毕业设计(金璇)

1、时间平均干涉测量扬声器振动 作者：金璇 指导老师：梁瑞生教授 一、选题意义 二、摘要 三、实验原理 四、实验器材及过程 五、实验结果分析 六、总结与展望 七、参考文献 八、致谢 选题意义 全息干涉计量技术自上世纪70年代迅速发展起来。全息干涉 计量术是将不同物光，在不同的时间记录在同一张全息干板上， 然后利用全息术的空间波前再现原理，非接触地对物体表面进 行三维测量而获得信息。全息干涉量度分析在无损检验、微应 力应变测量、形状和等高线的检测、振动分析、高速光学等多 种领域中已得到广泛的应用，并已解决了用其他手段难以解决 的问题。目前，全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息 干涉法(单次曝光法

2、)、二次曝光全息干涉法、时间平均全息干 涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法。全息干涉计 量在20世纪80年代美国等西方先进国家已产业化，我国在20 世纪80年代初有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定， 其中有些达到当时的先进水平。 摘要 本论文简述了全息术的实验原理及时间平均全息干涉 测量的实验原理。在以上理论的基础上利用时间平均 全息干涉测量的方法，通过实验成功拍摄到了扬声器 纸盆在稳定激励信号下的振动全息图。对实验过程进 行总结得到了时间平均全息干涉法的部分实验心得， 并对所得全息图片进行了初步分析，探索了激励信号 频率，电压，波形对扬声器振动情况的影响。发现频 率对振动情况划分

3、起主要作用，电压则影响不同振动 区域所占的频率范围。波形对振动情况有一定的影响， 但未进行详细分析。 实验原理 时间平均全息法（time-average holographic interferometry）常用于研究物体的振动。在物体振动 过程中，拍摄一张全息照片，对振动物体在一定时间间 隔内连续地曝光。这相当于在同一片全息干板上记录下 一系列的物光波前，这样拍摄下来的全息图用原参考光 照明再现时，将再现出物体振动过程中所有的像。观察 者所看到的是所有再现像互相干涉的总效果。根据时间 平均全息图上干涉条纹的分布状态，可以分析振动物体 各个部位的振幅分布以及振动体的振动模式。 实验原理 时间平

4、均全息干涉测量的基本原理如下图。设物体与记录平面平行，物体 在静态位置附近作微小正弦振动，振动方向垂直于记录平面。 经过严格的数学推导可以得出再现像的光强为： 实验原理 令 则上式变为 可见，时间平均全息图的再现物光场强度是随变化的函数， 如果物体上光场强度分布是均匀的，则再现物光场呈明暗相 间的条纹分布，其中最亮的部分是物体上不振动的区域，振 幅小的区域次极大条纹亮度高，振幅大的区域次极大条纹亮 度低。 实验器材包括：He-Ne激光器、全息防震台、 平面反射镜、分束镜、扩束镜、准直透镜、 磁性底座、遮光板、全息干板、扬声器、信 号发生器，皮尺。 其中全息干板为全息I型，使用暗绿色安全 灯，增

5、感峰值为630毫微米，增感范围是530- 700毫微米。 实验器材 实验光路图 实验光路图 实验步骤 1、开启激光器，调整激光器出射光束与工作台面平行。 2、用自准直法调整各光学元件表面与激光束的主光线垂直。 3、按照图3.1初步安排光学元件、支架和物体位置，干板用白屏代替 ，扬声器纸盆与“干板”平行，使物光、参考光尽可能实现等光程， 二者夹角在2030之间。 4、调整扩束镜、准直透镜，使参考光均匀照射“干板”，物光均匀 照射扬声器纸盆。 5、设置好曝光时间，加信号给扬声器，挡住激光，在黑暗环境下取 干板放于干板架上，人离开防振平台，静等一分钟后按确定好的时间 曝光。 6、取下干板，进行常规的

6、暗室处理：显影3分钟，定影35分钟，进 行充分的漂白，晾干。得到一时间平均全息图。 7、用对焦相机拍摄全息图的再现图，以此分析扬声器纸盆的振型。 实验注意事项 1、物光与参考光的光程差尽量相等，两束光之间的夹角应在20到30之间, 或两束光的光强要比较接近。 2、参考光不能照射到物体，而物光在不能直接照射到干板，必须经物体反射 后才可到达干板。 3、 曝光时对整个系统的稳定性要求很高，要尽量减少外界干扰，尤其是环 境噪声和空气的扰动。 4、全息照片的冲洗过程也很关键，必须掌握好显影、定影、漂白的时间，同 时药液不能见光。 5、在实验前应检查所用的干板保存是否完好，是否有效，无效的干板是无法 拍

7、出全息图的。 6、为了提高振幅的测量精度, 照明光的入射方向应接近于物体表面的法向, 全息干版应尽量和物体表面平行。 7、曝光时与再现时用相同波长的激光器。 实验结果分析 根据实验得出的全息图，我们发现扬声器纸盆的振动情况与信号的频率密切相关， 在信号电压不变的情况下，所得的全息图随激励信号频率的变化而随之变化，我 们根据全息图随频率的变化，大致分出了三个区段。 活塞振动活塞振动：在该区域，扬声器基本上作比较严格的活塞振动。活塞振动时纸盆各 点的振幅应该相等，因此得到的全息图各点的明暗程度应该相同。而根据我们实 验得到的全息图，该阶段发生在低频段。 分割振动：分割振动：当频率较高时，该扬声器作

8、典型的分割振动。分割振动就是指振膜的 各个部分的振动情况不一致，可能这一片已经开始向上运动而另一片由于惯性还 没能跟上。在该频率段，纸锥的振动模式稍复杂。随着频率的增加，全息图上波 节圆越来越多，这是因为横向波从音圈向外传播抵达纸锥边缘后又重新反射回来， 在纸锥上形成驻波而引起的。 过渡振动：过渡振动：扬声器此时既不作严格的活塞振动，也不是典型的分割振动，而是出 现了更为复杂的分割图案，我们认为这些图案是合理的，应该是纸锥在由活塞振 动向分割振动过渡时，纸锥所作的活塞振动和现实的不均匀纸锥产生的轴向波使 锥面发生共振而引起的分割振动，和径向分割振动叠加在一起的必然结果。所以 我们将此段定义为过

9、渡振动区域。在过渡振动区域的低频段，扬声器的振动接近 于活塞振动。而在过渡振动区域的高频段，扬声器的振动接近于分割振动。 实验结果分析 700赫兹 2700赫兹 4750赫兹 U=0.5V 实验结果分析 通过对比不同电压下各个频率的全息图，我们发现电压对振 动模式，即振幅对振动模式的影响，虽然无法改变振动模式 三种区域的总体划分，但不同电压情况下，三种振动区域的 频率划分范围会不同。电压低时，活塞振动的区域频率更低， 进入过渡振动区域较早，同时由过渡振动进入分割振动的频 率点也相应降低，而且在频率较高时，振动就比较微弱了； 而电压高时，活塞振动的区域频率相对提高，同时进入过渡 振动及分割振动的

10、频率点也会对应升高。频率甚高时，若电 压较高，振动仍较明显。 实验结果分析 0.5伏 1300赫兹 1.0伏 1300赫兹 实验结果分析 0.5伏 3400赫兹1伏 3400赫兹 实验结果分析 实验中给予的信号一直为正 弦波，最后我们拍摄了一张 在电压为1.1伏，频率为1800 赫兹的锯齿波激励下的全息 图。发现其此时已经出现波 节圆。其全息图也与正弦波 所得到的全息图略有不同。 说明激励信号的波形对振动 模式也存在着一定的影响。 1.1V 1800赫兹 锯齿波 实验结果分析 根据实验得到的干涉图样，我们发现测试所用的扬声器大部 分情况下其干涉条纹都是杂乱无规律的，说明扬声器纸盆的 振动不均匀

11、，因此质量不是很好。同时通过振动模式的观察， 我们认为可以通过调节电压或波形来使得该频率下扬声器的 音质有可能起到改善作用，避免分割振动。总之，纸盆的好 坏，频率，电压，波形的关系决定了扬声器音质的好坏。 总结与展望 本论文通过时间平均全息干涉测量的方法，对扬声器的振动情况进行了 研究。利用可调信号发生器，拍摄了大量不同电压，不同频率下扬声器 的振动全息图，通过实验结果可以看出，扬声器的振动模式随着频率， 电压的改变而改变，但大致可以分为三个阶段，即活塞振动，过渡振动， 分割振动。其中，频率起主要的影响作用。同时，波形的改变也会影响 扬声器的振动情况，并据此分析了影响扬声器音质的几点要素。实验

12、稍 显不足的地方是无该扬声器的具体参数及相关声压频率特性曲线和阻抗 曲线，因此在选取频率段时无法事先进行初步计算有目的进行拍摄，只 能进行大范围多频率拍摄，导致三个振动区域无法精确划分，所选的频 率，电压也没有很好的针对性。而翻拍的效果由于本人技术问题效果不 是很好。但是时间平均全息干涉测量的方法，对于研究振动发声这一系 列问题的作用与实用性在本论文中已经得到了充分的体现，证明了其是 正确可行的。在今后的研究中，若能结合扬声器的具体参数，将能得到 更加准确，具体，权威，有实用价值的数据，对于评判扬声器等这一类 器件的质量好坏有极大的实际意义，对于此类器件的制造工艺也会有不 小的贡献。 参考文献

13、 全息术的历史和发展. http:/ 张坤明，赵瑞程，梁瑞生.信息光学M.华南理工大学出版社.1993年.226-229. 梁瑞生，吕晓旭.信息光学M.电子工业出版社.2008年.147-152.276-279. H.M.史密斯. 全息记录材料M.科学出版社.1984年7月.130-170. 熊秉衡，李俊昌.全息干涉计量-原理和方法M.科学出版社.2009年.337-341. 满德发，贾陇生，高玮.反射式时间平均全息干涉J.哈尔滨师范大学自然科学报. 第11卷，12期.（1995年）. 李文清，杨砚儒，刘瑞安. 全息照相实验异常现象分析与处理J.中国科技论文统 计源期刊.23卷，2期.（2006年） 徐世良，范鹤年，俞超. 全息照相与振动分析D. 南京大学声学教研室.（1990） 致谢 本文是在梁瑞生教授的指导下完成的，在完成论文的过程中，梁老师 提出了很多有益并有启迪性的建议，使我们能够顺利完成课题。同时， 梁老师做学问的严谨态度，为人处事的方法，都是我学习的榜样。在这