使用4262动态信号分析仪测量扬声器的频率响应

介绍：

本文说明介绍了一种使用Pico 4262示波器测量扬声器频率响应的简单方法。通常，由于测量环境中存在回声问题，因此需要进行这些测量需要专用设备。这里介绍的方法利用了Pico 4262示波器配合PicoScope运行时的触发模式和内置频谱分析仪。

初步设置

为了对扬声器进行轴向响应测量，您需要将扬声器放置在支架上，并尽可能远离所有反射面。您还应该尽量在最安静的地方进行测量，因为添加到响应中的噪声会降低测量结果的质量。测量麦克风应放置在您选择的测量轴上，距离扬声器约1米处。设置好麦克风和扬声器后，请使用卷尺测量到最近反射面的距离。通常，这些反射面会是地面或天花板。

通过一些简单的几何计算（见图1），您可以确定要使用的低频截止频率。

图1 

低频截止频率=343/(2*(x²+h²)^0.5)其中，343m/s是声速。对于一个天花板高度为2.4米、测量距离为1米的房间，计算得出：低频截止频率=343/(2*((0.5²+1.2²)^0.5))=132Hz。因此，对于此大小的房间，您知道任何低于132Hz的数据都是无效的！请记住，您应该在此基础上增加一个额外的裕量，因为在测量的低频八度音阶中收集到的数据点非常少。

下一步是连接设备（见图2）。请注意，电脉冲被输入到4262动态信号分析仪以及从麦克风接收到的脉冲。这意味着您可以在开始声学测量之前检查电脉冲的带宽。同时，检查功率放大器的输出也是一个好主意，以确保它没有被脉冲输入过载。这种过载很难从麦克风输出中检测出来，因此请检查功率放大器的输出是否在其额定范围内。

图2

频率响应测量：

(注：如果您想进行一系列测量以进行比较，则必须对每项测量使用相同的设置。否则，测量的相对水平将会有所不同。) 

对于此说明，我们假设脉冲发生器的输出在通道A上，而麦克风返回的信号在通道B上。

首先，观察脉冲。下面的屏幕显示了脉冲及其频谱（图3）。 

图3

在范围视图设置 >选项中，设置如下：

要显示的数据设置为：当前

在频谱视图设置 >选项中，设置如下：

X轴比例设置为：对数（Log）

Y轴比例设置为：分贝（dB）

窗口类型设置为：矩形窗

频谱带数量设置：512

显示模式设置为：正常

在频谱视图设置 >测量>测量列表>添加中，添加了一个新的测量项：

测量设置为：扫描时间

通道设置为：通道A

请注意，脉冲宽度为25µs，在大约20kHz时存在3dB滚降。如果脉冲变长，则测量的最高频率会降低。这里存在一个权衡：既要使脉冲获得足够的功率以克服到达麦克风的背景噪声，又要考虑带宽。脉冲高度有一个上限，这个上限由功率放大器和扬声器决定。如果不想测量超过10kHz的频率，增加脉冲长度可以改善噪声性能。请注意，频谱视图窗口是矩形的。不要将其与测量时间窗口混淆。为了获得良好的扬声器测量结果，您可以尝试更改频谱视图窗口。布莱克曼窗（Blackman window）可能是最佳选择。

设置好脉冲长度后，现在您可以开始观察声学输出，需要调整脉冲的重复率。将脉冲通过扬声器发送，并在PicoScope上观察结果。

下面的屏幕显示结果。请注意，来自麦克风的红色脉冲相对于电脉冲（蓝色脉冲）延迟了2.8毫秒以上。在这种情况下，测量距离为95厘米，这给出了声速的测量值为333米/秒（一个很好的验证！）（图4）

图4

在设置重复率时，必须考虑房间的混响时间。如前所述，房间内的第一次反射决定了我们可以使用的测量窗口。然而，在此之后，房间反射的能量仍会持续一段时间到达麦克风。在普通的实验室中，脉冲发出的声音可能需要0.5秒到1秒的时间才能衰减消失。如果您的房间具有很强的混响效果（空间大且吸收少），则衰减时间可能更长，长达5秒或10秒。这一点之所以重要，是因为必须允许一个脉冲的混响尾部在下一个脉冲到达之前衰减消失。如果不允许这种情况发生，则混响能量会被添加到测量结果中。最好将重复率设置在0.5秒到1秒之间。检查麦克风脉冲之前的示波器视图显示内容，并降低重复率，以查看噪声底是否降低。

设置好脉冲重复率后，您就可以开始对扬声器进行测量了。右侧的屏幕显示了当您在测量麦克风后方约10厘米处放置一个硬反射体（如A4大小的笔记本）时会发生什么情况（图5）。

图5

消除反射

为了充分利用4262动态信号分析仪和PicoScope的功能并获得良好的测量结果，您需要调整触发、带宽和收集的数据点数

为了获得最快的测量时间，请在频谱>选项中将数据点数设置为：128。您可以增加此数字以获得更高的频率分辨率。如果您增加了数据点数，则测量窗口的大小也会增加。这可以通过扫描时间测量来显示。减少捕获的带宽也会增加扫描时间。

为了有效地从测量中消除反射（回声），您应该更改触发延迟。通过增加延迟（将百分比设置得更负），可以丢弃跟踪末尾的数据。设置此功能的最佳方法是在示波器视图中将一个光标放在脉冲的起始位置，将另一个光标放在频谱视图中显示的扫描时间值上。当您更改触发点时，光标会随之移动。一旦您的结束光标移出示波器视图，您就知道您正在有效地截断捕获的数据。窗口长度不能长于扫描时间，移动触发点会进一步减小该值。

请记住，窗口需要足够短，以便从测量中去除第一次反射。如果将其设置得比这更短，则会减少测量数据并提高测量的低频截止点。花时间调整带宽、样本数量和触发点以查看它们的效果是值得的。

如（图6）显示了使用256个数据点进行的20.8kHz带宽测量的结果，并将触发延迟设置为-55%，从而提供了一个约4.5毫秒的窗口。这次测量使用了布莱克曼窗（Blackman window）进行频谱计算。到最近反射面的时间约为6毫秒。有效的窗口时间意味着测量仅在大约220Hz以上时才是有效的。使用256个点时，频率间隔为81.5Hz，因此截止频率以下只有3个数据点。

图6

如何处理噪声

如果可能的话，您应该尽量在安静的房间中进行测量，也许可以在正常工作时间之外使用房间。然而，您可能会发现测试环境中的背景噪声仍然很难获得良好的结果。如果发生这种情况，有三种方法可能会有所帮助。首先，在麦克风上使用陡峭的高通滤波器来去除低频噪声。您可以将此滤波器调整到测量室的实用低频极限。其次，使用PicoScope内置的平均值功能。使用平均值是一种非常有效的从测量中去除随机噪声的方法。您可以在各自的选项中为示波器和频谱视图打开平均值功能。

然后当您使用平均值功能时，必须准备好等待数据达到平衡。每提高3dB的信噪比，您必须将平均时间加倍。这意味着如果您的数据块每秒收集一次，那么为了获得18dB的有效改善，您必须至少等待26秒（稍多于一分钟）。

您的第三个选择是增加脉冲的功率。这意味着增加脉冲的高度或宽度（或两者都增加）。如果您选择增加脉冲的高度，请注意它可能会使功率放大器过载或损坏扬声器。如果您增加脉冲的宽度，则会降低频率测量的上限。您应该检查电脉冲的响应（如上所述）。