畢業(yè)設(shè)計(金璇)

1、時間平均干涉測量揚聲器振動 作者：金璇 指導(dǎo)老師：梁瑞生教授 一、選題意義 二、摘要 三、實驗原理 四、實驗器材及過程 五、實驗結(jié)果分析 六、總結(jié)與展望 七、參考文獻 八、致謝 選題意義 全息干涉計量技術(shù)自上世紀70年代迅速發(fā)展起來。全息干涉 計量術(shù)是將不同物光，在不同的時間記錄在同一張全息干板上， 然后利用全息術(shù)的空間波前再現(xiàn)原理，非接觸地對物體表面進 行三維測量而獲得信息。全息干涉量度分析在無損檢驗、微應(yīng) 力應(yīng)變測量、形狀和等高線的檢測、振動分析、高速光學等多 種領(lǐng)域中已得到廣泛的應(yīng)用，并已解決了用其他手段難以解決 的問題。目前，全息干涉計量術(shù)在方法上先后發(fā)展了實時全息 干涉法(單次曝光法

2、)、二次曝光全息干涉法、時間平均全息干 涉法、雙波長干涉法以及雙脈沖頻閃全息干涉法。全息干涉計 量在20世紀80年代美國等西方先進國家已產(chǎn)業(yè)化，我國在20 世紀80年代初有幾所大學和科研單位的研究項目通過鑒定， 其中有些達到當時的先進水平。 摘要 本論文簡述了全息術(shù)的實驗原理及時間平均全息干涉 測量的實驗原理。在以上理論的基礎(chǔ)上利用時間平均 全息干涉測量的方法，通過實驗成功拍攝到了揚聲器 紙盆在穩(wěn)定激勵信號下的振動全息圖。對實驗過程進 行總結(jié)得到了時間平均全息干涉法的部分實驗心得， 并對所得全息圖片進行了初步分析，探索了激勵信號 頻率，電壓，波形對揚聲器振動情況的影響。發(fā)現(xiàn)頻 率對振動情況劃分

3、起主要作用，電壓則影響不同振動 區(qū)域所占的頻率范圍。波形對振動情況有一定的影響， 但未進行詳細分析。 實驗原理 時間平均全息法（time-average holographic interferometry）常用于研究物體的振動。在物體振動 過程中，拍攝一張全息照片，對振動物體在一定時間間 隔內(nèi)連續(xù)地曝光。這相當于在同一片全息干板上記錄下 一系列的物光波前，這樣拍攝下來的全息圖用原參考光 照明再現(xiàn)時，將再現(xiàn)出物體振動過程中所有的像。觀察 者所看到的是所有再現(xiàn)像互相干涉的總效果。根據(jù)時間 平均全息圖上干涉條紋的分布狀態(tài)，可以分析振動物體 各個部位的振幅分布以及振動體的振動模式。 實驗原理 時間平

4、均全息干涉測量的基本原理如下圖。設(shè)物體與記錄平面平行，物體 在靜態(tài)位置附近作微小正弦振動，振動方向垂直于記錄平面。 經(jīng)過嚴格的數(shù)學推導(dǎo)可以得出再現(xiàn)像的光強為： 實驗原理 令 則上式變?yōu)?可見，時間平均全息圖的再現(xiàn)物光場強度是隨變化的函數(shù)， 如果物體上光場強度分布是均勻的，則再現(xiàn)物光場呈明暗相 間的條紋分布，其中最亮的部分是物體上不振動的區(qū)域，振 幅小的區(qū)域次極大條紋亮度高，振幅大的區(qū)域次極大條紋亮 度低。 實驗器材包括：He-Ne激光器、全息防震臺、 平面反射鏡、分束鏡、擴束鏡、準直透鏡、 磁性底座、遮光板、全息干板、揚聲器、信 號發(fā)生器，皮尺。 其中全息干板為全息I型，使用暗綠色安全 燈，增

5、感峰值為630毫微米，增感范圍是530- 700毫微米。 實驗器材 實驗光路圖 實驗光路圖 實驗步驟 1、開啟激光器，調(diào)整激光器出射光束與工作臺面平行。 2、用自準直法調(diào)整各光學元件表面與激光束的主光線垂直。 3、按照圖3.1初步安排光學元件、支架和物體位置，干板用白屏代替 ，揚聲器紙盆與“干板”平行，使物光、參考光盡可能實現(xiàn)等光程， 二者夾角在2030之間。 4、調(diào)整擴束鏡、準直透鏡，使參考光均勻照射“干板”，物光均勻 照射揚聲器紙盆。 5、設(shè)置好曝光時間，加信號給揚聲器，擋住激光，在黑暗環(huán)境下取 干板放于干板架上，人離開防振平臺，靜等一分鐘后按確定好的時間 曝光。 6、取下干板，進行常規(guī)的

6、暗室處理：顯影3分鐘，定影35分鐘，進 行充分的漂白，晾干。得到一時間平均全息圖。 7、用對焦相機拍攝全息圖的再現(xiàn)圖，以此分析揚聲器紙盆的振型。 實驗注意事項 1、物光與參考光的光程差盡量相等，兩束光之間的夾角應(yīng)在20到30之間, 或兩束光的光強要比較接近。 2、參考光不能照射到物體，而物光在不能直接照射到干板，必須經(jīng)物體反射 后才可到達干板。 3、 曝光時對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高，要盡量減少外界干擾，尤其是環(huán) 境噪聲和空氣的擾動。 4、全息照片的沖洗過程也很關(guān)鍵，必須掌握好顯影、定影、漂白的時間，同 時藥液不能見光。 5、在實驗前應(yīng)檢查所用的干板保存是否完好，是否有效，無效的干板是無法 拍

7、出全息圖的。 6、為了提高振幅的測量精度, 照明光的入射方向應(yīng)接近于物體表面的法向, 全息干版應(yīng)盡量和物體表面平行。 7、曝光時與再現(xiàn)時用相同波長的激光器。 實驗結(jié)果分析 根據(jù)實驗得出的全息圖，我們發(fā)現(xiàn)揚聲器紙盆的振動情況與信號的頻率密切相關(guān)， 在信號電壓不變的情況下，所得的全息圖隨激勵信號頻率的變化而隨之變化，我 們根據(jù)全息圖隨頻率的變化，大致分出了三個區(qū)段。 活塞振動活塞振動：在該區(qū)域，揚聲器基本上作比較嚴格的活塞振動?；钊駝訒r紙盆各 點的振幅應(yīng)該相等，因此得到的全息圖各點的明暗程度應(yīng)該相同。而根據(jù)我們實 驗得到的全息圖，該階段發(fā)生在低頻段。 分割振動：分割振動：當頻率較高時，該揚聲器作

8、典型的分割振動。分割振動就是指振膜的 各個部分的振動情況不一致，可能這一片已經(jīng)開始向上運動而另一片由于慣性還 沒能跟上。在該頻率段，紙錐的振動模式稍復(fù)雜。隨著頻率的增加，全息圖上波 節(jié)圓越來越多，這是因為橫向波從音圈向外傳播抵達紙錐邊緣后又重新反射回來， 在紙錐上形成駐波而引起的。 過渡振動：過渡振動：揚聲器此時既不作嚴格的活塞振動，也不是典型的分割振動，而是出 現(xiàn)了更為復(fù)雜的分割圖案，我們認為這些圖案是合理的，應(yīng)該是紙錐在由活塞振 動向分割振動過渡時，紙錐所作的活塞振動和現(xiàn)實的不均勻紙錐產(chǎn)生的軸向波使 錐面發(fā)生共振而引起的分割振動，和徑向分割振動疊加在一起的必然結(jié)果。所以 我們將此段定義為過

9、渡振動區(qū)域。在過渡振動區(qū)域的低頻段，揚聲器的振動接近 于活塞振動。而在過渡振動區(qū)域的高頻段，揚聲器的振動接近于分割振動。 實驗結(jié)果分析 700赫茲 2700赫茲 4750赫茲 U=0.5V 實驗結(jié)果分析 通過對比不同電壓下各個頻率的全息圖，我們發(fā)現(xiàn)電壓對振 動模式，即振幅對振動模式的影響，雖然無法改變振動模式 三種區(qū)域的總體劃分，但不同電壓情況下，三種振動區(qū)域的 頻率劃分范圍會不同。電壓低時，活塞振動的區(qū)域頻率更低， 進入過渡振動區(qū)域較早，同時由過渡振動進入分割振動的頻 率點也相應(yīng)降低，而且在頻率較高時，振動就比較微弱了； 而電壓高時，活塞振動的區(qū)域頻率相對提高，同時進入過渡 振動及分割振動的

10、頻率點也會對應(yīng)升高。頻率甚高時，若電 壓較高，振動仍較明顯。 實驗結(jié)果分析 0.5伏 1300赫茲 1.0伏 1300赫茲 實驗結(jié)果分析 0.5伏 3400赫茲1伏 3400赫茲 實驗結(jié)果分析 實驗中給予的信號一直為正 弦波，最后我們拍攝了一張 在電壓為1.1伏，頻率為1800 赫茲的鋸齒波激勵下的全息 圖。發(fā)現(xiàn)其此時已經(jīng)出現(xiàn)波 節(jié)圓。其全息圖也與正弦波 所得到的全息圖略有不同。 說明激勵信號的波形對振動 模式也存在著一定的影響。 1.1V 1800赫茲 鋸齒波 實驗結(jié)果分析 根據(jù)實驗得到的干涉圖樣，我們發(fā)現(xiàn)測試所用的揚聲器大部 分情況下其干涉條紋都是雜亂無規(guī)律的，說明揚聲器紙盆的 振動不均勻

11、，因此質(zhì)量不是很好。同時通過振動模式的觀察， 我們認為可以通過調(diào)節(jié)電壓或波形來使得該頻率下?lián)P聲器的 音質(zhì)有可能起到改善作用，避免分割振動。總之，紙盆的好 壞，頻率，電壓，波形的關(guān)系決定了揚聲器音質(zhì)的好壞。 總結(jié)與展望 本論文通過時間平均全息干涉測量的方法，對揚聲器的振動情況進行了 研究。利用可調(diào)信號發(fā)生器，拍攝了大量不同電壓，不同頻率下?lián)P聲器 的振動全息圖，通過實驗結(jié)果可以看出，揚聲器的振動模式隨著頻率， 電壓的改變而改變，但大致可以分為三個階段，即活塞振動，過渡振動， 分割振動。其中，頻率起主要的影響作用。同時，波形的改變也會影響 揚聲器的振動情況，并據(jù)此分析了影響揚聲器音質(zhì)的幾點要素。實驗

12、稍 顯不足的地方是無該揚聲器的具體參數(shù)及相關(guān)聲壓頻率特性曲線和阻抗 曲線，因此在選取頻率段時無法事先進行初步計算有目的進行拍攝，只 能進行大范圍多頻率拍攝，導(dǎo)致三個振動區(qū)域無法精確劃分，所選的頻 率，電壓也沒有很好的針對性。而翻拍的效果由于本人技術(shù)問題效果不 是很好。但是時間平均全息干涉測量的方法，對于研究振動發(fā)聲這一系 列問題的作用與實用性在本論文中已經(jīng)得到了充分的體現(xiàn)，證明了其是 正確可行的。在今后的研究中，若能結(jié)合揚聲器的具體參數(shù)，將能得到 更加準確，具體，權(quán)威，有實用價值的數(shù)據(jù)，對于評判揚聲器等這一類 器件的質(zhì)量好壞有極大的實際意義，對于此類器件的制造工藝也會有不 小的貢獻。 參考文獻

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