CN201435826Y - 振动式拾音器参数分析测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种振动式拾音器参数分析测试装置，主要包括接口装置、测试模块和装设标准加速计的电磁振动台；只需用一标准加速度计测出电磁振动台输出曲线的频幅曲线参数作为相对参考标准，将每次受测拾音器的曲线参数与相对参考标准进行比较计算，即可得出受测拾音器的频幅特性及灵敏度参数；本实用新型之频率解析度仅受限于测试模块的处理能力与记忆容量，不需要多台专用测试仪器组合就能达到基本测试条件，成本低，调试工艺简单，测试效率高，能满足批量生产的需求。

Description

振动式拾音器参数分析测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种振动式拾音器参数分析测试方法和装置。

背景技术

振动式拾音器是一种利用加速度传感器测试原理设计而成的振动音频感测元件，主要用于军事战场、消防现场及所有高噪声特殊环境下进行抗噪声通讯联络之用。在振动式拾音器的研制、生产及检测过程中，由于根据加速度器的检测原理，必须要求具备一种在所测量范围内能够保持恒定加速度参数的振动装置，利用该***的恒定特性来测试待测器件的灵敏度及频率响应的关键参数。

之前的振动试音器件基本采用模拟振动检测***，该***测试原理如图1所示，主要由设置有监测加速度计和被测拾振器的振动台A、振动测试仪B、记录仪C和前置放大器D组成，在该测试模式之下，由于电磁振动台A为电感性负载，由下式可知其输出阻抗：

R₀＝ωL

随着驱动信号频率的增加其输入阻抗会逐步加大，在恒定驱动电压的情况下其输出功率会随驱动信号频率的增加逐渐递减，难以保持测试所要求的恒定加速度输出。为了解决这一问题，采用上述测试***时，均要在***中增加实时反馈控制***(也称为压缩***)，通过振动台A台面安装的监测加速度计与反馈控制***的压缩放大器E形成压缩反馈闭环回路，当监测加速度计感测到台面振动加速度降低时会自行调整压缩放大器E的输出电压而保持台面的恒定加速度。由图1可以看到，此测试***需要多台专用测试仪器组合后方能达到基本测试条件，成本高，调试工艺复杂，测试效率低下，很难满足批量生产的需求。

近年来，随着计算机科学技术迅速发展，出现了一种新的分析技术，称为“FFT频谱分析技术”，此种分析方法是模拟上千个并联滤波器而进行复杂的数学运算。

实用新型内容

本实用新型的目的在于应用FFT频谱分析技术，提供一种可以完成振动拾音器的快速测试，且满足大量生产需求的测试方法和装置。

一种振动式拾音器参数分析测试装置，主要包括接口装置、测试模块和装设标准加速计的电磁振动台；

所述的接口装置包括前置放大器、该A/D转换器对受测拾音器输出的经前置放大器放大的信号直接取样，通过音频数字信号处理模块将该信号传送给测试模块；该测试模块输出噪声信号，通过音频数字信号处理模块和D/A转换器转换为模拟信号，经过功率放大器加载在电磁振动台的输入端；

所述的测试模块主要包括FFT频谱分析模块、能量计算器、参数存储模块、数值平滑模块、噪声发生器模块、坐标产生模块和输出显示器；

所述的加速计包括加速度传感器和加速度测量模块；

所述的加速度传感器固定于电磁振动台台面，输出接入加速度测量模块，该加速度测量模块交流信号输出至测试模块的FFT频谱分析模块，通过噪声发生器模块向电磁振动台的输入端输入在对数坐标系具有平直频率特性的白噪声频谱信号以激励受测拾音器，该加速度测量模块测试出的频幅参数数据存入参数存储模块，作为测试时的参考曲线；

所述的固定于电磁振动台台面的被测拾音器输出信号至接口装置，经接口装置缓冲放大后输至测试模块的FFT频谱分析模块与存入参数存储模块的参考曲线进行比较运算，将其差值经过能量计算器转换为电压频幅信号并经数值平滑模块与坐标产生模块定标后在输出显示器上描画出所测产品的频率特性曲线。

本实用新型之频率解析度仅受限于测试模块的处理能力与记忆容量，不需要多台专用测试仪器组合就能达到基本测试条件，成本低，调试工艺简单，测试效率高，能满足批量生产的需求。

附图说明

图1为习有的模拟振动检测***的测试原理示意图；

图2为本实用新型的***连接示意图；

图3为本实用新型的测试原理示意图；

图4为本实用新型中接口装置的原理示意图；

图5为本实用新型中接口装置板卡连接图；

图6为本实用新型中FFT频谱分析模块对模拟信号进行频谱分析的方框图；

图7为本实用新型中经FFT处理后获得频谱分布图；

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详述。

具体实施方式

如图2至图5所示，本实用新型主要包括接口装置1、测试模块2和装设标准加速计5的电磁振动台3。

所述的加速计5包括加速度传感器51和加速度测量模块52。

所述的接口装置1负担测试信号的输入转换与电磁振动台3激励信号放大输出的功能，包括前置放大器11、该A/D转换器12对受测拾音器4输出的经前置放大器11放大的信号直接取样，通过音频数字信号处理模块13将该信号传送给测试模块2；该测试模块2输出噪声信号，通过音频数字信号处理模块13和D/A转换器14转换为模拟信号，经过功率放大器15加载在电磁振动台3的输入端。

所述的测试模块2主要包括FFT频谱分析模块21、能量计算器22、参数存储模块23、数值平滑模块24、噪声发生器模块25、坐标产生模块26和输出显示器27。测试中，将被测拾音器4固定于电磁振动台3的台面，将其输出接入接口装置1缓冲放大后输至测试模块2的FFT频谱分析模块21与存入参数存储模块23的参考曲线进行比较运算，将其差值经过能量计算器22转换为电压频幅信号并经数值平滑模块24与坐标产生模块26定标后在输出显示器27上描画出所测产品的频率特性曲线，便可测试出受测拾音器4的频响曲线与灵敏度。

所述的加速度传感器51用螺栓固定于电磁振动台3台面，将其输出接入加速度测量模块52，该加速度测量模块52交流信号输出端直接接至FFT频谱分析模块21，通过噪声发生器模块25向电磁振动台3的输入端输入在对数坐标系具有平直频率特性的白噪声频谱信号以激励被测拾音器4，该加速度测量模块测试出的频幅参数数据存入参数存储模块，作为测试时的参考曲线。

本实用新型的振动式拾音器参数分析测试方法主要包括校准电磁振动台3和被测拾音器4参数测试两个步骤：

步骤1、测试前先校准电磁振动台3

首先，将加速度传感器51用螺栓固定于电磁振动台3台面，将其输出接入加速度测量模块52，再将该加速度测量模块52交流信号输出端直接接至FFT频谱分析模块21；通过噪声发生器模块25向电磁振动台3的输入端输入在对数坐标系具有平直频率特性的白噪声频谱信号，该加速度传感器51采集信号发送至加速度测量模块52，由加速度测量模块52输出交流信号至FFT频谱分析模块21，直至将电磁振动台3调整到1g的加速度数值；由于该标准加速度计5在工作频段内具有较精确的平直特性，此时加速度测量模块52测试出的频幅信号便可表示电磁振动台3的频率响应，同时将此频幅参数数据存入参数存储模块23，作为今后被测拾音器4参数分析时的参考曲线；然后，仍将加速度传感器51用螺栓固定于电磁振动台3台面，将其输出接入加速度测量模块52，并将加速度测量模块52的交流信号输出端接至接口装置1进行缓冲放大，再经输出至FFT频谱分析模块21分析后与存入参数存储模块23的电磁振动台3的频幅曲线参数进行比较，将其差值作为电磁振动台3的虚拟频幅特性曲线；若两次测试出的曲线参数基本一致，则其差值可视为电磁振动台3在1g加速度时对应的虚拟频幅曲线，且此虚拟频幅曲线在特定工作频段内具有符合要求的平直特性，至此电磁振动台3校准完成；

步骤2、对被测拾音器4参数进行测试

经过标准加速度计5对电磁振动台3的校正之后，从电磁振动台3移去加速度传感器51，将被测拾音器4固定于电磁振动台3的台面，将其输出接入接口装置1，经接口装置1缓冲放大后输出至测试模块2的FFT频谱分析模块21与存入参数存储模块23的参考曲线进行比较运算，将其差值经过能量计算器22转换为电压频幅信号并经数值平滑模块24与坐标产生模块26定标后在输出显示器27上描画出所测产品的频率特性曲线，便可测试出受测拾音器4的频响曲线与灵敏度。

本实用新型频率响应之测试与并联滤波分析仪类似，同样是估算受测物件之输入与输出信号分量。理论上，如果使用[周期噪声讯号]，有可能只要测量出[输出频谱]，即可求得频率响应值，将此值与电磁振动台3中标准加速度计5输出之频响值进行比较运算，即可得到受测振动拾音器4的灵敏度与频率响应曲线。

本实用新型之频率解析度仅受限于测试模块2的处理能力与记忆容量。

以下简述本实用新型中应用傅立叶变换(FFT)进行频谱分析的基本原理。

1、傅立叶变换(FFT)的基本原理

长度为N的序列x(n)的离散傅立叶变换X(k)为：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{nk}},k=0,....,N-1$

其中，N点的DFT可以分解为两个N/2点的DFT，每个N/2点的DFT又可以分解为两个N/4点的DFT。依此类推，当N为2的整数次幂时(N＝2^M)，由于每分解一次降低一阶幂次，所以通过M次的分解，最后全部成为一系列2点DFT运算。

以上就是按时间抽取的快速傅立叶变换(FFT)算法。当需要进行变换的序列的长度不是2的整数次方的时候，为了使用以2为基的FFT，可以用末尾补零的方法，使其长度延长至2的整数次方。

上述离散傅立叶反变换与正变换的区别在于W_N变为W_N ^-1，并多了一个1/N的运算。因为W_N和W_N ^-1对于推导按时间抽取的快速傅立叶变换算法并无实质性区别，因此可将FFT和快速傅立叶反变换(IFFT)算法合并在同一个程序中。

2.利用FFT频谱分析模块21进行频谱分析

若信号本身是有限长的序列，计算序列的频谱就是直接对序列进行FFT运算求得X(k)，X(k)就代表了序列在[0，2π]之间的频谱值。

幅度谱 $\left|X\left(k\right)\right|=\sqrt{X_R^2\left(k\right)+X_I^2\left(k\right)}$

相位谱

若信号是模拟信号，用FFT频谱分析模块21进行频谱分析时，首先必须对该信号进行采样，使之变成离散信号，然后就可按照前面的方法用FFT频谱分析模块21来对连续信号进行频谱分析。按采样定理，采样频率f_s应大于2倍信号的最高频率，为了满足采样定理，一般在采样之前要设置一个抗混叠低通滤波器。用FFT频谱分析模块21对模拟信号进行频谱分析的方框图如图6所示。

基于指定波形的基波，通过将离散性傅立叶变换(DiscreteFourier Transform-DFT)应用于瞬态分析所产生的周期性波形，傅立叶分析计算信号频谱。

所述的FFT频谱分析模块21就是通过傅里叶运算将受测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的效果。

该FFT频谱分析模块21通过A/D转换器12直接对受测振动式拾音器4的输入信号进行取样，再经FFT处理后获得频谱分布图(见图7)。

可以把该离散傅立叶变换X(k)可看成是z变换在单位圆上的等距离采样值，同样，X(k)也可看作是序列傅氏变换X(ejω)的采样，采样间隔为ωN＝2π/N。因此，离散傅立叶变换实质上是其频谱的离散频域采样，对频率具有选择性(ωk＝2πk/N)，在这些点上反映了信号的频谱。

根据采样定律，一个频带有限的信号可以对它进行时域采样而不丢失任何信息，FFT变换则说明对时间有限的信号(有限长序列)也可以进行频域采样，而不丢失任何信息。所以只要时间序列足够长、采样足够密，频域采样就可较好地反映信号的频谱趋势，所以FFT可以用以进行信号的频谱分析。

本实用新型为获得良好的线性度和高分辨率，对信号进行数据采集时，A/D转换器12的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍，亦即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要A/D转换器12有200mS/S的取样率。

该FFT频谱分析模块21的性能用取样点数和取样率来表征，例如用100kS/S的取样率对输入信号取样1024点，则最高输入频率是50kHz，分辨率是50Hz。如果取样点数为2048点，则分辨率提高到25Hz。由此可知，最高输入频率取决于取样率，分辨率取决于取样点数。该FFT频谱分析模块21运算时间与取样点数成对数关系。当本实用新型需要高频率、高分辨率和高速运算时，必须选用高速的FFT频谱分析模块21，或者相应的数字信号处理模块13(DSP)芯片。

本实用新型所用信号源采用随机白噪声信号，白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。也就是说白噪声在所有频率具有相同功率能量。利用白噪声的这一特性在声学测试领域具有很好的声源性能。该随机白噪声信号经FFT频谱分析模块21提取频谱分量后，其频域分布在所需测量的频率范围内其具有理想的平直频率特性。

本实用新型将上述的随机白噪声信号经过功率放大器15加载在电磁振动台3的输入端时，由于电磁振动台3的电感特性，其振动加速度与输入的信号频幅特性之间会是非线性的关系，***直的响应，故而可以作为电磁振动台4的校准参考曲线。因此，经过标准加速度计5对电磁振动台3的校准之后，从电磁振动台3移去加速度传感器51，将被测拾音器4固定于电磁振动台3的台面，将其输出接入接口装置1缓冲放大后输至测试模块2的FFT频谱分析模块21与存入参数存储模块23的参考曲线进行比较运算，将其差值经过能量计算器22转换为电压频幅信号并经数值平滑模块24与坐标产生模块26定标后在输出显示器27上描画出所测产品的频率特性曲线，便可测试出受测拾音器4的频响曲线与灵敏度。

Claims (1)

1、一种振动式拾音器参数分析测试装置，其特征在于：主要包括接口装置、测试模块和装设标准加速计的电磁振动台；

所述的接口装置包括前置放大器、该A/D转换器对受测拾音器输出的经前置放大器放大的信号直接取样，通过音频数字信号处理模块将该信号传送给测试模块；该测试模块输出噪声信号，通过音频数字信号处理模块和D/A转换器转换为模拟信号，经过功率放大器加载在电磁振动台的输入端；

所述的测试模块主要包括FFT频谱分析模块、能量计算器、参数存储模块、数值平滑模块、噪声发生器模块、坐标产生模块和输出显示器；

所述的加速计包括加速度传感器和加速度测量模块；

所述的加速度传感器固定于电磁振动台台面，输出接入加速度测量模块，该加速度测量模块交流信号输出至测试模块的FFT频谱分析模块，通过噪声发生器模块向电磁振动台的输入端输入在对数坐标系具有平直频率特性的白噪声频谱信号以激励受测拾音器，该加速度测量模块测试出的频幅参数数据存入参数存储模块，作为测试时的参考曲线；

所述的固定于电磁振动台台面的被测拾音器输出信号至接口装置，经接口装置缓冲放大后输至测试模块的FFT频谱分析模块与存入参数存储模块的参考曲线进行比较运算，将其差值经过能量计算器转换为电压频幅信号并经数值平滑模块与坐标产生模块定标后在输出显示器上描画出所测产品的频率特性曲线。

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