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          敲擊揚聲器震動信號建模

          作者:卓晴時間:2023-06-27來源:TsinghuaJoking收藏

          揚聲器震動的頻率特性可以通過敲擊它所獲得的沖激響應來分析。?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。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202306/447984.htm

          一、前言

          揚聲器震動的頻率特性可以通過敲擊它所獲得的沖激響應來分析。?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。

          1.jpg

          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沖激響應。

          2.jpg

          為了便于分析,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。?由于這是三個振蕩周期,所以原波形的振蕩頻率為153.9Hz。

          1687751338231450.png

          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

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

          1687751325376022.png

          ▲ 圖1.2.1 敲擊揚聲器中間獲得的波形

          1687751316415239.png

          ▲ 圖1.2.2 50個數據進行平滑之后的波形

          三、信號建模

          下面通過曲線擬合方式對揚聲器振動信號進行建模。?由于信號前面的波形受到敲擊的影響, 所以并不純粹是揚聲器自由響應。?截取時間大于7毫秒之后的波形進行處理。?這是揚聲器在敲擊后7毫秒之后的震動信號波形。?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。?

          下面是程序擬合過程。?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,并進行繪制。?下面分析一下擬合結果。?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 等于 161.2 赫茲。?

          這里將原始波形和擬合曲線波形繪制在一起, 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面觀察到曲線過零點所獲得頻率更加準確。

          1687751301744108.png

          ▲ 圖1.2.3 曲線擬合后的結果

          1687751290495758.png

          ▲ 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 -*-

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

          # 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

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

          下面是文件 headm.py 的內容:

          import sys, os

          sys.path.append(r'd:pythonteasoft')

          STDFILE = open(r'd:pythonstd.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并獲取了一種小型揚聲器敲擊信號。該信號反映了揚聲器的沖激響應。?后面通過信號擬合進行數學建模,?為之后對揚聲器的頻率特性進一步分析打下基礎。

          作者:卓晴



          關鍵詞: TsinghuaJoking

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