郝乃澜,陈彩云,姜凤怡

(1.长春医学高等专科学校医学系,吉林长春130031;2.东北师范大学物理学院,吉林长春130024)

冲击响应法测量扬声器频率特性教学实验

郝乃澜1,陈彩云2,姜凤怡2

(1.长春医学高等专科学校医学系,吉林长春130031;2.东北师范大学物理学院,吉林长春130024)

在常规实验室条件下采用信号发生器、录音笔和Cool Edit p ro2.0声音处理软件,采用冲击法测量扬声器的频率特性,得出了实验所用3个扬声器频率特性的优劣顺序,使得测定扬声器频率特性的教学实验不需要在消声室中即可进行.

频率特性;冲击响应;扬声器

1 引 言

扬声器的频率特性是指馈给扬声器一定电压时,扬声器在参考轴上所辐射的声压随频率变化的特性.它是扬声器的重要参数之一,反映扬声器对各种频率声波的辐射能力.扬声器的频率特性一般包括3个方面:声压频率响应曲线、有效频率范围和不均匀度.在实际中要根据不同的用途来选择扬声器,扬声器的频率特性往往是首先要考虑的.因此,物理及相关专业的学生有必要开设测定扬声器频率特性的教学实验.

测量扬声器频率特性的方法主要有纯音信号测量法、粉红噪声信号测量法和冲击响应法3种.前2种方法是传统的测量方法,它们对声学环境要求很高,必须在消声室内进行.第3种方法虽然对声学环境要求不高,但专用的信号处理系统往往价格昂贵,功能单一,教学利用率低.

本文提出的测定扬声器频率特性的教学实验,使用信号发生器、录音笔、计算机,在常规实验室里即可进行.

2 实验原理

2.1 有关概念

声压频率响应曲线[1]:当馈给扬声器以恒定的电压时,扬声器在参考轴上所辐射的声压随频率变化的曲线,称为声压频率响应曲线.

有效频率范围[1]:在扬声器的电压频率响应曲线上,于声压级某一值下降指定分贝数处划一水平直线,与频响曲线相交的上下限频率所包括的频率范围,称为有效频率范围.通常频响曲线上小于1/9倍频程的峰谷忽略不计.国际电工委员会(IEC)规定,在频响曲线的最高声压级区域取1个倍频程的宽度,求其中的平均声压级,然后从这个声压级算起,下降10 dB的一条水平直线与频响曲线的交点所对应的频率,作为频响曲线有效频率范围的上下限.

不均匀度[1]:在声压频率响应曲线的有效频率范围内,声压级最大与最小值之差(小于1/9倍频程的峰谷忽略不计),称为不均匀度.

2.2 冲击响应法原理

可以把扬声器系统看成是线性不变系统,因此,它的输入和输出具有明确的关系,并且可以表示为时间或频率的函数.当输入为单位冲击信号δ(t)时,输出信号的时域表达为冲击响应函数h(t),输出信号的频域表达就是频率响应函数H(ω),H(ω)的模为扬声器系统的幅频特性,相角为扬声器系统的相频特性.h(t)和 H(ω)在数学上可以通过傅里叶变换相互转换,应用声音处理软件,可以非常方便地将扬声器的冲击响应信号h(t)转换为频率响应函数 H(ω).由于冲击响应声音信号的持续时间很短,只要房间足够大,反射声波就不会叠加在直达声信号上,激励信号重复周期足够长,相邻信号也不会重叠.因此,用冲击响应法测定扬声器频率特性的实验不要求在消声

室内进行.

3 实验仪器

实验系统见图1,包括以下仪器及软件.

DG3121A型任意波形信号发生器(北京普源精电科技有限公司生产)可产生正弦波、锯齿波、脉冲波、白噪声等信号,其中脉冲波的最小脉宽为8 ns,脉冲最大重复周期达10 000 s(重复频率0.1 m Hz).因此可做为非常理想的脉冲激励源.

SON Y-D50数码录音笔[索尼(中国)有限公司生产],是一款优质的高端录音笔,最高采样频率为96 k Hz,即响应频率达40 k Hz以上,信噪比93 dB以上,通频带内波动小于2 dB,灵敏度达-12 dB,动态范围120 dB.

Cool Edit Pro 2.0声音处理软件是非常出色的数字音乐编辑器和M P3制作软件.利用Cool Edit Pro 2.0的声音分析功能,可方便地对声音文件进行时域分析、频域分析和时-频分析[2-3].

测试用扬声器若干.本文随机取用10 cm(扬声器1)、5.6 cm(扬声器2)、4 cm(扬声器3)3种不同口径的扬声器作为测试对象.

图1 实验系统

4 实验过程

将任意波形信号发生器调至脉冲信号挡,脉宽取10μs,脉冲重复频率10 Hz,使得信号占空比为1/10 000,输出电压峰-峰值取10 V.然后将激励信号加在测试扬声器的输入端.

录音笔采样频率取96 k Hz,将其某一通道的麦克置于待测扬声器的中轴线,麦克与扬声器正对,麦克到扬声器的距离 r要满足远场条件:r＞d且r≤d2/λ,其中 d为扬声器直径,λ为声波波长.对于本文中3种扬声器,取20 k Hz频率声波的波长,其 r的共性范围是10 cm＜r≤60 cm.为了获得尽可能高的信噪比,本文取 r=15 cm.用录音笔分别录下3种扬声器发出的冲击响应声音信号,形成3个声音文件.

用Cool Edit Pro 2.0声音处理软件分别打开3个声音文件,进行分析.

5 实验结果

图2～4分别为3个扬声器的冲击响应声音信号的时域曲线(部分).可以看出,3个扬声器的声音信号持续时间均远远小于脉冲重复周期,且有足够高的信噪比.因此,3个扬声器的声音信号均满足冲击响应的条件.

图2 扬声器1的冲击响应声音信号时域曲线(部分)

图3 扬声器2的冲击响应声音信号时域曲线(部分)

图4 扬声器3的冲击响应声音信号时域曲线(部分)

图5～7分别为3个扬声器冲击响应信号的频率响应曲线.由频响曲线可估算出3个扬声器的有效频率范围和不均匀度,见表1.有效频率范围的精确计算,通过可以将冲击响应信号导入诸如Matlab等算法语言中进行.

由表1可以看出,大口径扬声器有效频率范围处于低频段,小口径扬声器有效频率范围处于高频段.扬声器1的不均匀度较小,有效频率范围约为4.5 kHz.扬声器2的有效频率范围窄,且不均匀度达30 dB.扬声器3的有效频率范围较宽,达17.6 k Hz,但不均匀度较大.因此,本文中3个扬声器频率特性优劣排序应为:扬声器1,扬声器3,扬声器2.

图5 扬声器1的频率响应曲线

图6 扬声器2的频率响应曲线

图7 扬声器3的频率响应曲线

表1 3个扬声器的有效频率范围和不均匀度

6 结束语

本文使用信号发生器、录音笔、计算机,在常规实验室里进行扬声器频率特性的测定,取得了较好的结果.一般地,扬声器的频率特性分析重点在可闻声频段内(20 Hz～20 k Hz),所以录音笔的采样频率可以设置为44 k Hz.

[1]陶擎天,赵其昌,沙家正.音频声学测量[M].北京:中国计量出版社,1986:80-84.

[2]郝乃澜,王双维,李光,等.基于Cool Edit Pro 2.0的人耳听阈曲线测定实验[J].物理实验,2007,27(12):40-42.

[3]郝乃澜,郑凯杰,曹晓琳,等.双耳效应机理教学实验设计[J].物理实验,2010,30(6):1-4.

[责任编辑:郭 伟]

Measuring frequency characteristics of speaker by shock responsemethod

HAO Nai-lan1,CHEN Cai-yun2,JIANG Feng-yi2
(1.Medical Department,Changchun M edical Highter Training School,Changchun 130031,China;2.School of Physics,Northeast Normal University,Changchun 130024,China)

In the experiment,the frequency characteristic of the speaker is measured.And the means is normal in the lab,such as the signal generator,the recorder pen and the Cool Edit p ro 2.0 software.Three speakers in experiment could differ from each other on the basis of the frequency characteristic.That is,they can be separated into good,moderate,poor in the aspect of frequency characteristic.To summarize,such a teaching experiment no longer need to be accomp lished in the anechoic cham ber.

frequency characteristic;shock response;speaker

O421.1;TN643

A

1005-4642(2010)11-0035-03

2010-06-25

吉林省教育厅“十一五”科学技术研究项目(吉科教合字[2007]第451号)

郝乃澜(1958-),女,吉林长春人,长春医学高等专科学校医学系教授,主要从事大学医用物理及实验教学和科研工作.