沖擊響應(yīng)法測量揚聲器頻率特性教學(xué)實驗

郝乃瀾,陳彩云,姜鳳怡

(1.長春醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校醫(yī)學(xué)系,吉林長春130031;2.東北師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林長春130024)

沖擊響應(yīng)法測量揚聲器頻率特性教學(xué)實驗

郝乃瀾1,陳彩云2,姜鳳怡2

(1.長春醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校醫(yī)學(xué)系,吉林長春130031;2.東北師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林長春130024)

在常規(guī)實驗室條件下采用信號發(fā)生器、錄音筆和Cool Edit p ro2.0聲音處理軟件,采用沖擊法測量揚聲器的頻率特性,得出了實驗所用3個揚聲器頻率特性的優(yōu)劣順序,使得測定揚聲器頻率特性的教學(xué)實驗不需要在消聲室中即可進行.

頻率特性;沖擊響應(yīng);揚聲器

1 引 言

揚聲器的頻率特性是指饋給揚聲器一定電壓時,揚聲器在參考軸上所輻射的聲壓隨頻率變化的特性.它是揚聲器的重要參數(shù)之一,反映揚聲器對各種頻率聲波的輻射能力.揚聲器的頻率特性一般包括3個方面:聲壓頻率響應(yīng)曲線、有效頻率范圍和不均勻度.在實際中要根據(jù)不同的用途來選擇揚聲器,揚聲器的頻率特性往往是首先要考慮的.因此,物理及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生有必要開設(shè)測定揚聲器頻率特性的教學(xué)實驗.

測量揚聲器頻率特性的方法主要有純音信號測量法、粉紅噪聲信號測量法和沖擊響應(yīng)法3種.前2種方法是傳統(tǒng)的測量方法,它們對聲學(xué)環(huán)境要求很高,必須在消聲室內(nèi)進行.第3種方法雖然對聲學(xué)環(huán)境要求不高,但專用的信號處理系統(tǒng)往往價格昂貴,功能單一,教學(xué)利用率低.

本文提出的測定揚聲器頻率特性的教學(xué)實驗,使用信號發(fā)生器、錄音筆、計算機,在常規(guī)實驗室里即可進行.

2 實驗原理

2.1 有關(guān)概念

聲壓頻率響應(yīng)曲線[1]:當(dāng)饋給揚聲器以恒定的電壓時,揚聲器在參考軸上所輻射的聲壓隨頻率變化的曲線,稱為聲壓頻率響應(yīng)曲線.

有效頻率范圍[1]:在揚聲器的電壓頻率響應(yīng)曲線上,于聲壓級某一值下降指定分貝數(shù)處劃一水平直線,與頻響曲線相交的上下限頻率所包括的頻率范圍,稱為有效頻率范圍.通常頻響曲線上小于1/9倍頻程的峰谷忽略不計.國際電工委員會(IEC)規(guī)定,在頻響曲線的最高聲壓級區(qū)域取1個倍頻程的寬度,求其中的平均聲壓級,然后從這個聲壓級算起,下降10 dB的一條水平直線與頻響曲線的交點所對應(yīng)的頻率,作為頻響曲線有效頻率范圍的上下限.

不均勻度[1]:在聲壓頻率響應(yīng)曲線的有效頻率范圍內(nèi),聲壓級最大與最小值之差(小于1/9倍頻程的峰谷忽略不計),稱為不均勻度.

2.2 沖擊響應(yīng)法原理

可以把揚聲器系統(tǒng)看成是線性不變系統(tǒng),因此,它的輸入和輸出具有明確的關(guān)系,并且可以表示為時間或頻率的函數(shù).當(dāng)輸入為單位沖擊信號δ(t)時,輸出信號的時域表達為沖擊響應(yīng)函數(shù)h(t),輸出信號的頻域表達就是頻率響應(yīng)函數(shù)H(ω),H(ω)的模為揚聲器系統(tǒng)的幅頻特性,相角為揚聲器系統(tǒng)的相頻特性.h(t)和 H(ω)在數(shù)學(xué)上可以通過傅里葉變換相互轉(zhuǎn)換,應(yīng)用聲音處理軟件,可以非常方便地將揚聲器的沖擊響應(yīng)信號h(t)轉(zhuǎn)換為頻率響應(yīng)函數(shù) H(ω).由于沖擊響應(yīng)聲音信號的持續(xù)時間很短,只要房間足夠大,反射聲波就不會疊加在直達聲信號上,激勵信號重復(fù)周期足夠長,相鄰信號也不會重疊.因此,用沖擊響應(yīng)法測定揚聲器頻率特性的實驗不要求在消聲

室內(nèi)進行.

3 實驗儀器

實驗系統(tǒng)見圖1,包括以下儀器及軟件.

DG3121A型任意波形信號發(fā)生器(北京普源精電科技有限公司生產(chǎn))可產(chǎn)生正弦波、鋸齒波、脈沖波、白噪聲等信號,其中脈沖波的最小脈寬為8 ns,脈沖最大重復(fù)周期達10 000 s(重復(fù)頻率0.1 m Hz).因此可做為非常理想的脈沖激勵源.

SON Y-D50數(shù)碼錄音筆[索尼(中國)有限公司生產(chǎn)],是一款優(yōu)質(zhì)的高端錄音筆,最高采樣頻率為96 k Hz,即響應(yīng)頻率達40 k Hz以上,信噪比93 dB以上,通頻帶內(nèi)波動小于2 dB,靈敏度達-12 dB,動態(tài)范圍120 dB.

Cool Edit Pro 2.0聲音處理軟件是非常出色的數(shù)字音樂編輯器和M P3制作軟件.利用Cool Edit Pro 2.0的聲音分析功能,可方便地對聲音文件進行時域分析、頻域分析和時-頻分析[2-3].

測試用揚聲器若干.本文隨機取用10 cm(揚聲器1)、5.6 cm(揚聲器2)、4 cm(揚聲器3)3種不同口徑的揚聲器作為測試對象.

圖1 實驗系統(tǒng)

4 實驗過程

將任意波形信號發(fā)生器調(diào)至脈沖信號擋,脈寬取10μs,脈沖重復(fù)頻率10 Hz,使得信號占空比為1/10 000,輸出電壓峰-峰值取10 V.然后將激勵信號加在測試揚聲器的輸入端.

錄音筆采樣頻率取96 k Hz,將其某一通道的麥克置于待測揚聲器的中軸線,麥克與揚聲器正對,麥克到揚聲器的距離 r要滿足遠(yuǎn)場條件:r＞d且r≤d2/λ,其中 d為揚聲器直徑,λ為聲波波長.對于本文中3種揚聲器,取20 k Hz頻率聲波的波長,其 r的共性范圍是10 cm＜r≤60 cm.為了獲得盡可能高的信噪比,本文取 r=15 cm.用錄音筆分別錄下3種揚聲器發(fā)出的沖擊響應(yīng)聲音信號,形成3個聲音文件.

用Cool Edit Pro 2.0聲音處理軟件分別打開3個聲音文件,進行分析.

5 實驗結(jié)果

圖2～4分別為3個揚聲器的沖擊響應(yīng)聲音信號的時域曲線(部分).可以看出,3個揚聲器的聲音信號持續(xù)時間均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于脈沖重復(fù)周期,且有足夠高的信噪比.因此,3個揚聲器的聲音信號均滿足沖擊響應(yīng)的條件.

圖2 揚聲器1的沖擊響應(yīng)聲音信號時域曲線(部分)

圖3 揚聲器2的沖擊響應(yīng)聲音信號時域曲線(部分)

圖4 揚聲器3的沖擊響應(yīng)聲音信號時域曲線(部分)

圖5～7分別為3個揚聲器沖擊響應(yīng)信號的頻率響應(yīng)曲線.由頻響曲線可估算出3個揚聲器的有效頻率范圍和不均勻度,見表1.有效頻率范圍的精確計算,通過可以將沖擊響應(yīng)信號導(dǎo)入諸如Matlab等算法語言中進行.

由表1可以看出,大口徑揚聲器有效頻率范圍處于低頻段,小口徑揚聲器有效頻率范圍處于高頻段.揚聲器1的不均勻度較小,有效頻率范圍約為4.5 kHz.揚聲器2的有效頻率范圍窄,且不均勻度達30 dB.揚聲器3的有效頻率范圍較寬,達17.6 k Hz,但不均勻度較大.因此,本文中3個揚聲器頻率特性優(yōu)劣排序應(yīng)為:揚聲器1,揚聲器3,揚聲器2.

圖5 揚聲器1的頻率響應(yīng)曲線

圖6 揚聲器2的頻率響應(yīng)曲線

圖7 揚聲器3的頻率響應(yīng)曲線

表1 3個揚聲器的有效頻率范圍和不均勻度

6 結(jié)束語

本文使用信號發(fā)生器、錄音筆、計算機,在常規(guī)實驗室里進行揚聲器頻率特性的測定,取得了較好的結(jié)果.一般地,揚聲器的頻率特性分析重點在可聞聲頻段內(nèi)(20 Hz～20 k Hz),所以錄音筆的采樣頻率可以設(shè)置為44 k Hz.

[1]陶擎天,趙其昌,沙家正.音頻聲學(xué)測量[M].北京:中國計量出版社,1986:80-84.

[2]郝乃瀾,王雙維,李光,等.基于Cool Edit Pro 2.0的人耳聽閾曲線測定實驗[J].物理實驗,2007,27(12):40-42.

[3]郝乃瀾,鄭凱杰,曹曉琳,等.雙耳效應(yīng)機理教學(xué)實驗設(shè)計[J].物理實驗,2010,30(6):1-4.

[責(zé)任編輯:郭 偉]

Measuring frequency characteristics of speaker by shock responsemethod

HAO Nai-lan1,CHEN Cai-yun2,JIANG Feng-yi2
(1.Medical Department,Changchun M edical Highter Training School,Changchun 130031,China;2.School of Physics,Northeast Normal University,Changchun 130024,China)

In the experiment,the frequency characteristic of the speaker is measured.And the means is normal in the lab,such as the signal generator,the recorder pen and the Cool Edit p ro 2.0 software.Three speakers in experiment could differ from each other on the basis of the frequency characteristic.That is,they can be separated into good,moderate,poor in the aspect of frequency characteristic.To summarize,such a teaching experiment no longer need to be accomp lished in the anechoic cham ber.

frequency characteristic;shock response;speaker

O421.1;TN643

A

1005-4642(2010)11-0035-03

2010-06-25

吉林省教育廳“十一五”科學(xué)技術(shù)研究項目(吉科教合字[2007]第451號)

郝乃瀾(1958-),女,吉林長春人,長春醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校醫(yī)學(xué)系教授,主要從事大學(xué)醫(yī)用物理及實驗教學(xué)和科研工作.