基于短時傅立葉變換的揚聲器模塊檢測方法

鄭桃

摘要：在揚聲器模塊的檢測中，采用基于短時傅立葉變換的方法，分析揚聲器的掃頻激勵響應信號。根據基頻能量占比選擇特征值，從大量樣本的分布中統計出閾值，然后通過比較待測產品的特征值與閾值，檢測揚聲器是否合格品。經過實驗和實際生產過程檢驗，該方法可以有效檢測出揚聲器模塊不合格品，節省了大量人力成本。

關鍵詞：短時傅立葉變換；語譜圖；揚聲器

中圖分類號：TN643 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0057-02

1 引言

隨著手機、平板等消費電子產品的不斷普及，消費者對于其品質也不斷提升，因此對于產品的音質也提出了越來越高的要求。當前多數廠商對于揚聲器模塊的檢測主要通過人耳主觀判斷，或者分析其在幾個在固定幾個頻率上的總諧波失真值來判斷是否合格品。本文提出一種新的基于短時傅立葉變換的新的特征分析方法。在語譜圖上，根據基頻能量占比選擇特征值，確定相應閾值，通過比較待測揚聲器模塊的特征值和閾值，確定揚聲器模塊是否合格。

2 揚聲器模塊故障檢測原理與方法

2.1 短時傅立葉變換

短時傅里葉變換是利用適當寬度的窗函數，在時間上把信號劃分成若干小段，對每一段數據進行傅里葉變換，得到其局部頻譜特性，局部頻譜的綜合組成短時傅里葉變換譜[1]。因此，其結果能反映出頻率隨時間變換的規律。

對于連續信號x，其短時傅立葉變換定義[2]為：

設X與W分別是連續信號x與窗函數ω的離散形式，則離散短時傅立葉變換定義為：

對音頻信號做短時傅里葉變換[3]，其結果即為語譜圖，如圖1所示。通常，把語譜圖畫成一個二維灰度平面圖，其橫坐標代表時間，縱坐標代表頻率，而圖上的每一個點的灰度值表示對應時間、頻率下的能量大小。

2.2 特征值選擇與計算

2.2.1 基頻能量占比均值序列

大量的實驗研究結果表明，有別于合格揚聲器，產生異常音的揚聲器的聲響應中往往包含能量較高的高階次諧波失真成分，這是揚聲器異常音的一個重要特征[4]。因此，在語譜圖的每個時間點上，把基頻能量（）與該時間段上的總能量（）的比值作為區分合格揚聲器和故障揚聲器的重要特征。

語譜圖上時刻的基頻能量計算公式為：

其中，為語譜圖在時間軸上的序列長度，其對應于原始信號被劃分出的小段數量。

語譜圖上時刻的基頻能量占比計算公式為：

最后，取L個合格的揚聲器，分別計算其SEBR，然后可以得出基頻能量占比均值序列，其計算公式為：

2.2.2 計算特征距離

首先計算出待測揚聲器的基頻能量占比序列SEBR，然后計算它與均值序列SA_EBR的差值，作為特征距離ERD（Energy Rate Distance），其計算公式為：

2.2.3 確定閾值

分別選取合格與故障揚聲器樣品各L個，計算出它們的特征距離。然后，根據這些特征距離統計出他們的分布圖。如圖2所示，橫坐標為樣品特征距離，縱坐標為樣品個數。合格揚聲器與不合格揚聲器的分布呈現出兩個波峰，兩個波峰之間有一個波谷。因此選取波谷的中間位置作為閾值，設為T，當計算出的ERD小于T時，揚聲器為合格品，否則為不合格品。

2.3 基于基頻能量比序列的揚聲器故障檢測方法

整個測試過程分為：基準數據獲取與待測產品測試兩個部分。基準數據獲取部分主要包括確定基頻能量比均值序列SA_EBR與閾值T項數據，流程如圖3所示。待測產品的測試和結果確認流程為：計算帶測試產品的特征距離ERD，比較ERD與閾值T，如果小于閾值，為合格品，否則為不合格品。

3 實驗驗證

首先選取100個合格品，分別計算出它們的基頻能量占比序列，如圖4所示為某個合格揚聲器的基頻能量占比序列。同時，基于這些序列值，求出基頻能量占比均值序列以及這些合格品的特征距離。

然后，選取100個不合格品，分別計算出他們的基頻能量占比序列和特征距離，如圖5所示為某個不合格揚聲器的基頻能量占比序列。

接著，統計這200個些特征距離的分布圖，然后確定出閾值T=0.5。最后，在生產線上重新選取人工檢測的合格品與不合格品各5臺，計算各自特征距離，分別與閾值T（T=0.5）進行比較，以驗證該檢測方法。實驗數據與結果，如表1所示。

從表1的實驗結果可以看出，本文采用的算法能夠有效的檢驗出不合格品。

4 結語

本文提出了在短時傅里葉變換的結果上，把基頻能量比序列作為特征量的揚聲器故障檢測方法。它通過統計大量樣品特征距離的分布，確定閾值。最后把待測樣品的特征距離與閾值進行比較，得出檢測結果。在實驗室及工廠生產線檢驗結果表明，該方法基本可替代人工對揚聲器進行檢測。接下來的主要工作集中在算法的時間優化上，以適應在工廠產線的大規模應用。

參考文獻

[1]科恩L.白居憲，譯.時-頻分析：理論與研究[M].西安交通大學出版社，1998.

[2]張賢達，保錚.非平穩信號分析與處理[M].國防工業出版社，1998.

[3]PASCAL B， STEVE T. Enhancements for loose particle detection in loudspeakers[J].Audio Engineering Society，2004，（5）：4-11.

[4]楊益，韋峻峰，溫周斌，等.揚聲器異常音的快速檢測方法及其實驗研究[J].聲學學報，2010，（5）：562-570.