對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行功率試驗(yàn)，是電聲企業(yè)在研發(fā)和生產(chǎn)揚(yáng)聲器產(chǎn)品的過(guò)程中，必不可少的重要測(cè)試環(huán)節(jié)。按照國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在進(jìn)行揚(yáng)聲器、號(hào)筒揚(yáng)聲器和頭戴耳機(jī)等電聲器件定型檢驗(yàn)和例行檢驗(yàn)時(shí)必須進(jìn)行功率試驗(yàn)。在描述揚(yáng)聲器性能的諸多技術(shù)參數(shù)中，額定功率和阻抗是最基本的兩個(gè)參數(shù)。通過(guò)功率試驗(yàn)測(cè)得的輸入電壓和輸入電功率是判斷電聲器件能否正常使用的必要參數(shù)。這些參數(shù)決定了揚(yáng)聲器的額定功率和使用壽命。
傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)，是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9396-96，采用粉紅噪聲/白噪聲發(fā)生器、模擬節(jié)目信號(hào)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)、帶通濾波器、功放和真有效值電壓表等一整套的獨(dú)立設(shè)備對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行壽命試驗(yàn)。采用上述的試驗(yàn)方法，不僅使用設(shè)備數(shù)量多，造價(jià)高，而且不易對(duì)揚(yáng)聲器的損壞過(guò)程進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。企業(yè)針對(duì)一批揚(yáng)聲器單元進(jìn)行功率試驗(yàn)時(shí)，為了提高工作效率，通常對(duì)多只揚(yáng)聲器單元同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)（進(jìn)行多通道試驗(yàn)）。如果使用上述模擬設(shè)備進(jìn)行多通道試驗(yàn)，系統(tǒng)將會(huì)十分復(fù)雜，不僅操作過(guò)程復(fù)雜、容易出錯(cuò)，而且也容易出現(xiàn)故障。
針對(duì)這種情況，研發(fā)一種性?xún)r(jià)比高、操作簡(jiǎn)便、可靠性高且功能強(qiáng)大的多通道揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)，將能夠廣泛的應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各揚(yáng)聲器生產(chǎn)企業(yè)，獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
多通道揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)介
多通道揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能是同時(shí)對(duì)多只揚(yáng)聲器進(jìn)行各種類(lèi)型的功率試驗(yàn)，這些試驗(yàn)包括最大噪聲功率試驗(yàn)、長(zhǎng)期最大功率試驗(yàn)、短期最大功率試驗(yàn)、額定最大正弦功率試驗(yàn)和最優(yōu)功率標(biāo)稱(chēng)試驗(yàn)，如配備高、低溫箱，則可進(jìn)行高低溫貯存試驗(yàn)。通過(guò)這些類(lèi)型試驗(yàn)獲得的參數(shù)，為標(biāo)稱(chēng)揚(yáng)聲器的額定阻抗和額定功率提供了依據(jù)。
進(jìn)行一次完整的功率試驗(yàn)，用戶(hù)需要按照試驗(yàn)步驟，依次設(shè)置許多參數(shù)，同時(shí)也要將多只揚(yáng)聲器單元同系統(tǒng)正確連接。因此試驗(yàn)系統(tǒng)要有良好的人機(jī)交互界面和人性化的操作方法，以方便用戶(hù)使用。系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期最大功率試驗(yàn)時(shí)，工作時(shí)間可達(dá)上百小時(shí)，因此系統(tǒng)自身的可靠性要高，能夠保證長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能，需要構(gòu)建一套以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器。借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理功能和軟件的靈活性，不僅可以完成上述功能，還能夠保證系統(tǒng)日后便于升級(jí)和維護(hù)。虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用使得多通道揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)系統(tǒng)具有高性?xún)r(jià)比、易用性、可擴(kuò)展性和高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
虛擬儀器系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器硬件資源和軟件資源三者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力和軟件的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制和分析功能，大大簡(jiǎn)化了儀器硬件的結(jié)構(gòu)，同時(shí)軟件可以對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示和存儲(chǔ)，并且還可以將試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程記錄下來(lái)，使用戶(hù)可以更加細(xì)致的掌握揚(yáng)聲器的特性。而這些功能使用傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器很難實(shí)現(xiàn)。
整套虛擬儀器系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件由計(jì)算機(jī)、功率試驗(yàn)儀和功放組成，軟件采用微軟公司的Vc6.0結(jié)合NI公司的Measurementstudio6.0聯(lián)合開(kāi)發(fā)。為了使系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能，硬件部分和軟件部分都經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，下面將分別針對(duì)硬件和軟件平臺(tái)的參數(shù)要求、框架結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行說(shuō)明。
硬件平臺(tái)
硬件平臺(tái)是依照國(guó)標(biāo)GB/T9396-1996《揚(yáng)聲器主要性能測(cè)試方法》中揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)的測(cè)試原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。按照上述測(cè)試原理，虛擬儀器的硬件平臺(tái)包含如下單元：計(jì)算機(jī)、AD/DA數(shù)據(jù)卡、功率試驗(yàn)儀功率放大器及若干連接線材。
在虛擬儀器的硬件平臺(tái)中，AD/DA數(shù)據(jù)卡和功率試驗(yàn)儀是系統(tǒng)的核心單元。在這里，AD/DA數(shù)據(jù)卡采用的是專(zhuān)業(yè)聲卡。之所以選擇專(zhuān)業(yè)聲卡，是出于以下幾點(diǎn)原因：
（1）相對(duì)于專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)采集卡（如NI、Adlink、Advantech等公司的系列產(chǎn)品），專(zhuān)業(yè)聲卡具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
（2）專(zhuān)業(yè)聲卡具備良好的性能參數(shù)，如頻響、失真和信噪比等指標(biāo)都比較高，很多型號(hào)還具備96KHz采樣頻率、24位精度的性能，完全可以滿(mǎn)足20Hz至20KHz頻率之間的音頻測(cè)試要求。
（3）專(zhuān)業(yè)聲卡的驅(qū)動(dòng)程序兼容性好，用戶(hù)十分容易在計(jì)算機(jī)上安裝成功。
（4）應(yīng)用軟件通過(guò)統(tǒng)一的API接口函數(shù)對(duì)聲卡進(jìn)行操作，當(dāng)改變聲卡型號(hào)時(shí)，軟件幾乎不需做修改就可以正常運(yùn)行。在本系統(tǒng)中，專(zhuān)業(yè)聲卡采用德國(guó)坦克公司的Phase22聲卡，該聲卡性能可靠，工作穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)的品質(zhì)。此外需要強(qiáng)調(diào)的是，價(jià)格低廉的普通民用聲卡，由于性能指標(biāo)不夠確定，不推薦應(yīng)用于本測(cè)試系統(tǒng)中。
常見(jiàn)的專(zhuān)業(yè)聲卡一般只具備兩個(gè)輸入通道，兩個(gè)輸出通道，而功率試驗(yàn)要求能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行測(cè)試，故需要分配電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)選擇;此外，專(zhuān)業(yè)聲卡的電壓工作范圍在1至2伏之間，揚(yáng)聲器的實(shí)際工作電壓和工作電流有較大的變化范圍，因此需要進(jìn)行電平變換才能和聲卡連接。綜合這些因素，需要一套獨(dú)立的功率試驗(yàn)儀和聲卡相配合，才能完成測(cè)試功能。功率試驗(yàn)儀內(nèi)部由程控分配電路、程控衰減器、程控放大器、通訊端口、電源電路和接線端子等部分組成。整個(gè)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1功率試驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)
系統(tǒng)工作時(shí)，應(yīng)用程序通過(guò)計(jì)算機(jī)控制專(zhuān)業(yè)聲卡發(fā)出測(cè)試信號(hào)，測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)程控分配電路激勵(lì)多路功放，功放驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行功率試驗(yàn)。在圖1中，出于簡(jiǎn)化，僅畫(huà)出了1路功放，實(shí)際工作時(shí)，系統(tǒng)最多允許連接4路功放。每路功放可同時(shí)連接兩組揚(yáng)聲器，在功率試驗(yàn)儀內(nèi)部配置有對(duì)應(yīng)的2只（每路有2只，4路有8只）低阻值參電阻，串聯(lián)在揚(yáng)聲器連接回路之中，根據(jù)電阻壓降可計(jì)算出揚(yáng)聲器工作電流。揚(yáng)聲器的工作電壓和電流分別通過(guò)程控衰減器和程控放大器經(jīng)專(zhuān)業(yè)聲卡完成A/D變換，通過(guò)系統(tǒng)軟件分析得出揚(yáng)聲器的阻抗，用于判斷出揚(yáng)聲器的工作狀態(tài)。由于專(zhuān)業(yè)聲卡同時(shí)只能檢測(cè)2路信號(hào)，要進(jìn)行多路試驗(yàn)，必須采取循環(huán)掃描的工作方式，由硬件完成通道切換，逐個(gè)通道進(jìn)行檢測(cè)。功率試驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)要確保良好的精度和可靠性，內(nèi)部硬件連線和布局要合理，以盡可能降低干擾，參考電阻的電壓較低，應(yīng)采用差動(dòng)放大器放大，以提高共模抑制比。此外，程控衰減器和放大器均要經(jīng)過(guò)限幅電路再和聲卡連接，以防損壞聲卡。
軟件部分
系統(tǒng)軟件是使用微軟公司的Vc6.0結(jié)合NI公司的Measurementstudio6.0開(kāi)發(fā)的。Vc6.0是開(kāi)發(fā)通用windows應(yīng)用軟件的成熟工具，在程序的界面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件訪問(wèn)和數(shù)據(jù)庫(kù)操作等方面均有著很強(qiáng)的靈活性。Measurementstudio6.0在虛擬儀器方面可以為Vc6.0提供強(qiáng)有力的支持，它提供了大量的庫(kù)函數(shù)和組件。通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)，軟件可以方便的生成各種類(lèi)型的測(cè)試信號(hào)，還可以對(duì)其進(jìn)行各種濾波處理。由聲卡采集得到的測(cè)試信號(hào)，在庫(kù)函數(shù)的支持下，軟件便于對(duì)其進(jìn)行各種深入的分析，可以獲得揚(yáng)聲器的阻抗曲線、TS參數(shù)和音圈溫度等重要參數(shù)。此外，Measurementstudio6.0提供的組件還為程序的界面設(shè)計(jì)提供了極大方便，包括各種類(lèi)型的旋鈕開(kāi)關(guān)、圖表和滑動(dòng)條等等。應(yīng)用這些組件，可以開(kāi)發(fā)出非常專(zhuān)業(yè)的儀器界面，容易滿(mǎn)足用戶(hù)的操作習(xí)慣。使用Vc6.0結(jié)合Measurementstudio6.0開(kāi)發(fā)軟件，可做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，大大降低了軟件的開(kāi)發(fā)難度和周期，是一種理想的虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)方案。
系統(tǒng)軟件采模塊化設(shè)計(jì)方法，整個(gè)系統(tǒng)包含中心管理模塊、測(cè)試步驟生成模塊、聲卡控制模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、揚(yáng)聲器模型分析模塊、硬件端口控制模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊和界面管理模塊等等。其中中心管理模塊為核心部分，軟件運(yùn)行時(shí)從該模塊進(jìn)入，其它功能模塊均在該模塊的管理下，協(xié)調(diào)一致的工作。各功能模塊均有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，統(tǒng)一經(jīng)過(guò)中心控制模塊完成數(shù)據(jù)交換，彼此之間不獨(dú)自發(fā)生聯(lián)系，因此可以保證模塊的獨(dú)立性，為程序的維護(hù)和升級(jí)建立了良好基礎(chǔ)。各個(gè)模塊完成的功能如下所述：
1）中心管理模塊：為整個(gè)系統(tǒng)軟件的入口和出口，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施管理和調(diào)度。它調(diào)用其它各個(gè)模塊，使它們相互配合，協(xié)調(diào)一致的工作。
2）測(cè)試步驟生成模塊：將用戶(hù)的輸入指令和要求轉(zhuǎn)換成一系列容易執(zhí)行的試驗(yàn)步驟。功率試驗(yàn)的過(guò)程較為復(fù)雜，但是這一復(fù)雜過(guò)程可分解成多個(gè)簡(jiǎn)單、具體且容易執(zhí)行的步驟。
3）聲卡控制模塊：負(fù)責(zé)控制聲卡發(fā)出音頻測(cè)試信號(hào)，同時(shí)錄制輸入信號(hào)并送回軟件。
4）信號(hào)發(fā)生模塊：根據(jù)試驗(yàn)要求產(chǎn)生各種測(cè)試信號(hào)，包括各種頻段的白噪聲、粉紅噪聲、模擬節(jié)目信號(hào)，以及各種頻率的正弦波、鋸齒波，各種頻率和占空比的方波、三角波及IEC、EIA、DIN等等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
5）揚(yáng)聲器模型分析模塊：根據(jù)揚(yáng)聲器工作電壓和電流分析其阻抗曲線、TS參數(shù)和音圈溫度等參數(shù)，用于判斷揚(yáng)聲器的狀態(tài)。
6）硬件端口控制模塊：控制功率試驗(yàn)儀內(nèi)部各個(gè)功能模塊的工作狀態(tài)，從而完成硬件參數(shù)的設(shè)置。
7）數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊：將試驗(yàn)過(guò)程的大量測(cè)量數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，或從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取。
8）界面管理模塊：試驗(yàn)過(guò)程中，大量測(cè)量數(shù)據(jù)被不斷送往該模塊，并由該模塊在界面顯示。
各個(gè)模塊之間的邏輯關(guān)系如圖2所示。軟件啟動(dòng)后，中心管理模塊首先將用戶(hù)的指令轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的試驗(yàn)步驟，并按試驗(yàn)步驟控制各模塊啟動(dòng)功率試驗(yàn)，接著對(duì)各個(gè)通道的揚(yáng)聲器狀態(tài)采取循環(huán)掃描的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，并將分析結(jié)果不斷送往界面顯示，然后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)直至結(jié)束為止，最后按照用戶(hù)的要求將試驗(yàn)結(jié)果保存或者生成報(bào)表打印出來(lái)。
注意事項(xiàng)
功率試驗(yàn)系統(tǒng)的硬件和軟件在研發(fā)過(guò)程中還要注意以下事項(xiàng)：
圖2功率試驗(yàn)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
1）功率試驗(yàn)儀內(nèi)部要求具備充分、合理的保護(hù)電路，以確保系統(tǒng)有高的可靠性。試驗(yàn)儀內(nèi)部針對(duì)聲卡要有電壓校準(zhǔn)電路，用來(lái)消除不同聲卡電壓靈敏度的差異，以保證試驗(yàn)儀的一致性。
2）功率試驗(yàn)系統(tǒng)每次試驗(yàn)運(yùn)行最長(zhǎng)可達(dá)上百小時(shí)，處理的數(shù)據(jù)量十分巨大，需要有很高的穩(wěn)定性。因此要求軟件程序代碼具備高的編寫(xiě)質(zhì)量，以防止系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后出現(xiàn)崩潰的故障。程序代碼編寫(xiě)過(guò)程中，對(duì)于內(nèi)存的操作要嚴(yán)格、規(guī)范，對(duì)于運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的異常情況要有應(yīng)對(duì)措施，總之要嚴(yán)格遵循軟件工程的要求編寫(xiě)代碼。
7結(jié)論
系統(tǒng)研發(fā)成功以后，曾在多家企業(yè)進(jìn)行推廣使用。在推廣過(guò)程中，通過(guò)不斷的升級(jí)換代，最終使系統(tǒng)達(dá)到了多數(shù)用戶(hù)的要求。通過(guò)企業(yè)使用的反饋信息可知，該系統(tǒng)具備操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠性良好、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，完全可以替代傳統(tǒng)的功率試驗(yàn)系統(tǒng)。
本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于：系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)、通道少的聲卡、功率試驗(yàn)儀和軟件四者結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行多通道揚(yáng)聲器功率試驗(yàn)，用較低的成本實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的功能，是對(duì)傳統(tǒng)功率試驗(yàn)方法的一種升級(jí)。