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敲擊揚聲器震動信號建模

發布時間：2023-07-27 來源：TsinghuaJoking 責任編輯：wenwei

【導讀】揚聲器震動的頻率特性可以通過敲擊它所獲得的衝激響應來分析。原本驅動揚聲器紙盆震動的線圈此時可以用作震動傳感器，它將紙盆的震動速度轉換成電壓信號。通過示波器可以采集到這個信號，本文將對敲擊揚聲器所產生的震動信號進行觀察建模。

一、前言

揚聲器震動的頻率特性可以通過敲擊它所獲得的衝激響應來分析。原本驅動揚聲器紙盆震動的線圈此時可以用作震動傳感器，它將紙盆的震動速度轉換成電壓信號。通過示波器可以采集到這個信號，本文將對敲擊揚聲器所產生的震動信號進行觀察建模。

二、敲擊揚聲器

使用示波器連接揚聲器的引線，敲擊揚聲器可以看到振動的波形。不同的敲擊力度和部位，對應的震動還是有些區別。示波器的探頭直接連接到揚聲器的音圈輸出端口，中間沒有施加任何信號放大電路。這樣采集到的電壓信號反映了揚聲器的單位衝激響應。

為了便於分析，使用小型改錐敲擊揚聲器紙盆中心，獲得了這樣一個簡單衰減振蕩波形。選擇其中三個周期過零點，查看它們之間的時間差，大約為19.5毫秒，它的倒數對應51.3Hz。由於這是三個振蕩周期，所以原波形的振蕩頻率為153.9Hz。

為了進一步精確估計衰減振蕩波形參數，通過Python編程，從示波器讀取波形數據。這是對讀取數據顯示的波形。對原始示波器采集到的數據進行50個數據點的平均，獲得更加光滑的信號波形。

#!/usr/local/bin/python

# -*- coding: gbk -*-

#******************************

# TEST1.PY -- by Dr. ZhuoQing 2023-03-01

# Note:

#******************************

from headm import *

from tsmodule.tsvisa import *

mso24open()

x,y = mso24read(1)

tspsave('wave1', x=x, y=y)

plt.plot(x, y)

plt.xlabel("Time(s)")

plt.ylabel("Voltage(V)")

plt.grid(True)

plt.tight_layout()

plt.show()

#------------------------------------------------------------

# END OF FILE : TEST1.PY

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▲ 圖1.2.1 敲擊揚聲器中間獲得的波形

▲ 圖1.2.2 50個數據進行平滑之後的波形

三、信號建模

下麵通過曲線擬合方式對揚聲器振動信號進行建模。由於信號前麵的波形受到敲擊的影響，所以並不純粹是揚聲器自由響應。截取時間大於7毫秒之後的波形進行處理。這是揚聲器在敲擊後7毫秒之後的震動信號波形。它是一個指數衰減振蕩信號。可以使用一個帶有五個參數的函數表示。通過Python編程，利用其中的曲線擬合工具來估計波形參數。

下麵是程序擬合過程。定義帶有五個參數的指數衰減函數，根據觀察到的波形，初步估計函數的五個參數的初始值，調用曲線擬合函數，顯示獲得擬合參數。利用這些參數計算出擬合曲線，並進行繪製。下麵分析一下擬合結果。這是五個信號參數擬合數值，其中參數C代表著振蕩角頻率。通過它，可以計算出振蕩頻率 f0。 f0 等於 161.2 赫茲。

這裏將原始波形和擬合曲線波形繪製在一起，可以看到擬合參數的有效性。利用測量波形進行曲線擬合，所獲得的頻率值應該比前麵觀察到曲線過零點所獲得頻率更加準確。

▲ 圖1.2.3 曲線擬合後的結果

▲ 圖1.3.2 信號波形擬合函數以及對應的參數

#!/usr/local/bin/python

# -*- coding: gbk -*-

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# TEST2.PY -- by Dr. ZhuoQing 2023-03-01

# Note:

#******************************

from headm import *

from scipy.optimize import curve_fit

x, y = tspload('wave1', 'x', 'y')

printf(len(x), len(y))

AVERAGE_NUM = 50

DATA_LENGTH = len(x)//AVERAGE_NUM

xx = array([sum(x[i*AVERAGE_NUM:i*AVERAGE_NUM+AVERAGE_NUM])/AVERAGE_NUM*1e3 for i in range(DATA_LENGTH)])

yy = array([sum(y[i*AVERAGE_NUM:i*AVERAGE_NUM+AVERAGE_NUM])/AVERAGE_NUM for i in range(DATA_LENGTH)])

c = where(xx>5)

xxx = xx[c]/1000

yyy = yy[c]

tspsave('wave11', xxx=xxx, yyy=yyy)

#------------------------------------------------------------

'''

plt.plot(xxx, yyy)

plt.xlabel("Time(s)")

plt.ylabel("Voltage(V)")

plt.grid(True)

plt.tight_layout()

plt.show()

'''

#------------------------------------------------------------

def fun(x,a,b,c,d,e):

return a*exp(-b*x)*sin(c*x+d)+e

param = (1, 50, 2*pi*150, 0, 0)

param, conv = curve_fit(fun, xxx, yyy, p0=param)

printf(param)

ysim = fun(xxx, *param)

plt.plot(xxx, yyy, linewidth=3, label='Origin')

plt.plot(xxx, ysim, label='Fit')

plt.xlabel("Time(s)")

plt.ylabel("Voltage(V)")

plt.grid(True)

plt.legend(loc="upper right")

plt.tight_layout()

plt.show()

#------------------------------------------------------------

# END OF FILE : TEST2.PY

#******************************

下麵是文件 headm.py 的內容：

import sys, os

sys.path.append(r'd:\python\teasoft')

STDFILE = open(r'd:\python\std.txt', 'a', 1)

sysstderr = sys.stderr

sysstdout = sys.stdout

sys.stderr = STDFILE

sys.stdout = STDFILE

from threading import Thread

import time, math, winsound, clipboard, random

from numpy import *

from tsmodule.tspdata import *

from tsmodule.tspyt import *

from tsmodule.tscmd import *

from tsmodule.tsdopop import *

from tsmodule.tsdraw import *

import tsmodule.tsconfig

import matplotlib.pyplot as plt

plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']

plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False

plt.figure(figsize=(10,80*10/128))

plt.get_current_fig_manager().window.wm_geometry("+1950+300")

plt.rcParams.update({'font.size':14})

總結

本文通過示波器觀察並獲取了一種小型揚聲器敲擊信號。該信號反映了揚聲器的衝激響應。後麵通過信號擬合進行數學建模，為之後對揚聲器的頻率特性進一步分析打下基礎。

作者：卓晴

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