚聲器參數如下：額定功率：P=12w，最大阻值：Z=10Ω，由式(1)可知揚聲器的額定工作電壓約11v。

(1)

由恒流原理，需串聯電阻大于等于10倍R，即100Ω。根據上述原理，對不同型號的揚聲器進行了計算。為了獲得穩定的恒流電路，選擇了160Ω的電阻。

實驗中使用的激勵信號為正弦掃頻信號，其公式如下：

(2)

掃頻范圍：50HZ-1510Hz。掃頻信號的原始波形在示波器顯示如圖2所示，圖3為掃頻信號激勵揚聲器通過傳聲器采集到的響應信號波形。

圖2 掃頻信號原始波形

圖3 揚聲器諧振頻率響應信號波形

2.2 正負極性測量原理

通過改變揚聲器線圈內的電流使揚聲器發聲，變化的電流產生的磁場與揚聲器內部永磁場相互作用，迫使音圈做切割磁感線運動，從而帶動與音圈相連的振膜壓迫空氣震動，因而發出某一頻率的聲音[5]。如果揚聲器的正負極性是反向的，產生的電流流向、振膜的振動方向以及壓迫空氣產生的反電動勢方向也是相反的[6]。集成檢測系統以方波信號為激勵信號，通過對響應的聲信號進行處理，從而檢測揚聲器的正負極性，其原理如圖4所示，圖5為測試中使用的方波信號。當方波信號激勵一個極性正確的揚聲器時，激勵信號高電平的上升沿處，振膜向外振動，聲壓先達到正向的最大值，而后衰減為零；極性錯誤的揚聲器的振膜振動方向相反，先達到負向最大值處后衰減為零。利用這個原理，通過數據采集卡的采集通道采集經功率放大器放大后的聲壓信號，經由計算機分析，判斷聲壓信號達到第一個峰值的正負來檢測揚聲器的極性是否合格。極性合格的揚聲器和極性故障的揚聲器的聲壓波形如圖6、圖7所示。

圖4 聲壓法測正負極性原理圖

圖5 方波信號示波器顯示的波形

圖6 極性正確的響應信號波形

圖7 極性故障的響應信號波形

2.3 絕緣阻抗測量原理

由揚聲器參數的檢測標準可知[7]，揚聲器的線圈和盆架之間的絕緣電阻不小于1MΩ。集成檢測系統利用在電路中串聯電阻分壓的原理，在揚聲器接線柱和盆架之間串聯一個約為1MΩ的分壓電阻，再加以5v直流電。由數據采集卡采集接線柱和盆架之間的電壓信號，根據電路分壓原理，對采集到的電壓信號求得均值后與軟件系統設定的閾值2.5v作比較，若均值大于閾值則揚聲器絕緣阻抗合格，若小于閾值則為不合格。

2.4 系統集成原理

基于數據采集卡的信號源系統，由計算機發出指令后數據采集卡的數模轉換器通過AO通道依次輸出方波信號、直流電壓信號和掃頻信號；為了避免各個參數之間的信號輸出和采集的相互干擾，在正負極性響應信號的采集和方波信號的輸出、掃頻信號輸出和諧振頻率響應信號的采集之間添加了時間不等的延時；通過MFC項目的多線程原理，分別將激勵信號的輸出和響應信號的采集寫入不同的線程，避免數據采集卡輸入、輸出通道間的干擾；在三個參數檢測的模塊中均根據要檢測的參數，添加了相應的算法。三參數集成檢測系統原理如圖8所示。

圖8 三參數集成檢測系統原理圖

3 測量系統的硬件

測量系統包括激勵信號生成、響應信號采集以及數據處理等模塊。其中硬件包括NI公司的PCI-6036E數據采集卡、LM1876tfxf功率放大器、北京聲望聲電技術有限公司的MPA201型1/2英寸自由場預極化駐極體傳聲器等組成。系統的硬件連接如圖9所示。

圖9 三參數集成硬件連接圖1-揚聲器；2-消聲箱；3-傳聲器；4-功率放大器；5-傳聲器供電器；6-數據采集卡輸出通道AO端口；7-數據采集卡輸入通道AI端口；8-計算機

4 軟件系統構成

集成檢測系統的軟件流程圖如圖10所示，在檢測軟件系統界面點擊檢測按鈕，程序依次通過數據采集卡的出發相應的激勵信號及采集函數，并將采集到的數據進行相應的特征提取、計算，并將檢測結果顯示在窗口。

第一步：進行系統初始化保證數據采集卡的輸入輸出通道正常運行。主要是利用MFC項目里的線程Thread函數，在線程函數Thread中初始化采樣頻率10000Hz，采樣點數15000，并設置揚聲器的諧振頻率范圍；

第二步：打開方波信號的采集通道，然后由計算機發出方波信號激勵揚聲器，系統對采集到的聲壓信號進行分析，若聲壓信號達到第一個峰值大于零則極性合格，若第一個峰值小于零則極性故障，系統將檢測的結果、采集到的有效波形顯示到系統軟件的界面；

第三步：計算機調用絕緣阻抗檢測的線程，打開絕緣阻抗的采集通道，然后觸發信號源系統發出電壓值為5v的直流信號激勵揚聲器，經數據分析后將采集到的電壓均值和閾值比較，大于等于閾值則絕緣阻抗符合標準，小于閾值則絕緣阻抗不符合標準，系統將檢測的結果顯示到系統軟件界面；

第四步：計算機調用諧振頻率檢測線程，打開數據采集卡的采集通道后，觸發信號源系統發出正弦掃頻信號激勵揚聲器，系統對采集到的聲壓信號進行處理，根據掃頻信號時長、采樣頻率，由式(3)計算出揚聲器的諧振頻率。將測到的諧振頻率值與軟件內部設定的揚聲器諧振頻率的范圍進行比較，如果計算出的諧振頻率值在這個范圍內則諧振頻率合格，如果不在這個范圍內則諧振頻率不合格。系統將計算分析的結果顯示在系統軟件界面。

(3)

圖10 一體化測量系統軟件系統流程圖

三參數一體化測量系統軟件界面如圖11、圖12所示。圖11顯示的是揚聲器的正負極性、絕緣阻抗以及諧振頻率三參數檢測結果均合格時的界面樣式；圖12顯示為均不合格時的界面樣式。

圖11 軟件界面(1)

圖12 軟件界面(2)

軟件系統還包含了三參數獨立測量的模塊。正負極性測量模塊顯示正負極性合格與否的字符以及位圖，在picture控件中顯示波形；絕緣阻抗測量模塊顯示絕緣阻抗合格與否的字符及位圖；諧振頻率測量模塊顯示測量到的諧振頻率值，并在picture控件中顯示揚聲器的響應信號波形。

5 實驗

實驗中隨機挑選100個揚聲器作為實驗樣本并編號，用一體化測量系統對樣本進行檢測，檢測結果如下：

5.1 正負極性檢測結果

針對實驗樣本進行檢測，樣本諧振頻率的最終檢測結果統計如表1所示。

5.2 絕緣阻抗檢測結果

針對本批次樣本，采集電壓均值均接近2.5v，即說明絕緣阻抗遠大于1MΩ，端子與盆架之間接近絕緣。統計結果如表2所示。

表1 正負極性檢測結果統計

表2 絕緣阻抗檢測結果統計

5.3 諧振頻率檢測結果

針對上述100個揚聲器樣本進行了諧振頻率的檢測實驗。圖13顯示的是系統檢測結果的直方圖，測量結果均值為284.4Hz；陽光MODEL-7117C諧振頻率儀測量的均值為288.21Hz。兩個系統的均值差為3.81Hz，其中誤差超過10Hz的揚聲器編號為44、45和66，其他樣本誤差均在10Hz以內，且最大偏差為12.46Hz。圖14為集成檢測系統和諧振頻率儀測量結果誤差。

圖13 集成檢測系統的諧振頻率直方圖

圖14 集成檢測系統和諧振頻率儀測量結果誤差散點圖

6 結論

集成檢測系統在一個工位經過一次裝卡即可完成對揚聲器的諧振頻率、正負極性以及絕緣阻抗這三個重要參數的檢測。通過對系統硬件及軟件系統的整合與設計，使得整個檢測系統人為干擾比例減少、智能化程度加強。經過對100個揚聲器樣本的檢測對比實驗發現，正負極性和絕緣阻抗的檢測結果誤差為零，諧振頻率的檢測誤差除3個揚聲器外，其他揚聲器誤差均在10Hz以內。基于集成檢測系統，揚聲器三參數的檢測效率得到了很大的提升，同時為揚聲器參數集成檢測搭建了一個基礎的平臺。在此平臺的基礎之上，還可以增加其它揚聲器參數的監測，這樣可以使得整個檢測系統更加高效。

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