杂音与高阶次谐波分析 谐波

Bazinga

概览杂音测量是一种谐波分析，通常被应用于音频和电声中，其以高阶次谐波为研究重点，谐波阶次一般均高于第10阶次。
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）

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

• 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。
• 目视检查扬声器，以确定故障的根源。
• 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。
• 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

• • 没有视觉或听觉缺陷
  • 第40阶次到第100阶次谐波范围内，只有低于0.01%的杂音（结果如下图所示）

• 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, 7 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