姚心悅，徐楚林，溫周斌

一種采用激振器激勵(lì)的揚(yáng)聲器振動(dòng)部件共振頻率測(cè)量方法及系統(tǒng)

姚心悅1,2，徐楚林1,3，溫周斌1,3

(1. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海 201815；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；3. 浙江中科電聲研發(fā)中心，浙江嘉善 314100)

提出了一種采用激振器激勵(lì)方式的揚(yáng)聲器振動(dòng)部件共振頻率測(cè)量方法及系統(tǒng)。采用激振器作為激勵(lì)被測(cè)部件振動(dòng)的激勵(lì)源，并通過加速度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)夾具的振動(dòng)加速度(包括幅度和相位)，以確保被夾具夾持住的被測(cè)部件在測(cè)量頻率范圍內(nèi)上下平穩(wěn)振動(dòng)；通過激光位移傳感器測(cè)量被測(cè)部件在不同頻率點(diǎn)振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)位移，可得到被測(cè)部件振動(dòng)的頻率響應(yīng)(被測(cè)部件振動(dòng)加速度和夾具振動(dòng)加速度的比值的頻率響應(yīng))；根據(jù)該頻率響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算最后可得到被測(cè)部件的共振頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)測(cè)頻率響應(yīng)的曲線與理論分析相一致，測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性良好，可測(cè)量的振動(dòng)部件的種類和范圍更廣。

揚(yáng)聲器；振動(dòng)部件；共振頻率；頻率響應(yīng)

0 引言

揚(yáng)聲器振動(dòng)部件(包括紙盆、振膜和定心支片等)的共振頻率是揚(yáng)聲器的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。較早的測(cè)量揚(yáng)聲器振動(dòng)部件共振頻率的方法主要為間接測(cè)量法[1-2]，它通過測(cè)量激勵(lì)揚(yáng)聲器的電流或阻抗等相關(guān)參數(shù)的變化得到被測(cè)部件的共振頻率。該方法比較適合測(cè)量諧振Q值較大、尺寸較大、質(zhì)量又比較適中的被測(cè)部件，并且要求激勵(lì)揚(yáng)聲器的共振頻率要遠(yuǎn)小于被測(cè)部件的共振頻率，因此它的適用性受到一定限制，準(zhǔn)確性也存在一定問題。目前應(yīng)用比較廣泛的測(cè)量方法為直接測(cè)量法[3-6]，它通過直接測(cè)量被測(cè)部件在不同頻率振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)位移曲線得到其共振頻率。由于該方法難以徹底消除被測(cè)部件與激勵(lì)揚(yáng)聲器之間的空氣腔體對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，無法確保在各個(gè)頻率點(diǎn)由激勵(lì)揚(yáng)聲器發(fā)出并通過聲波傳遞到被測(cè)部件上的激勵(lì)力是相同的，因而所測(cè)量得到被測(cè)部件的振動(dòng)位移頻率響應(yīng)曲線可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)波峰或產(chǎn)生不同程度的波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致所測(cè)量得到的共振頻率存在一些誤差。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種采用激振器激勵(lì)方式的揚(yáng)聲器振動(dòng)部件共振頻率測(cè)量方法及系統(tǒng)。它可實(shí)時(shí)檢測(cè)夾具的振動(dòng)加速度(包括幅度和相位)，可確保被夾具夾持住的被測(cè)部件在測(cè)量頻率范圍內(nèi)上下平穩(wěn)振動(dòng)，從而得到準(zhǔn)確的被測(cè)部件振動(dòng)的頻率響應(yīng)，然后根據(jù)該頻率響應(yīng)的曲線擬合得到被測(cè)部件的固有角頻率和衰減因子，從而計(jì)算得到更為準(zhǔn)確的共振頻率，由此提高了測(cè)量揚(yáng)聲器振動(dòng)部件共振頻率的準(zhǔn)確性。

1 測(cè)量系統(tǒng)及其理論模型

本文提出的揚(yáng)聲器振動(dòng)部件共振頻率測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，它由信號(hào)處理系統(tǒng)、功率放大器、測(cè)量支架、激振器、夾具、被測(cè)部件、加速度傳感器和激光位移傳感器等組成。激振器固定在測(cè)量支架底端，激光位移傳感器固定在測(cè)量支架頂端；被測(cè)的揚(yáng)聲器振動(dòng)部件由夾具夾持，該夾具固定在激振器上，加速度傳感器安裝在夾具上；激光位移傳感器發(fā)出的激光光束對(duì)準(zhǔn)被測(cè)部件較平緩處。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)示意圖

首先信號(hào)處理系統(tǒng)輸出電壓信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后激勵(lì)激振器工作，3只激振器共同激勵(lì)被夾具夾持住的被測(cè)部件進(jìn)行振動(dòng)；然后激光位移傳感器采集被測(cè)部件的振動(dòng)位移信號(hào)，加速度傳感器采集夾具的振動(dòng)加速度信號(hào)，信號(hào)處理系統(tǒng)同步采集這兩個(gè)振動(dòng)信號(hào)，并將振動(dòng)位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度信號(hào)，由此可計(jì)算得到被測(cè)部件振動(dòng)的頻率響應(yīng)(被測(cè)部件振動(dòng)加速度(輸出)與夾具振動(dòng)加速度(輸入)的比值的頻率響應(yīng))；最后信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)上述頻率響應(yīng)進(jìn)行分析處理，得到被測(cè)部件的共振頻率。

這樣一個(gè)由激振器激勵(lì)被夾具夾持住的被測(cè)部件進(jìn)行振動(dòng)的系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為如圖2所示的隔振系統(tǒng)，夾具(用于被測(cè)部件的外沿)為隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)端1，被測(cè)部件為隔振系統(tǒng)的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的平衡位置為，激振器激勵(lì)被夾具夾持住的被測(cè)部件進(jìn)行振動(dòng)的過程，也就是在彈簧和阻尼的共同作用下激勵(lì)力施加在基礎(chǔ)端并通過基礎(chǔ)端將振動(dòng)傳遞給質(zhì)量塊的過程。

圖2 隔振系統(tǒng)示意圖

若式(4)對(duì)任意時(shí)間都成立，則必須滿足：

解此代數(shù)方程可得：

式中：

這樣，通解變?yōu)椋?/p>

2 測(cè)量方法

測(cè)量揚(yáng)聲器振動(dòng)部件共振頻率的流程如圖3所示，主要步驟為：首先設(shè)定所需測(cè)量的頻率范圍和頻率間隔，然后由低頻到高頻，測(cè)量每個(gè)頻率點(diǎn)被測(cè)部件的振動(dòng)位移并計(jì)算該頻率點(diǎn)下被測(cè)部件振動(dòng)加速度和夾具振動(dòng)加速度的比值，即構(gòu)成被測(cè)部件振動(dòng)的頻率響應(yīng)，最終根據(jù)該頻率響應(yīng)計(jì)算得到共振頻率。

圖3 測(cè)量流程圖

在測(cè)量每個(gè)頻率點(diǎn)被測(cè)部件的振動(dòng)位移之前，需自適應(yīng)調(diào)整激振器的輸入電壓，以使得被夾具夾持住的被測(cè)部件能進(jìn)行平穩(wěn)振動(dòng)。

2.1 自適應(yīng)調(diào)整激振器輸入電壓

因3點(diǎn)可確定一個(gè)平面，故為了確保被夾具夾持住的被測(cè)部件進(jìn)行平穩(wěn)振動(dòng)，本文采用了3只激振器和3只加速度傳感器(它們?cè)趫A形夾具上呈3等分排列)。若測(cè)量得到的夾具上3個(gè)位置處的振動(dòng)加速度相同，則可認(rèn)為被夾具夾持住的被測(cè)部件外沿上任意點(diǎn)處的振動(dòng)情況均相同。

根據(jù)第-2次、第-1次和第次振動(dòng)時(shí)的輸入和輸出，可列出如下線性方程：

其中，>=3。

2.2 計(jì)算共振頻率

根據(jù)被測(cè)部件振動(dòng)的頻率響應(yīng)曲線，計(jì)算得到被測(cè)部件共振頻率的方法為：選用非線性參數(shù)擬合方法得到被測(cè)部件的固有角頻率和衰減因子，并根據(jù)公式(9)計(jì)算得到共振頻率。具體過程如下：

第1節(jié)中的式(1)可表示為

式(19)中的傳遞函數(shù)為一復(fù)數(shù)值，為便于計(jì)算，本文使用傳遞函數(shù)幅值的平方來進(jìn)行參數(shù)擬合。傳遞函數(shù)幅值的平方為

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其測(cè)量結(jié)果

所搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示，主要包括3部分，左側(cè)為測(cè)量裝置(包括測(cè)量支架、激振器、夾具、被測(cè)振動(dòng)部件、激光位移傳感器和加速度傳感器等)，右側(cè)為顯示器和多功能機(jī)箱(包括功率放大器、電源和激光控制器)，中間為信號(hào)處理系統(tǒng)(包括NI機(jī)箱、控制器、板卡和接線盒等)。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

Fig4 Photo of experimental system

基于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，作者測(cè)量了多款不同形狀和不同材質(zhì)的揚(yáng)聲器紙盆，圖5給出了兩款被測(cè)揚(yáng)聲器紙盆的照片(1 in=2.54 cm)。

圖5 被測(cè)揚(yáng)聲器紙盆照片

隨機(jī)選取6.5 in紙盆的4個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣品各測(cè)量?jī)纱?，共得?條頻率響應(yīng)曲線，如圖6所示。

圖6 不同樣品的實(shí)測(cè)頻率響應(yīng)曲線

從圖6中的頻率響應(yīng)曲線可看出，同一個(gè)樣品各測(cè)量?jī)纱蔚玫降臄?shù)據(jù)曲線幾乎完全重合，且曲線平滑、有明顯的主峰。這說明測(cè)量結(jié)果具有良好的穩(wěn)定性和一致性。此外，不同樣品之間共振峰出現(xiàn)的位置基本相同，但是幅值和開口大小略有差異，這是由于各個(gè)樣品之間的差異性導(dǎo)致的。

根據(jù)測(cè)量得到的頻率響應(yīng)曲線可擬合得到被測(cè)部件的兩個(gè)重要參數(shù)。如圖7所示為根據(jù)其中一個(gè)樣品的頻率響應(yīng)曲線進(jìn)行參數(shù)擬合的結(jié)果。

圖7 實(shí)測(cè)頻率響應(yīng)曲線和擬合曲線對(duì)比圖

從圖7中的對(duì)比結(jié)果可以看出，兩條曲線的主峰出現(xiàn)的位置及開口大小基本一致，說明實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)據(jù)符合理論模型，這也在一定程度上驗(yàn)證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 不同樣品的ω0、γ和f0測(cè)量結(jié)果

4個(gè)樣品共振頻率的平均值為56.56 Hz。

與此同時(shí)，作者也采用基于直接測(cè)量法[6]的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了相同的測(cè)量工作，并將測(cè)量結(jié)果與采用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)得到的結(jié)果進(jìn)行了比較。

圖8給出了基于直接測(cè)量法的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量上述6.5 in紙盆的振動(dòng)位移曲線(最大振動(dòng)幅度同樣設(shè)置為0.27 mm，4個(gè)樣品各測(cè)量?jī)纱?。

圖8 直接測(cè)量法得到的振動(dòng)位移曲線

從圖8可以看出，同一樣品測(cè)量?jī)纱蔚玫降那€基本重合，但不同樣品的測(cè)量曲線的共振峰出現(xiàn)的位置以及幅值和開口的大小都略有差異。根據(jù)該曲線圖計(jì)算得到的共振頻率如表2所示。

表2 直接測(cè)量法的共振頻率f0測(cè)量結(jié)果

4個(gè)樣品共振頻率的平均值為54.00 Hz。

比較采用兩套系統(tǒng)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，針對(duì)這款6.5 in紙盆，兩者結(jié)果雖略有差異，但仍較為相近。

但是，針對(duì)一些尺寸較小、比較難被激振的紙盆，本文提出的測(cè)量方法相較于直接測(cè)量法就有明顯的優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)圖5(b)所示的2.5 in紙盆，隨機(jī)選取兩個(gè)樣品，分別采用本文提出的方法和直接測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)樣品各測(cè)量?jī)纱?，得到的頻率響應(yīng)曲線和振動(dòng)位移曲線分別如圖9和圖10所示。

圖9 本文方法測(cè)量的頻率響應(yīng)曲線

圖10 直接測(cè)量法得到的振動(dòng)位移曲線

從圖9和圖10可以看出，采用直接測(cè)量法測(cè)量得到的振動(dòng)位移曲線有很大的波動(dòng)，在235 Hz和265 Hz附近均出現(xiàn)了共振峰，而采用本文提出的測(cè)量方法測(cè)量得到的頻率響應(yīng)曲線只在265 Hz附近有一個(gè)很明顯的共振峰，且曲線沒有波動(dòng)。

4 結(jié)論

本文提出了一種采用激振器激勵(lì)方式的揚(yáng)聲器振動(dòng)部件共振頻率測(cè)量方法及系統(tǒng)。它可實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制夾具實(shí)際振動(dòng)的加速度，可確保被夾具夾持住的被測(cè)部件在測(cè)量頻率范圍內(nèi)上下平穩(wěn)振動(dòng)，從而準(zhǔn)確地測(cè)量得到被測(cè)部件振動(dòng)的頻率響應(yīng)，進(jìn)而更為準(zhǔn)確地得到被測(cè)部件的共振頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際測(cè)量得到的結(jié)果符合理論模型，并且同一樣品測(cè)量多次的結(jié)果完全重合，而同款產(chǎn)品不同樣品之間的測(cè)量差異很小，故可認(rèn)為本文提出的方法可以準(zhǔn)確測(cè)量揚(yáng)聲器振動(dòng)部件的共振頻率。相比于直接測(cè)量法，本方法還可準(zhǔn)確測(cè)量一些尺寸較小、較難被激振的振動(dòng)部件的共振頻率。

[1] 盛盤大, 徐柏齡, 黃興志. 小口徑電聲器件振膜的諧振頻率與力順測(cè)量裝置, CN 2572706 Y[P]. 2003.

SHENG Panda, XU Boling, HUANG Xingzhi. Resonant Frequency and Compliance Measuring System for Membrane of Small Electroacoustic Device, CN 2572706 Y[P]. 2003.

[2] 許益. 揚(yáng)聲器振膜等效質(zhì)量及等效力順的測(cè)量方法, CN 101296533[P]. 2008.

XU Yi. Measurement method for equivalent quality and equal efficiency of loudspeaker diaphragm, CN101296533[P]. 2008.

[3] 白暉. 揚(yáng)聲器錐盆諧振頻率Fo測(cè)試探討[J]. 電聲技術(shù), 2002(11): 25-26.

BAI Hui. Discussion on the Fo test of the cone of loudspeaker[J]. Audio Engineering, 2002(11): 25-26.

[4] KLIPPEL W, SEIDEL U. Dynamic measurement of loudspeaker suspension parts[J]. Journal of the Audio Engineering Society, 2007, 55(6): 443-459.

[5] 陳朝方. 激光振膜F0測(cè)試儀: CN104125532A[P]. 2014.

CHEN Chaofang. Laser membrane F0 tester: CN104125532A[P]. 2014.

[6] 溫周斌, 李宏斌, 王宇, 等. 揚(yáng)聲器部件諧振頻率測(cè)量方法及系統(tǒng): CN, 201510230506.6[P]. 2015.

WEN Zhoubin, LI Hongbin, WANG Yu, et al. Method and system for measuring resonantfrequency of loudspeaker component: CN, 201510230506.6[P]. 2015.

Method and system of measuring resonant frequency of loudspeaker vibration component by vibration exciter

YAO Xin-yue1,2, XU Chu-lin1,3, WEN Zhou-bin1,3

(1. Shanghai Acoustics Laboratory, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201815, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;3. Zhejiang Electro-Acoustic R&D Center, Chinese Academy of Sciences, Jianshan 314100, Zhejiang, China)

The method and system of measuring resonant frequencies of loudspeaker vibration components is presented by using vibration exciter in this paper. The vibration exciter is used as an excitation source to excite the vibration of measured component. The vibration acceleration (including amplitude and phase) of the testing fixture is measured by acceleration sensor in real time and the measured component clamped by the fixture can be ensured to vibrate up and down smoothly in the measured frequency range. Meantime, the vibration displacements of the measured component at different frequencies are measured by the laser displacement sensor to obtain the frequency response curve of the ratio of the vibration acceleration of the measured component to the vibration acceleration of the fixture, and finally to calculate the resonant frequency of the measured component. The experimental results show that the measured frequency response curve is the same as the theoretical one, the repeatability and accuracy of measurement results are good, and the types and range of measuring vibration components are wider.

loudspeaker; vibration component; resonant frequency; frequency response

TN912

A

1000-3630(2019)-06-0644-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.06.008

2019-01-10;

2019-03-20

姚心悅(1994－), 女, 浙江嘉興人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)殡娐暭夹g(shù)。

溫周斌, E-mail: wenzhoubin@mail.ioa.ac.cn