电声产品快速检测系统的设计与实现

摘 要 二十一世纪，人类进入了信息时代，信息传播离不开“视”和“听”，“听”就离不开电声器件。随着科学技术和国民经济的快速发展，数字技术和计算机技术的也得到了飞速发展，随之兴起的数字测量技术，逐渐在改变着传统模拟测量仪器的价格昂贵、速度慢、输入输出方式不友好等不足之处，本系统就是以计算机强大的数据分析和处理技术为基础而开发的一套基于系统可以在极短的时间内检测出电声产品的声压频率响应曲线、阻抗频率曲线及谐振频率、灵敏度、极性、总品质因数等参数，能广泛的用于扬声器等电声产品的质量检测和品质管理。 本文中主要的研究内容为电声产品快速检测系统的软件设计与实现，但是任何检测系统都应以相应的理论知识为基础，所以本文首先对电声测量系统的相关理论进行了分析研究，对瞬态响应中存在的问题，信号的不稳定原理以及常用的时频分析方法进行了分析总结；同时也对稳态响应问题以及谐波失真、互调失真、差频失真等进行了分析，采用了基于矩形卷积窗的插值算法对声频信号进行预处理，很大程度上提高了系统的检测精度。 其次，本文在相关理论的基础上提出了电声产品快速检测系统的总体设计方案，并在该方案的指导下设计完成了电声产品的快速检测系统。本文接着介绍了系统的软硬件设计。硬件设计方面主要对电源模块、测量放大模块和功率放大模块的设计原理做了详细描述。系统的软件设计平台采用003，开发语言采用C#和C+面向对象语言。C#形数据的播放和采集功能以及测量数据的分析和处理功能使用封装成为动态链接库。C#与C+之间的数据传递通过封装好的动态链接库实现，对本系统中主要功能模块如序列模块、设备模块、端口模块、校准模块、激励模块、捕获模块、分析模块、限度模块等界面设计与功能做了详细描述。 最后，对本系统的软件设计部分进行了初步的功能测试。由于本系统是一个比较复杂的系统，本课题只完成了整个系统软件功能结构的主要功能模块，本文对已完成的软件功能模块进行了功能测试，测试结果表明，符合本系统的软件功能结构设计，接下来的工作就是进行系统辅助功能的开发。 关键词：电声检测，稳态响应，瞬态响应，矩形卷积窗，动态链接库， of n do is As of of of is so In is on of be in a of to of be as in of is of be on so at of as of of At of so of on s of of at of as 003, of # + + of of C+ as to # + +. a of as of is of In in of is of 目 录 1 绪论. 1 声检测系统的研究背景.声检测系统的现状及发展.声检测技术在国外声频测量领域的应用.题的研究目的、内容和意义. 研究目的. 研究内容. 研究意义.文结构. 电声检测系统相关理论. 7 . 瞬态分析中存在的问题. 信号的不确定原理. 瞬态响应常用的几种时频分析方法. 分析总结. 稳态问题. 谐波失真. 互调失真. 差频失真.章小结. 电声检测系统设计. 25 声检测系统总体设计. 电声检测系统总体设计方案. 电声检测系统结构原理.统硬件设计. 电源模块. 测量放大模块. 功率放大模块.章小结. 系统软件设计与实现. 33 统软件开发平台介绍. 003简介及特点39-42. 33 3-45. 34 态连接库46. 34 统软件总体设计方案. 35 统功能结构. 35 统核心类设计. 36 卡及. 37 卡控制(. 37 . 38 面设计与实现. 39 功能模块. 39 列模块. 39 备模块. 40 口设置. 42 准设置. 43 励模块. 44 获模块. 48 析模块. 49 度模块. 54 章小结. 59 5 系统测试与调试. 61 统测试的目的. 61 统测试的方法. 61 统调试的目的. 61 统调试的方法. 61 系统的测试结果分析. 62 统登录测试. 62 果显示测试. 63 它模块测试. 64 章小结. 64 6 总结与展望.结. 65 望. 65 参考文献. 67 附 录. 71 攻读学位期间发表文章 西安工程大学学位论文知识产权声明 西安工程大学学位论文独创性声明 致 谢 1 绪论 1 1 绪论 声检测系统的研究背景 测量是人们借助专门的设备，通过实验的方法，求出以所采用的测量单位表示的未知量的大小。它是人们定量认识客观量值并取的其信息的基本方法, 是信息工程的源头及重要组成部分，是人类从事科学研究活动的基础，可以说没有测量就没有科学。随着计算机技术、大规模电路技术和通信技术的飞速发展，传感器技术、通信技术和计算机技术这三大技术的结合，使测量技术领域发生了巨大的变化，相应的检测系统也逐渐向小型化、自动化、高精度、高可靠性的方向发展，测量领域也越来越广泛。 电声产品质量的快速检测是测量领域的一个非常重要的分支。它以电子测量技术为主要手段和方法，但又比电子测量技术更为困难。电声测量不仅涉及电路问题，同时也涉及到声学空间的复杂问题，还有主观能动的评价问题。从器件设备、技术系统的方面来说，随着立体声、数字化、智能化、高保真的不断向高层次发展，以及声源、传输、加工、处理、贮存、变换手段的不断完善，电声测量技术几乎渗透到各个声学器件的领域，形成了多种多样的测量仪器和系统，甚至常常可以针对其中某一测量系统的技术指标，将其设计成为某种专用的电声测试仪器。 传统的电声产品检测系统的实现平台通常是以模拟仪器系统为基础构架的，我们知道模拟仪器系统有如测量结果精确、可靠等优点，可是其也有如价格昂贵、操作复杂、速度慢、效率低下等一系列缺点。在过去，完成一次完整的测量往往需要很多种测试仪器一起相互配合工作，这期间就需要技术水平很高的测试人员，才能保证各种测试仪器之间的连接正确。可想而知，这样会使测量过程变的非常复杂，而且由于所用仪器的数量比较多，这样也就大大增加了整个测试系统的总成本。另外，传统的模拟仪器的输入、输出方式都很不友好，一般比较常用的就是使用模拟的记录仪或者电压表来输出直观的测量结果，这样的方式不利于数据的读取和存储。对于模拟仪器来说，由于其这种输入输出方式的限制，也使它的测量速度受到了限制。比如记录仪，如果其记录数据的速度过快的话，将会由机械系统的惯性而造成不必要的误差。此外，对于模拟测量仪器来说，其测量功能基本上是由各硬件之间相互协同而完成的，所以就某一特定的测量仪器其功能就往往是固定的，比较单一。如果要想改变或是增加某个特定模拟仪器的测量用途，必定要花费成本巨大，甚至是根本不可能的1。所以随着计算机技术和数字技术的发展，也加上模拟测量仪器给人们带来的诸多不便，促使以计算机技术为基础的数字测量系统得到了迅速的发展。 与传统模拟测量仪器系统相比，以计算机技术为基础的数字测量系统具有无法比拟1 绪论 2 的优势2-4。以前，模拟测量仪器一般主要运用于电声检测系统的研发阶段，其使用者也往往是一些技术水平比较高的研发人员，这主要取决于其自身的一些不足之处。但是随着数字测量系统的发展，这种现象已经得到了明显的改善，因为数字测量系统有着传统模拟仪器无法完成的许多功能，例如，测量数据和曲线的显示灵活、多样；可以用一般的打印机代替记录装置；测量数据可以直接由计算机进行处理而且测试结果和原始数据都能保存下来方便以后进行分析处理等；关键是数字测量系统的功能可以通过软件实现，利用软件实现测量算法可以完成对测量结果的进行分析与判断，从而可以达到对测量对象的品质进行管理，应用于生产线可以实现产品的快速检测，代替传统的人工检测，可以提高生产效率和质量；此外，其测量功能和测量精度可以通过软件的升级和改进不断的完善，硬件成本低，产品更新速度快。由于数字测量系统具有如此众多的优点，因此它的应用领域也不断的扩展。从最初在研究领域使用迅速扩展到生产领域，对电声系统的研究与生产提供了强有力的支持。 声检测系统的现状及发展 21世纪，人类进入了信息时代，信息传播离不开“视”和“听”，“听”就离不开电声器件。当今世界电子工业的调整、信息技术和通信技术的迅猛发展，对电声器件的发展产生了巨大影响，为了适应新一代数字技术整机向数字化、高频化、多功能化和薄、轻、小、便携式的方向发展；电子系统向网络化、高速处理、高速传输和宽带的方向发展；也为了适应信息战，信息装备的武器化和武器装备的信息化的需要；高档电声器件技术发展很快，各种形式的电声器件如雨后春笋不断涌现，正在进入了一个可持续发展的黄金时代。从产品技术发展趋势看，电声器件产品向小型化、轻量化、多功能、高保真、大功率、智能化和多功能化的方向发展，片式电声器件迅速发展。 随着电声器件的更新换代，那么电声器件的检测系统也就显的非常重要，随着电声器件在社会的许多领域得到越来越广泛的应用，不仅专业单位的设备器材在不断更新换代，许多事业单位由于工作的需要也在逐渐使用着专业产品，甚至有相当数量的个人已经拥有专业电声设备。十几年前使用电声设备还只是少部分专业单位专业人员的“专利”，现在已经成了人们熟知的事物。 在过去，人们对扬声器、传声器和受话器等电声器件各种参数的测试一直在使用着传统的模拟仪器。最常见的有如B&些测量仪器的技术都非常得成熟，测量的精度和可靠性都能够得到相应的保证。但是其不足之处也非常明显：首先它们的接线非常复杂，进行一次测试需要多种不同类型的仪器组合使用，操作十分繁琐，对操作人员要求也较高。其次，它们测量的效率很低，测量内容单一。 多年以来，国内外都对电声学测量不断地做着各种各样的研究工作，到了今天，电声学测量技术已经发展到了一定的水平。对于电声学测量来说，其主要目的就是：根据1 绪论 3 确定的技术指标，选择合理的测量方法，根据测量结果分析、判断和指导产品设计和生产的可行性，最终改善电声产品的指标。近年来电声产品的测量方法得到了不断的改进，测试项目不断增加，测试精度也不断提高，特别是随着数字技术和计算机虚拟技术的飞速发展，电声测量领域已出现了许多新的技术和方法2-5。 声检测技术在国外声频测量领域的应用 目前，国外在电声检测领域方面已经做了很多的工作，有一些基于虚拟仪器技术的计算机辅助测量系统已经做的很成熟。其中主要的一些虚拟仪器测量系统有6-9： （1）B&K 2012（丹麦的测量系统） 它是丹麦的一个独立测量系统。信号分析方式为有独立作业（2）国的测量系统） 声测试系统可用于喇叭、音箱、分频器、耳机、麦克风、受话器的工程、研发、（3）大利的测量系统） 由意大利音响产品设计和开发不可缺少的测试设备,该系统对计算机的配置要求不高,可在98/2000/（4）国的测量系统） 1987年始，广泛被教育界、专业音响师、试音室、汽车生产商、政府部门等用作环境测试之用。其首创的试方法，提供了无可比拟的测试速度、抗噪能力和时频宽范围，软件方面提供了丰富的数据处理功能，能满足专业开发、生产及工程的应用。 （5）国的测量系统） 和其他同类产品相比较来说，投入市场较早，在国内电声领域已较为普及，是一套性能价格较合理的测试系统。 （6）B&速在线测量系统) B&电声测试系统，特别适用于生产线上电声产品（如扬声器、电话、耳机、麦克风）的参数测试，一般所需时间为2测量参数的不确定度在同类产品中为最小，给用户提供了一种价廉物美的新选择。该系统集信号发生器、电压表、示波器、频谱分析和实时分析仪为一体，能测量各种电声产品的各种参数。 1 绪论 4 题的研究目的、内容和意义 究目的 国内电声检测系统主要采用传统模拟仪器和方法，那么不可避免的存在一些缺憾和不足。而国外关于电声检测的计算机辅助测量系统虽然比较多，但这些系统大多适用于专业、离线测量，因其检测速度比较慢，或价格昂贵，所以不太适用于在线测量和推广。多年以来，国内外都对电声检测不断地做着各种各样的研究工作，到了今天，电声学已经发展到很高的水平。在这一过程中，电声检测技术起到了至关重要的作用。 参考国内外主要电声检测系统的研究方法，并结合虚拟仪器技术的基础上，本课题开发出一套实现电声产品的快速检测的设备，我们把它称为“统，它是一套基于系统只需在第一次测量的时候进行连接线工作，改变测量功能时不需要改变连线，操作简单，适合技术水平不高的普通操作工使用，便于在生产线推广和普及。本系统就是要解决如何快速的获得稳定的数据，在测量速度和测量精度之间寻找一个平衡点。 究内容 本课题研究的主要内容为电声产品在线检测系统的设计与实现，其研究重点在于软件的设计与实现，003作为系统软件开发平台，采用c#、c+面向对象对象语言为开发语言，终完成一套基于究意义 近年来，我国电声器行业发展速度迅速，主要取决于逐渐提高的电声器行业生产技术和不断扩大的下游市场需求，在国内和国际市场上电声器行业的发展势头都非常迅猛。在受到金融危机的短暂的影响之后，近两年电声器行业的发展速度稍有所减缓，但在国民经济的快速发展和国际金融危机的逐渐消退的形势之下，我国电声器行业面临新着新的发展趋势和机遇。本课题的所研究的电声产品快速检测系统可以提高产品的现场检测速度和企业的生产效益，站在行业发展的角度来看，是非常有意义的。电声行业在“十二五”规划中提出其重要性，社会的发展和生产的需要也对电声学提出了大量的实际和理论问题。因此，提高电声系统检测信号的能力仍是电声测量技术的主攻方向。 国内的电声检测系统大多还是沿用传统的模拟测量仪器，它的缺点很多，比如模拟仪器系统价格昂贵、操作复杂、速度慢、效率低下等。已有部分企业开始配备一些在线1 绪论 5 检测系统，但还在测量速度、精度、效率和操作上面存在诸多问题，所以他们急需一种优良的快速检测系统来解决这些问题。 文结构 论文详细地阐述了电声产品快速测量系统，以及在系统的设计和实现过程中所取得的成果，论文共分五章，各章的主要内容概述如下: 第一章 绪论。概要的论述了电声检测系统的研究背景、研究现状以发展以及电声检测技术在国外声频测量领域的应用，并阐述了系统开发的目的、内容和意义。 第二章 电声检测系统相关理论。介绍瞬态响应和稳态响应分析原理。其中瞬态响应分析中主要有对短时傅里叶变换、维格纳威尔分布、小波变换和希尔伯特黄变换的四种时频分析方法的分析研究。稳态响应分析中主要有对谐波失真，互调失真和差频失真等的分析，并对加窗插值方法进行了论述，对几种性能较好的窗函数进行了深入分析。 第三章 电声检测系统设计。介绍了本系统的总体设计方案、功能结构原理图以及系统的硬件设计，包括电源电路、测量放大和功率放大电路。 第四章 系统软件设计与实现。介绍了本系统软件开发平台，软件的总体设计方案和系统功能模块结构以及声卡和对各个模块的操作界面做了详细介绍。 第五章 系统测试与调试。介绍了系统测试与调试的目的和方法，就本文中的软件逻辑结构测试进行了描述。 第六章 总结与展望。对本课题进行总结并对系统的进一步完善做出了相应规划。2 电声检测系统相关理论 7 2 电声检测系统相关理论 本文所述的电声产品快速检测系统，主要是针对系统软件的设计与实现，对于任何一种检测系统，相关的系统检测算法非常关键，因此，在本章中就电声检测系统中涉及到的瞬态响应和稳态响应分析方法的相关理论作简单的分析与介绍。 态响应就是指在某种典型输入信号（如阶跃、斜坡、脉冲）作用下，系统输出量从初始状态到稳定状态的变化过程。瞬态响应反映的是电声产品对声音中突发信号的跟随能力。瞬态响应好的电声产品应当是信号一来就立即响应，信号一停就嘎然而止，决不拖泥带水。瞬态响应也称动态响应或暂态响应或过渡过程。 态分析中存在的问题 在电声检测系统的研究测试中，瞬态响应的研究是十分重要的，因为信号往往是非平稳的，并且统计量也是时变函数。如果仅仅分析声频信号在时域或者频域的一些特性是不够的，还需要分析信号的频谱随时间变换的过程。当信号的输出端测得的是没有明显失真的波形时，说明该电声器件或系统频响理想，具有良好的瞬态特性。信号的瞬态分析是信号处理的一个重要的领域，其研究对象主要是非平稳信号。瞬态响应分析的任务是描述信号的频谱如何在时间上变化，研究并了解时变频谱在数学和实际中的对应关系，构造合适的时频分布并进行恰当的处理，达到不同的信号处理目的11。因此，寻找合适的、性能优良的时频分布称为非平稳信号分析与处理的一个重要研究内容。 一个复信号()它的实部是“实信号”(