CN110113698A - 一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源 - Google Patents

一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源，包括耦合腔体、与耦合腔体同轴延伸的且部分穿设于耦合腔体一侧的扬声器、与耦合腔体同轴延伸的且部分穿设于耦合腔体另一侧的传声器、用于为扬声器提供模拟信号的信号源、用于根据传声器接收到的声信号对信号源的模拟信号进行修正的反馈控制系统，扬声器与传声器在耦合腔体中间隔分布，反馈控制系统用于使耦合腔体中的声场特征值与期望信号的声场特征值一致。本发明一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源，根据耦合腔体中的声场情况，使用一套反馈控制系统控制扬声器输出，可实现稳态标准声源输出；耦合腔体中的声场特性不受扬声器加工工艺和现场温湿度等干扰因素影响。

Description

一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源
技术领域
本发明涉及一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源。
背景技术
耦合腔是一种广泛应用于声传感器校准的标准声学元件，需满足GB/T 15173-1994、IEC60942:2003等标准的要求。耦合腔主要用于提供标准声源测试传声器的频率响应，其测试频带带宽、低失真度和声场稳定性是评价耦合腔性能的关键指标。
耦合腔在使用过程中，耦合腔内的声场来源于扬声器组件的辐射声波。扬声器组件使用活塞声源时，声波频率单一，无法实现宽频校准。扬声器组件采用电声器件时，受到加工工艺的限制，同一批次的电声器件也很难做到声波辐射特性完全一致，在某些频率范围甚至会出现声场不稳定的情况。同时电声器件的声辐射特性容易受到温度、湿度等影响，使得耦合腔内的声场产生变化，从而影响耦合腔的标准声源输出和传声器校准。
中国专利ZL201210044613.6公开了一种宽频带低失真等幅值等相位校准驻波管耦合腔。该耦合腔采用变截面的设计，在耦合腔内可起到稳定大振幅声波、降低波形失真度的效果；同时，该驻波管耦合腔可实现高动态范围、宽频率范围、低失真度的传声器灵敏度幅值和相位的校准，动态范围可达到94-160dB，失真度小于1％。但变截面耦合腔结构中小口径驻波管部分的尺寸较小，限制了被校准传声器的口径，仅能校准如1/4英寸直径的小型传声器。同时使用该耦合腔进行校正时，必须同时伴随使用高精度的母级传声器作为校准传声器与被校准传声器进行比对实现校准。高精度的母级传声器价格较高，一般用户难以承受，当被校准传声器较多时，需长期使用，不利于保持母级传声器精度，使用不便。
中国专利ZL201720227299.3公开了一种有源耦合腔结构，在藕合腔内的设置若干个动铁耳机，该耦合腔具有方便测量传声器频率响应，测试频率范围广的特点。但动铁耳机属于电声元器件，其性能容易受到加工工艺、测试现场温湿度变化等条件的影响，不利于实现对传声器的精确校准。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源，根据耦合腔体中的声场情况，使用一套反馈控制系统控制扬声器输出，可实现稳态标准声源输出；耦合腔体中的声场特性不受扬声器加工工艺和现场温湿度等干扰因素影响。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源，包括耦合腔体、与所述耦合腔体同轴延伸的且部分穿设于所述耦合腔体一侧的扬声器、与所述耦合腔体同轴延伸的且部分穿设于所述耦合腔体另一侧的传声器、用于为所述扬声器提供模拟信号的信号源、用于根据所述传声器接收到的声信号对所述信号源的模拟信号进行修正的反馈控制系统，所述扬声器与所述传声器在所述耦合腔体中间隔分布，所述反馈控制系统用于使所述耦合腔体中的声场特征值与期望信号的声场特征值一致。
优选地，在所述反馈控制系统中：定义误差信号e(n)为扬声器实际输出信号与期望信号的差值，定义参考信号x(n)为传声器接收到的扬声器实际输出信号，定义期望信号为期望得到的稳态声信号d(n)；定义系统目标函数为J(n)＝E[e2(n)]，E为声功率；
在所述反馈控制系统中增加一个抵消路径S(z)的估计函数则可以得到初级信号的估计值其中为的z反变换，*为卷积运算，y为所述反馈控制系统的输出信号；
精确估算抵消路径，可得此时
使用内模控制的所述反馈控制系统可以获得参考信号，将反馈控制结构转化为前馈控制结构；
采用FxLMS算法对所述反馈控制系统进行自适应调整，在所述反馈控制系统中，控制器系数的迭代算法为W为加权逆波器系数，μ为迭代波长；
将所述反馈控制系统的输出信号叠加至信号源输出的模拟信号中，对模拟信号进行修正，当所述反馈控制系统的目标函数取得最优值时，即E取得最小值时，所述耦合腔体中的声场特征值与期望信号的声场特征值一致。
优选地，所述稳态耦合腔声源还包括用于放大修正后的模拟信号的功率放大器。
优选地，所述稳态耦合腔声源还包括设于所述传声器与所述耦合腔体之间的密封环。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源，根据耦合腔体中的声场情况，使用一套反馈控制系统修正信号源的模拟信号，控制扬声器输出，可实现稳态标准声源输出；耦合腔体中的声场特性不受扬声器加工工艺和现场温湿度等干扰因素影响。可以实现宽频带范围的标准声源输出，可校准频率范围可达20-8000Hz。
附图说明
附图1为本发明装置的结构示意图；
附图2为反馈控制系统模型图。
其中：1、耦合腔体；2、扬声器；3、传声器；4、信号源；5、反馈控制系统；6、功率放大器；7、密封环；8、圆柱形内腔。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1-2所示，上述一种具有反馈控制系统5的稳态耦合腔声源，包括耦合腔体1、与耦合腔体1同轴延伸的且部分穿设于耦合腔体1右侧(参见图1所示，图1中的右即为这里的右)的扬声器2、与耦合腔体1同轴延伸的且部分穿设于耦合腔体1左侧的传声器3、用于为扬声器2提供模拟信号的信号源4、用于根据传声器3接收到的声信号对信号源4的模拟信号进行修正的反馈控制系统5。扬声器2与传声器3在耦合腔体1中间隔分布，反馈控制系统5用于使耦合腔体1中的声场特征值与期望信号的声场特征值一致。在本实施例中，稳态耦合腔声源还包括用于放大修正后的模拟信号的功率放大器6、设于传声器3与耦合腔体1之间的密封环7。
在本实例中，耦合腔体1具有圆柱形内腔8，圆柱形内腔8的内径为10-100mm，圆柱形内腔8的长度为10-200mm。传声器3、扬声器2分别安装在圆柱形内腔8的左右两侧，且三者同轴延伸。通过这个设置，可以使扬声器2的有效声面积集中在圆柱形内腔8的中心位置。
信号源4的模拟信号经过功率放大器6放大后输入至稳态耦合腔声源的扬声器2(当所需声功率不高时，可以不采用功率放大器6)，扬声器2辐射输出声信号。声信号在耦合腔体1的圆柱形内腔8中往复多次反射，形成稳定声场。每一个耦合腔均有标称的声场特征值，这些特征值包括声音的频率、幅值、谐波比等。这些特征值对应的声信号即为耦合腔的标准声信号，也是耦合腔工作时的期望声信号。当耦合腔长期工作时，电声元器件的性能会受到元器件加工工艺差异和器件老化等原因的影响，使得当信号源4的模拟信号不变时，耦合腔内的声场与期望信号也会存在一定的差异，如幅值变小、谐波比增大、谐波失真率增加等。此时就需要使用自适应反馈控制系统5对耦合腔体1进行控制。
稳态耦合腔声源采用自适应反馈控制系统5来控制耦合腔体1中的稳态声场，系统控制模型为内模控制的反馈控制模型，与传统的有源噪声反馈控制系统不同的是，在反馈控制系统5中：定义误差信号e(n)为扬声器2实际输出信号与期望信号的差值，定义参考信号x(n)为传声器3接收到的扬声器2实际输出信号，定义期望信号为期望得到的稳态声信号d(n)；反馈控制系统5的控制目标为误差信号的均方误差最小，定义系统目标函数为J(n)＝E[e2(n)]，E为声功率；
在反馈控制系统5中增加一个抵消路径S(z)的估计函数则可以得到初级信号的估计值其中为的z反变换，*为卷积运算，y为所述反馈控制系统5的输出信号；
精确估算抵消路径，可得此时
使用内模控制的反馈控制系统5可以获得参考信号，将反馈控制结构转化为前馈控制结构；
采用有源噪声控制算法中使用最为广泛的FxLMS算法对反馈控制系统5进行自适应调整，在反馈控制系统5中，控制器系数的迭代算法为W为加权逆波器系数，μ为迭代波长；
将自适应反馈控制系统5的输出信号叠加至信号源4输出的模拟信号中，对模拟信号进行修正，当反馈控制系统5的目标函数取得最优值时，即E取得最小值时，耦合腔体1中的声场特征值与期望信号的声场特征值一致，可用于标准声源输出和传声器3校准。
本发明一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源，根据耦合腔体中的声场情况，使用一套反馈控制系统修正信号源的模拟信号，控制扬声器输出，可实现稳态标准声源输出；耦合腔体中的声场特性不受扬声器加工工艺和现场温湿度等干扰因素影响。可以实现宽频带范围的标准声源输出，可校准频率范围可达20-8000Hz。使用不同的传声器转换接头，可以对不同口径的传声器进行校准，使用灵活方便。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源，其特征在于：包括耦合腔体、与所述耦合腔体同轴延伸的且部分穿设于所述耦合腔体一侧的扬声器、与所述耦合腔体同轴延伸的且部分穿设于所述耦合腔体另一侧的传声器、用于为所述扬声器提供模拟信号的信号源、用于根据所述传声器接收到的声信号对所述信号源的模拟信号进行修正的反馈控制系统，所述扬声器与所述传声器在所述耦合腔体中间隔分布，所述反馈控制系统用于使所述耦合腔体中的声场特征值与期望信号的声场特征值一致。
2.根据权利要求1所述的一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源，其特征在于：在所述反馈控制系统中：定义误差信号e(n)为扬声器实际输出信号与期望信号的差值，定义参考信号x(n)为传声器接收到的扬声器实际输出信号，定义期望信号为期望得到的稳态声信号d(n)；定义系统目标函数为J(n)＝E[e2(n)]，E为声功率；
在所述反馈控制系统中增加一个抵消路径S(z)的估计函数则可以得到初级信号的估计值其中为的z反变换，*为卷积运算，y为所述反馈控制系统的输出信号；
精确估算抵消路径，可得此时
使用内模控制的所述反馈控制系统可以获得参考信号，将反馈控制结构转化为前馈控制结构；
采用FxLMS算法对所述反馈控制系统进行自适应调整，在所述反馈控制系统中，控制器系数的迭代算法为W为加权逆波器系数，μ为迭代波长；
将所述反馈控制系统的输出信号叠加至信号源输出的模拟信号中，对模拟信号进行修正，当所述反馈控制系统的目标函数取得最优值时，即E取得最小值时，所述耦合腔体中的声场特征值与期望信号的声场特征值一致。
3.根据权利要求1所述的一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源，其特征在于：所述稳态耦合腔声源还包括用于放大修正后的模拟信号的功率放大器。
4.根据权利要求1所述的一种具有反馈控制系统的稳态耦合腔声源，其特征在于：所述稳态耦合腔声源还包括设于所述传声器与所述耦合腔体之间的密封环。
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