CN112637752A - 扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法及系统，所述扬声器的背腔带泄露孔，预先建立气压与扬声器共振频率的关系式，包括在环境气压范围内设置若干测试气压，测试并记录各测试气压下扬声器的共振频率，基于测试结果建立共振频率fs和环境气压P之间的关系式；在通过共振频率fs监测环境气压P的场景下，基于采集扬声器音圈两端电压电流，提取相应共振频率fs，得到相应环境气压P数据；在通过环境气压P监测共振频率fs的场景下，采集或输入环境气压P数据，得到相应共振频率fs。支持不需要专门配备压敏传感器也能准确监测环境气压，降低硬件成本；或者在没有配置iv sensor的终端设备上，利用气压可有效校准扬声器共振频率。

Description

扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法及系统

技术领域

本发明涉及扬声器技术领域，具体涉及一种基于扬声器共振频率与环境气压相互关系的简易监测方法及系统。

背景技术

现有的(手机，平板)终端设备获取环境气压的方式通常由以下两种：额外配置压敏传感器监测；监测网络数据。额外配置压敏传感器势必会提高终端设备的制造成本，提高额外计算量，占用内部空间，挤压其余配置的空间。而监测网络数据并不足够准确表明用户当前环境下的气压，缺乏实时性和准确性。

现有终端设备获取扬声器共振频率的方法有：通过电压电流采集器iv sensor监测扬声器两端电压电流，通过阻抗跟踪的方法监测共振频率fs，但如果没有iv sensor就没有办法监测共振频率的变化。

微型扬声器处于不同气压环境下，带泄露孔的腔体的等效力顺发生变化，其共振频率会发生变化。扬声器等效力顺与低频振幅成正比，因而，监测扬声器共振频率也是一种监测扬声器低频振幅的重要手段。但是，其实现需要依赖电压电流采集器iv sensor。在硬件条件和成本上存在应用限制。

发明内容

本发明的目的是构建扬声器共振频率fs与当前环境气压P的关系，通过检测扬声器共振频率的方法间接监测当前环境气压，或者通过当前环境气压校准扬声器共振频率fs参数。选择以上任一功能实现均可节省硬件配置，降低成本，提高设备的振幅保护的准确性。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法，所述扬声器的背腔带泄露孔，预先建立气压与扬声器共振频率的关系式，包括在环境气压范围内设置若干测试气压，测试并记录各测试气压下扬声器的共振频率，基于测试结果建立共振频率fs和环境气压P之间的关系式，由fs到P的关系式记为fs-P，由P到fs的关系式记为P-fs；

在通过共振频率fs监测环境气压P的场景下，基于采集扬声器音圈两端电压电流，提取相应共振频率fs，根据关系式fs-P，得到相应环境气压P数据；

在通过环境气压P监测共振频率fs的场景下，采集或输入环境气压P数据，根据关系式P-fs，得到相应共振频率fs。

而且，在通过共振频率fs监测环境气压P的场景下，基于iv sensor采集扬声器音圈两端电压电流。

而且，在通过环境气压P监测共振频率fs的场景下，利用压敏传感器或者网络气象数据获知气压P。

而且，所述建立气压与扬声器共振频率的关系式，具体实现如下，

设定测试点数量n，设定环境气压范围P(1)～P(n)，其中P(1)为最小气压，P(n)为最大气压；

基于环境气压范围设置n个测试气压；

从k＝1开始，设置扬声器环境气压为测试气压P(k)，测试并记录当前气压下扬声器的共振频率fs(k)，直到k＝n，得到n组fs和P的数据；

利用所得n组fs和P的数据，建立fs和P的关系式，

关系式fs-P记为P＝F(fs)，关系式P-fs记为fs＝F^-1(P)，其中F()和F^-1()表示相应函数关系。

而且，关系式相应曲线在测试气压范围内与所有测试点近似重合，要求如下，

在二维坐标系中，以P为横坐标，以fs为纵坐标，关系式相应曲线与测试点(P,fs)代表的离散点接近重合；所述接近重合是指，满足在[30 110]kPa区间，通过fs拟合所得气压和实测气压误差在6kPa以内，通过气压拟合fs的拟合结果和实测结果误差在5％以内；

该曲线在测试气压范围内无极值。

而且，n≥3。

第二方面，本发明提供一种扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测系统，用于执行如上所述的一种扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法。

第三方面，本发明提供一种移动终端，用于执行如上所述的一种动态控制扬声器振幅的方法中在通过共振频率fs监测环境气压P的场景下的相应处理，包括扬声器、ivsensor、处理器和存储器，存储器用于存储关系式fs-P，处理器用于调用存储器中的关系式fs-P，支持基于iv sensor采集扬声器音圈两端电压电流，实现监测环境气压P。

第四方面，本发明提供一种移动终端，用于执行如上所述的一种动态控制扬声器振幅的方法中在通过环境气压P监测共振频率fs的场景下的相应处理，包括处理器和存储器，存储器用于存储关系式P-fs，处理器用于调用存储器中的关系式P-fs实现监测共振频率fs。

而且，支持根据监测所得共振频率更新振幅模型，由电压实时预测振幅，若预测振幅最大值Xm大于扬声器最大振幅Xmax，则实时控制电压增益，使得Xm≤Xmax。

本发明的优点在于：

根据终端设备自带的微型扬声器共振频率受环境气压影响的关系，预先建立共振频率和气压的关系式，然后通过监测扬声器共振频率的方式监测环境气压，或者通过监测环境气压的方式校准扬声器共振频率。

在配置有iv sensor的终端设备上，通过监测扬声器共振频率的方式监测环境气压时，不需要专门配备压敏传感器也能准确监测环境气压，降低了硬件成本，节省了配置空间，相对增强了实时性和有效性。而在没有配置iv sensor的终端设备上，利用压敏传感器或者网络气象数据获知气压，即可有效校准扬声器共振频率，进一步可以为后续扬声器模型更新提供有效依据，以便对扬声器振动状态进行有效预测，从而对扬声器进行动态保护。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图。

图2为本发明实施例的应用示例一结构示意图。

图3为本发明实施例的应用示例二结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例具体说明本发明的技术方案。

本发明注意到，背腔带泄露孔的扬声器，背腔内与外界环境气压是相通的。因此，本发明提出有以下关系的存在：

腔体等效力顺Cas＝Vas/ρc^2,Vas为腔体体积；其中空气密度ρ与声速c的平方的乘积与气压P成正比，故而腔体等效力顺Cas与气压P成反比。扬声器共振频率与系统的等效力顺有关，故而气压与扬声器共振频率fs密切相关。经实验，该相关关系得到验证，例如下表：

气压P(kPa)	fs(Hz)
		63	735
84	775
		105	810
…	…

以上数据可以用曲线拟合，表明环境气压P与扬声器共振频率fs之间存在相关关系。

本发明提出利用这种密切相关关系，通过建立气压与扬声器共振频率的关系式，可以支持通过检测共振频率的方法监测环境气压，也可支持通过环境气压校准扬声器的共振频率，即可有效监测低频振幅。

考虑到振幅保护方法会留有一定阈值空间保护，不要求实测模型完全准确，只要在保护控制范围内即可。本发明用气压监测扬声器共振频率的方法虽然精确度略低，但能有效监测到气压变化对fs的影响，从而能够简易实现校准扬声器共振频率，改善没有visensor的设备对扬声器低频振幅预测的准确度。

参见图1，实施例提出的一种扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法，包括以下步骤：

步骤1，设定测试点数量n，设定环境气压范围P(1)～P(n)，其中P(1)为最小气压，P(n)为最大气压；

优选地，建议设置为：n≥3，P(1)≤0.4Pa，P(n)≥1.1Pa；

步骤2，在P(1)～P(n)间另选n-2个测试气压，总共n个测试气压；

步骤3，设置扬声器环境气压为测试气压P(k)，测试并记录当前气压下扬声器的共振频率fs(k)，包括从k＝1开始，测试并记录fs(k)，直到k＝n；得到n组fs和P的数据；

其中，fs为共振频率，P为气压；

步骤4，利用步骤3所得n组fs和P的数据，建立fs和P的关系式：

由fs到P的关系式fs-P可记为P＝F(fs)，由P到fs的关系式P-fs可记为fs＝F^-1(P)；其中F()和F^-1()表示相应函数关系；

当关系式所构建的曲线与实测点所连成的曲线近似重合，即可用关系式代替fs和P的关系；其中该关系式在测试气压范围内与所有测试点近似重合，具体要求如下：

在二维坐标系中，以P为横坐标，以fs为纵坐标，该关系式代表的曲线与测试点(P,fs)代表的离散点接近重合；具体实施时，满足在[30 110]kPa区间，通过fs拟合所得气压和实测气压误差在6kPa以内，通过气压拟合fs的拟合结果和实测结果误差在5％以内；优选地，满足在[40 105]kPa区间内，通过fs拟合所得气压和实测气压误差在4kPa以内，通过气压拟合fs的拟合结果和实测结果误差在3％以内；

该曲线在测试气压范围内无极值；

步骤5，将步骤4所得关系式预先导入到终端设备，具体在应用场景中，可以先判断关系式是否已经导入终端设备，如果否则结束流程，如果是则进行步骤6；

步骤6，判断终端设备的相应处理模块输入是fs还是P，

如果是fs，则将fs代入fs到P的关系式fs-P，计算P，得到P数据监测结果；

如果是P，则将P代入P到fs的关系式P-fs，计算fs，得到fs数据监测结果。

具体实施时，按照本流程步骤1-5可以实现建立并存储关系式，根据具体硬件条件和需求，再实现以上两种监测之一，在流程的步骤6中体现为判断输入参数的类型再进行相应处理。

具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的设备，也应当在本发明的保护范围内。利用根据终端设备自带的微型扬声器共振频率受环境气压影响的关系，可以预先建立共振频率和气压的关系式。两种监测可以根据设备硬件条件(是否配有iv sensor)相应实现其一。

为便于实施参考起见，提供实施应用举例如下。

本发明实施例方案的典型用例一：

通过环境气压P监测共振频率fs

在没有配置iv sensor的终端设备上，利用压敏传感器或者网络气象数据获知气压P，即可有效校准扬声器共振频率，为后续扬声器模型更新提供有效依据，以便根据动态变化的模型对扬声器振动状态进行有效预测，从而对扬声器进行动态保护。参见图3，这种场景下的终端设备典型结构包括气压传感器、气压采集器、处理器和显示器，气压传感器的输出经气压采集器采集后送入处理器，处理器根据输入和关系式P-fs得到共振频率fs后输出结果到显示器进行显示。通常还设置存储器用于存储程序指令。为便于参考起见，提供建议的实现流程如下：

(1)获得监测fs指令；

(2)判断是否有气压数据P输入系统；

(3)将气压数据与其对应的单位Pa输入到模块；

(4)模块辨识确认输入数据的类型，例如根据参数单位Pa进行判断；

(5)将监测参数带入到关系式P-fs中；

(6)计算fs；

(7)得到共振频率fs，输出。

实施例中，在0.3到1个标准大气压下，假设f0与气压成不同的拟合关系式，通过曲线拟合法确定关系式以以下不同形式呈现，例如：

拟合1

fs＝121.74ln(P)+238.13

拟合2

fs＝＝-0.0001445P³+0.0306P²–0.246P+665

拟合3

fs＝378.65P^0.1622

拟合4

fs＝632.9e^0.0025P

拟合5

fs＝1.7905P+622.9

实验证明结果如下表，以上拟合方式都能达到一定精度，足以满足本发明的应用需求：

具体实施时，还可以采用其他多种形式的公式描述这一映射关系，优选满足在[40105]kPa区间内，f0拟合和实测误差在3％以内，这些不同形式表达的关系都应当在本发明的保护范围内。

现有技术提供的扬声器振幅模型虽然能在一定条件下有效控制扬声器振幅，防止超振幅造成的机械损坏，当出现外部环境变化或扬声器自身材料特性变化时，静态模型无法进行实时响应，造成一定程度的过保护或欠保护。进一步地，具体实施时可以根据监测所得共振频率更新振幅模型，由电压实时预测振幅，若预测振幅最大值Xm大于扬声器最大振幅Xmax，则实时控制电压增益，使得Xm≤Xmax。

本发明实施例方案的典型用例二：

通过共振频率fs监测环境气压P

在配有iv sensor的终端设备上，不用安装压敏传感器，即可有效监测环境气压。参见图2，这种场景下的终端设备典型结构包括扬声器、iv sensor、处理器和显示器，扬声器的输出经iv sensor采集后送入处理器，处理器根据输入和关系式fs-P得到气压值后输出结果到显示器进行显示。通常还设置存储器用于存储程序指令。为便于参考起见，提供建议的实现流程如下：

(1)获得监测气压P指令；

(2)播放测试信号(等幅扫频信号，时长不限)；

(3)通过iv sensor采集扬声器音圈两端电压电流；

(4)对电流进行傅里叶变换fft，电流频谱幅值极点所对应的频率即为fs(包括但不限于此种方式获得fs)

(5)将共振频率fs与其对应的单位Hz输入到模块；

(6)模块辨识确认输入数据的类型，例如根据参数单位Hz进行判断；

(7)将监测参数带入到关系式fs-P中；

(8)计算P；

(9)得到气压值，输出；

实施例中，拟合方式与典型用例一类似，例如：

拟合1

P＝419.83ln(fs)-2707.6

拟合2

P＝0.00001fs³-0.0312fs²+23.87fs-6150.3

拟合3

P＝2^-16fs^6.0985

拟合4

P＝0.1563e^0.0081fs

拟合5

P＝0.5582fs-347.65

实验证明结果如下表，以上拟合方式都能达到一定精度，足以满足本发明的应用需求：

具体实施时，还可以采用其他多种形式的公式描述这一映射关系，优选满足在[40105]kPa区间内，拟合气压和实测气压误差在4kPa以内，这些不同形式表达的关系都应当在本发明的保护范围内。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法，所述扬声器的背腔带泄露孔，其特征在于：预先建立气压与扬声器共振频率的关系式，包括在环境气压范围内设置若干测试气压，测试并记录各测试气压下扬声器的共振频率，基于测试结果建立共振频率fs和环境气压P之间的关系式，由fs到P的关系式记为fs-P，由P到fs的关系式记为P-fs；

在通过共振频率fs监测环境气压P的场景下，基于采集扬声器音圈两端电压电流，提取相应共振频率fs，根据关系式fs-P，得到相应环境气压P数据；

在通过环境气压P监测共振频率fs的场景下，采集或输入环境气压P数据，根据关系式P-fs，得到相应共振频率fs。

2.根据权利要求1所述扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法，其特征在于：在通过共振频率fs监测环境气压P的场景下，基于iv sensor采集扬声器音圈两端电压电流。

3.根据权利要求1所述扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法，其特征在于：在通过环境气压P监测共振频率fs的场景下，利用压敏传感器或者网络气象数据获知气压P。

4.根据权利要求1或2或3所述扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法，其特征在于：所述建立气压与扬声器共振频率的关系式，具体实现如下，

设定测试点数量n，设定环境气压范围P(1)～P(n)，其中P(1)为最小气压，P(n)为最大气压；

基于环境气压范围设置n个测试气压；

从k＝1开始，设置扬声器环境气压为测试气压P(k)，测试并记录当前气压下扬声器的共振频率fs(k)，直到k＝n，得到n组fs和P的数据；

利用所得n组fs和P的数据，建立fs和P的关系式，

关系式fs-P记为P＝F(fs)，关系式P-fs记为fs＝F^-1(P)，其中F()和F^-1()表示相应函数关系。

5.根据权利要求4所述扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法，其特征在于：关系式相应曲线在测试气压范围内与所有测试点近似重合，要求如下，

在二维坐标系中，以P为横坐标，以fs为纵坐标，关系式相应曲线与测试点(P,fs)代表的离散点接近重合；所述接近重合是指，满足在[30 110]kPa区间，通过fs拟合所得气压和实测气压误差在6kPa以内，通过气压拟合fs的拟合结果和实测结果误差在5％以内；

该曲线在测试气压范围内无极值。

6.根据权利要求4所述扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法，其特征在于：n≥3。

7.一种扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测系统，其特征在于：用于执行如权利要求1至6所述的一种扬声器共振频率与环境气压的简易关联监测方法。

8.一种移动终端，其特征在于：用于执行如权利要求1至6所述的一种动态控制扬声器振幅的方法中在通过共振频率fs监测环境气压P的场景下的相应处理，包括扬声器、ivsensor、处理器和存储器，存储器用于存储关系式fs-P，处理器用于调用存储器中的关系式fs-P，支持基于iv sensor采集扬声器音圈两端电压电流，实现监测环境气压P。

9.一种移动终端，其特征在于：用于执行如权利要求1至6所述的一种动态控制扬声器振幅的方法中在通过环境气压P监测共振频率fs的场景下的相应处理，包括处理器和存储器，存储器用于存储关系式P-fs，处理器用于调用存储器中的关系式P-fs实现监测共振频率fs。

10.根据权利要求9所述一种移动终端，其特征在于：支持根据监测所得共振频率更新振幅模型，由电压实时预测振幅，若预测振幅最大值Xm大于扬声器最大振幅Xmax，则实时控制电压增益，使得Xm≤Xmax。

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