扬声器参数集成检测系统的研究

穆瑞林，周振南，许增朴，宋华建

(1.天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津 300222；2.天津科技大学 机械工程学院，天津 300222)

1 引言

谐振频率、正负极性和绝缘阻抗是扬声器的三个重要参数。目前工业生产上对扬声器上述参数的检测需要三个工位并进行三次装卡才能完成，效率低、误差大、检测成本高[1]。为了节省人力资源、提高生产效率和自动化程度，提出了扬声器三参数集成测量的方法，并设计由数据采集卡、计算机构成的扬声器的三参数集成检测系统。通过集成检测系统，可以实现一键对扬声器的正负极性、绝缘阻抗和谐振频率的测量，并通过软件界面显示检测结果。实验结果表明，集成检测系统可最大幅度的减少人为干预，降低生产成本，提高产品的检测效率，满足企业要求。

2 系统原理

2.1 谐振频率测量原理

扬声器的谐振频率为其阻抗曲线上的最大阻抗模值对应的频率[2]。当电路中存在定值电阻和变电阻时，如果定值电阻的阻值大于变电阻阻值10倍以上，变电阻阻值变化对回路阻值影响较小，即可实现回路恒流，扬声器的电压曲线就与阻抗曲线成正比，这样就可通过电压曲线找到谐振频率点[3，4]。电路图如图1所示，这里的R为串联大电阻，Z为扬声器等效电阻，整个回路的电流接近恒定，扬声器电压曲线与阻抗曲线近似。

图1 恒压法测谐振频率原理图

系统所研究的某型号扬声器参数如下：额定功率：P=12w，最大阻值：Z=10Ω，由式(1)可知扬声器的额定工作电压约11v。

(1)

由恒流原理，需串联电阻大于等于10倍R，即100Ω。根据上述原理，对不同型号的扬声器进行了计算。为了获得稳定的恒流电路，选择了160Ω的电阻。

实验中使用的激励信号为正弦扫频信号，其公式如下：

(2)

扫频范围：50HZ-1510Hz。扫频信号的原始波形在示波器显示如图2所示，图3为扫频信号激励扬声器通过传声器采集到的响应信号波形。

图2 扫频信号原始波形

图3 扬声器谐振频率响应信号波形

2.2 正负极性测量原理

通过改变扬声器线圈内的电流使扬声器发声，变化的电流产生的磁场与扬声器内部永磁场相互作用，迫使音圈做切割磁感线运动，从而带动与音圈相连的振膜压迫空气震动，因而发出某一频率的声音[5]。如果扬声器的正负极性是反向的，产生的电流流向、振膜的振动方向以及压迫空气产生的反电动势方向也是相反的[6]。集成检测系统以方波信号为激励信号，通过对响应的声信号进行处理，从而检测扬声器的正负极性，其原理如图4所示，图5为测试中使用的方波信号。当方波信号激励一个极性正确的扬声器时，激励信号高电平的上升沿处，振膜向外振动，声压先达到正向的最大值，而后衰减为零；极性错误的扬声器的振膜振动方向相反，先达到负向最大值处后衰减为零。利用这个原理，通过数据采集卡的采集通道采集经功率放大器放大后的声压信号，经由计算机分析，判断声压信号达到第一个峰值的正负来检测扬声器的极性是否合格。极性合格的扬声器和极性故障的扬声器的声压波形如图6、图7所示。

图4 声压法测正负极性原理图

图5 方波信号示波器显示的波形

图6 极性正确的响应信号波形

图7 极性故障的响应信号波形

2.3 绝缘阻抗测量原理

由扬声器参数的检测标准可知[7]，扬声器的线圈和盆架之间的绝缘电阻不小于1MΩ。集成检测系统利用在电路中串联电阻分压的原理，在扬声器接线柱和盆架之间串联一个约为1MΩ的分压电阻，再加以5v直流电。由数据采集卡采集接线柱和盆架之间的电压信号，根据电路分压原理，对采集到的电压信号求得均值后与软件系统设定的阈值2.5v作比较，若均值大于阈值则扬声器绝缘阻抗合格，若小于阈值则为不合格。

2.4 系统集成原理

基于数据采集卡的信号源系统，由计算机发出指令后数据采集卡的数模转换器通过AO通道依次输出方波信号、直流电压信号和扫频信号；为了避免各个参数之间的信号输出和采集的相互干扰，在正负极性响应信号的采集和方波信号的输出、扫频信号输出和谐振频率响应信号的采集之间添加了时间不等的延时；通过MFC项目的多线程原理，分别将激励信号的输出和响应信号的采集写入不同的线程，避免数据采集卡输入、输出通道间的干扰；在三个参数检测的模块中均根据要检测的参数，添加了相应的算法。三参数集成检测系统原理如图8所示。

图8 三参数集成检测系统原理图

3 测量系统的硬件

测量系统包括激励信号生成、响应信号采集以及数据处理等模块。其中硬件包括NI公司的PCI-6036E数据采集卡、LM1876tfxf功率放大器、北京声望声电技术有限公司的MPA201型1/2英寸自由场预极化驻极体传声器等组成。系统的硬件连接如图9所示。

图9 三参数集成硬件连接图1-扬声器；2-消声箱；3-传声器；4-功率放大器；5-传声器供电器；6-数据采集卡输出通道AO端口；7-数据采集卡输入通道AI端口；8-计算机

4 软件系统构成

集成检测系统的软件流程图如图10所示，在检测软件系统界面点击检测按钮，程序依次通过数据采集卡的出发相应的激励信号及采集函数，并将采集到的数据进行相应的特征提取、计算，并将检测结果显示在窗口。

第一步：进行系统初始化保证数据采集卡的输入输出通道正常运行。主要是利用MFC项目里的线程Thread函数，在线程函数Thread中初始化采样频率10000Hz，采样点数15000，并设置扬声器的谐振频率范围；

第二步：打开方波信号的采集通道，然后由计算机发出方波信号激励扬声器，系统对采集到的声压信号进行分析，若声压信号达到第一个峰值大于零则极性合格，若第一个峰值小于零则极性故障，系统将检测的结果、采集到的有效波形显示到系统软件的界面；

第三步：计算机调用绝缘阻抗检测的线程，打开绝缘阻抗的采集通道，然后触发信号源系统发出电压值为5v的直流信号激励扬声器，经数据分析后将采集到的电压均值和阈值比较，大于等于阈值则绝缘阻抗符合标准，小于阈值则绝缘阻抗不符合标准，系统将检测的结果显示到系统软件界面；

第四步：计算机调用谐振频率检测线程，打开数据采集卡的采集通道后，触发信号源系统发出正弦扫频信号激励扬声器，系统对采集到的声压信号进行处理，根据扫频信号时长、采样频率，由式(3)计算出扬声器的谐振频率。将测到的谐振频率值与软件内部设定的扬声器谐振频率的范围进行比较，如果计算出的谐振频率值在这个范围内则谐振频率合格，如果不在这个范围内则谐振频率不合格。系统将计算分析的结果显示在系统软件界面。

(3)

图10 一体化测量系统软件系统流程图

三参数一体化测量系统软件界面如图11、图12所示。图11显示的是扬声器的正负极性、绝缘阻抗以及谐振频率三参数检测结果均合格时的界面样式；图12显示为均不合格时的界面样式。

图11 软件界面(1)

图12 软件界面(2)

软件系统还包含了三参数独立测量的模块。正负极性测量模块显示正负极性合格与否的字符以及位图，在picture控件中显示波形；绝缘阻抗测量模块显示绝缘阻抗合格与否的字符及位图；谐振频率测量模块显示测量到的谐振频率值，并在picture控件中显示扬声器的响应信号波形。

5 实验

实验中随机挑选100个扬声器作为实验样本并编号，用一体化测量系统对样本进行检测，检测结果如下：

5.1 正负极性检测结果

针对实验样本进行检测，样本谐振频率的最终检测结果统计如表1所示。

5.2 绝缘阻抗检测结果

针对本批次样本，采集电压均值均接近2.5v，即说明绝缘阻抗远大于1MΩ，端子与盆架之间接近绝缘。统计结果如表2所示。

表1 正负极性检测结果统计

表2 绝缘阻抗检测结果统计

5.3 谐振频率检测结果

针对上述100个扬声器样本进行了谐振频率的检测实验。图13显示的是系统检测结果的直方图，测量结果均值为284.4Hz；阳光MODEL-7117C谐振频率仪测量的均值为288.21Hz。两个系统的均值差为3.81Hz，其中误差超过10Hz的扬声器编号为44、45和66，其他样本误差均在10Hz以内，且最大偏差为12.46Hz。图14为集成检测系统和谐振频率仪测量结果误差。

图13 集成检测系统的谐振频率直方图

图14 集成检测系统和谐振频率仪测量结果误差散点图

6 结论

集成检测系统在一个工位经过一次装卡即可完成对扬声器的谐振频率、正负极性以及绝缘阻抗这三个重要参数的检测。通过对系统硬件及软件系统的整合与设计，使得整个检测系统人为干扰比例减少、智能化程度加强。经过对100个扬声器样本的检测对比实验发现，正负极性和绝缘阻抗的检测结果误差为零，谐振频率的检测误差除3个扬声器外，其他扬声器误差均在10Hz以内。基于集成检测系统，扬声器三参数的检测效率得到了很大的提升，同时为扬声器参数集成检测搭建了一个基础的平台。在此平台的基础之上，还可以增加其它扬声器参数的监测，这样可以使得整个检测系统更加高效。

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