CN112804626B - 一种动态控制扬声器振幅的方法及系统、移动终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态控制扬声器振幅的方法及系统、移动终端，包括振幅模型建模过程，获得初始模型参数，建立初始振幅模型；动态更新振幅模型过程，包括通过实时采集扬声器两端电压和电流，计算实时直流阻和实时共振频率，分别判断实时直流阻和之前的直流阻是否相同，实时共振频率和之前的共振频率是否相同，任一条件不成立则更新振幅模型；所述实时共振频率的计算方式为，通过实测若干频点和对应阻抗幅值，联立方程求解得到实时共振频率；控制电压增益过程，根据更新后的振幅模型，由电压实时预测振幅，若预测振幅最大值大于扬声器最大振幅，则实时控制电压增益。本发明能应对扬声器外部环境变化或自身材料特性变化，提高振幅控制精准度。

Description

一种动态控制扬声器振幅的方法及系统、移动终端

技术领域

本发明涉及扬声器技术领域，具体涉及一种动态控制扬声器振幅的方法及系统、移动终端。

背景技术

声音是由振动产生的。扬声器音圈处于磁场之中，通电时受力运动；振膜与音圈相互连接，音圈的振动带动振膜振动，推动周围空气发声。由于空间限制，振膜振动空间有限，导致振膜振幅有限。为防止振膜超振幅造成的机械损坏，现有多种控制扬声器振幅的方法。其中一种基于集总参数建立扬声器振幅模型，即获取振幅-电压传递函数。通过该模型可有效预测振幅，通过控制电压而间接控制振幅的保护方案。该方案可实施性强，振幅建模简易方便，且振幅保护效果明显。

扬声器音圈线接入电压信号产生电流，而音圈线位于扬声器内部磁场之中，带电线圈在磁场中受力振动，推动与音圈相接的音膜振动发声。扬声器音圈线环绕而成，类似电感，在磁场中受力振动时，切割磁感线产生反向电动势。

扬声器性能参数有：Re(音圈直流电阻)，Le(音圈电感)，Bl(电力转换因子)，m(振动系统有效振动质量)，Rm(阻尼系数)，k(劲度系数)，Q_t(品质因子)，w₀(共振角频率)

扬声器模型电路电压等式：

其中，t是时间，u(t)是扬声器音圈两端电压时域表示，i(t)是扬声器音圈电流时域表示，

是扬声器音圈电流对时间的导数时域表示，x(t)是音圈相连的振膜位移时域表示，

是音圈相连的振膜位移的一阶导数时域表示，是振膜振动速度；

Laplace变换：

u(s)＝Re×i(s)+Le×s×i(s)+Bl×s×x(s)；

其中，s是拉式变换，u(s)是扬声器音圈两端电压拉氏变换，i(s)是扬声器音圈电流拉氏变换，x(s)是音圈相连的振膜位移拉式变换；

则有

i(s)＝(u(s)-Bl×s×x(s))/(Re+Le×s)；

扬声器模型机械受力：

其中，F是扬声器音圈线所受洛伦兹力，

是音圈相连的振膜位移的二阶导数，x(t)是音圈相连的振膜位移；

Laplace变换：

F＝Bl×i(s)＝(m×s²+Rm×s+k)×x(s)；

其中，w₀＝2πf₀，f₀为共振频率，令

b＝w₀ ²＝k/m

c＝Bl/(Re×m)

则有扬声器模型，即位移-电压传递函数:

其中，s＝jw＝j2πf，j²＝-1，f为频率，w为角频率，j为虚数符号；

令H(w)＝H(jw)，有

其中，|H(w)|是位移-电压传递函数H(jw)的幅值；

振幅模型的幅度模型是角频率的函数，建模过程即为获得三个参数a，b，c的过程。

例如在中国专利“CN 109495820 A一种扬声器振膜的振幅调节方法及系统”中提出：根据电动力学原理得到扬声器的电动力学模型，根据机械动力学原理得到扬声器的机械动力学模型，结合电动力学模型及机械动力学模型，得到扬声器的S域/Z域传递函数表达式，从而预测振幅，通过调节扬声器的增益实现对对扬声器的保护。

但是，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。

发明内容

本发明的目的是提供一种动态更新扬声器模型进行准确的振幅预测的技术方案，为振幅保护提供准确的依据，提升振幅保护性能。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种动态控制扬声器振幅的方法，包括以下过程，

振幅模型建模过程，包括获得初始模型参数f₀和Re，建立初始振幅模型；其中，f₀是共振频率，Re是直流阻；

动态更新振幅模型过程，包括通过实时采集扬声器两端电压和电流，计算实时直流阻Rer和实时共振频率f₀r，分别判断实时直流阻Rer和之前得到的直流阻Re是否相同，实时共振频率f₀r和之前得到的共振频率f₀是否相同，两者有任一条件不成立，则更新振幅模型；以上两者都成立，则不更新振幅模型；所述实时共振频率f₀r的计算方式为，通过实测若干个频点和对应阻抗幅值，联立方程求解得到实时共振频率f₀r；

实时控制电压增益过程，根据动态更新振幅模型过程所得更新后的振幅模型，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。

而且，振幅模型建模过程中，通过实测若干个频点和对应振动位移的幅值，联立方程求解得到初始模型参数f₀，Q_t，Xnorm和Re，f₀是共振频率，Xnorm是位移系数，Q_t是品质因子，Re是直流阻；

实现方式如下，

1)播放若干个频点的单频等幅正弦信号，电压均为相同的值；

2)采集对应频点的振膜的时域振动位移；

3)根据步骤2)所得结果，分别对相应时域信号进行傅里叶变换，并求对应频点的幅值；

4)根据各频点和对应的的幅值建立相应关系式如下，

其中，w为角频率；

解方程，获得对应的参数a，b，c；

获得f₀，Q_t，Xnorm，

Xnorm＝c；

5)测量音圈初始的直流阻Re。

而且，计算实时直流阻Rer的实现方式为，在输入信号中加入持续的低频单频信号pilot tone，基于实时采集扬声器音圈两端电压电流并进行傅里叶变换，提取pilot tone对应频率wp的电压、电流幅值，将相应比值作为实时直流阻Rer。

而且，实时共振频率f₀r的计算实现方式包括以下步骤，

1)根据步骤3实时采集的扬声器音圈两端电压u(t),电流i(t)，分别对电压电流进行傅里叶变换；

2)设置若干个频点，求对应频点的电压幅值，求对应频点的电流幅值，得到相应阻抗；

3)根据步骤2)所得阻抗和实时直流阻Rer得到归一化阻抗，相应得到归一化阻抗幅值表达式；

4)联立以上归一化阻抗幅值表达式求当前的中间参数b，则有实时共振频率

而且，更新振幅模型的方式如下，

Hnew(s)＝c/(s²+a×s+b)，w0r＝2πf0r,a＝a,b＝w0r²,c＝Xnorm×Re/Rer

其中，Hnew(s)为新的位移-电压传递函数，w0r为新的共振角频率；

新的模型双线性变换转换到z域后，由电压u实时预测振幅x。

第二方面，本发明提供一种动态控制扬声器振幅的系统，用于执行如上所述的一种动态控制扬声器振幅的方法。

而且，包括以下模块，

振幅模型建模模块，用于获得初始模型参数f₀，Q_t，建立初始振幅模型；其中，f₀是共振频率，Xnorm是位移系数；

动态更新振幅模型模块，用于通过实时采集扬声器两端电压和电流，计算实时直流阻Rer和实时共振频率f₀r，分别判断实时直流阻Rer和之前得到的直流阻Re是否相同，实时共振频率f₀r和之前得到的共振频率f₀是否相同，两者有任一条件不成立，则更新振幅模型；以上两者都成立，则不更新振幅模型；所述实时共振频率f₀r的计算方式为，通过实测若干个频点和对应阻抗幅值，联立方程求解得到实时共振频率f₀r；

实时控制电压增益模块，用于动态更新振幅模型模块所得更新后的振幅模型，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。

第三方面，本发明提供一种移动终端，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种动态控制扬声器振幅的方法。

第四方面，本发明提供一种移动终端，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种动态控制扬声器振幅的方法。

本发明的优点在于：

本发明实时跟踪振幅模型的动态变化，提高了振幅预测的准确性，为振幅控制提供了有效的依据，进一步提高了振幅控制的精准度。基于本发明实现的动态保护能有效地鉴别微型扬声器之间的个体差异；能有效检测外部环境变化或自身材料特性变化而导致的振幅模型的变化，能实时根据扬声器自身性质变化更新扬声器振幅模型。

本发明方案实施简单方便，实用性强，解决了相关技术存在的缺陷，能够提高用户体验，节约成本，具有重要的市场价值。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图。

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。

参见图1，实施例提出的一种动态控制扬声器振幅的方法，需在音频信号中叠加pilot tone(低频单频信号)，并实时采集音圈两端的电压电流u(t),i(t)进行参数实时跟踪，具体步骤如下：

步骤1，振幅模型建模，获得模型的初始参数，主要包括初始模型参数f₀和Re等；

现有技术中，通过扫频信号求频响，再利用最小二乘拟合获得模型参数。计算原理是最小二乘法，采用多频点逼近的方式，误差最小的模型就是最终拟合的模型。但这样一来计算量大，二来高度依赖初始模型，模型不准确也会造成较大误差。因此，本发明进一步提出优选方案，利用若干个频点，而不依赖于初始模型，直接通过计算获得模型参数，而且计算量小，准确度高。实施例，优选采用三个频点，可以方便地获得唯一模型参数解。具体实施时，可以预先设置三个合适的频点，也可以从更多频点中择优取用。

相应实现方式为，设f₀，Q_t，Xnorm为位移—电压幅值频响曲线表达式的三个未知参数，取实测曲线上的三点(w1，|H(w1)|)，(w2，|H(w2)|)，(w3，|H(w3)|)，联立方程求解曲线系数得到初始模型参数f₀，Q_t，Xnorm。

实施例中，进一步提出，初始的振幅建模过程包括如下步骤，可实现确定模型初始参数f₀，Q_t，Xnorm，Re：

1)播放三个频点(w1，w2，w3)的单频等幅正弦信号，电压均为相同的值，设电压值为u；

具体实施时，优选地，频点的取值范围1570rad/s<w<15700rad/s，取三个频点时两两之间差距大于125rad/s；

2)可采用激光采集对应频点的振膜的时域振动位移x1(t),x2(t),x3(t)；

3)根据步骤2)所得结果，分别对三段时域信号进行傅里叶变换(FFT)，并求对应频点的幅值|H(w1)|、|H(w2)|和|H(w3)|；

4)根据w1，w2，w3和其对应的|H(w1)|，|H(w2)|，|H(w3)|建立三个关系式，如下

其中，w＝w1，w2，w3；解方程，获得对应的参数a，b，c；

即可获得f₀，Q_t，Xnorm：

Xnorm＝c；

其中，f₀是共振频率，Xnorm是位移系数，Q_t是品质因子；

6)建模时，音圈初始的直流阻Re可采用万用表测得。

步骤2，根据以上初始模型参数建立初始振幅模型

其中w₀＝2πf₀,a＝w₀/Q_t,b＝(w₀)²,c＝Xnorm，根据该模型进行振幅预测。

步骤3，利用电压电流采集器IV sensor实时采集扬声器两端电压V和电流I，

电压记为u(t),电流记为i(t)。

步骤4，Pilot tone计算实时直流阻Rer。

音圈线直流阻近似于极低频的阻抗，故而加入稳定且持续的极低频信号pilottone用于监测极低频阻抗，间接监测直流阻。

具体实施时，求实时直流阻Rer可采用现有技术实现，为便于实施参考起见，提供实施例的pilot tone(低频单频信号)求电阻实现过程如下：

1)在输入信号中加入持续的极低频单频信号，称为pilot tone；

2)实时采集扬声器音圈两端电压、电流u(t),i(t)，可利用步骤3实时采集的结果；

3)分别对电压、电流进行傅里叶变换(FFT)；

4)获得pilot tone对应频率wp的电压、电流幅值，分别记为|U(wp)|,|I(wp)|；

5)计算实时直流阻Rer＝|U(wp)|/|I(wp)|。

步骤5，Fo tracking(动态跟踪)计算实时共振频率f₀r。

本发明的动态跟踪理论依据如下：

根据以上位移-电压传递函数关系式，

x(s)/u(s)＝(Bl/(Re×m))/(s²+w₀/Q_t×s+w₀ ²) (1)

则有

Bl×i(s)＝(m×s²+Rm×s+k)×x(s) (2)令a＝w₀/Q_t，b＝w₀ ²，d＝w₀/Q_m＝Rm/m，其中，a,b,d为中间参数，Q_m为机械品质因子；由式(1)、(2)可得阻抗Z(s)：

归一化阻抗Znorm(s)为：

Znorm(s)＝Z(s)/Re＝(s²+a×s+b)/(s²+d×s+b)

令中间参数n(w)＝b-w²，x(w)＝aw，y(w)＝dw，有

其中，Znorm(w)是归一化阻抗，|Znorm(w)|是Znorm(w)的模(幅值)，n(w)，x(w)，y(w)是中间参数；具体实施时，可以利用Znorm(s)的模和对应频率联立方程求解b，利用b和f₀的关系求解f₀。

根据以上理论，本发明进一步提出优选的Fo tracking过程实现方式，实现动态跟踪参数变化，主要是f₀的动态跟踪。

本发明提出基于阻抗频响曲线表达式进行f₀r跟踪的实现方式为：

阻抗幅值频响曲线表达式有三个未知参数f₀r，Q_t，Qe(电品质因子)，实测曲线上的三点(w1，|Znorm(w1)|)，(w2，|Znorm(w2)|)，(w3，|Znorm(w3)|)，联立三个方程求解曲线系数f₀r。实施例，优选采用三个频点，可以方便地获得唯一模型参数解。具体实施时，可以预先设置三个合适的频点，也可以从更多频点中择优取用。

实施例的Fo tracking过程包括以下步骤：

1)根据步骤3实时采集的扬声器音圈两端电压u(t),电流i(t)，分别对电压电流进行傅里叶变换(FFT)；

2)设置三个频点w1，w2，w3；求对应频点的电压幅值|U(w1)|,|U(w2)|,|U(w3)|，求对应频点的电流幅值|I(w1)|,|I(w2)|,|I(w3)|)，可得相应阻抗Z(w1)＝|U(w1)|/|I(w1)|，Z(w2)＝|U(w2)|/|I(w2)|，Z(w3)＝|U(w3)|/|I(w3)|；具体实施时此处频点w1，w2，w3取值和步骤1中设置可以一致，也可以不同，取值范围相同；

3)得到归一化阻抗如下，

Znorm(w)＝(|U(w)|/|I(w)|)/Rer

其中，w＝w1，w2，w3；

则有归一化阻抗幅值如下，

其中，Znorm(w)是频点w相应归一化阻抗，n(w)，x(w)，y(w)是频点w相应中间参数，参见动态跟踪理论，其他符号同理；w＝w1，w2，w3。

4)联立三个归一化阻抗幅值公式求当前的中间参数b，则有实时共振频率如下：

步骤6，判断f₀是否有更新，即实时共振频率f₀r和之前得到的共振频率f₀是否相同，相同就没有更新，并判断Re是否有更新，即实时直流阻Rer和之前得到的直流阻Re是否相同，相同就没有更新：

分别判定Rer＝＝Re和f₀r＝＝f₀是否成立；

以上两个条件有任一条件不成立，则进入步骤7更新振幅模型；以上两者都成立，则说明共振频率和直流阻都没有更新，不更新振幅模型，停止本次处理流程，并且返回进行以上步骤3-6，采集实时的电压电流并进行分析，直到振幅模型更新；

下一次迭代分析时，将Re更新为本次所得Rer，f₀更新为本次所得f₀r，作为新的比较的参考值。或者在每次迭代分析时都采用初始建模过程所得的值作为比较的参考值。

步骤7，更新振幅模型的方式：

Hnew(s)＝c/(s²+a×s+b)，w0r＝2πf0r,a＝a,b＝w0r²,c＝Xnorm×Re/Rer

其中，Hnew(s)为新的位移-电压传递函数，w0r为新的共振角频率。更新时a值保持不变。

具体实施时，由于扬声器S域模型满足二阶低通滤波器的形式，因此优选的更新方式建议为：在设置扬声器的移动终端或其他设备中，一般设置有模拟IC(模拟集成电路芯片)，可在模拟IC内部，使用电路的方式添加一个二阶低通滤波器拟合扬声器的振幅模型，并且在二阶低通滤波器中设置参数a，b，c为可调参数，支持调整参数使得拟合更为准确，进而实现对扬声器振幅的准确预测。

步骤8，根据步骤7所得更新结果，对新的模型双线性变换转换到z域：

H(z)＝x(z)/u(z)＝b(1)+b(2)z^-1+b(3)z^-2/(a(1)+a(2)z^-1+a(3)z^-2)

a(1)x(n)+a(2)x(n-1)+a(3)x(n-2)＝b(1)u(n)+b(2)u(n-1)+b(3)u(n-2)

其中，H(z)为Hnew(s)的z变换，x(z)是x(s)的z变换，u(z)是u(s)的z变换，x(n)，、u(n)是x(t)、u(t)的离散表达，n用于标识第n个采样点，此处a(1)，a(2)，a(3)，b(1)，b(2)，b(3)是z变换的各阶系数。

步骤9，根据步骤8所得转换结果，可由电压u实时预测振幅x，若预测振幅最大值Xm大于扬声器制造厂商提供的扬声器最大振幅Xmax，则实时控制电压增益，使得Xm≤Xmax。

然后可以返回至步骤3-6，采集实时的电压电流并进行分析，持续进行振幅模型实时更新。下一次迭代分析时，将Re更新为本次所得Rer，f₀更新为本次所得f₀r，作为新的比较的参考值。或者在每次迭代分析时都采用初始建模过程所得的值作为比较的参考值。

具体实施时，将S域模型转换到Z域模型后，可以根据输入的信号对扬声器振膜的振幅进行预测，在预测振幅最大值Xm大于扬声器制造厂商提供的扬声器最大振幅Xmax时，可以采用预设方式对输入信号进行压缩，比如对幅值较小的音频信号进行放大，对幅值较大的信号进行缩小，从而保证了在获取最大音量的情况下，扬声器振膜不被损伤。

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。

在一些可能的实施例中，提供一种动态控制扬声器振幅的系统，用于执行如上所述的一种动态控制扬声器振幅的方法。

进一步地，该系统包括以下模块，

振幅模型建模过程，包括获得初始模型参数f₀和Re，建立初始振幅模型；其中，f₀是共振频率，Re是直流阻；

动态更新振幅模型模块，用于通过实时采集扬声器两端电压和电流，计算实时直流阻Rer和实时共振频率f₀r，分别判断实时直流阻Rer和之前得到的直流阻Re是否相同，实时共振频率f₀r和之前得到的共振频率f₀是否相同，两者有任一条件不成立，则更新振幅模型；以上两者都成立，则不更新振幅模型；所述实时共振频率f₀r的计算方式为，通过实测若干个频点和对应阻抗幅值，联立方程求解得到实时共振频率f₀r；

实时控制电压增益模块，用于动态更新振幅模型模块所得更新后的振幅模型，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。

在一些可能的实施例中，提供一种移动终端，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种动态控制扬声器振幅的方法。

在一些可能的实施例中，提供一种移动终端，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种动态控制扬声器振幅的方法。

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 (7)

1.一种动态控制扬声器振幅的方法，其特征在于：包括以下过程，

振幅模型建模过程，包括获得初始模型参数f₀和Re，建立初始振幅模型；其中，f₀是共振频率，Re是直流阻；

动态更新振幅模型过程，包括通过实时采集扬声器两端电压和电流，计算实时直流阻Rer和实时共振频率f_0r，分别判断实时直流阻Rer和之前得到的直流阻Re是否相同，实时共振频率f_0r和之前得到的共振频率f₀是否相同，两者有任一条件不成立，则根据实时直流阻Rer和实时共振频率f_0r，更新振幅模型；以上两者都成立，则不更新振幅模型；

实时控制电压增益过程，根据动态更新振幅模型过程所得更新后的振幅模型，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；

其中，实时共振频率f_0r的计算方式包括：

根据实时采集的扬声器音圈两端电压u(t)，电流i(t)，分别对电压u(t)、电流i(t)进行傅里叶变换；

设置若干个频点，求对应频点的电压幅值，求对应频点的电流幅值，得到对应各频点的阻抗；

根据对应各频点的阻抗和实时直流阻Rer得到归一化阻抗，相应得到归一化阻抗幅值表达式；

联立以上归一化阻抗幅值表达式求实时共振频率f_0r。

2.根据权利要求1所述动态控制扬声器振幅的方法，其特征在于：振幅模型建模过程中，通过实测若干个频点和对应振动位移的幅值，联立方程求解得到初始模型参数f₀，Q_t，Xnorm和Re，f₀是共振频率，Xnorm是位移系数，Q_t是品质因子，Re是直流阻；

实现方式如下，

1)播放若干个频点的单频等幅正弦信号，电压均为相同的值；

2)采集对应频点的振膜的时域振动位移；

3)根据步骤2)所得结果，分别对相应时域信号进行傅里叶变换，并求对应频点的幅值；

4)根据各频点和对应的的幅值建立相应关系式如下，

其中，w为角频率；

解方程，获得对应的参数a，b，c；

获得f₀，Q_t，Xnorm，

Xnorm＝c；

5)测量音圈初始的直流阻Re。

3.根据权利要求1所述动态控制扬声器振幅的方法，其特征在于：计算实时直流阻Rer的实现方式为，在输入信号中加入持续的低频单频信号pilot tone，基于实时采集扬声器音圈两端电压电流并进行傅里叶变换，提取pilot tone对应频率wp的电压、电流幅值，将相应比值作为实时直流阻Rer。

4.根据权利要求2所述动态控制扬声器振幅的方法，其特征在于：更新振幅模型的方式如下，

Hnew(s)＝c/(s²+a×s+b)，w_0r＝2πf_0r，a＝a，b＝w_or ²，c＝Xnorm×Re/Rer

其中，Hnew(s)为新的位移-电压传递函数，w_0r为新的共振角频率；

新的模型双线性变换转换到z域后，由电压u实时预测振幅x。

5.一种动态控制扬声器振幅的系统，其特征在于：用于执行如权利要求1-4任一项所述的一种动态控制扬声器振幅的方法。

6.一种移动终端，其特征在于：包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如权利要求1-4任一项所述的一种动态控制扬声器振幅的方法。

7.一种移动终端，其特征在于：包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如权利要求1-4任一项所述的一种动态控制扬声器振幅的方法。

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