CN102938869B - 利用前谐振腔实现小后腔微型扬声器系统低频响应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用前谐振腔实现小后腔微型扬声器系统低频响应的方法，包括：输入微型扬声器系统的参数，所述参数包括谐振频率<i>f_s</i>、等效容积<i>V_as</i>、品质因子<i>Q_t</i>、设定后腔容积<i>V_b</i>、前腔容积<i>V_f</i>以及出声孔的尺寸范围，同时设定要得到的频响范围；利用优化算法计算并得到所述微型扬声器系统的尺寸参数。利用本发明技术方案，能够简化微型扬声器系统的设计，并减小微型扬声器系统的体积。

Description

利用前谐振腔实现小后腔微型扬声器系统低频响应的方法

技术领域

本发明涉及一种微型扬声器腔体系统的设计，尤其涉及一种利用前谐振腔实现小后腔微型扬声器系统低频响应的方法。

背景技术

微型扬声器在电子产品如移动电话、平板电脑上应用广泛。微型扬声器系统一般由后腔、前腔和出声孔组成，其结构与传统扬声器中的四阶带通箱系统非常相似，在低频区域原理相同。只是微型扬声器的谐振频率较高，比如一只11*15mm的矩形扬声器在1cc后腔时谐振频率在850Hz左右，这在微型扬声器系统中算是比较低的频率。在微型扬声器系统的设计中，后腔主要影响低频高通截止频率，前腔和出声孔相配合形成一个赫姆霍兹共鸣器，产生高频低通截止频率。低频和高频截止频率共同决定了微型扬声器系统的频响。

在微型扬声器系统设计中，一般的后腔要求都在1cc左右，这样对于等效容积在2cc左右的扬声器单元来说，会产生低于1000Hz的截止频率，这是一般的设计可以接受的。而前腔的谐振取决于前腔大小和出声孔的设计。为了产生高频平坦的声音，那么出声孔要尽量的大，为了产生比较响的声音，通常会在4kHz附近产生一个谐振。前腔通常都不会很大。而随着移动电话功能越来越多，设计也越来越薄，留给扬声器的后腔也越来越小，而且规则空间几乎不存在。要实现低频重现，对于不规则空间可以用单独做扬声器系统模组的方法实现，对于后腔很小的情况，就不太容易实现了。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用前谐振腔实现小后腔微型扬声器系统低频响应的方法，能够简化微型扬声器系统的设计，并减小微型扬声器系统的体积。

技术方案如下：

一种利用前谐振腔实现小后腔微型扬声器系统低频响应的方法，包括：

输入微型扬声器系统的参数，所述参数包括谐振频率f_s、等效容积V_as、品质因子Q_t、设定后腔容积V_b、前腔容积V_f以及出声孔的尺寸范围，同时设定要得到的频响范围；在得到所述参数的尺寸范围过程中，采用归一化的声压响应函数，输入所述微型扬声器的参数谐振频率f_s、等效容积V_as、品质因子Q_t、后腔容积V_b、前腔容积V_f以及出声孔的尺寸截面积半径a和厚度l₀，得到归一化的频率响应G(s)；利用遗传算法在适应度函数选择上，采用了归一化的随进化代数变化的策略，经过优化，选出适应度大的个体并得到所述微型扬声器的后腔、前腔和出声孔的尺寸参数；利用优化算法计算并得到所述微型扬声器系统的尺寸参数。

进一步，得到归一化的频率响应G(s)的具体步骤包括：

设定分别为扬声器振动系统的等效声阻R_A、声顺C_AS和声质量M_A；所述M_AT为修正的声导管的声质量，C_AB1为封闭后腔的声顺，C_AB2为开口前腔的声顺，R_AL为声导管泄漏声阻；设f_S为扬声器单元的谐振频率，Q_T为扬声器单元的总品质因数；则声质量和声容与物理尺寸的关系如下：

其中，ρ₀为空气密度，a为出声孔半径；l＝l₀+Δl＝l₀+1.7α，l为出声孔的等效长度，l₀为出声孔厚度；C_A＝V/(ρ₀·c₀ ²)，C_A为空腔的声顺或扬声器单体声顺，V为空腔的容积或扬声器单体等效容积；

设定如下参数：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}=C_A/C_{\mathrm{AB}2}\\ \mathrm{\&beta;}=C_{\mathrm{AS}}/C_{\mathrm{AB}1}\\ C_A=C_{\mathrm{AS}}/(1+\mathrm{\&beta;})\\ {T_B}^2=1/{{\mathrm{\&omega;}}_B}^2=C_{\mathrm{AB}2}{M}_{\mathrm{AT}}\\ {T_S}^2=1/{{\mathrm{\&omega;}}_S}^2=C_{\mathrm{AS}}{M}_A\\ {T_{\mathrm{NS}}}^2=1/{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{NS}}}^2=C_A{M}_A={T_S}^2/(1+\mathrm{\&beta;})\\ Q_L={\mathrm{\&omega;}}_B{C}_{\mathrm{AB}2}{Q}_{\mathrm{AL}}\\ Q_{\mathrm{NT}}=1/\left({\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{NS}}{C}_A{R}_A\right)=Q_T{(1+\mathrm{\&beta;})}^{1/2}\end{array}\right.$

β为扬声器单体等效声顺与后腔声顺的比值，C_A为扬声器单元加入后腔后的等效声顺，α为扬声器单体加入后腔后的等效声顺与前腔声顺的比值，ω_B为前腔和出声孔谐振角频率，T_B为ω_B的倒数，ω_S为扬声器单体的谐振角频率，T_S为ω_S的倒数，ω_NS为扬声器单体扬声器加入后腔后的谐振角频率，T_NS为ω_NS的倒数，Q_L为泄露损耗，Q_NT扬声器单体加入后腔后的总品质因数；

ω＝2πf，ω为角频率，f为频率；

得到归一化声压响应函数：其中，

D(s)＝s⁴T_B ²T_NS ²+s³(T_B ²T_NS/Q_NT+T_BT_NS ²/Q_L)+s²[(α+1)T_B ²+T_BT_NS/Q_LQ_NT+T_NS ²]

+s(T_B/Q_L+T_NS/Q_NT)+1，

S＝σ+jω，σ为实数，j为虚数，ω为角频率。

进一步，采用了遗传算法归一化的随进化代数变化的策略，优化过程包括：

定义误差函数为方差： $e\left(\stackrel{\&OverBar;}{x}\right)=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{|201g\left(G(j2\mathrm{\&pi;}{f}_i,\stackrel{\&OverBar;}{x})\right)-F\left(j2\mathrm{\&pi;}{f}_i\right)|}^2;$ 其中i是离散点，F(s)为目标响应，为给定的一组参数值；

在适应度函数选择上，采用了归一化的随进化代数变化的策略，即f(x)为适应度函数，k为参数，k随着进化代数的增大而增大；选择出适应度大的个体。

进一步，优化算法可以采用遗传算法，步骤包括：

步骤1：控制参数初始化，设置群体规模N，交叉概率P_C，变异概率P_M；

步骤2：在变量设定范围内随机产生初始种群；

步骤3：对所述初始种群进行如下操作：

(1)计算群体中每个个体的适应度f(x_i)，i＝1，2，…，N；

(2)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PC进行交叉操作，产生两个新的个体x_i’和x_j’，计算其适应度f(x_i’)和f(x_j’)，若f(x_i’)>max{f(x_i)，f(x_j)}，则接收新解，对x_j’进行同样操作；

(4)对交叉后的个体按概率P_M进行变异操作，按(3)的方法接收变异后的新解；

步骤4：如果满足收敛条件，则退出进化过程；否则继续至步骤3。

进一步：还包括附加一个高音单元的步骤，用于产生平坦的高音响应。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明能够简化微型扬声器系统的设计，并能够减小微型扬声器系统的体积。

本发明整体所需的结构设计的难度和体积大小比传统方法小很多。这是一种基于很小后腔的微型扬声器系统配合前腔谐振实现低频响应的方法，该方法只需要很小的后腔，利用前腔参数和后腔的共同谐振实现低频下潜。

2、本发明中，在高频截止频率较低的情况下，可以附加一个高音单元，实现高频频响。

附图说明

图1是本发明中微型扬声器系统的结构示意图；

图2是本发明中微型扬声器系统的电力声集中类比参数图；

图3是本发明中一般设计方法和本发明的结果对比图；

图4是本发明中优化算法以一般设计方法为目标的得到的频响示意图；

图5是本发明中低频设计加上高音单元之后的频响结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一、输入微型扬声器单元的参数，得出参数的尺寸范围。

首先输入微型扬声器系统的参数：谐振频率f_s、等效容积V_as、品质因子Q_t，设定后腔容积V_b、前腔容积V_f以及出声孔的尺寸范围，同时设定要得到的频响范围，结合四阶带通箱的计算公式，利用优化算法计算并得到微型扬声器各参数的尺寸范围。

如图1和2所示，其中R_A、C_AS、M_A分别为扬声器振动系统的等效声阻、声顺和声质量；M_AT为修正的声导管的声质量，C_AB1为封闭后腔的声顺，C_AB2为开口前腔的声顺；R_AL为声导管泄漏声阻。设f_S为扬声器单元的谐振频率，Q_T为扬声器单元的总品质因数。

可以得到如公式(1)-(3)所示的声质量和声容与物理尺寸的关系。

其中，M_AT为修正的声导管的声质量(Kg/m⁴)，ρ₀为空气密度(Kg/m³)，l为出声孔的等效长度(m)，a为出声孔半径；

l＝l₀+Δl＝l₀+1.7α(2)其中，l为出声孔的等效长度(m)，l₀为出声孔厚度，a为出声孔半径；

C_A＝V/ρ₀·c₀ ²(3)其中，C_A空腔的声顺(m₅/N)；V为空腔的容积(m³)，ρ₀为空气密度(Kg/m³)，c₀为声音在空气中的传播速度(m/s)；

设定如下参数：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}=C_A/C_{\mathrm{AB}2}\\ \mathrm{\&beta;}=C_{\mathrm{AS}}/C_{\mathrm{AB}1}\\ C_A=C_{\mathrm{AS}}/(1+\mathrm{\&beta;})\\ {T_B}^2=1/{{\mathrm{\&omega;}}_B}^2=C_{\mathrm{AB}2}{M}_{\mathrm{AT}}\\ {T_S}^2=1/{{\mathrm{\&omega;}}_S}^2=C_{\mathrm{AS}}{M}_A\\ {T_{\mathrm{NS}}}^2=1/{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{NS}}}^2=C_A{M}_A={T_S}^2/(1+\mathrm{\&beta;})\\ Q_L={\mathrm{\&omega;}}_B{C}_{\mathrm{AB}2}{Q}_{\mathrm{AL}}\\ Q_{\mathrm{NT}}=1/\left({\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{NS}}{C}_A{R}_A\right)=Q_T{(1+\mathrm{\&beta;})}^{1/2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

β为扬声器单体等效声顺与后腔声顺的比值，C_A为扬声器单元加入后腔后的等效声顺，α为扬声器单体加入后腔后的等效声顺与前腔声顺的比值，ω_B为前腔和出声孔谐振角频率，T_B为ω_B的倒数，ω_S为扬声器单体的谐振角频率，T_S为ω_S的倒数，ω_NS为扬声器单体扬声器加入后腔后的谐振角频率，T_NS为ω_NS的倒数，Q_L为泄露损耗，Q_NT扬声器单体加入后腔后的总品质因数；ω＝2πf，ω为角频率，f为频率。

我们就可以得到归一化声压响应函数：

S＝σ+jω，σ为实数，j为虚数，ω为角频率。这是典型的信号与系统的频域分析。

其中

D(s)＝s⁴T_B ²T_NS ²+s³(T_B ²T_NS/Q_NT+T_BT_NS ²/Q_L)+s²[(α+1)T_B ²+T_BT_NS/Q_LQ_NT+T_NS ²]

+s(T_B/Q_L+T_NS/Q_NT)+1

对于归一化的声压响应函数，根据公式(1)到(5)，我们只需要输入扬声器单体的参数谐振频率f_s、等效容积V_as、品质因子Q_t、后腔容积V_b、前腔容积V_f以及出声孔的尺寸截面积半径a和厚度l₀，假定泄露损耗Q_L＝7，就能得到归一化的频率响应G(s)。

对于某11mm*15mm*3.5mm的微型扬声器单体，其f_s＝460Hz，V_as＝2.2cc，Q_t＝1.45，后腔0.2cc配合前腔0.1cc，出声孔截面积4mm²，厚度15mm的频率响应曲线(如图3中粗线条所示)；细线条曲线是后腔0.8cc配合前腔0.14cc，出声孔截面积4mm²厚度1mm的频率响应曲线。两种设计的腔体差了0.6cc。而低频响应后腔小的反而好一些。由于没有经过优化算法优化参数，两者之间的差异比较大，只作为对比说明两种初始设计。

二、逼近要得到的频响范围，可以采用优化算法得到更逼近目标结果的微型扬声器系统的尺寸参数。

优化算法可以采用遗传算法。遗传算法是演化计算的一个分支，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。遗传算法的两大主要特点是群体搜索策略和群体中个体之间的信息相互交换，它实际上是模拟由个体组成的群体的整体学习过程，其中每个个体表示给定问题搜索空间中的一个解点。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(也称“染色体”)，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：

$e\left(\stackrel{\&OverBar;}{x}\right)=\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{|201g\left(G(j2\mathrm{\&pi;}{f}_i,\stackrel{\&OverBar;}{x})\right)-F\left(j2\mathrm{\&pi;}{f}_i\right)|}^2---\left(6\right)$

其中i是离散点，F(s)为目标响应，取一般设计的低频段的频率响应。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随进化代数变化的策略，即f(x)为适应度函数，k为参数，随着进化代数的增大而增大，可以取进化代数的1/10到1/2。这样k的增大扩大了进化后期各个体之间的适应度的相对差值，有利于选择适应度大的个体。

整个遗传算法过程如下：

step1：控制参数初始化；

设置群体规模N，交叉概率P_C，变异概率P_M。

step2：在变量设定范围内随机产生初始种群；

step3：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’，计算其适应度f(x_i’)和f(x_j’)，若f(x_i’)>max{f(x_i)，f(x_j)}，则接收新解。对x_j’进行同样操作；

④对交叉后的个体按概率P_M进行变异操作，按③中的方法接收变异后的新解。

step4：如果满足收敛条件，则退出进化过程；否则继续至step3。

对于某11mm*15mm*3.5mm的微型扬声器单体，其f_s＝460Hz，V_as＝2.2cc，Q_t＝1.45。

如图4所示，细线条曲线是后腔0.8cc配合前腔0.14cc，出声孔截面积4mm²厚度1mm的频率响应曲线，其小于6kHz的低频响应作为优化目标。

经过优化，得到微型扬声器的参数为：后腔0.17cc配合前腔0.1cc，出声孔截面积5mm²，厚度8mm，粗线条曲线是其频率响应曲线。与优化之前相比，低频3kHz以下符合度变高，高频截止频率也变高。

三、附加一个高音单元，可以产生平坦的高音响应，这样就能够达到后腔很大的系统的同样的频响。

为了改善此种设计方法造成的高频响应不足的情况，可以再附加一个的高音单元，如10mm的小高音扬声器。

如图5所示，上部的曲线表示加入高音单元之后总的频响曲线。这样带宽实现拓展，同时总的系统所需的腔体还是会小，而且高音单元的位置可以自由摆放。

Claims (4)

1.一种利用前谐振腔实现小后腔微型扬声器系统低频响应的方法，包括：

输入微型扬声器系统的参数，所述参数包括谐振频率f_s、等效容积V_as、品质因子Q_t、设定后腔容积V_b、前腔容积V_f以及出声孔的尺寸范围，同时设定要得到的频响范围；

利用优化算法计算并得到所述微型扬声器系统的尺寸参数范围，在得到所述参数的尺寸范围过程中，采用归一化的声压响应函数输入所述微型扬声器的参数谐振频率f_s、等效容积V_as、品质因子Q_t、后腔容积V_b、前腔容积V_f以及出声孔的尺寸截面积半径a和厚度l₀，得到归一化的频率响应G(s)；

利用遗传算法在适应度函数选择上，采用了归一化的随进化代数变化的策略，经过优化，选出适应度大的个体并得到所述微型扬声器的后腔、前腔和出声孔的尺寸参数；

得到归一化的频率响应G(s)的具体步骤包括：

设定分别为扬声器振动系统的等效声阻R_A、声顺C_AS和声质量M_A；M_AT为修正的声导管的声质量，C_AB1为封闭后腔的声顺，C_AB2为开口前腔的声顺，R_AL为声导管泄漏声阻；设f_S为扬声器单元的谐振频率，Q_T为扬声器单元的总品质因数；则声质量和声容与物理尺寸的关系如下：

其中，ρ₀为空气密度，a为出声孔半径；l＝l₀+Δl＝l₀+1.7α，l为出声孔的等效长度，l₀为出声孔厚度；

设定如下参数：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&alpha;}=C_A/C_{AB2}\\ \mathrm{\&beta;}=C_{AS}/C_{AB1}\\ C_A=C_{AS}/\left(1+\mathrm{\&beta;}\right)\\ {T_B}^2=1/{{\mathrm{\&omega;}}_B}^2=C_{AB2}{M}_{AT}\\ {T_S}^2=1/{{\mathrm{\&omega;}}_S}^2=C_{AS}{M}_A\\ {T_{NS}}^2=1/{{\mathrm{\&omega;}}_{NS}}^2=C_A{M}_A={T_S}^2/\left(1+\mathrm{\&beta;}\right)\\ Q_L={\mathrm{\&omega;}}_B{C}_{AB2}{R}_{AL}\\ Q_{NT}=1/\left({\mathrm{\&omega;}}_{NS}{C}_A{R}_A\right)=Q_T{\left(1+\mathrm{\&beta;}\right)}^{1/2}\end{array}\right.$

β为扬声器单体等效声顺与后腔声顺的比值，C_A为扬声器单元加入后腔后的等效声顺，α为扬声器单体加入后腔后的等效声顺与前腔声顺的比值，ω_B为前腔和出声孔谐振角频率，T_B为ω_B的倒数，ω_S为扬声器单体的谐振角频率，T_S为ω_S的倒数，ω_NS为扬声器单体扬声器加入后腔后的谐振角频率，T_NS为ω_NS的倒数，Q_L为泄露损耗，Q_NT扬声器单体加入后腔后的总品质因数；

ω＝2πf，ω为角频率，f为频率；

得到归一化声压响应函数：其中，

D(s)＝s⁴T_B ²T_NS ²+s³(T_B ²T_NS/Q_NT+T_BT_NS ²/Q_L)+s²[(α+1)T_B ²+T_BT_NS/Q_LQ_NT+T_NS ²]

+s(T_B/Q_L+T_NS/Q_NT)+1，

S＝σ+jω，σ为实数，j为虚数，ω为角频率。

2.如权利要求1所述的利用前谐振腔实现小后腔微型扬声器系统低频响应的方法，其特征在于：还包括附加一个高音单元的步骤，用于产生平坦的高音响应。

3.如权利要求1所述的利用前谐振腔实现小后腔微型扬声器系统低频响应的方法，其特征在于，采用了遗传算法归一化的随进化代数变化的策略，优化过程包括：

定义误差函数为方差： $e\left(\stackrel{\&OverBar;}{x}\right)=\underset{i}{\&Sigma;}|20\lg \left(G\right(j2{\mathrm{\&pi;f}}_i,\stackrel{\&OverBar;}{x}\left)\right)-F\left(j2{\mathrm{\&pi;f}}_i\right){|}^2;$ 其中i是离散点，F(s)为目标响应，为给定的一组参数值；

在适应度函数选择上，采用了归一化的随进化代数变化的策略，即f(x)为适应度函数，k为参数，k随着进化代数的增大而增大；选择出适应度大的个体。

4.如权利要求3所述的利用前谐振腔实现小后腔微型扬声器系统低频响应的方法，其特征在于，优化算法可以采用遗传算法，步骤包括：

步骤1：控制参数初始化，设置群体规模N，交叉概率P_C，变异概率P_M；

步骤2：在变量设定范围内随机产生初始种群；

步骤3：对所述初始种群进行如下操作：

(1)计算群体中每个个体的适应度f(x_i),i＝1，2，…，N；

(2)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’，计算其适应度f(x_i’)和f(x_j’)，若f(x_i’)>max{f(x_i)，f(x_j)}，则接收新解，对x_j’进行同样操作；

(4)对交叉后的个体按概率P_M进行变异操作，按(3)的方法接收变异后的新解；

步骤4：如果满足收敛条件，则退出进化过程；否则继续至步骤3。