一种扬声器线性参数测量方法

1.一种扬声器线性参数测量方法，其特征在于：建立测试系统，用特殊的测试信号激励被测扬声器，在得到被测扬声器两端电压、流经扬声器的电流、扬声器发出的声压信号后，首先用信噪比检测模块(19)对所得的三个信号做检测，其次根据检测后得到的信号通过线性阻抗曲线计算模块(20)求解被测扬声器的线性阻抗，再次根据用户在扬声器模型库模块(22)中选择的扬声器种类，利用系统辨识模块(21)对被测扬声器进行系统辨识，得到一部分线性参数，之后利用通过信噪比检测后的声压信号，挑选一组特定频率点的声压信号利用等效容积计算模块(24)确定扬声器的等效容积Vas，并以此求出机电耦合系数B1参数，最后根据已知参数模块(23)中的已知参数利用线性参数计算模块(25)求解出全部的线性参数；
选择特殊的测试信号是连续对数扫频信号，定义如下式：
其中：U是测试信号幅度，T是测试信号时间，ω1是测试信号的起始频率，ω2是测试信号的终止频率。
2.根据权利要求1所述的扬声器线性参数测量方法，其特征在于：所述的被测扬声器至少包括：动圈扬声器单元、压电扬声器单元、平板扬声器单元、扬声器闭箱系统、扬声器倒相箱系统。
3.根据权利要求1所述的扬声器线性参数测量方法，其特征在于：建立测试系统包括：
PC机或专属设备(6)、数据采集卡(5)、带电流检测功能的恒压功放(4)、消音箱(3)、测量麦克风(2)，PC机或专属设备(6)通过程序控制数据采集卡(5)发射激励测试信号(7)，该测试信号(7)经过带电流检测功能的恒压功放(4)功率放大后加载在被测扬声器(1)两端，同时将此放大电压信号(8)和流经扬声器的电流信号(9)输入到数据采集卡(5)中，在消音箱(3)中使用测量麦克风(2)将被测扬声器(1)在激励信号下发出的声压信号(10)采集并输入到数据采集卡(5)，专属设备(6)包括具有控制功能和显示功能的工控机、独立嵌入式设备，数据采集卡(5)用于完成模/数和数/模转换。
4.根据权利要求1所述的扬声器线性参数测量方法，其特征在于：信噪比检测模块(19)、线性阻抗曲线计算模块(20)、扬声器模型库模块(22)、系统辨识模块(21)、等效容积计算模块(24)、已知参数模块(23)和线性参数计算模块(25)均设于PC机或专属设备(6)中。
5.根据权利要求3所述的扬声器线性参数测量方法，其特征在于：所有信号处理流程在PC或专属设备(6)中进行，利用PC机或专属设备(6)内的程序完成。
6.根据权利要求1所述的扬声器线性参数测量方法，其特征在于：
所述的信噪比检测模块(19)对输入的电压信号(8)、电流信号(9)、声压信号(10)的信噪比情况做检测判断，在信噪比小于10dB时将给出警告，表示此时采集信号不适合进行后面的运算，如果信噪比大于等于10dB，则可以进行进一步的计算；
所述的线性阻抗曲线计算模块(20)将分离测得信号的线性响应部分和非线性响应部分，当非线性响应部分过高，即非线性响应/线性响应>2％时，将给出警告，表明此时扬声器的激励电压过大，扬声器工作在非线性状态；当非线性响应部分不是很大时，将只利用分解出的线性响应计算扬声器线性阻抗曲线，计算公式如下：
其中：Z(f)为所得的扬声器线性阻抗，Ulinear(f)为扬声器激励电压线性部分，Ilinear(f)为扬声器电流线性响应；
所述的扬声器模型库模块(22)预先存有的各种扬声器的线性阻抗模块，包括：动圈扬声器单元、压电扬声器单元、平板扬声器单元、扬声器闭箱系统、扬声器倒相箱系统，这些模型将以数据库的形式存入程序中，不仅便于选择同时便于更新；
所述的系统辨识模块(21)根据已经测得的被测扬声器线性阻抗曲线、扬声器模型对扬声器的部分线性参数进行辨识，包括在检测动圈扬声器单元时将辨识出：RE、LE、L2、R2、LCES、CMES、RES线性参数，之后对辨识结果进行评估，评估公式如下：
其中，RE：直流电阻，LE：线圈电感，L2：涡电流等效电感，R2：涡电流等效电阻，CMES：振动等效电容，LCES：振动等效电感，RES：振动等效电阻，Zreg(fi)表示根据辨识结果计算得到的阻抗值，Zmeas(fi)表示测量得到的阻抗值，w(fi)表示权重函数，用于对阻抗曲线谐振峰值给予辨识误差更多的权重，使得辨识的优化结果更符合实际测量关键值，e表示辨识结果与测量结果的误差，e<=5％表明辨识结果良好，e>5％表明辨识结果不够理想将给出警告；
所述的已知参数模块(23)输入被测扬声器的已知参数，包括Sd、MMS；所述的Sd为扬声器辐射面积；MMS为振动质量包括振动声负载；
所述的等效容积计算模块(24)根据系统辨识模块(21)已经辨识出的部分线性参数，评估和选择扬声器中频平稳声压级上对应测试频率点，并用对应的声压的统计平均值SPLf计算得到被测扬声器的等效容积Vas，计算公式如下：
其中，QES：电学品质因数，c：声在空气中的速度，ρ0：空气密度，fs：谐振频率；
所述的线性参数计算模块(25)根据系统辨识模块(21)辨识出的部分线性参数，等效容积计算模块(24)得到的等效容积Vas和已知参数模块(23)输入的已知参数计算得到被测扬声器的所有线性参数，当有任何错误，输出警告；具体计算公式如下：
Qms=2πfsCMESRES，
Qes=2πfsCMESRE，
或
2
MMS=CMES(Bl)，
所述的RES为振动等效电阻，RMS为振动力阻，B1为机电耦合系数，QMS为力学品质因数，CMS为振动劲度系数，QTS为总品质因数。

一种扬声器线性参数测量方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及扬声器线性参数的测量方法，在给被测扬声器激励特殊信号得到扬声器线性阻抗曲线后，根据建立的扬声器线性阻抗模型，结合声压理论公式，用系统辨识技术获得扬声器的线性参数。\n背景技术\n[0002] 测量扬声器线性参数的意义：\n[0003] 扬声器线性参数对扬声器的设计、制造、和质量控制具有重要的作用。自上世纪70年代，澳大利亚的A.N.Thiele和R.H.Small提出了直接辐射式扬声器的几个独立的小信号参数，这些小信号参数用于表征扬声器的低频性能，广泛用于扬声器系统(音箱)生产和设计过程。国际电工委员会(IEC)将其称为Thiele-Small参数。这些参数因为都是在小信号激励下测得的参数故也称为线性参数，用于扬声器的设计和生产的质量控制。一直以来，由于其测量的复杂导致其不能在线快速的测量，使得生产企业必须间接的控制其他一些性能参数来对产品做质量控制，所以一种能够在线快速准确的测量扬声器线性参数的方法是整个业界长期待解决的难题。\n[0004] 现有的技术和方法：\n[0005] A)离散频率测量的方法，使用离散频率点测量扬声器的阻抗曲线，从而得到fs、Qts等参数，之后在利用附加质量或附加容积法再做一次阻抗曲线的测量，从而得到fs’、Qts’等，通过计算得到所有的线性参数，这种方法缺点有：1、使用离散频率测量时，测试的精度较低而且测试所需的时间较长，同时操作麻烦；2、附件质量和附件容积法都是在一定程度上破坏了原先扬声器真正的工作状态而测得的参数，所以测出的线性参数并不是很准确，同时这种方法一般需要二次测量。这样所需的时间就更长了。\n[0006] B)Wolfgang.Klippel在第110次[国际]音频工程学会大会发表的论文《快速准确测量扬声器线性参数的方法》(Fast and Accurate Measurement of the Linear Transducer Parameters)提出了使用激光测振装置来测量扬声器位移，从而计算得到扬声器线性参数的方法，这种方法虽比较准确但需要使用额外昂贵的激光测振装置，不适合在产线快速测量使用。\n[0007] C)美国专利6269318(Method For determining Transducer linear operation parameters)提出了使用电压-声压传递函数，电流-声压传递函数测量扬声器线性参数的方法，该方法是使用曲线拟合技术对两个传递函数进行参数拟合，计算复杂度较高，同时该方法需要提供一个已知容积的测试箱体作为准确测量的条件。\n发明内容\n[0008] 本发明的目的是提出一种快速在线测试扬声器线性参数的方法，该方法先基于扬声器电阻抗模型利用系统辨识技术根据测得的扬声器线性阻抗曲线辨识得到一部分线性参数，然后结合测得的扬声器的特定频率点的声压信号，计算出等效容积Vas，从而得到Bl系数，根据Bl可以得到全部的线性参数。\n[0009] 本发明的目的是这样实现的：\n[0010] 建立如图1所示的测试系统，用特殊的测试信号(测试信号的时域波形图如图2所示，时频图如图3所示)激励被测扬声器，在得到被测扬声器两端电压、流经扬声器的电流、扬声器发出的声压信号后，按照图4做信号处理，首先用信噪比检测模块(19)对所得的三个信号做检测，其次根据检测后得到的信号通过线性阻抗曲线计算模块(20)求解被测扬声器的线性阻抗，再次根据用户在扬声器模型库模块(22)中选择的扬声器种类，利用系统辨识模块(20)对被测扬声器进行系统辨识，得到一部分线性参数，之后利用通过信噪比检测后的声压信号，挑选一组特定频率点的声压信号利用等效容积计算模块(24)确定扬声器的等效容积Vas，并以此求出机电耦合系数Bl参数，最后根据已知参数模块(23)中的已知参数利用线性参数计算模块(25)求解出全部的线性参数。\n[0011] 由于本发明采用了上述的技术方案，故具有以下优点：\n[0012] 1)测试系统搭建方便，成本低，测试系统将不仅能用于扬声器线性参数的测量，还可以用于其他参数的测量。例如：频响测试、总谐波失真测试、相位测试等。\n[0013] 2)测试信号的选择，决定了其在保证测试精度的前提下，测试时间很短。\n[0014] 3)保证在一定范围内计算得到被测扬声器线性阻抗曲线。\n[0015] 4)不需要附加质量或附件容积，不需要激光测振装置，一次就可以测得扬声器的全部线性参数。\n[0016] 5)阻抗模型建立方便，能适合各种不同类型的扬声器线性参数测量。\n附图说明\n[0017] 图1测试系统图。\n[0018] 图2测试激励信号时域波形图。\n[0019] 图3测试激励信号时频图。\n[0020] 图4信号处理流程图\n[0021] 图5动圈扬声器单元等效电路图。\n[0022] 图6实测阻抗曲线和系统辨识结果图。\n具体实施方式\n[0023] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。\n[0024] 如图所示，先进行具体测试系统搭建，按照图1搭建测试系统，该测试系统包括：\nPC机或专属设备(6)、数据采集卡(5)、带电流检测功能的恒压功放(4)、消音箱(3)、测量麦克风(2)，专属设备(6)包括具有控制功能和显示功能的工控机、独立嵌入式设备，数据采集卡(5)用于完成模/数和数/模转换。在该测试系统中，PC机或专属设备(6)通过程序控制数据采集卡(5)发射激励测试信号(7)，该测试信号(7)经过带电流检测功能的恒压功放(4)功率放大后加载在被测扬声器(1)两端，同时将此放大电压信号(8)和流经扬声器的电流信号(9)输入到数据采集卡(5)中，在消音箱(3)中使用测量麦克风(2)将被测扬声器(1)在激励信号下发出的声压信号(10)采集并输入到数据采集卡(5)。这里所有信号处理流程在PC或专属设备(6)中进行，利用PC或专属设备(6)内的程序完成。\n[0025] 在PC或专属设备(6)中设有信噪比检测模块(19)、线性阻抗曲线计算模块(20)、扬声器模型库模块(22)、系统辨识模块(20)、等效容积计算模块(24)、已知参数模块(23)和线性参数计算模块(25)。\n[0026] 所述的信噪比检测模块(19)对输入的电压信号(8)、电流信号(9)、声压信号(10)的信噪比情况做检测判断，在信噪比小于10dB(此值根据选择的不同被测扬声器类型有所不同)时将给出警告，表示此时采集信号不适合进行后面的运算，如果信噪比大于等于\n10dB，则可以进行进一步的计算；\n[0027] 所述的线性阻抗曲线计算模块(20)将分离测得信号的线性响应部分和非线性响应部分，当非线性响应部分过高时(非线性响应/线性响应＞2％)将给出警告，表明此时扬声器的激励电压过大，扬声器工作在非线性状态；当非线性响应部分不是很大时，将只利用分解出的线性响应计算扬声器线性阻抗曲线。\n[0028] 所述的扬声器阻抗模型库模块(22)预先存有的各种扬声器的线性阻抗模型，包括：动圈扬声器单元、压电扬声器单元、平板扬声器单元、扬声器闭箱系统、扬声器倒相箱系统。这些模型将以数据库的形式存入程序中，不仅便于选择同时便于更新；\n[0029] 所述的系统辨识模块(21)根据已经测得的被测扬声器线性阻抗曲线、扬声器模型对扬声器的部分线性参数进行辨识，例如在检测动圈式扬声器单元时将辨识出：RE、LE、L2、R2、LCES、CMES、RES线性参数，之后对辨识结果进行评估。\n[0030] 所述的已知参数模块(23)输入被测扬声器的已知参数，包括Sd、MMS；\n[0031] 所述的容积计算模块(24)根据系统辨识模块(21)已经辨识出的部分线性参数，评估和选择扬声器中频平稳声压级上对应测试频率点，并用对应的声压的统计平均值SPLf计算得到被测扬声器的等效容积Vas。\n[0032] 所述的线性参数计算模块(25)根据系统辨识模块(21)辨识出的部分线性参数，容积计算模块(24)得到的等效容积Vas和已知参数模块(23)输入的已知参数计算得到被测扬声器的所有线性参数，当有任何错误，如输入的已知参数和系统辨识的一些参数差别很大时，输出警告。\n[0033] 本发明对扬声器线性参数测量的具体过程为：\n[0034] 测试系统由PC机或专属设备(6)根据用户设定产生一个激励测试信号(7)，该激励测试信号(7)是连续对数扫频信号，定义如下式：\n[0035] \n[0036] 其中：U是测试信号幅度，T是测试信号时间，ω1是测试信号的起始频率，ω2是测试信号(7)的终止频率，时域波形如图2所示，时频图如图3所示。该测试信号(7)，具有频率连续变化、测试时间可控等特点，选择这种激励信号的好处是：1、可以在保证测试精度的条件下，加快测试速度，2、对分离扬声器的非线性响应和线性响应有唯一特殊的作用，即在这种信号激励下，可以在一定范围内，便于线性阻抗曲线计算模块20求解出扬声器的线性阻抗曲线。\n[0037] 通过数据采集卡(5)将测试信号(7)输入到功率放大器(4)中并将输出的放大电压信号(8)同时输入到被测扬声器(1)和数据采集卡(5)，并将流经被测扬声器(1)的电流信号(9)输入到数据采集卡(5)中，将被测扬声器(1)在消音箱(3)中发射的声信号，用测量麦克风(2)采集声信号(10)并输入到数据采集卡(5)中。\n[0038] 在测得所需信号(8)、(9)、(10)后，将这些信号进行如图4所示的信号处理，得到被测扬声器的线性参数，具体如下：首先将测得的电压信号(8)、电流信号(9)和声压信号(10)输入到信噪比检测模块(19)中判断测试的所得的信号的信噪比是否满足要求，如果小于10dB(此值根据选择的不同被测扬声器类型有所不同)，输出警告信号(16)，提示测试信号信噪比不足，此时需要采取增加测试信号幅度、降低噪声等措施；如果检测信噪比大于\n10dB，将电压信号(8)和电压信号(9)输入到线性阻抗曲线计算模块(20)中，将声压信号输入到容积计算模块(24)中。\n[0039] 线性阻抗曲线计算模块(20)根据输入的电压信号(8)和电流信号(9)求解线性范围内的阻抗曲线(11)，如果测试信号过大，被测扬声器将工作在非线性状态(非线性响应/线性响应＞2％)，测得的阻抗曲线将不能用于扬声器线性参数的识别和计算，此时线性阻抗曲线计算模块(20)自动判断此类情况并将输出警告信号(17)，可采取适当降低测试信号幅度措施改善这类情况。如果扬声器只是工作在轻微的非线性测试状态下或正常的线性测试状态下，线性阻抗曲线计算模块(20)将自动的计算线性响应部分的阻抗曲线(11)，而不考虑任何非线性响应，计算公式如下：\n[0040] \n[0041] 其中：Z(f)为所得的扬声器线性阻抗，Ulinear(f)为扬声器激励电压线性部分，Ilinear(f)为扬声器电流线性响应。\n[0042] 扬声器模型库模块(22)预先存有的各种扬声器的线性阻抗模型，包括：动圈扬声器单元、压电扬声器单元、平板扬声器单元、扬声器闭箱系统、扬声器倒相箱系统等。根据用户选择的被测扬声器种类输出扬声器模型(12)。例如：一个普通动圈扬声器单元的等效电路图如图5，因此该扬声器模型库中对应如下线性阻抗计算公式：\n[0043] \n[0044] 系统辨识模块(21)，是根据测得的扬声器线性阻抗曲线(11)和扬声器模型(12)辨识出所需要的部分线性参数(13)，如果系统辨识的误差过大，将给出警告信号(26)。评价辨识结果误差采用如下公式：\n[0045] \n[0046] 其中Zreg(fi)表示根据辨识结果计算得到的阻抗值，Zmeas(fi)表示测量得到的阻抗值，w(fi)表示权重函数，主要用于对阻抗曲线谐振峰值(单峰或双峰)给予辨识误差更多的权重，使得辨识的优化结果更符合实际测量关键值，e表示辨识结果与测量结果的误差，e＜＝5％表明辨识结果良好，e＞5％表明辨识结果不够理想将输出警告信号27。\n[0047] 如上例就是识别出被测扬声器的下列部分线性参数：RE、LE、L2、R2、LCES、CMES、RES。其中e＝1.67％。系统辨识的结果如图6所示。并由以上参数得到fs、Qms、Qes、Qts重要参数，计算公式如下：\n[0048] \n[0049] Qms＝2πfsCMESRES\n[0050] Qes＝2πfsCMESRE\n[0051] \n[0052] 辨识出的部分线性参数(13)将输入到容积计算模块(24)，根据通过信噪比检测模块(19)输出的声压信号(10)，计算扬声器等效容积Vas，根据如下步骤进行计算：先根据系统辨识出的部分线性参数(13)计算出扬声器的fs(谐振频率)与fu1(高频衰减频率)，之后再选择一组SPLfi其中满足fs＜fi＜fu1，得到扬声器中频稳定声压级上的一些点的统计值平均SPLf(简单时可只选择一点作为SPLf)，之后根据如下公式计算Vas：\n[0053] \n[0054] 已知参数模块(23)输入预先知道的有关待测扬声器的一些参数，通常是Sd和MMS，这些参数将用于最后的线性参数的计算，这里用户提供的已知参数越多，最后得到的结果中将默认这些已知参数的正确性，并以此计算其他的线性参数。\n[0055] 线性参数的计算模块(25)，根据系统辨识模块(21)的结果(13)，容积计算模块(24)的结果(15)和已知参数模块(23)的输入(18)，计算得到被测扬声器的所有线性参数。计算方法如下：\n[0056] 在已知Sd的条件下：根据公式： 计算得到CMS，之后根据公式：\n得到Bl值，从而利用如下公式解出其他所有的线性参数。\n[0057] \n[0058] MMS＝CMES(Bl)2\n[0059] \n[0060] 在已知MMS的条件下：根据公式： 计算得到Bl值，从而根据如下公式解\n出其他所有的线性参数。\n[0061] \n[0062] MMS＝CMES(Bl)2\n[0063] \n[0064] 当有任何错误，如输入的已知参数和系统辨识的一些参数差别很大时，输出警告信号(28)。\n[0065] 在图6所示的例子中，最后得到的线性参数结果如下表，为了对比和验证测量的准确性，使用Klippel R&D系统(满足IEC60268-5标准)，使用激光头测振得同一扬声器的线性参数，两种方法测试结果对比如下表所示，对比结果显示，本发明测试方法与使用激光测振方法测得的结果一致性很好。\n[0066] \n 参数名 单位 Klippel测试结果 本文方法测试结果\n RE Ohm 3.66 3.67\n LE mH 0.193 0.201\n L2 mH 0.092 0.089\n R2 Ohm 0.45 0.47\n CMES pF 426.88 430.95\n LCES mH 11.58 11.43\n RES Ohm 15.46 15.52\n fs Hz 71.6 71.7\n MMS g 4.139 4.139\n MMD g 3.914 3.914\n RMS kg/s 0.627 0.615\n CMS mm/N 1.194 1.119\n KMS N/mm 0.84 0.89\n Bl N/A 3.11 3.09\n QMS 2.969 3.014\n QES 0.702 0.711\n QTS 0.568 0.575\n Vas l 4.9482 4.907\n[0067] 本发明所述的被测扬声器至少包括：动圈扬声器单元、压电扬声器单元、平板扬声器单元、扬声器闭箱系统、扬声器倒相箱系统。\n[0068] 本发明在保证能准确快速测试扬声器线性参数的前提下，还可以用于扬声器其他参数的测量，例如：频响测试、总谐波失真测试、相位测试等。\n[0069] 本发明各参数表示的含义如下：\n[0070] RE：直流电阻，LE：线圈电感，L2：涡电流等效电感，R2：涡电流等效电阻，CMES：振动等效电容，LCES：振动等效电感，RES：振动等效电阻，fs：谐振频率，MMS振动质量(包括振动声负载)，RMS：振动力阻，CMS：振动劲度系数，KMS：振动劲度系数，Bl：机电耦合系数，QMS：力学品质因数，QES：电学品质因数，QTS：总品质因数，Vas：等效容积，Sd：扬声器辐射面积，c：声在空气中的速度，ρ0：空气密度，SPL：声压级。