一种扬声器系统的非线性特性的确定方法及装置与流程

1.本发明实施例涉及扬声器技术领域，尤其涉及一种扬声器系统的非线性特性的确定方法、装置及设备。


背景技术：

2.扬声器在较大功率工作时，会引起振动系统的非线性振动。振动系统的非线性振动引起扬声器的非线性失真，表现出声音不纯净、不好听，因此研究和抑制扬声器振动中的非线性失真是中高档扬声器设计中的要点。
3.现有技术中，在确定非线性特性时，由于未考虑扬声器系统的结构属性参数(如：扬声器的串并联、蠕变效应参数、热效应参数、倒相管数量及无源辐射器数量)，使得非线性特性不够准确。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种扬声器系统的非线性特性的确定方法及装置，可以提高确定非线性特性的准确性。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种扬声器系统的非线性特性的确定方法，包括：
6.对初始信号在频域进行预处理，并将预处理后的多个频率信号分别加载于扬声器系统的输入端；
7.对于加载了各频率信号的扬声器系统，获取所述扬声器系统中的声学元件的结构属性参数；其中，所述结构属性参数包括如下至少一项：扬声器数量、扬声器的串并联属性、蠕变效应参数、热效应参数、倒相管数量及无源辐射器pr数量；
8.根据所述结构属性参数构建所述扬声器系统的综合等效电路模型；
9.基于所述等效电路模型确定所述扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值。
10.第二方面，本发明实施例还提供了一种扬声器系统的非线性特性的确定装置，包括：
11.信号预处理模块，用于对初始信号在频域进行预处理，并将预处理后的多个频率信号分别加载于扬声器系统的输入端；
12.结构属性参数获取模块，用于对于加载了各频率信号的扬声器系统，获取所述扬声器系统中的声学元件的结构属性参数；其中，所述结构属性参数包括如下至少一项：扬声器数量、扬声器的串并联属性、蠕变效应参数、热效应参数、倒相管数量及无源辐射器pr数量；
13.综合等效电路模型构建模块，用于根据所述结构属性参数构建所述扬声器系统的综合等效电路模型；
14.非线性特性值确定模块，用于基于所述等效电路模型确定所述扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值。
15.本发明实施例公开了一种扬声器系统的非线性特性的确定方法及装置。对初始信
号在频域进行预处理，并将预处理后的多个频率信号分别加载于扬声器系统的输入端；对于加载了各频率信号的扬声器系统，获取扬声器系统中的声学元件的结构属性参数；其中，结构属性参数包括如下至少一项：扬声器数量、扬声器的串并联属性、蠕变效应参数、热效应参数、倒相管数量及无源辐射器pr数量；根据结构属性参数构建扬声器系统的综合等效电路模型；基于等效电路模型确定扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值。本发明实施例公开的扬声器系统的非线性特性的确定方法，根据结构属性参数构建扬声器系统的综合等效电路模型，并基于等效电路模型确定扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值，可以提高确定非线性特性的准确性。
附图说明
16.图1是本发明实施例一中的一种扬声器系统的非线性特性的确定方法的流程图；
17.图2是本发明实施例一中的信号处理模块的结构示意图；
18.图3是本发明实施例一中的综合等效电路模型的结构示意图；
19.图4是本发明实施例二中的一种扬声器系统的非线性特性的确定装置的结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
21.实施例一
22.图1为本发明实施例一提供的一种扬声器系统的非线性特性的确定方法的流程图，本实施例可适用于确定扬声器系统的非线性特性的情况，该方法可以由扬声器系统的非线性特性的确定装置来执行，如图1所示，该方法具体包括如下步骤：
23.步骤110，对初始信号在频域进行预处理，并将预处理后的多个频率信号分别加载于扬声器系统的输入端。
24.其中，扬声器系统可以是音箱系统。初始信号在整个频段内为恒定幅值的电压信号，其中频段可以是20hz
‑
2whz。对初始信号在频域进行预处理可以理解为对初始信号在频域进行滤波和/或均衡处理。
25.本实施例中，可以采用信号处理模块对初始信号进行处理，图2为本实施例中的信号处理模块的结构示意图，如图2所示，该模块包括滤波器及均衡器等处理单元，在给定初始信号时，在频域中，将信号依次输入滤波器和均衡器(equalizer，eq)。具体的，对初始信号进行滤波、均衡及其他处理等一系列处理后，获得加载于扬声器系统输入的信号。每次抽取一个频率的信号加载于扬声器系统的输入端，从而获取扬声器系统各频率对应的非线性特性值。
26.步骤120，对于加载了各频率信号的扬声器系统，获取扬声器系统中的声学元件的结构属性参数。
27.其中，结构属性参数包括如下至少一项：扬声器数量、扬声器的串并联属性、蠕变效应参数、热效应参数、倒相管数量及无源辐射器(passive radiators，pr)数量。扬声器系
统可以包括扬声器单元、闭箱、导向箱及pr箱。本实施例中，需要获取扬声器单元、闭箱、导向箱及pr箱中的声学元件以及各声学元件的结构属性参数。
28.步骤130，根据结构属性参数构建扬声器系统的综合等效电路模型。
29.本实施例中，可以基于电学
‑
力学
‑
声学类比方法构建扬声器系统的综合等效电路模型。具体的，根据结构属性参数构建扬声器系统的综合等效电路模型的过程可以是：根据结构属性参数确定扬声器系统对应的等效电路元件以及各等效电路元件的连接关系；基于连接关系连接各等效电路元件，获得综合等效电路模型。
30.其中，综合等效电路模型包括：加载于扬声器系统的频率信号对应的输入电压u
e
、扬声器单元直阻r
e
、音圈电感l
e
(x)、力电耦合因子bl(x)、扬声器有效振动质量对应的电感m
ms
、扬声器悬置系统等效力阻对应的电阻r
ms
(v)、扬声器悬置系统等效劲度系数对应的电容k
ms
(x)、背腔等效力学劲度系数对应的电容k
box
、倒相管中空气力学等效质量对应的电感m
tube
、倒相管中空气等效力阻对应的电阻r
tube
、pr有效振动质量经过次级到初级的阻抗换算后对应的电感m
pr
、pr等效力阻经过次级到初级的阻抗换算后对应的电阻r
pr
及pr等效劲度系数经过次级到初级的阻抗换算后对应的电容k
pr
。
31.图3为本实施例中的综合等效电路模型的结构示意图，如图3所示，u
e
表示扬声器系统两端的输入电压(单位：v)信号，l
e
(x)为音圈电感(单位：h)，bl(x)为力电耦合因子(单位：t*m)；m
ms
为扬声器有效振动质量(单位：kg)；r
ms
(v)为扬声器悬置系统等效力阻(单位：kg/s)；k
ms
(x)为扬声器悬置系统等效劲度系数(单位：n/m)；k
box
为背腔等效力学劲度系数(单位：n/m)；m
tube
为倒相管中空气力学等效质量(单位：kg)；r
tube
为倒相管中空气等效力阻(单位：kg/s)；m
pr
为pr有效振动质量经过次级到初级的阻抗换算后的值(单位：kg)；r
pr
为pr等效力阻经过次级到初级的阻抗换算后的值(单位：kg/s)；k
pr
为pr等效劲度系数经过次级到初级的阻抗换算后的值(单位：n/m)。
32.步骤140，基于等效电路模型确定扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值。
33.本实施例中，基于等效电路模型确定扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值的过程可以是：基于等效电路模型构建与扬声器系统的工作变量相关的电学力学方程组；对电力学方程组进行求解，获得当前时刻的工作变量矩阵；获取工作变量矩阵的时间变化规律；基于时间变化规律和当前时刻的工作变量矩阵确定各时刻的工作变量矩阵；基于各时刻的工作变量矩阵确定扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值。
34.其中，工作变量包括音圈电流i、扬声器振动系位移x、扬声器振动系振动速度v、倒相管中空气柱位移经过次级到初级的阻抗换算后的值x1、倒相管中空气柱振动速度经过次级到初级的阻抗换算后的值v1、pr位移经过次级到初级的阻抗换算后的值x2、pr振动速度经过次级到初级的阻抗换算后的值v2。
35.具体的，基于等效电路模型构建与扬声器系统的工作变量相关的电力学方程组按照如下公式表示：
[0036][0037]
本实施例中，扬声器系统包括如下至少一个单元：扬声器单元、闭箱、倒相箱及pr箱。需要分别确定扬声器单元、闭箱、倒相箱及pr箱的非线性特性。
[0038]
若确定扬声器单元的声学非线性特性，则需要计算扬声器单元对应的工作变量矩阵，此时，在求解上述方程组时，令k
box
＝0，1/m
tube
＝0，r
tube
＝0，1/m
pr
＝0，r
pr
＝0，k
pr
＝0。
[0039]
若确定闭箱的声学非线性特性，则需要计算闭箱对应的工作变量矩阵，此时，在求解上述方程组时，令1/m
tube
＝0，r
tube
＝0，1/m
pr
＝0，r
pr
＝0，k
pr
＝0。
[0040]
若确定倒相箱的声学非线性特性，则需要计算倒相箱对应的工作变量矩阵，此时，在求解上述方程组时，令1/m
pr
＝0，r
pr
＝0，k
pr
＝0，且计算k
box
时的背腔体积包含倒相管内空气体积。
[0041]
若确定pr箱的声学非线性特性，则需要计算pr箱对应的工作变量矩阵，此时，在求解上述方程组时，令1/m
tube
＝0，r
tube
＝0。
[0042]
具体的，获取所述工作变量矩阵的时间变化规律按照如下公式表示：y
(n+1)
＝f*y
(n)
+g*u
e
，其中，f和g分别为系数矩阵；y(n+1)下一时刻的工作变量矩阵，y(n)为当前时刻的工作变量矩阵，矩阵y为1列7行的矩阵，且y＝[i x v x
1 v
1 x
2 v2]
′
，f和g表示如下：
[0043][0044]
其中，
[0045][0046][0047]
[0048][0049][0050][0051][0052][0053][0054]
ts为当前时刻与下一时刻的时间间隔。
[0055]
具体的，在获得给定频率信号下各时刻的工作变量矩阵后，截取各时刻的工作变量矩阵中处于中间稳态部分的数据，基于中间稳态部分的数据计算该给定频率信号下的声压级spl、阻抗imp、扬声器位移dis_drv、总谐波失真thd、二阶谐波失真2hd、3阶谐波失真3hd、无缘辐射器位移dis
pr
和倒相管中空气流速v_air。
[0056]
其中，基于中间稳态部分的数据按照如下公式计算所述扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值：
[0057]
其中，t为时域求解中的时长；r为声压级测试中麦克风到扬声器的垂直距离；n为求解的最大谐波失真阶数；p
nf
为基频为f时的第n阶谐波声压，由时域声压经过傅里叶变换之后得到，s
tube
为导向管横截面积，ρ为空气密度，s
d
为扬声器有效振动面积，s
p
为无缘辐射器(pr)的有效振动面积。
[0058][0059]
以频率为循环参数，对每一个频率进行上述计算之后，便能得到扬声器系统声压级、thd、位移、阻抗、pr位移、导向管中空气流速等声学参数随频率的变化规律，即得到扬声器系统的声学非线性特性。本技术中，同时输出的声学非线性特性包括了频响、阻抗、扬声器位移、pr位移、导向管中空气流速、失真等，输出声学非线性特性更加全面。
[0060]
本实施例的技术方案，对初始信号在频域进行预处理，并将预处理后的多个频率信号分别加载于扬声器系统的输入端；对于加载了各频率信号的扬声器系统，获取扬声器系统中的声学元件的结构属性参数；其中，结构属性参数包括如下至少一项：扬声器数量、扬声器的串并联属性、蠕变效应参数、热效应参数、倒相管数量及无源辐射器pr数量；根据结构属性参数构建扬声器系统的综合等效电路模型；基于等效电路模型确定扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值。本发明实施例公开的扬声器系统的非线性特性的确定方法，根据结构属性参数构建扬声器系统的综合等效电路模型，并基于等效电路模型确定扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值，可以提高确定非线性特性的准确性。
[0061]
实施例二
[0062]
图4是本发明实施例二提供的一种扬声器系统的非线性特性的确定装置的结构示意图。如图4所示，该装置包括：
[0063]
信号预处理模块210，用于对初始信号在频域进行预处理，并将预处理后的多个频率信号分别加载于扬声器系统的输入端；
[0064]
结构属性参数获取模块220，用于对于加载了各频率信号的扬声器系统，获取所述扬声器系统中的声学元件的结构属性参数；其中，所述结构属性参数包括如下至少一项：扬声器数量、扬声器的串并联属性、蠕变效应参数、热效应参数、倒相管数量及无源辐射器pr数量；
[0065]
综合等效电路模型构建模块230，用于根据所述结构属性参数构建所述扬声器系统的综合等效电路模型；
[0066]
非线性特性值确定模块240，用于基于所述等效电路模型确定所述扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值。
[0067]
可选的，信号预处理模块210，还用于：
[0068]
对所述初始信号在频域进行滤波和/或均衡处理。
[0069]
可选的，综合等效电路模型构建模块230，还用于：
[0070]
根据所述结构属性参数确定所述扬声器系统对应的等效电路元件以及各等效电路元件的连接关系；
[0071]
基于所述连接关系连接各所述等效电路元件，获得综合等效电路模型；
[0072]
其中，所述综合等效电路模型包括：加载于扬声器系统的频率信号对应的输入电压u
e
、扬声器单元直阻r
e
、音圈电感l
e
(x)、力电耦合因子bl(x)、扬声器有效振动质量对应的电感m
ms
、扬声器悬置系统等效力阻对应的电阻r
ms
(v)、扬声器悬置系统等效劲度系数对应的电容k
ms
(x)、背腔等效力学劲度系数对应的电容k
box
、倒相管中空气力学等效质量对应的电感m
tube
、倒相管中空气等效力阻对应的电阻r
tube
、pr有效振动质量经过次级到初级的阻抗换算后对应的电感m
pr
、pr等效力阻经过次级到初级的阻抗换算后对应的电阻r
pr
及pr等效劲度系数经过次级到初级的阻抗换算后对应的电容k
pr
。
[0073]
可选的，非线性特性值确定模块240，还用于：
[0074]
基于所述等效电路模型构建与所述扬声器系统的工作变量相关的电学力学方程组；
[0075]
对所述电力学方程组进行求解，获得当前时刻的工作变量矩阵；
[0076]
其中，所述工作变量包括音圈电流i、扬声器振动系位移x、扬声器振动系振动速度v、倒相管中空气柱位移经过次级到初级的阻抗换算后的值x1、倒相管中空气柱振动速度经过次级到初级的阻抗换算后的值v1、pr位移经过次级到初级的阻抗换算后的值x2、pr振动速度经过次级到初级的阻抗换算后的值v2；
[0077]
获取所述工作变量矩阵的时间变化规律；
[0078]
基于所述时间变化规律和当前时刻的工作变量矩阵确定各时刻的工作变量矩阵；
[0079]
基于各时刻的工作变量矩阵确定所述扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值。
[0080]
可选的，基于所述等效电路模型构建与所述扬声器系统的工作变量相关的电力学方程组按照如下公式表示：
[0081][0082]
可选的，所述扬声器系统包括如下至少一个单元：扬声器单元、闭箱、倒相箱及pr箱；非线性特性值确定模块240，还用于：
[0083]
当计算扬声器单元对应的工作变量矩阵时，令k
box
＝0，1/m
tube
＝0，r
tube
＝0，1/m
pr
＝0，r
pr
＝0，k
pr
＝0；
[0084]
当计算闭箱对应的工作变量矩阵时，令1/m
tube
＝0，r
tube
＝0，1/m
pr
＝0，r
pr
＝0，k
pr
＝0；
[0085]
当计算倒相箱对应的工作变量矩阵时，令1/m
pr
＝0，r
pr
＝0，k
pr
＝0，且计算k
box
时的背腔体积包含倒相管内空气体积；
[0086]
当计算pr箱对应的工作变量矩阵时，令1/m
tube
＝0，r
tube
＝0；
[0087]
相应的，基于各时刻的工作变量矩阵确定所述扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值，包括：
[0088]
基于各时刻的工作变量矩阵分别确定扬声器单元、闭箱、倒相箱及pr箱在各频率信号下的非线性特性值。
[0089]
可选的，获取所述工作变量矩阵的时间变化规律按照如下公式表示：y
(n+1)
＝f*y
(n)
+g*u
e
，其中，f和g分别为系数矩阵；y(n+1)下一时刻的工作变量矩阵，y(n)为当前时刻的工作变量矩阵，矩阵y为1列7行的矩阵，且y＝[i x v x1v
1 x
2 v2]
′
，f和g表示如下：
[0090][0091]
其中，
[0092]
[0093][0094][0095][0096][0097][0098][0099][0100][0101]
其中，ts为当前时刻与下一时刻的时间间隔。
[0102]
可选的，非线性特性包括：声压级spl、阻抗imp、扬声器位移dis_drv、总谐波失真thd、二阶谐波失真2hd、3阶谐波失真3hd、无缘辐射器位移dis
pr
和倒相管中空气流速v_air；非线性特性值确定模块240，还用于；
[0103]
截取各时刻的工作变量矩阵中处于中间稳态部分的数据；
[0104]
基于中间稳态部分的数据按照如下公式计算所述扬声器系统在各频率信号下的非线性特性值：
[0105][0106]
其中，t为时域求解中的时长；r为声压级测试中麦克风到扬声器的垂直距离；n为求解的最大谐波失真阶数；p
nf
为基频为f时的第n阶谐波声压，由时域声压经过傅里叶变换之后得到，s
tube
为导向管横截面积，s
d
为扬声器有效振动面积，s
p
为无缘辐射器(pr)的有效振动面积。
[0107]
上述装置可执行本发明前述所有实施例所提供的方法，具备执行上述方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明前述所有实施例所提供的方法。
[0108]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。