杂音与高阶次谐波分析教程

1. 噪声和杂音概述

各种消费产品有可能会产生不良的机械噪声，这种噪声对消费者是不能接受的或令消费者不满的，这些产品包括：

• 汽车配件
• 压缩机（电冰箱，冰柜）
• 计算机（风扇启动）
• 电驱动器
• 助听器/耳机
• 扬声器
• 电话和移动电话中的传感器
• 电视机

噪声或杂音是一种非线性的、不规则的、脉冲式的和失真效应的部分类型，他们通常不能用规则待测物（UUTs）来发现，而他们一般又是由待测物中机械和结构的缺陷产生的。由于具有非常低能量的短脉冲，传统测试和分析方法诸如RMS-FFT和总谐波失真（THD）方法都是没有用的。下面的图片显示了信号中的典型效应。

1)信号中的毛刺

2)陡度

3)绝对（陡度）

2. 案例研究——扬声器缺陷检测

扬声器缺陷检测的高阶次谐波特征分析

扬声器装配故障，如摩擦音圈、弯曲的支架、松弛的轴等等，传统上都是由生产线终端有丰富经验的收听者来检测这些故障的。以测量总谐波失真（THD）为主要目的，我们曾试图开发在线测试生产测量系统，他们通常只能用来分析低阶次的谐波，因而不能专门用来检测缺陷的摩擦声，嗡嗡声和滴答声等杂音。但是故障诊断时能否确定特定的缺陷特征吗？经过初步实验结果表明，我们可以做到这一点，在超声范围内（> 20千赫兹）测量是确定这些特征的主要因素。本案例研究描述了一种新的方法，在高阶次谐波组的总能量中，例如从第10阶次到第20阶次或从第31阶次到第40阶次，对其分别进行测量和分析。

扬声器的杂音信号特征

为何要关注高阶次谐波？

总谐波失真主要是由第二阶次和第三阶次谐波占主导作用，几乎很少与我们可以听出来的音频失真相关。例如，考虑下面这个扬声器的杂音。该扬声器的杂音是典型的导致丰富谐波频谱的脉冲串。

实验过程

1. 当使用正弦波激励时，我们可以获得已知缺陷的扬声器抽样值，该缺陷会产生可以听出来的音频失真。
2. 目视检查扬声器，以确定故障的根源。
3. 在音频范围(20 赫兹 到 1 千赫兹)内，手动扫描扬声器，以确定造成声频失真的激发频率。
4. 使用扫描正弦激励，分析高达100千赫兹的谐波能量。

测量安装

• 使用橡皮高空绳索将每个扬声器悬挂，用来隔离振动。
• 测量麦克风被放置在附近区域，如下图所示。

结果 缺陷的视觉检测

扬声器 # 包围物 锥体 音圈 轴 防尘盖 松弛的微粒 1 没有 没有 没有 没有 没有 有 – 在音圈内 2 没有 有 – 折痕的 没有 没有 没有 有 – 在音圈内 3 没有 有– 孔 没有 有- 有切口 有 - 遗失 有 – 在轴后面 4 没有 有 – 折痕的 没有 没有 没有 没有 5 没有 有 – 折痕的 没有 没有 有 – 凹的 没有 6 有 – 凹的 没有 没有 没有 没有 没有 7 有 – 凹的 有- 孔型的/折痕的 没有 没有 没有 没有 8 没有 有 – 凹的 没有 没有 没有 没有 9 没有 没有 没有 没有 没有 没有 10 有 – 凹的 有 – 折痕的 没有 没有 没有 没有

分析

• 扬声器#9被用作控制

• 针对相似的缺陷，对其他扬声器进行了比较。
• 找出具有相同谐波分组的趋势。

扬声器缺陷相关

包围物

• 第1阶次到第10阶次谐波：扬声器6,%207%20和10
• 基本频率范围：600到1300赫兹

防尘盖

• 第11阶次到第20阶次谐波：扬声器3 和5
• 基本频率范围：100到400赫兹

防尘盖

• 第31阶次到第100阶次谐波：扬声器1
• 基本频率范围：100到150赫兹

轴

• 第31阶次到第100阶次谐波：扬声器3
• 基本频率范围：400到550赫兹

锥体

• 第61阶次到第70阶次谐波：扬声器2,3,4,5,7,8, 和10

结论

相比传统分析，使用杂音分析提供了更好的分析方法。这种分析不仅具有重复性，而且也适用于不同的扬声器模型。同样至关重要的是该分析可以将数据采集在超声范围内，使该范围内的谐波对缺陷提供深入的了解，否则我们很难检测包括轴在内的缺陷。此外，高阶次谐波不仅明确显示了扬声器中的单一缺陷，而且他们还有助于对具有多个缺陷的扬声器进行缺陷特征化分析。