揚(yáng)聲器參數(shù)集成檢測系統(tǒng)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(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

1 引言

諧振頻率、正負(fù)極性和絕緣阻抗是揚(yáng)聲器的三個重要參數(shù)。目前工業(yè)生產(chǎn)上對揚(yáng)聲器上述參數(shù)的檢測需要三個工位并進(jìn)行三次裝卡才能完成，效率低、誤差大、檢測成本高[1]。為了節(jié)省人力資源、提高生產(chǎn)效率和自動化程度，提出了揚(yáng)聲器三參數(shù)集成測量的方法，并設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成的揚(yáng)聲器的三參數(shù)集成檢測系統(tǒng)。通過集成檢測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)一鍵對揚(yáng)聲器的正負(fù)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(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，集成檢測系統(tǒng)可最大幅度的減少人為干預(yù)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的檢測效率，滿足企業(yè)要求。

2 系統(tǒng)原理

2.1 諧振頻率測量原理

揚(yáng)聲器的諧振頻率為其阻抗曲線上的最大阻抗模值對應(yīng)的頻率[2]。當(dāng)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(shí)現(xiàn)回路恒流，揚(yáng)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(diǎn)[3，4]。電路圖如圖1所示，這里的R為串聯(lián)大電阻，Z為揚(yáng)聲器等效電阻，整個回路的電流接近恒定，揚(yáng)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(tǒng)所研究的某型號揚(yáng)聲器參數(shù)如下：額定功率：P=12w，最大阻值：Z=10Ω，由式(1)可知揚(yáng)聲器的額定工作電壓約11v。

(1)

由恒流原理，需串聯(lián)電阻大于等于10倍R，即100Ω。根據(jù)上述原理，對不同型號的揚(yáng)聲器進(jìn)行了計(jì)算。為了獲得穩(wěn)定的恒流電路，選擇了160Ω的電阻。

實(shí)驗(yàn)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(yáng)聲器通過傳聲器采集到的響應(yīng)信號波形。

圖2 掃頻信號原始波形

圖3 揚(yáng)聲器諧振頻率響應(yīng)信號波形

2.2 正負(fù)極性測量原理

通過改變揚(yáng)聲器線圈內(nèi)的電流使揚(yáng)聲器發(fā)聲，變化的電流產(chǎn)生的磁場與揚(yáng)聲器內(nèi)部永磁場相互作用，迫使音圈做切割磁感線運(yùn)動，從而帶動與音圈相連的振膜壓迫空氣震動，因而發(fā)出某一頻率的聲音[5]。如果揚(yáng)聲器的正負(fù)極性是反向的，產(chǎn)生的電流流向、振膜的振動方向以及壓迫空氣產(chǎn)生的反電動勢方向也是相反的[6]。集成檢測系統(tǒng)以方波信號為激勵信號，通過對響應(yīng)的聲信號進(jìn)行處理，從而檢測揚(yáng)聲器的正負(fù)極性，其原理如圖4所示，圖5為測試中使用的方波信號。當(dāng)方波信號激勵一個極性正確的揚(yáng)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(dá)到正向的最大值，而后衰減為零；極性錯誤的揚(yáng)聲器的振膜振動方向相反，先達(dá)到負(fù)向最大值處后衰減為零。利用這個原理，通過數(shù)據(jù)采集卡的采集通道采集經(jīng)功率放大器放大后的聲壓信號，經(jīng)由計(jì)算機(jī)分析，判斷聲壓信號達(dá)到第一個峰值的正負(fù)來檢測揚(yáng)聲器的極性是否合格。極性合格的揚(yáng)聲器和極性故障的揚(yáng)聲器的聲壓波形如圖6、圖7所示。

圖4 聲壓法測正負(fù)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(yīng)信號波形

圖7 極性故障的響應(yīng)信號波形

2.3 絕緣阻抗測量原理

由揚(yáng)聲器參數(shù)的檢測標(biāo)準(zhǔn)可知[7]，揚(yáng)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(tǒng)利用在電路中串聯(lián)電阻分壓的原理，在揚(yáng)聲器接線柱和盆架之間串聯(lián)一個約為1MΩ的分壓電阻，再加以5v直流電。由數(shù)據(jù)采集卡采集接線柱和盆架之間的電壓信號，根據(jù)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(tǒng)設(shè)定的閾值2.5v作比較，若均值大于閾值則揚(yáng)聲器絕緣阻抗合格，若小于閾值則為不合格。

2.4 系統(tǒng)集成原理

基于數(shù)據(jù)采集卡的信號源系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令后數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)之間的信號輸出和采集的相互干擾，在正負(fù)極性響應(yīng)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(yīng)信號的采集之間添加了時間不等的延時；通過MFC項(xiàng)目的多線程原理，分別將激勵信號的輸出和響應(yīng)信號的采集寫入不同的線程，避免數(shù)據(jù)采集卡輸入、輸出通道間的干擾；在三個參數(shù)檢測的模塊中均根據(jù)要檢測的參數(shù)，添加了相應(yīng)的算法。三參數(shù)集成檢測系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 三參數(shù)集成檢測系統(tǒng)原理圖

3 測量系統(tǒng)的硬件

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

圖9 三參數(shù)集成硬件連接圖1-揚(yáng)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(shù)據(jù)采集卡輸出通道AO端口；7-數(shù)據(jù)采集卡輸入通道AI端口；8-計(jì)算機(jī)

4 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

集成檢測系統(tǒng)的軟件流程圖如圖10所示，在檢測軟件系統(tǒng)界面點(diǎn)擊檢測按鈕，程序依次通過數(shù)據(jù)采集卡的出發(fā)相應(yīng)的激勵信號及采集函數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的特征提取、計(jì)算，并將檢測結(jié)果顯示在窗口。

第一步：進(jìn)行系統(tǒng)初始化保證數(shù)據(jù)采集卡的輸入輸出通道正常運(yùn)行。主要是利用MFC項(xiàng)目里的線程Thread函數(shù)，在線程函數(shù)Thread中初始化采樣頻率10000Hz，采樣點(diǎn)數(shù)15000，并設(shè)置揚(yáng)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(jì)算機(jī)發(fā)出方波信號激勵揚(yáng)聲器，系統(tǒng)對采集到的聲壓信號進(jìn)行分析，若聲壓信號達(dá)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(tǒng)將檢測的結(jié)果、采集到的有效波形顯示到系統(tǒng)軟件的界面；

第三步：計(jì)算機(jī)調(diào)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(fā)信號源系統(tǒng)發(fā)出電壓值為5v的直流信號激勵揚(yáng)聲器，經(jīng)數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)，小于閾值則絕緣阻抗不符合標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)將檢測的結(jié)果顯示到系統(tǒng)軟件界面；

第四步：計(jì)算機(jī)調(diào)用諧振頻率檢測線程，打開數(shù)據(jù)采集卡的采集通道后，觸發(fā)信號源系統(tǒng)發(fā)出正弦掃頻信號激勵揚(yáng)聲器，系統(tǒng)對采集到的聲壓信號進(jìn)行處理，根據(jù)掃頻信號時長、采樣頻率，由式(3)計(jì)算出揚(yáng)聲器的諧振頻率。將測到的諧振頻率值與軟件內(nèi)部設(shè)定的揚(yáng)聲器諧振頻率的范圍進(jìn)行比較，如果計(jì)算出的諧振頻率值在這個范圍內(nèi)則諧振頻率合格，如果不在這個范圍內(nèi)則諧振頻率不合格。系統(tǒng)將計(jì)算分析的結(jié)果顯示在系統(tǒng)軟件界面。

(3)

圖10 一體化測量系統(tǒng)軟件系統(tǒng)流程圖

三參數(shù)一體化測量系統(tǒng)軟件界面如圖11、圖12所示。圖11顯示的是揚(yáng)聲器的正負(fù)極性、絕緣阻抗以及諧振頻率三參數(shù)檢測結(jié)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(tǒng)還包含了三參數(shù)獨(dú)立測量的模塊。正負(fù)極性測量模塊顯示正負(fù)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(yáng)聲器的響應(yīng)信號波形。

5 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)挑選100個揚(yáng)聲器作為實(shí)驗(yàn)樣本并編號，用一體化測量系統(tǒng)對樣本進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如下：

5.1 正負(fù)極性檢測結(jié)果

針對實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行檢測，樣本諧振頻率的最終檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

5.2 絕緣阻抗檢測結(jié)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(yuǎn)大于1MΩ，端子與盆架之間接近絕緣。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表1 正負(fù)極性檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表2 絕緣阻抗檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5.3 諧振頻率檢測結(jié)果

針對上述100個揚(yáng)聲器樣本進(jìn)行了諧振頻率的檢測實(shí)驗(yàn)。圖13顯示的是系統(tǒng)檢測結(jié)果的直方圖，測量結(jié)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(tǒng)的均值差為3.81Hz，其中誤差超過10Hz的揚(yáng)聲器編號為44、45和66，其他樣本誤差均在10Hz以內(nèi)，且最大偏差為12.46Hz。圖14為集成檢測系統(tǒng)和諧振頻率儀測量結(jié)果誤差。

圖13 集成檢測系統(tǒng)的諧振頻率直方圖

圖14 集成檢測系統(tǒng)和諧振頻率儀測量結(jié)果誤差散點(diǎn)圖

6 結(jié)論

集成檢測系統(tǒng)在一個工位經(jīng)過一次裝卡即可完成對揚(yáng)聲器的諧振頻率、正負(fù)極性以及絕緣阻抗這三個重要參數(shù)的檢測。通過對系統(tǒng)硬件及軟件系統(tǒng)的整合與設(shè)計(jì)，使得整個檢測系統(tǒng)人為干擾比例減少、智能化程度加強(qiáng)。經(jīng)過對100個揚(yáng)聲器樣本的檢測對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，正負(fù)極性和絕緣阻抗的檢測結(jié)果誤差為零，諧振頻率的檢測誤差除3個揚(yáng)聲器外，其他揚(yáng)聲器誤差均在10Hz以內(nèi)?；诩蓹z測系統(tǒng)，揚(yáng)聲器三參數(shù)的檢測效率得到了很大的提升，同時為揚(yáng)聲器參數(shù)集成檢測搭建了一個基礎(chǔ)的平臺。在此平臺的基礎(chǔ)之上，還可以增加其它揚(yáng)聲器參數(shù)的監(jiān)測，這樣可以使得整個檢測系統(tǒng)更加高效。

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