敲擊揚聲器震動(dòng)信號建模

揚聲器震動(dòng)的頻率特性可以通過(guò)敲擊它所獲得的沖激響應來(lái)分析。?原本驅動(dòng)揚聲器紙盆震動(dòng)的線(xiàn)圈此時(shí)可以用作震動(dòng)傳感器， 它將紙盆的震動(dòng)速度轉換成電壓信號。?通過(guò)示波器可以采集到這個(gè)信號， ?本文將對敲擊揚聲器所產(chǎn)生的震動(dòng)信號進(jìn)行觀(guān)察建模。

一、前言

揚聲器震動(dòng)的頻率特性可以通過(guò)敲擊它所獲得的沖激響應來(lái)分析。?原本驅動(dòng)揚聲器紙盆震動(dòng)的線(xiàn)圈此時(shí)可以用作震動(dòng)傳感器， 它將紙盆的震動(dòng)速度轉換成電壓信號。?通過(guò)示波器可以采集到這個(gè)信號， ?本文將對敲擊揚聲器所產(chǎn)生的震動(dòng)信號進(jìn)行觀(guān)察建模。

二、敲擊揚聲器

使用示波器連接揚聲器的引線(xiàn)， 敲擊揚聲器可以看到振動(dòng)的波形。?不同的敲擊力度和部位， 對應的震動(dòng)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(méi)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。

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(gè)簡(jiǎn)單衰減振蕩波形。?選擇其中三個(gè)周期過(guò)零點(diǎn)，?查看它們之間的時(shí)間差，?大約為19.5毫秒，?它的倒數對應51.3Hz。?由于這是三個(gè)振蕩周期，所以原波形的振蕩頻率為153.9Hz。

為了進(jìn)一步精確估計衰減振蕩波形參數， 通過(guò)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(jìn)行50個(gè)數據點(diǎn)的平均， 獲得更加光滑的信號波形。

#!/usr/local/bin/python

# -*- coding: gbk -*-

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

#

# Note:

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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(gè)數據進(jìn)行平滑之后的波形

三、信號建模

下面通過(guò)曲線(xiàn)擬合方式對揚聲器振動(dòng)信號進(jìn)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(shí)間大于7毫秒之后的波形進(jìn)行處理。?這是揚聲器在敲擊后7毫秒之后的震動(dòng)信號波形。?它是一個(gè)指數衰減振蕩信號。?可以使用一個(gè)帶有五個(gè)參數的函數表示。?通過(guò)Python編程， ?利用其中的曲線(xiàn)擬合工具來(lái)估計波形參數。?

下面是程序擬合過(guò)程。?定義帶有五個(gè)參數的指數衰減函數，?根據觀(guān)察到的波形，初步估計函數的五個(gè)參數的初始值，調用曲線(xiàn)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(xiàn)，并進(jìn)行繪制。?下面分析一下擬合結果。?這是五個(gè)信號參數擬合數值，?其中參數C代表著(zhù)振蕩角頻率。?通過(guò)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(xiàn)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(jìn)行曲線(xiàn)擬合，所獲得的頻率值應該比前面觀(guān)察到曲線(xiàn)過(guò)零點(diǎn)所獲得頻率更加準確。

▲ 圖1.2.3 曲線(xiàn)擬合后的結果

▲ 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

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# Note:

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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

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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(guò)示波器觀(guān)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(guò)信號擬合進(jìn)行數學(xué)建模，?為之后對揚聲器的頻率特性進(jìn)一步分析打下基礎。

作者：卓晴