微型揚聲器振幅測試

1、 微型揚聲器振幅測試研究 Autumn 2006-08-301 概要 微型揚聲器主要用于手機，在對其厚度要求盡可能薄的情況下，不恰當的激勵可能會影響揚聲器振膜振動幅度過大，又因受外部speaker box的局限而導致振膜可能破裂。如何在較真實地模擬實際音樂信號的環(huán)境下，盡可能減小振膜振幅而不影響人耳聽到的響度是本文研究的內容。本文首先研究了如何從統計學角度找出合適的激勵信號模擬音樂信號，然后通過調整此類激勵信號研究振膜振幅的變化。利用的工具有AudioPrecision，cooledit和激光測振儀。2激勵信號的產生 粉紅噪聲是自然界最常見的噪音，簡單說來，粉紅噪聲的頻率分量功率主要分布在中低

2、頻段。粉紅噪聲從人耳中聽到的是平直的頻率響應“非常悅耳的一種噪聲”最常用于進行聲學測試的聲音。從波形角度看，粉紅噪聲是分形的，在一定的范圍內音頻數據具有相同或類似的能量。粉紅噪聲的電平從低頻向高頻不斷衰減，其幅度與頻率成反比(1/f)。其幅度每倍頻程(一個8度)下降3dB。噪聲能量在每倍頻程內是相等的。由于人耳對聲音的感知是以倍頻程為特征的，粉紅噪聲在每個倍頻程的能量是相等的，從統計學的角度看，用粉紅噪聲作為激勵信號比一般的掃頻激勵信號更接近音樂信號的特征，更適合于研究實際振幅的特征。粉紅噪聲的產生方法有很多種，比如Paul Kellet 的加權和濾波器，Paul Kellet 的簡易濾波器，

3、Don Morgan 的簡單和濾波器，Robert Bristow-Johnson 的零極點濾波器和Voss 算法等。但這些都是基于時域產生的隨機粉紅噪聲，對AP而言，產生任意信號的方法是通過對頻率點的設置完成的，而且由于存儲和計算的局限，頻率點的個數是有限的。以下利用兩種方法從頻率域產生粉紅激勵噪聲。21利用cooledit產生粉紅噪聲利用cooledit可以產生粉紅噪聲，但如何從中提取有限個頻率點來反映粉紅噪聲的整體特性以便下一步處理到AP中，要經由以下幾步：1 產生粉紅噪聲 (Fig.1)2 利用頻譜分析儀做FFT分析 (Fig.2)3 將FFT得到的結果導入excel中以進一步處理數據

4、4 從中取連續(xù)的50個頻率點將頻率和幅值處理成.adx格式的文件后導入AP的multicreation 中從而生成粉紅噪聲信號源。22利用粉紅噪聲的理論定義產生粉紅噪聲由于對粉紅噪聲而言，每個頻率點的幅值與頻率成反比（1/f），且每倍頻程能量相等，這樣在100Hz至10KHz頻帶內，50個頻率點以北頻程的關系取得，每1/9倍頻程取中心頻率及對應幅值1/f,100,108,116,126,136,147,159,171,185,200經由以下幾步：1 由定義以1/9倍頻程的關系產生粉紅噪聲 (Fig.3)2 在excel里生成.adx格式的文件后導入AP的multicreation 中從而生成粉

5、紅噪聲信號源。Fig.1 Cooledit粉紅噪聲時域圖Fig.2 Cooledit粉紅噪聲頻域圖Fig.3 由定義產生的粉紅噪聲頻域圖比較上述兩種生成粉紅噪聲的方法，方法一是等頻率間隔采樣的，方法二是等倍頻程間隔采樣的，從頻譜分析看，方法二比方法一的精度更高，而且更簡便，故接下來主要采用法二。3實驗測試振幅響應 本試驗共做了四種測試以便下一步推算，比較和驗證。每種測試均征對同一個揚聲器的同一點，采用了11mm´15cm矩形揚聲器。31掃頻信號頻響測試這項測試主要是為理論推算提供信息，因對不同型號的揚聲器的不同位置振幅掃頻響應是不同的。輸入電壓為1Vrms。 Fig.4 掃頻信號振幅

6、頻響圖32有效輸入電壓為1Vrms頻段為100-10KHz的粉紅噪聲此類粉紅噪聲的頻帶較寬，用AP生成的信號的峰值因子為2.78237。粉紅噪聲信號源及振幅曲線如下： Fig.5 100-10KHz,1Vrms粉紅噪聲信號源Fig.6 Fig.5激勵下的振幅頻域圖 Fig.7 Fig.5激勵下的振幅時域圖33 3.2中的信號通過400Hz 矩形高通濾波器后激勵揚聲器此類粉紅噪聲的頻帶變窄（400-10KHz）,其他不變。用AP生成的信號的峰值因子為3.34008。粉紅噪聲信號源及振幅曲線如下：Fig.8 Fig.5的信號經過400Hz高通濾波器濾波Fig.9 Fig.8激勵下的振幅頻域圖Fig

7、.10 Fig.8激勵下的振幅時域圖34 3.3中的信號放大使其有效值為1Vrms該測試信號是為了進一步與3.2中的信號比較。粉紅噪聲信號源及振幅曲線如下：Fig.11 Fig.8 中的信號源放大成1VrmsFig.12 Fig.11激勵下的振幅頻域圖Fig.13 Fig.11激勵下的振幅時域圖4測試振幅比較和分析 以上除掃頻信號外的三種測試信號激勵下的振幅時域圖合并在一幅圖上的比較如下：Fig.14 振幅時域圖比較a. 100-10KHz 粉紅噪聲激勵的振幅b. a 經400Hz高通濾波后激勵的振幅c. b放大成與a功率相同后激勵的振幅時域的比較可以看出振幅峰值的情況，由于存在峰值因子，有效

8、值的情況不能看出。但從上圖看到，由于人耳感知頻域的局限性，a.b信號的聽覺感受差不多，但振幅峰值關系大約小了一半，a.c信號的激勵源功率雖然相同，但c比a響一倍，但兩者時域振幅峰值相差不大。原因是 :c信號濾掉了400Hz以下的低頻之后對應的頻帶內頻響靈敏度比較低的頻帶相對變寬，雖然激勵源有效值同為1Vrms振幅有效值會比a激勵的小，但是由于c的振幅峰值因子大，導致從圖上看到的c振幅時域峰值與a時域峰值的差不多。5 理論驗證設激勵信號源的時域為頻域為s(t),S(f)，揚聲器頻響靈敏度為H(f)，揚聲器沖激響應為h(t)，振幅的時域為a(t)，頻域為A(f)，值得說明的是這里所說的振幅單位是V

9、，對應的長度電壓關系為1V對應0.1mm。 根據信號與系統的理論，把揚聲器看作一個系統，可得a(t)=s(t)*h(t);A(f)=S(f)´H(f);以下的理論推算基于上面第二個式子。加注rms下標表示有效值 一下表格列出了對振幅有效值測量結果和理論推算結果的比較，a,b,c分別對應三次不同的信號激勵下振幅的情況，這里的單位仍為電壓，對應的長度電壓關系為1V對應0.1mm。a. Fig.5 即100-10KHz,1Vrms粉紅噪聲信號源激勵的振幅b. Fig. 8 即 a經400Hz高通濾波后激勵的振幅d. Fig.11 即b放大成與a功率相同后(1Vrms)激勵的振幅Table

10、1 三種情況下振幅對比表 振幅有效值測量結果 (V)振幅有效值理論推算結果 (V)a1.4619981.494b0.6130.4288c0.960560.875在誤差允許的范圍內，理論推算值可以消可觀的預測出振幅的有效值，但由于峰值因子的存在，且其只能由實際測量得到，所以a振幅大概是c振幅的1.5倍，但峰值卻差不多。 上述測試表明，如果揚聲器振膜在低頻的振幅靈敏度較大，在信號激勵前濾去低頻，能有效地減小振幅。但是，由于峰值因子的不確定性，相同功率不同頻帶的粉紅噪聲激勵下，只能由頻響曲線推測出振幅有效值，而不能推測出振幅峰值。導致的結果是對相同功率不同頻帶的粉紅噪聲，雖然各自頻帶對應的振幅頻響靈敏度相差很大，但振幅時域的峰值差不多。6 總結 本文以統計學角度研究音樂信號和人耳聽覺倍頻程感知的基礎上，提出以粉紅噪聲普遍性地代替音樂信號的好處。介紹了如何在AP里