CN1761366A - 基于***辨识的扬声器单元非线性参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于***辨识技术应用于常规音频测量仪器，测量扬声器单元非线性参数的方法。本发明仅用馈给可调直流电流的方法使得其音圈偏移平衡位置一定的位移，在不同音圈位移下用具有扬声器单元电阻抗测量功能的常规音频测量仪器测量扬声器单元电阻抗特性，根据扬声器单元非线性电阻抗模型，用***辨识技术获得扬声器单元的非线性参数。涉及与音圈位移有关的扬声器单元的非线性参数的测量，包括非线性力因数、非线性等效力顺以及非线性音圈电感的测量。本发明可利用常规音频测量仪器测量扬声器单元的电阻抗曲线，对测得的扬声器单元电阻抗曲线进行***辨识。

Description

基于***辨识的扬声器单元非线性参数测量方法

一、技术领域

本发明涉及扬声器单元的与音圈位移有关的非线性参数的测量，包括非线性力因数、非线性等效力顺以及非线性音圈电感的测量。即在不同音圈位移下测量扬声器单元电阻抗曲线，根据建立的扬声器单元非线性电阻抗模型，对测得的电阻抗曲线进行***辨识从而获得待测的非线性参数。

二、背景技术

<一>测量扬声器单元非线性参数的意义

到目前为止，在扬声器单元及其***的设计与仿真中仍广泛使用线性扬声器单元模型。线性扬声器单元模型忽略了其中的各个参数随音圈位移的变化，这在扬声器单元小信号工作下是近似准确的。但在很多实际应用场合，扬声器单元在相对较大的信号下工作，这时扬声器单元的参数随音圈位移的变化十分显著，用线性扬声器单元模型已经不能正确描述扬声器单元实际工作时的性能。因此建立扬声器单元非线性模型并测量其中的非线性参数就十分必要，可用于评价及改善扬声器单元大信号工作时的性能。

现有的常规音频测量仪器均不具有测量扬声器单元的与音圈位移有关的非线性参数的功能。

<二>现有技术或方法

在扬声器单元非线性参数测量方面，已经开展的工作主要有：

A)Wolfgang Klippel.”Prediction of Speaker Performance at High Amplitudes”(扬声器单元大振幅工作下性能的预测方法，第111次[国际]音频工程学会大会，The 111thConvention of the Audio Engineering Society，New York，2001.Preprint 5418)提出了一种测量扬声器单元大振幅工作下性能的方法，用激光装置测量振膜的振动，用热丝风速计(hot-wire anemometer)测量气流速度。

B)Wolfgang Klippel.“Dynamical Measurement of Loudspeaker Suspension Parts(扬声器单元部件的动态测量方法，第117次[国际]音频工程学会大会The 117thConvention of the Audio Engineering Society，San Francisco，2004.Preprint 6179)提出了一种专用的装置来测量扬声器单元纸盆、定心支片和折环的力顺，用激光测振装置来测量振速。

C)Wolfgang Klippel.“Distortion Analyzer-a New Tool for Assessing and ImprovingElectrodynamic Transducer(电动传感器失真分析的装置，第108次[国际]音频工程学会大会The 108th Convention of the Audio Engineering Society，Paris，2000.Preprint 5109)提出一种分析失真的装置，可以用来测量电动传感器的非线性失真，用激光测振装置测量电动传声器振膜的振动，然后进行相关的分析。

这些工作都摒弃了常规音频测量仪器，但需要专门的测量设备和比较昂贵的激光测振装置来进行扬声器单元非线性参数的测量。

D)Wolfgang Klippel.“Measurement of Large Signal Parameters of ElectrodynamicTransducer”(测量音圈位移大信号参数的方法，第107次[国际]音频工程学会大会，The 107th Convention of the Audio Engineering Society，New York，1999.Preprint 5008)提到了一种测量声压响应随音圈位移变化的方法：将扬声器单元置于密闭箱中，通过改变密闭箱内的气压来改变音圈的位移，并在不同音圈位移处测量其声压响应，从而获得扬声器单元的性能随音圈位移的变化。

该方法的局限是对密闭箱的气密性要求很高，从而给装配带来很大困难，而且音圈的位移不易获得。

E)Mark Dodd.“Voice coil impedance as function of frequency and displacement”(音圈电感用为音圈位移的阻抗函数，第107次[国际]音频工程学会大会，The 117thConvention of the Audio Engineering Society，San Francisco，2004.Preprint 6178)比较了现有的几种不同的线性扬声器单元电阻抗模型，将线性扬声器单元电阻抗模型中用常量表示的力因数、等效力顺及音圈电感均改成音圈位移的函数就得到非线性扬声器单元电阻抗模型。

本发明经过研究比较之后采用了该论文中的非线性扬声器单元电阻抗模型如图2，利用该模型进行***辨识获得的理论计算结果与实际测量结果更加吻合。

三、发明内容

本发明的目的在于考虑到常规测量仪器在音频领域已经非常普及，可以利用现有的常规测量仪器，结合基于计算机的***辨识技术来实现扬声器单元的与音圈位移有关的非线性参数的测量。本发明的目的是这样实现的：

建立非线性电阻抗模型，该模型中包含了待测的与音圈位移有关的非线性参数，用常规音频测量仪器测量扬声器单元的电阻抗曲线，将测得的电阻抗曲线导入计算机，利用已经建立的非线性电阻抗模型对测得的电阻抗曲线进行***辨识从而获得模型中的参数。用可调直流源馈给扬声器单元一定的直流电流来改变音圈的位移，在不同音圈位移处进行电阻抗测量与***辨识，最终获得扬声器单元的与音圈位移有关的非线性参数。

根据图2的非线性扬声器单元电阻抗模型，扬声器单元电阻抗可表示为：

$Z_E\left(\mathrm{\&omega;}\right)=R_e+\mathrm{j\&omega;L}\left(x\right)+Z\left(x\right)+{[\frac{1}{R^{\&prime;}}+\mathrm{j\&omega;}{C}^{\&prime;}+\frac{1}{\mathrm{j\&omega;}{L}^{\&prime;}}]}^{-1}$

其中，

$\frac{1}{Z\left(x\right)}=\frac{1}{\mathrm{j\&omega;Le}\left(x\right)}+\frac{1}{R_{\mathrm{ed}}}$

$R^{\&prime;}=\frac{\mathrm{Bl}{\left(x\right)}^2}{R_{\mathrm{MS}}+2R_{\mathrm{MR}}}$

$C^{\&prime;}=\frac{M_{\mathrm{MD}}+2M_{\mathrm{MR}}}{\mathrm{Bl}{\left(x\right)}^2}$

L′＝Cms(x)□Bl(x)²

若在某一音圈位移x处测得的扬声器单元电阻抗曲线为Z_M(ω)，则***辨识的目标即为采用一定的优化算法，使得方差 $E\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{1}{n}\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left[{|Z}_E\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right|-\left|Z_M\left(\mathrm{\&omega;}\right)\right|]}^2$ 最小，n为电阻抗测量的频率点数。本发明采用了遗传算法进行优化，遗传算法以其优越的性能在电声***的优化和测量中正得到越来越广泛的应用，遗传算法包含选择、交叉、变异等三个主要操作算子，该算法的主要流程如图3。用

作为遗传算法的适应度函数，k为常数，调节k可以调节个体之间适应度的差异。

本发明的特点是：利用本发明方法，无需购买昂贵的专用测量装置，利用计算机并结合***辨识技术就可以利用现有的具有扬声器单元电阻抗测量功能的常规音频测量仪器来进行扬声器单元的与音圈位移有关的非线性参数的测量，从而大大节约成本。

本发明的创新点是：将***辨识技术应用于常规音频测量仪器从而利用现有的常规音频测量仪器进行扬声器单元的与音圈位移有关的非线性参数的测量，避免使用昂贵的专用测量仪器，大大节约测量扬声器单元非线性参数的成本。

四、附图说明

图1本发明基于***辨识的扬声器单元非线性参数测量框图

图2本发明采用的扬声器单元非线性电阻抗模型

图3本发明采用的遗传算法流程图

图4用本发明方法测得的扬声器单元a、b的非线性参数曲线；(a).单元a的Bl(x)曲线；(b).单元b的Bl(x)曲线；(C)单元a的C_ms(x)曲线；(d).单元b的C_ms(x)曲线；(e).单元a的L(x)曲线；(f).单元b的L(x)曲线；(g).单元a的Le(x)曲线；(h).单元b的Le(x)曲线

五、具体实施方式

本发明的具体实施例：

用本发明实际测量了两只不同尺寸的扬声器单元的非线性参数，单元a直径10cm，单元b直径16cm，测量框图如图1所示，用可调直流源提供给扬声器单元不同的直流电流，从而使音圈偏离平衡位置不同的位移，馈给扬声器单元的直流电流与音圈位移如表1、表2。用具有扬声器单元电阻抗测量功能的常规音频测量仪器测量扬声器单元的电阻抗，将测量结果送入计算机，根据图2的非线性电阻抗模型，用***辨识技术得到模型中的各个参数：扬声器单元的非线性力因数Bl(x)、非线性等效力顺C_ms(x)以及非线性音圈电感L(x)和Le(x)。测量结果如图4所示

               表1馈给扬声器单元a的直流电流与音圈位移

直流电流(A)	±0.49	0.42	0.35	0.28	0.22	0.13	0.09	0
									音圈位移(mm)	±3.1	±2.6	±2.17	±1.74	±1.36	±0.81	±0.62	0

               表2馈给扬声器单元b的直流电流与音圈位移

直流电流(A)	±0.52	0.44	0.37	0.29	0.22	0.14	0.09	0
									音圈位移(mm)	±4.68	±3.96	±3.33	±2.61	±1.98	±1.26	±0.9	0

Claims (3)

1、一种基于***辨识技术的扬声器单元非线性参数测量方法，其特征是用馈给可调直流电流的方法使得其音圈偏移平衡位置一定的位移，在不同音圈位移下用具有扬声器单元电阻抗测量功能的常规音频测量仪器测量扬声器单元电阻抗特性，根据扬声器单元非线性电阻抗模型，用***辨识技术获得扬声器单元的非线性参数。

2、如权利要求1所述的基于***辨识的扬声器单元非线性参数测量方法，其特征是所述根据扬声器单元非线性电阻抗模型，用***辨识技术获得扬声器单元的非线性参数的方法是：扬声器单元电阻抗表示为：

$Z_k\left(\mathrm{\&omega;}\right)=R_e+\mathrm{j\&omega;L}\left(x\right)+Z\left(x\right)+{[\frac{1}{R^{\&prime;}}+\mathrm{j\&omega;}{C}^{\&prime;}+\frac{1}{j{\mathrm{\&omega;L}}^{\&prime;}}]}^{-1}$

其中，

$\frac{1}{Z\left(x\right)}=\frac{1}{\mathrm{j\&omega;Le}\left(x\right)}+\frac{1}{R_{\mathrm{ed}}}$

$R^{\&prime;}=\frac{\mathrm{Bl}{\left(x\right)}^2}{R_{\mathrm{MS}}+2R_{\mathrm{MR}}}$

$C^{\&prime;}=\frac{M_{\mathrm{MD}}+2M_{\mathrm{MR}}}{\mathrm{Bl}{\left(x\right)}^2}$

L′＝Cms(x)□Bl(x)²

若在某一音圈位移x处测得的扬声器单元电阻抗曲线为Z_M(ω)，则***辨识的目标即为采用优化算法得到的非线性参数，使得方差 $E\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\frac{1}{n}\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left[\right|Z_E\left(\mathrm{\&omega;}\right)|-|Z_M\left(\mathrm{\&omega;}\right)\left|\right]}^2$ 最小，n为电阻抗测量的频率点数。

3.如权利要求1所述的基于***辨识的扬声器单元非线性参数测量方法，其特征是将***辨识技术应用于常规音频测量仪器，从而可以利用现有的具有扬声器单元电阻抗测量功能的常规音频测量仪器进行扬声器单元非线性参数的测量。

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