識別和補(bǔ)償機(jī)電換能器中的非線性振動的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體涉及通過使用機(jī)電換能器將輸入信號轉(zhuǎn)換為輸出信號并且減小所述 輸出信號中的非線性總失真的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明總體涉及識別非線性模型的參數(shù)的裝置和方法，所述非線性模型描述了例 如在機(jī)電換能器和電聲換能器中使用的機(jī)械結(jié)構(gòu)的非線性振動。這種信息是用于識別非線 性的結(jié)構(gòu)性原因、對那些換能器的傳遞行為進(jìn)行線性化并且對電學(xué)、機(jī)械或聲學(xué)輸出信號 的非線性信號失真進(jìn)行主動補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。
[0003] 揚(yáng)聲器和其他電聲換能器使用振動膜、面板、殼（shell)和其他機(jī)械結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生 振動和聲音。在低頻率下，因?yàn)槁曇糨椛浔砻娴闹饕糠肿鳛閯傮w而振動并且只有懸架 (例如，揚(yáng)聲器中支架和邊沿）變形，可以通過包括集總元件在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)對換能器進(jìn)行建 模。這種模型也可以考慮換能器的機(jī)械懸架和發(fā)動機(jī)固有的非線性，并且是如在Yeh，D.T.， Bank，B.Karjalainen，M. 2008年9月在Proceedingsof11thInt.ConferenceonDigital AudioEffects，pp.DAFxl-DAFx-8 的題為"NonlinearModelingofaGuitarLoudspeaker Cabinet"的出版物中和專利申請US2005/0031139所述的測量和控制應(yīng)用的基礎(chǔ)。專利申 請US2003/0142832使用非線性集總參數(shù)模型來研宄遞歸結(jié)構(gòu)。
[0004] 在高頻率下，機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高階振動模式，所述高階振動模式需要使用分布式參 數(shù)的更復(fù)雜建模。Yeh，D.T.的出版物和專利申請US2005/0175193使用線性系統(tǒng)（例如均 衡器）用于高階模式的仿真和揚(yáng)聲器在小幅度下的傳遞行為的主動校正。然而，力和位移 之間的關(guān)系在較大幅度下成為非線性的，并且產(chǎn)生了附加的譜分量（諧波和互調(diào)制失真）。 這些失真削弱了音頻設(shè)備再現(xiàn)的聲音質(zhì)量以及主動降噪和回聲抵消的性能。
[0005] 高階模式的非線性振動和聲音輻射可以通過解析模型或數(shù)值模型（BEM、FET)來 描述，其要求與機(jī)械部件中使用的幾何形狀和材料有關(guān)的詳細(xì)信息。
[0006] N.Queagebeur和A.Chaigne在出版物"MechanicalResonancesandGeometrical NonlinearitiesinEleetrodynamicLoudspeakers''，JournalofAudioEng.Soc., Vol.56，No. 6(2008)，462-471中提出了卡曼（Karman)模型，以描述與較高提取級別有關(guān)的 機(jī)械系統(tǒng)。這種模型要求高階模式的固有函數(shù)（振型）、固有頻率和模型損耗因子，可以通 過對機(jī)械結(jié)構(gòu)的表面移動進(jìn)行掃描來確定上述內(nèi)容。
[0007] 普通黑盒子模型已經(jīng)用于描述非線性傳遞函數(shù)，而無須考慮信號失真的物理原 因。例如，文獻(xiàn)US6687235使用Volterra膨脹用于回音補(bǔ)償。文獻(xiàn)US5148427、US8509125、 US2013/0216056、US6813311和US5329586代替地使用靜態(tài)非線性元件而不使用存儲器， 所述存儲器可以實(shí)現(xiàn)為表、冪級數(shù)或非線性硬件部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明公開了一種裝置和方法，通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者通過對輸入信號或輸出信 號的逆非線性處理來補(bǔ)償不期望的信號失真，來對機(jī)電換能器或電聲換能器的傳遞信號進(jìn) 行校正。本發(fā)明是基于使用分布參數(shù)的物理模型，所述分布參數(shù)考慮了高階模式的非線性 激勵、時變振型（timevariantmodeshape)對進(jìn)入周圍流體（例如空氣）中的聲音福射 的影響。
[0009] 本發(fā)明使用與主要非線性有關(guān)的物理信息來得出面向塊的波模型，所述面向塊的 博模型描述了非線性失真的產(chǎn)生以及向輸出信號的傳遞。
[0010] 面向塊的波模型在激活模式之間進(jìn)行區(qū)分，所述激活模式激活非線性行為并且影 響傳遞模式，所述傳遞模式將輸入信號U傳遞為輸出信號P。由于在振動膜上分布的移動 質(zhì)量的慣性，輸入信號u與每一個m階模式（0<m<M)之間的幅度響應(yīng)|Qm(f)|具有低 通特征，并且以固有頻率以上每倍頻程12dB的斜率下降。相較于第一m階模式而言固有頻 率更低（fk<fj的第二k階模式（m>k)通常產(chǎn)生更高的幅度|Qk(f) | >iQjf) |，并且 更大程度地激活固有非線性。為此原因，將對于位移有顯著貢獻(xiàn)的基模和其他低階模式（0 <m<MD)看作是激活模式。
[0011] 可以將振動膜上的所有模式（〇 <m<M)看作是傳遞模式。不能激活非線性元件 的具有較低位移的高階模式（m多MD)可以對于聲壓輸出p(ra)的產(chǎn)生有貢獻(xiàn)，因?yàn)槲灰频?二次導(dǎo)數(shù)（加速度）確定了聲學(xué)輻射。
[0012] 通過相對于表示傳遞模式的多模態(tài)信號wm,n對表示激活模式的模態(tài)激活信號qm進(jìn) 行非線性處理，對激活模式和傳遞模式之間的非線性相互作用進(jìn)行建模。
[0013] 通過對至少一種激活模式加以表示的線性激活濾波器He,m來產(chǎn)生模態(tài)激活信號 qm。線性激活濾波器11_包括具有低通特征的傳遞函數(shù)Qm(f)，其中在兩個極點(diǎn)產(chǎn)生無限脈 沖響應(yīng)。
[0014] 可以通過使用網(wǎng)絡(luò)模型隊(duì)的集總參數(shù)P1來產(chǎn)生對具有最低固有頻率的m= 0階 的基模加以表示的模態(tài)激活信號q〇。網(wǎng)絡(luò)模型隊(duì)后面跟著面向塊的波模型Nd的串聯(lián)連接 是本發(fā)明的重要特征。
[0015] 通過使用線性多模態(tài)濾波器來產(chǎn)生多模態(tài)信號wm,n，所述線性多模態(tài)濾波器具有 對傳遞行為的非線性變化加以表示的傳遞函數(shù)Hs,m,n(s)。所述多模態(tài)濾波器具有寬帶傳遞 特性，并且考慮了激勵的時間變化、固有頻率和m階傳遞模式的振型（0<m<M)以及它們 對聲音福射的影響。
[0016] 可以通過使用包括二次、三次和高階子系統(tǒng)在內(nèi)的多項(xiàng)式濾波器來實(shí)現(xiàn)多模態(tài)信 號《_和模態(tài)激活信號qm的非線性處理。每一個n次冪系統(tǒng)包含產(chǎn)生信號Bm,n=qm(Iri)的 靜態(tài)非線性子系統(tǒng)，所述信號Bm,n=qm(Iri)是模態(tài)激活信號qm的（n_l)次冪。通過將信號 Bm,n= 與多模態(tài)信號相乘來產(chǎn)生源信號zm,n。源信號zm,n描述了在位置（例如周 圍）以及在產(chǎn)生源信號的狀態(tài)變量（例如機(jī)械張力）中的失真信號。
[0017] 經(jīng)由后面的具有傳遞函數(shù)Hp,m,n(s)的后處理濾波器將源信號2_傳遞為虛失真貢 獻(xiàn)Um,n，所述虛失真貢獻(xiàn)um, n在換能器的輸入處被添加至激勵信號并且經(jīng)由具有傳遞函數(shù)Htot(s)的附加線性濾波器被傳遞為輸出信號p(ra) 〇
[0018] 激活濾波器、多模態(tài)傳遞濾波器和后處理器濾波器的自由參數(shù)賦予面向系統(tǒng)的波 模型Nd建模能力，以描述振動膜幾何形狀和材料性質(zhì)、輻射條件、聲學(xué)環(huán)境和其他未知過程 的影響。因此，可以將面向系統(tǒng)的波模型看作是灰度模型（greymodel)，所述灰度模型提供 足夠的自由度來作為其他簡要通用的方法（例如，volterra-系統(tǒng)），同時使用來自物理建 模的結(jié)構(gòu)信息（例如，F(xiàn)EM，BEM)。本發(fā)明的特征在于面向系統(tǒng)的波模型Nd包括最小個數(shù)的 自由參數(shù)Pd，所述自由參數(shù)Pd可用于在機(jī)械和聲學(xué)場景中進(jìn)行解釋，并且具有用于換能器 的研發(fā)、優(yōu)化和質(zhì)量控制的較高診斷值。
[0019] 可以在普通音頻信號（例如，音樂）激勵的同時通過自適應(yīng)系統(tǒng)識別來確定波模 型Nd的所有自由參數(shù)Pd。在換能器端子處測量的電信號可以用于基于具有集總參數(shù)&的 網(wǎng)絡(luò)模型隊(duì)來識別最低階m= 0的模態(tài)激活濾波器Hm> 0的高階模態(tài)激活濾波器扎， m和所有多模態(tài)傳遞濾波器Hs,m,n以及后處理濾波器Hp,m,n的參數(shù)識別需要機(jī)械傳感器或聲 學(xué)傳感器。
[0020] 波模型Nd可以用于在換能器輸入信號中合成信號失真并且將全部傳遞行為線性 化，其中所述波模型主動地補(bǔ)償由換能器產(chǎn)生的非線性失真。主動失真的減小可以改善在 使用麥克風(fēng)信號P(rs)來識別非線性參數(shù)的遠(yuǎn)程通信應(yīng)用中的回聲抵消性能。
[0021] 換能器的聲學(xué)輸出的線性化需要在控制系統(tǒng)中對輸入信號v進(jìn)行非線性預(yù)處理 以及產(chǎn)生用于激勵換能器的控制輸出信號u。本發(fā)明提出的控制系統(tǒng)包括使用由物理建模 提供的先驗(yàn)信息而串聯(lián)連接的兩個子系統(tǒng)。第一子系統(tǒng)通過使用波模型Nd的結(jié)構(gòu)和參數(shù) 來產(chǎn)生補(bǔ)償失真vd，并且從輸入信號v減去所述失真vd。將差信號v-vd提供給第二子系統(tǒng) 的輸入，所述第二子系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)模型隊(duì)的信息產(chǎn)生失真vi，并且通過從第一子系統(tǒng)的輸 出減去失真Vi產(chǎn)生控制輸出信號U=V d-Vp
[0022] 本發(fā)明的這些和其他特征、益處和技術(shù)可行性的特征在于以下說明、詳細(xì)描述和 權(quán)利要求。
【附圖說明】
[0023]圖1示出了基于恒定振型I的換能器的模態(tài)振動和聲音輻射的非線性模型。
[0024] 圖2示出了振動膜在平衡位置的幾何形狀（虛線）和針對10kHz下正弦激勵的振 動膜最大正負(fù)位移（實(shí)線）。
[0025] 圖3示出了通過產(chǎn)生音圈的-0.3mm負(fù)DC位移得到的振動膜幾何形狀（虛線）和 針對10kHz下正弦激勵的振動膜最大正負(fù)位移（實(shí)線）。
[0026] 圖4示出了通過產(chǎn)生音圈的0.3mm正DC位移得到的振動膜幾何形狀（虛線）和 針對10kHz下正弦激勵的振動膜最大正負(fù)位移（實(shí)線）。
[0027] 圖5示出了有效輻射面積Sd(xd。）根據(jù)音圈靜態(tài)位移xd。的變化。
[0028] 圖6示出了考慮振型變化的情況下的換能器的模態(tài)振動和聲音輻射的非線 性模型。
[0029] 圖7示出了模態(tài)位移相對于頻率的幅度響應(yīng)。
[0030] 圖8示出了通過使用等價(jià)輸入失真％和ud對換能器的模態(tài)振動和聲音輻射進(jìn)行 建模的非線性系統(tǒng)。
[0031] 圖9示出了通過使用等價(jià)輸入失真％和ud對換能器的模態(tài)振動和聲音輻射進(jìn)行 建模的修改后非線性模型系統(tǒng)。
[0032]圖10示出了產(chǎn)生非線性等價(jià)輸入失真ud的非線性系統(tǒng)Nd的實(shí)施例。