一種采用激振器激勵的揚聲器振動部件共振頻率測量方法及系統

姚心悅，徐楚林，溫周斌

一種采用激振器激勵的揚聲器振動部件共振頻率測量方法及系統

姚心悅1,2，徐楚林1,3，溫周斌1,3

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

提出了一種采用激振器激勵方式的揚聲器振動部件共振頻率測量方法及系統。采用激振器作為激勵被測部件振動的激勵源，并通過加速度傳感器實時檢測夾具的振動加速度(包括幅度和相位)，以確保被夾具夾持住的被測部件在測量頻率范圍內上下平穩振動；通過激光位移傳感器測量被測部件在不同頻率點振動時的振動位移，可得到被測部件振動的頻率響應(被測部件振動加速度和夾具振動加速度的比值的頻率響應)；根據該頻率響應進行計算最后可得到被測部件的共振頻率。實驗結果表明，實測頻率響應的曲線與理論分析相一致，測量結果的可重復性和準確性良好，可測量的振動部件的種類和范圍更廣。

揚聲器；振動部件；共振頻率；頻率響應

0 引言

揚聲器振動部件(包括紙盆、振膜和定心支片等)的共振頻率是揚聲器的一項重要技術指標。較早的測量揚聲器振動部件共振頻率的方法主要為間接測量法[1-2]，它通過測量激勵揚聲器的電流或阻抗等相關參數的變化得到被測部件的共振頻率。該方法比較適合測量諧振Q值較大、尺寸較大、質量又比較適中的被測部件，并且要求激勵揚聲器的共振頻率要遠小于被測部件的共振頻率，因此它的適用性受到一定限制，準確性也存在一定問題。目前應用比較廣泛的測量方法為直接測量法[3-6]，它通過直接測量被測部件在不同頻率振動時的振動位移曲線得到其共振頻率。由于該方法難以徹底消除被測部件與激勵揚聲器之間的空氣腔體對測量結果的影響，無法確保在各個頻率點由激勵揚聲器發出并通過聲波傳遞到被測部件上的激勵力是相同的，因而所測量得到被測部件的振動位移頻率響應曲線可能會出現多個波峰或產生不同程度的波動，進而導致所測量得到的共振頻率存在一些誤差。

針對上述問題，本文提出了一種采用激振器激勵方式的揚聲器振動部件共振頻率測量方法及系統。它可實時檢測夾具的振動加速度(包括幅度和相位)，可確保被夾具夾持住的被測部件在測量頻率范圍內上下平穩振動，從而得到準確的被測部件振動的頻率響應，然后根據該頻率響應的曲線擬合得到被測部件的固有角頻率和衰減因子，從而計算得到更為準確的共振頻率，由此提高了測量揚聲器振動部件共振頻率的準確性。

1 測量系統及其理論模型

本文提出的揚聲器振動部件共振頻率測量系統如圖1所示，它由信號處理系統、功率放大器、測量支架、激振器、夾具、被測部件、加速度傳感器和激光位移傳感器等組成。激振器固定在測量支架底端，激光位移傳感器固定在測量支架頂端；被測的揚聲器振動部件由夾具夾持，該夾具固定在激振器上，加速度傳感器安裝在夾具上；激光位移傳感器發出的激光光束對準被測部件較平緩處。

圖1 測量系統示意圖

首先信號處理系統輸出電壓信號經功率放大器放大后激勵激振器工作，3只激振器共同激勵被夾具夾持住的被測部件進行振動；然后激光位移傳感器采集被測部件的振動位移信號，加速度傳感器采集夾具的振動加速度信號，信號處理系統同步采集這兩個振動信號，并將振動位移信號轉換成對應的振動加速度信號，由此可計算得到被測部件振動的頻率響應(被測部件振動加速度(輸出)與夾具振動加速度(輸入)的比值的頻率響應)；最后信號處理系統對上述頻率響應進行分析處理，得到被測部件的共振頻率。

這樣一個由激振器激勵被夾具夾持住的被測部件進行振動的系統可簡化為如圖2所示的隔振系統，夾具(用于被測部件的外沿)為隔振系統的基礎端1，被測部件為隔振系統的質量塊，質量塊的平衡位置為，激振器激勵被夾具夾持住的被測部件進行振動的過程，也就是在彈簧和阻尼的共同作用下激勵力施加在基礎端并通過基礎端將振動傳遞給質量塊的過程。

圖2 隔振系統示意圖

若式(4)對任意時間都成立，則必須滿足：

解此代數方程可得：

式中：

這樣，通解變為：

2 測量方法

測量揚聲器振動部件共振頻率的流程如圖3所示，主要步驟為：首先設定所需測量的頻率范圍和頻率間隔，然后由低頻到高頻，測量每個頻率點被測部件的振動位移并計算該頻率點下被測部件振動加速度和夾具振動加速度的比值，即構成被測部件振動的頻率響應，最終根據該頻率響應計算得到共振頻率。

圖3 測量流程圖

在測量每個頻率點被測部件的振動位移之前，需自適應調整激振器的輸入電壓，以使得被夾具夾持住的被測部件能進行平穩振動。

2.1 自適應調整激振器輸入電壓

因3點可確定一個平面，故為了確保被夾具夾持住的被測部件進行平穩振動，本文采用了3只激振器和3只加速度傳感器(它們在圓形夾具上呈3等分排列)。若測量得到的夾具上3個位置處的振動加速度相同，則可認為被夾具夾持住的被測部件外沿上任意點處的振動情況均相同。

根據第-2次、第-1次和第次振動時的輸入和輸出，可列出如下線性方程：

其中，>=3。

2.2 計算共振頻率

根據被測部件振動的頻率響應曲線，計算得到被測部件共振頻率的方法為：選用非線性參數擬合方法得到被測部件的固有角頻率和衰減因子，并根據公式(9)計算得到共振頻率。具體過程如下：

第1節中的式(1)可表示為

式(19)中的傳遞函數為一復數值，為便于計算，本文使用傳遞函數幅值的平方來進行參數擬合。傳遞函數幅值的平方為

3 實驗系統及其測量結果

所搭建的實驗系統如圖4所示，主要包括3部分，左側為測量裝置(包括測量支架、激振器、夾具、被測振動部件、激光位移傳感器和加速度傳感器等)，右側為顯示器和多功能機箱(包括功率放大器、電源和激光控制器)，中間為信號處理系統(包括NI機箱、控制器、板卡和接線盒等)。

圖4 實驗系統

Fig4 Photo of experimental system

基于該實驗系統，作者測量了多款不同形狀和不同材質的揚聲器紙盆，圖5給出了兩款被測揚聲器紙盆的照片(1 in=2.54 cm)。

圖5 被測揚聲器紙盆照片

隨機選取6.5 in紙盆的4個樣品進行測量，每個樣品各測量兩次，共得到8條頻率響應曲線，如圖6所示。

圖6 不同樣品的實測頻率響應曲線

從圖6中的頻率響應曲線可看出，同一個樣品各測量兩次得到的數據曲線幾乎完全重合，且曲線平滑、有明顯的主峰。這說明測量結果具有良好的穩定性和一致性。此外，不同樣品之間共振峰出現的位置基本相同，但是幅值和開口大小略有差異，這是由于各個樣品之間的差異性導致的。

根據測量得到的頻率響應曲線可擬合得到被測部件的兩個重要參數。如圖7所示為根據其中一個樣品的頻率響應曲線進行參數擬合的結果。

圖7 實測頻率響應曲線和擬合曲線對比圖

從圖7中的對比結果可以看出，兩條曲線的主峰出現的位置及開口大小基本一致，說明實際測量得到的數據符合理論模型，這也在一定程度上驗證了測量結果的準確性。

表1 不同樣品的ω0、γ和f0測量結果

4個樣品共振頻率的平均值為56.56 Hz。

與此同時，作者也采用基于直接測量法[6]的測量系統進行了相同的測量工作，并將測量結果與采用本實驗系統得到的結果進行了比較。

圖8給出了基于直接測量法的測量系統測量上述6.5 in紙盆的振動位移曲線(最大振動幅度同樣設置為0.27 mm，4個樣品各測量兩次)。

圖8 直接測量法得到的振動位移曲線

從圖8可以看出，同一樣品測量兩次得到的曲線基本重合，但不同樣品的測量曲線的共振峰出現的位置以及幅值和開口的大小都略有差異。根據該曲線圖計算得到的共振頻率如表2所示。

表2 直接測量法的共振頻率f0測量結果

4個樣品共振頻率的平均值為54.00 Hz。

比較采用兩套系統測得的實驗結果可知，針對這款6.5 in紙盆，兩者結果雖略有差異，但仍較為相近。

但是，針對一些尺寸較小、比較難被激振的紙盆，本文提出的測量方法相較于直接測量法就有明顯的優勢。

針對圖5(b)所示的2.5 in紙盆，隨機選取兩個樣品，分別采用本文提出的方法和直接測量法進行測量，每個樣品各測量兩次，得到的頻率響應曲線和振動位移曲線分別如圖9和圖10所示。

圖9 本文方法測量的頻率響應曲線

圖10 直接測量法得到的振動位移曲線

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

4 結論

本文提出了一種采用激振器激勵方式的揚聲器振動部件共振頻率測量方法及系統。它可實時檢測和控制夾具實際振動的加速度，可確保被夾具夾持住的被測部件在測量頻率范圍內上下平穩振動，從而準確地測量得到被測部件振動的頻率響應，進而更為準確地得到被測部件的共振頻率。實驗結果表明，實際測量得到的結果符合理論模型，并且同一樣品測量多次的結果完全重合，而同款產品不同樣品之間的測量差異很小，故可認為本文提出的方法可以準確測量揚聲器振動部件的共振頻率。相比于直接測量法，本方法還可準確測量一些尺寸較小、較難被激振的振動部件的共振頻率。

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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, 研究方向為電聲技術。

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