雜音與高階次諧波分析教程

1. 噪聲和雜音概述

各種消費產品有可能會產生不良的機械噪聲，這種噪聲對消費者是不能接受的或令消費者不滿的，這些產品包括：

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/333302.htm

• 汽車配件
• 壓縮機（電冰箱，冰櫃）
• 計算機（風扇啟動）
• 電驅動器
• 助聽器/耳機
• 揚聲器
• 電話和行動電話中的傳感器
• 電視機

噪聲或雜音是一種非線性的、不規則的、脈衝式的和失真效應的部分類型，他們通常不能用規則待測物（UUTs）來發現，而他們一般又是由待測物中機械和結構的缺陷產生的。由於具有非常低能量的短脈衝，傳統測試和分析方法諸如RMS-FFT和總諧波失真（THD）方法都是沒有用的。下面的圖片顯示了信號中的典型效應。

1)信號中的毛刺

2)陡度

3)絕對（陡度）

2. 案例研究——揚聲器缺陷檢測

揚聲器缺陷檢測的高階次諧波特徵分析

揚聲器裝配故障，如摩擦音圈、彎曲的支架、鬆弛的軸等等，傳統上都是由生產線終端有豐富經驗的收聽者來檢測這些故障的。以測量總諧波失真（THD）為主要目的，我們曾試圖開發在線測試生產測量系統，他們通常只能用來分析低階次的諧波，因而不能專門用來檢測缺陷的摩擦聲，嗡嗡聲和滴答聲等雜音。但是故障診斷時能否確定特定的缺陷特徵嗎？經過初步實驗結果表明，我們可以做到這一點，在超聲範圍內（> 20千赫茲）測量是確定這些特徵的主要因素。本案例研究描述了一種新的方法，在高階次諧波組的總能量中，例如從第10階次到第20階次或從第31階次到第40階次，對其分別進行測量和分析。

揚聲器的雜音信號特徵

為何要關注高階次諧波？

總諧波失真主要是由第二階次和第三階次諧波佔主導作用，幾乎很少與我們可以聽出來的音頻失真相關。例如，考慮下面這個揚聲器的雜音。該揚聲器的雜音是典型的導致豐富諧波頻譜的脈衝串。

實驗過程

1. 當使用正弦波激勵時，我們可以獲得已知缺陷的揚聲器抽樣值，該缺陷會產生可以聽出來的音頻失真。
2. 目視檢查揚聲器，以確定故障的根源。
3. 在音頻範圍(20 赫茲 到 1 千赫茲)內，手動掃描揚聲器，以確定造成聲頻失真的激發頻率。
4. 使用掃描正弦激勵，分析高達100千赫茲的諧波能量。

測量安裝

• 使用橡皮高空繩索將每個揚聲器懸掛，用來隔離振動。
• 測量麥克風被放置在附近區域，如下圖所示。

結果

缺陷的視覺檢測

揚聲器 #	包圍物	錐體	音圈	軸	防塵蓋	鬆弛的微粒
1	沒有	沒有	沒有	沒有	沒有	有 – 在音圈內
2	沒有	有 – 摺痕的	沒有	沒有	沒有	有 – 在音圈內
3	沒有	有– 孔	沒有	有- 有切口	有 - 遺失	有 – 在軸後面
4	沒有	有 – 摺痕的	沒有	沒有	沒有	沒有
5	沒有	有 – 摺痕的	沒有	沒有	有 – 凹的	沒有
6	有 – 凹的	沒有	沒有	沒有	沒有	沒有
7	有 – 凹的	有- 孔型的/摺痕的	沒有	沒有	沒有	沒有
8	沒有	有 – 凹的	沒有	沒有	沒有	沒有
9	沒有	沒有	沒有	沒有	沒有	沒有
10	有 – 凹的	有 – 摺痕的	沒有	沒有	沒有	沒有

分析

• • 沒有視覺或聽覺缺陷
  • 第40階次到第100階次諧波範圍內，只有低於0.01%的雜音（結果如下圖所示）

• 針對相似的缺陷，對其他揚聲器進行了比較。
• 找出具有相同諧波分組的趨勢。

揚聲器缺陷相關

包圍物

• 第1階次到第10階次諧波：揚聲器6, 7 和10
• 基本頻率範圍：600到1300赫茲

防塵蓋

• 第11階次到第20階次諧波：揚聲器3 和5
• 基本頻率範圍：100到400赫茲

防塵蓋

• 第31階次到第100階次諧波：揚聲器1
• 基本頻率範圍：100到150赫茲

軸

• 第31階次到第100階次諧波：揚聲器3
• 基本頻率範圍：400到550赫茲

錐體

• 第61階次到第70階次諧波：揚聲器2,3,4,5,7,8, 和10

結論

相比傳統分析，使用雜音分析提供了更好的分析方法。這種分析不僅具有重複性，而且也適用於不同的揚聲器模型。同樣至關重要的是該分析可以將數據採集在超聲範圍內，使該範圍內的諧波對缺陷提供深入的了解，否則我們很難檢測包括軸在內的缺陷。此外，高階次諧波不僅明確顯示了揚聲器中的單一缺陷，而且他們還有助於對具有多個缺陷的揚聲器進行缺陷特徵化分析。