CN1697568A - 平板扬声器驱动器电－力参数的测量方法 - Google Patents

Abstract

基于电阻抗的平板扬声器驱动器电－力参数的测量方法：首先建立驱动器的电阻抗模型并测得电阻抗曲线，然后用优化算法根据电阻抗曲线优化模型元件参数值，使得由模型计算得到的电输入阻抗曲线与实测的电输入阻抗曲线相吻合，这样得到电参数值，测得驱动器质量Mm，通过力－电参数的对应关系计算得到Bl，根据Bl可以得到全部的力参数值。

Description

平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法

一、技术领域

本发明涉及平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法，尤其是基于电阻抗的平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法。

二、背景技术

20世纪90年代以来，平板扬声器得到迅速发展，引起了人们的广泛兴趣。由于平板扬声器不同于传统扬声器的物理特性(外形和重量)和声学特性，近年来掀起了研发和推广的高潮。

所谓平板扬声器，指扬声器的声辐射器由平板构成。一般来说，平板扬声器辐射声波时，平板工作在高阶振动模态状态中，不像传统扬声器的振膜工作在活塞振动状态，因此，平板扬声器有时也被称为分布模态扬声器(Distributed ModeLoudspeaker，简称DML)。本发明涉及的就是这种平板扬声器。其示意图如图2所示：图2中椭圆所示的就是其驱动器，是电动式的，它是与平板一起振动的。

平板扬声器有如下特点：结构简单；单个扬声器具有较大的带宽，不需要分频网络；高频指向性很宽；声辐射具有扩散特性，不受环境干扰；其外形加以装饰后具有很强的观赏性，受到消费者的青睐。在其它领域(如水声工程和噪声控制)中，人们注意到它不同于传统扬声器的声辐射性能，在发展新的声学技术中能发挥独特作用，因而受到科研工作者的重视。

然而，平板扬声器在声重放质量上与传统高保真扬声器仍有较大差距。这是因为，平板扬声器工作在高阶振动模态状态中，不像传统扬声器的振膜工作在活塞振动状态，当且仅当振动平板达到处处振动不相干的理想状态时，平板扬声器的性能才能达到最优；实际应用时，驱动器策动薄板作弯曲谐振，仅在一定程度上达到了理论假设的要求，弯曲谐振的结果将引起声压频率响应曲线起伏较大。那么对其进行研究时就不能用普通扬声器的研究方法，而应该是分析其振动模态的情况。因此，首先要得到其驱动器的电力参数，然后才能进行进一步的分析并抑制平板扬声器响应的起伏，使平板扬声器性能得到理想的发挥。

目前的研究工作是把驱动器作为集中元件来处理。对于传统扬声器单元的关于T-S参数的描述方法不适应于驱动器，平板驱动器的每个电-力参数值都要准确。至今在平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法方面未见报道。

驱动器的电阻抗是指驱动器粘在刚性界面上(如水泥地面等)时，驱动器的输入端的阻抗随频率变化的曲线。驱动器的电阻抗是可以在普通环境中测量得到的。

目前电阻抗方面已经公开发表的相关的方法：

1、普通扬声器电阻抗模型中的音圈涡流模型；

2、单独的扬声器单元加上一定的质量，测量Bl值；

3.由普通扬声器的电阻抗得到T-S参数。

三、发明内容

本发明的目的是：提出一种基于电阻抗的平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法。该方法也是基于电阻抗模型，不采用T-S参数，并通过测得驱动器质量M_m，通过力-电参数的对应关系计算得到Bl，根据Bl可以得到全部的力参数值。尤其是提供一种测量***简单，成本低，保证相对精度的基于电阻抗的平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法。

本发明的方法是这样实现的：基于电阻抗的平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法：首先建立粘在刚性界面上的驱动器的电阻抗模型并测得电阻抗曲线，然后用优化算法根据电阻抗曲线优化模型元件参数值，使得由模型计算得到的电输入阻抗曲线与实测的电输入阻抗曲线相吻合，这样得到电参数值。测得驱动器质量M_m，通过力-电参数的对应关系计算得到Bl，根据Bl可以得到全部的力参数值。为以后的计算、模态仿真等做好准备，提供准确的数据。

典型的优化算法是遗传算法。

本发明的特点是：这是一种基于电阻抗的平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法。该方法基于电阻抗模型，不采用T-S参数，只要已知平板扬声器驱动器的电输入阻抗和驱动器质量，就可以驱动器电-力参数。该方法仪器简单，只需测量电信号，测量方便，具有可操作性，能够产生很好的经济效益。测量精度高。

四、附图说明

图1是本发明的方法流程图

图2是本发明所测的平板扬声器结构示意图

图3是本发明刚性界面上的驱动器的电阻抗模型图

图4是本发明平板和驱动器组成的平板扬声器***的电-力结合的模型图

图5是采用本发明得到电阻抗优化计算值和实际测量值的比较曲线

五、具体实施方式：

驱动器的集总参数模型如图3所示。其中，R_E、L_E、L_El、R_El组成了音圈的电阻抗，考虑了音圈的涡流效应。

图4表示的是平板和驱动器组成的平板扬声器***的电-力结合的模型。M_m表示的驱动器的质量，这与普通扬声器单元不同，平板扬声器的驱动器是与平板一起振动的。除了M_c和Z_m之外，其他元件均是驱动器的组成元件，与图3对应。其中，Bl为扬声器单元的机电耦合系数；图中的Z_LE表示音圈的阻抗，对应于图3中的R_E、L_E、L_El、R_El(具体公式见式(2))；R_S、C_S、M_m分别为驱动器的力阻、力顺和质量，分别对应于图3中的R_ES、L_CES、C_MES。

设图3中的输入电阻抗为Z_i，E_g为驱动源，Z_i即为驱动器的电阻抗。那么电输入阻抗：

$Z_i=Z_{\mathrm{LE}}+\frac{1}{\frac{1}{R_{\mathrm{ES}}}+s{C}_{\mathrm{MES}}+\frac{1}{s{L}_{\mathrm{CET}}}}---\left(1\right)$

$Z_{\mathrm{LE}}=R_E+s{L}_E+\frac{s{R}_{\mathrm{El}}{L}_{\mathrm{El}}}{R_{\mathrm{El}}+{\mathrm{sL}}_{\mathrm{El}}}---\left(2\right)$

由图4可见，根据电力类比关系，各元件的转换关系为：

$\left.\begin{array}{c}{R}_S=\frac{B^2{L}^2}{R_{\mathrm{ES}}}\\ M_m=C_{\mathrm{MES}}*B^2{L}^2\\ C_S=\frac{L_{\mathrm{CES}}}{B^2{L}^2}\end{array}\right\}---\left(3\right)$

驱动器的电输入阻抗受辐射声阻抗在不同环境中的改变的影响极小，可以忽略，同时其测量方法是把驱动器正面粘在刚性界面上，比如说水泥地面上，直接测量单元两端的电信号，无需传声器，这样就不受环境的影响，可以认为电阻抗的测量不依赖于环境。

测量图3、图4中的平板扬声器驱动器的电-力参数方法如下：

先在普通环境中测得电输入阻抗曲线，然后运用优化算法优化电阻抗模型(图3)线路中元件的参数值，使得由模型计算得到的电阻抗曲线与实测的电阻抗曲线相吻合，这样就得到了图3中驱动器的全部电参数。

下面进行Bl值的测量。根据图3、4及式(3)可以知道，图3中的C_MES对应于图4中的Mm，对应关系在(3)式中；由于电参数C_MES已知，图4中的Mm就是驱动器的质量，可以用天平称出，那么根据(3)式中间式子就可以把Bl值求出。

在全部电参数和Bl值已知的情况下，根据(3)式中的对应关系其他两个力学参数C_S、R_S也就可以求出。这样整个平板扬声器驱动器的电-力参数全部得到。

本发明与现有技术相比，首次提出了基于电阻抗的平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法。

下面举例说明基于电阻抗的平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法的过程。

根据测量流程，首先建立如图3所示刚性界面上的集中参数驱动器电阻抗等效线路模型，同时测量得到了驱动器的电输入阻抗，然后用遗传算法来优化电学等效线路图3中的参数值，使得由模型参数值根据(1)式计算得到的电阻抗曲线与实测的电阻抗曲线相吻合。

在此过程中我们采用了遗传算法作为优化算法：

遗传算法是一种以达尔文的自然进化论和孟德尔的遗传变异理论为基础的求解优化问题的仿生类算法，是一种智能化的全局搜索算法。遗传算法包含选择、交叉、变异等三个主要操作算子。该算法初始时随机产生N组解，每一组解叫一个个体，这多组解的集合叫做一个种群。然后计算每个个体的适应度，选择操作使适应度大的个体有较大复制概率，能加快算法的收敛速度，交叉操作通过对两父代进行基因交换而产生更优的个体，变异操作则能给群体带来新的基因，避免陷入局部最优。就是通过这三种算子的操作，优化群体一代一代地不断进化，最终收敛于最优状态。

定义误差函数为方差：

$e\left(\stackrel{\‾}{x}\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{|Z_{\mathrm{ic}}(j2\mathrm{\π}{f}_i,\stackrel{\‾}{x})-Z_{\mathrm{im}}\left(j2\mathrm{\π}{f}_i\right)|}^2---\left(4\right)$

其中i是离散点，Z_im(s)为测量得到的电输入阻抗值，Z_ic(s)为计算得到的电输入阻抗值，x为给定的一组参数值。

在适应度函数选择上，我们采用了归一化的函数，即f(x)＝1/(1+e( x))。整个的遗传算法运算过程如下：

(1)初始化控制参数：设置群体规模N；交叉概率P_C；变异概率P_M。

(2)在变量设定范围内随机产生初始种群。

(3)对现有群体进行如下操作：①计算群体中每个个体的适应度f(x_i)，i＝1，2，…，N；②按照赌轮机制实施选择操作，适应度大的个体的被选择的概率大；③随机选出两个个体x_i和x_j作为父代，按照概率P_C进行交叉操作，产生两个新的个体x_i’和x_j’，计算四个个体的适应度，选择其中最大的两个个体；④对交叉后的个体以概率P_M进行变异操作，接收变异后的新解。

(4)如果满足收敛条件，则退出进化过程，否则转至(3)。

图5是根据图3电阻抗模型优化计算值和实际测量值的比较。可见由遗传算法优化计算得到的电阻抗的优化计算值与实际值是非常吻合的，这为进一步的计算打下了基础。

经过算法优化后得到的图3中的驱动器的电参数如下：

R_E＝7.4Ω，L_E＝1.1×10^-4H，

L_El＝2.1×10^-4H，R_El＝28.6Ω，

R_ES＝7.5Ω，L_CES＝1.58×10^-3H，C_MES＝8.7×10^-3F，

这样电参数就已知。下面求力参数。

下面进行Bl值的测量。从上面的电参数中C_MES＝8.7×10^-3F，驱动器的质量Mm＝6.0×10^-3Kg，根据式(3)可以知道，

$\mathrm{Bl}=\sqrt{\frac{M_m}{C_{\mathrm{MES}}}},$ 最后得到Bl＝2.63N/A。

在全部电参数和Bl值已知的情况下，根据(3)式中的对应关系其他两个力学参数C_S、R_S也就可以求出：

C_S＝2.29×10^-4m/N，R_S＝0.92N·s/m。

这样整个平板扬声器驱动器的电-力参数全部得到。

Claims (3)

1、平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法：其特征是首先建立驱动器的电阻抗模型并测得电阻抗曲线，然后用优化算法根据电阻抗曲线优化模型元件参数值，使得由模型计算得到的电输入阻抗曲线与实测的电输入阻抗曲线相吻合，这样得到电参数值，测得驱动器质量M_m，通过力-电参数的对应关系计算得到Bl，根据Bl可以得到全部的力参数值。

2、由权利要求1所述的平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法：其特征是驱动器的电阻抗模型采用武之地建立粘在刚性界面上的驱动器的电阻抗模型。

3、由权利要求1所述的平板扬声器驱动器电-力参数的测量方法：其特征是驱动器的电阻抗模型和平板扬声器驱动器电-力模型中，

电输入阻抗 $Z_i=Z_{\mathrm{LE}}+\frac{1}{\frac{1}{R_{\mathrm{ES}}}+s{C}_{\mathrm{MES}}+\frac{1}{s{L}_{\mathrm{CET}}}}---\left(1\right)$

$Z_{\mathrm{LE}}=R_E+{\mathrm{sL}}_E+\frac{{\mathrm{sR}}_{\mathrm{El}}{L}_{\mathrm{El}}}{R_{\mathrm{El}}+{\mathrm{sL}}_{\mathrm{El}}}---\left(2\right)$

各元件的转换关系为：

$\left.\begin{array}{c}{R}_S=\frac{B^2{L}^2}{R_{\mathrm{ES}}}\\ M_m=C_{\mathrm{MES}}*B^2{L}^2\\ C_S=\frac{L_{\mathrm{CES}}}{B^2{L}^2}\end{array}\right\}---\left(3\right)$

Mm表示驱动器的质量，Bl为扬声器单元的机电耦合系数；Z_LE表示音圈的阻抗，对应于R_E、L_E、L_El、R_El；R_S、C_S、M_m分别为驱动器的力阻、力顺和质量，分别对应于R_ES、L_CES、C_MES。

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