CN116508329A - 用于扬声器的输入信号的非线性控制的方法 - Google Patents
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Abstract
一种对扬声器进行控制的方法，该方法包括用于生成扬声器换能器的电源电压的第一机电模型和第二机电模型，其中，第二模型是第一模型的逆变并且至少第二模型被表达为可直接计算的数字波滤波器。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于换能过程的数值建模的扬声器的输入信号的非线性控制方法。
背景技术
扬声器是换能器，即，能够通过改变对该扬声器进行识别的一些特性而在其输入处、在另外的输出中转换物理量(例如，电流或电压)的设备。具体地，电信号被转换为声波，并且可以通过非线性建模来描述物理换能机制，例如，所述非线性建模用于描述由于运动部件的偏移以及由于线圈电流而导致的电输入信号的谐波失真和调制。
通过如下的三种不同的方法来减轻或控制换能过程的非线性：
基于反馈的方法；
基于函数表示的方法；
换能过程的基于物理模型方法。
第一类方法的局限性在于需要使用传感器来测量待在反馈回路中使用的机械信号(通常是运动部件的加速度或速度)：使用这些传感器会带来由于在移动单元上增加额外的质量而引起的实现方式问题，并且需要对由传感器本身引入的非线性进行补偿。
第二类方法基于非线性行为的表示，使用通用函数形式(Volterra、Hammerstein或Wiener系统)来估计系统状态的变量。这类方法的局限性在于需要截断函数表示以限制表示二次以上的项所需元件的估计的复杂性。
第三类方法是基于换能过程的非线性物理模型的。这种表示允许以增大计算复杂性为代价来克服基于函数表示的方法的缺点。
D.Franken等人，在IEEE Transactions on speech and audio processing(IEEE语音和音频处理汇刊)，纽约，第9卷，第8期，XP011054138 ISSN:1063-6676上发表的文献“Passive parametric modeling of dynamic loudspeakers(动态扬声器的无源参数建模)”中公开了一种没有波数字滤波器逆模型的扬声器的直接模型。单独的直接模型不能使诸如电感和/或换能器的刚度和/或用于模拟电路模型和机械电路模型的耦合的受控发生器的力因子等的非线性进行线性化。
D.Franken等人，在IEEE Transactions on speech and audio processing(IEEE语音和音频处理汇刊)，纽约，第13卷，第2期，XP055816411 ISSN:1063-6676DOI:10.1109TSA.2004.841043上发表的文献“Observer-based feedback linearization ofdynamic loudspeakers with AC amplifiers(具有AC放大器的动态扬声器的基于观察者的反馈线性化)”中公开了经由状态观测器生成逆数学模型，但这种方法不产生可直接计算的数学公式，并且方程组通过迭代算法求解。引用的波数字滤波器被应用于对直接模型的参数进行实时估计。
发明内容
本发明的范围是至少部分地解决上述缺点。
本发明的目的是通过一种用于对扬声器进行控制的方法来实现，该扬声器具有机电力传感器和隔膜，该方法包括以下步骤：
提供非线性机电模型，该非线性机电模型被配置成将一个或更多个期望条件应用于扬声器输入数字音频信号，即，应用于被转换成数字输入信号的模拟输入信号；
提供换能器的逆变非线性机电模型，该逆变非线性机电模型被配置成接收由非线性模型处理过的信号并且对换能器的至少一个机械和/或电气和/或机电非线性进行线性化；
将机电模型的数字输出信号转换为用于换能器的模拟信号，
其中，输出信号包括用于换能器的输入电压信号，并且至少第二非线性模型是数字波滤波器(在下文中也被称为波数字滤波器(Wave Digital Filter，WDF))以在离散时间域中提供可直接计算函数以获得换能器的输入电压信号。
属于上述第三类的本发明的方法提出了一种降低可计算复杂性的代表，例如，通过WDF避免了现有技术的迭代计算算法，这些算法反而可以通过例如二叉树结构直接计算。
此外，还有利地引入了一种新的模型逆变方法，该方法基于应用于扬声器的“直接”机电模型的零器的使用。这解决了现在基于物理模型的换能过程方法的主要局限性：
-需要对逆变系统的非线性模型进行迭代求解以使其在计算上可实现；
-对被用于对非线性模型的参数进行估计的自适应技术的强烈依赖。
具体地，逆变系统的非线性模型是通过以下步骤获得的：
-对具有空值的换能过程的模型进行增加或放大，适当连接以便不修改模型的行为；
-使用本领域已知的定理推导逆变等效模型[Leuciuc“The realization ofinverse system for circuits containing nullors with applications in chaossynchronization(包含零器的电路的逆变系统的实现及其在混沌同步中的应用)”，Int.J.Circ.Theor.Appl.,26，1-12，1998]。
第一直接模型优选地特征在于换能过程中的期望特性，诸如力换能器的期望的频率响应条件、和/或取决于力换能器的期望偏移的力因子、和/或取决于力换能器的期望偏移的机械刚度、和/或取决于所述力换能器的期望偏移的电感。
具体地，第一模型限制了输入信号的峰值，从而避免损坏换能器，例如由于过度运动而导致的换能器的损坏，或者从而模拟具有已知声学和/或电气和/或已知机械特性并且与接收信号等的扬声器不同的扬声器。
优选地，上述非线性机电模型包括属于电气域的扬声器参数，例如，换能器线圈的至少一个电阻和一个阻抗；并且上述非线性机电模型包括属于机械域的扬声器参数，例如，至少一个弹性参数，所述至少一个弹性参数诸如为换能器的刚度、阻尼和运动质量，电气域和机械域通过第一转换因子关联，该第一转换因子将应用于所述运动质量的电磁力与由质量的运动在线圈中生成的反电动力进行关联。
通过这种方式，可以表达重要的非线性，诸如电感、弹性参数和机电转换因子的非线性。
根据优的选实施方式，机电模型包括声域的至少一个参数，诸如至少一个声阻抗，声域经由第二转换因子与电气域和机械域相关联，第二转换因子将从隔膜生成的声压力波与由换能器施加于隔膜上的力进行关联。
在机电模型中包含声域可以允许提高模型本身的准确性。
优选地，如上所描述的上述方法与借助于估计器基于机电模型的放大模拟输出信号的机电模型的一个或更多个参数随时间的适配步骤相结合。
以此方式，该模型可以考虑某些参数值随时间的演变。
本发明的其他特征和优点在下面的描述和所附权利要求书中指出。
附图说明
-图1中的a)和b)分别示出了扬声器的等效电气模型，其中图1中的a)示出了对封闭体积的行为进行建模的特定声阻抗配置，而图1中的b)示出了声阻抗的通用配置。
-图2示出了所提出的系统的框图。
-图3示出了具有图1中的a)中所示的特定声阻抗配置的换能器模型的WDF实现方式。
-图4示出了利用数字波适配器类型实现的三端口网络。
-图5示出了具有零器的增强换能过程的等效电路。
-图6示出了等效于换能过程的反向的电路。
-图7示出了逆变系统的数值波的实施方式。
具体实施方式
图1示出了扬声器的等效电气模型。其他更复杂或更简化的表示是可以的，例如，其中不考虑声域的参数。该模型包括三个相互依赖的电路，从左到右分别代表换能器的电气部分、机械部分和声学部分。该模型准确地描述了扬声器在低于隔膜的第一振动模式的频率下(即，在受非线性失真现象影响最大的频带内)的行为。
模型的电气部分包括以下系列元件：
-电压发生器，电压发生器代表扬声器输入处的电压信号Vin；
-电阻器，具有电阻Re，电阻器代表扬声器线圈阻抗的电阻部分；
-电感器，具有电感Le，电感器代表扬声器线圈阻抗的纯电感部分；
-电压发生器，该电压发生器的电流受信号Ims控制，该信号Ims由扬声器线圈的力因子Bl加权。
机械部分包括以下一系列元件：
-电感器，具有电感Mms，该电感器代表换能器的所有运动部件的质量(包括与隔膜一体的空气体积)；
-电阻器，具有电阻Rms，该电阻器代表系统的机械电阻；
-电容器，具有电容Cms＝1/Kms，该电容器代表机械柔度(刚度的倒数)；
-电压发生器，该电压发生器的电流受信号Ie控制，该信号Ie由力因子Bl加权；
-电压发生器，该电压发生器的电压由信号Vout控制电压，该信号Vout由代表辐射器的有效表面的参数Sd加权。
专门用于对于封闭体积的行为进行建模的声学部分包括以下元件：
-电容器，具有电容Ccab，该电容器代表封闭体积中所含空气的柔度；
-电阻器，具有电阻Rcab，该电阻器表示声阻；
-电阻器，具有电阻Ral，该电阻器代表封闭体积的空气损失(以与未完全密封的体积的真实行为近似)；根据更一般的实施方式，上面指明的电容和两个电阻可以通过声阻抗来建模；
-电流发生器，该电流发生器的电流受信号Ims控制，该信号Ims由参数Sd加权。
这里描述的声学部分的配置代表封闭盒子中的扬声器，这种配置的变型在现有技术中是已知的并且很容易推导，例如，如图1中的b)所示，其中图示了包括通用声阻抗的模型。
本发明的解决方案在于一种用于对数字音频信号进行处理以改变由扬声器产生的音频信号的方法，从而允许减少由扬声器生成的非线性失真、或者通过对扬声器施加另一说话人模型的线性或非线性行为而生成的非线性失真。
此外，有必要以纯解释性方式考虑模型的组成，如图1中的a)所示，因为可以应用已知技术来实现等效电路，以与所示出的不同的方式对相同参数和连接拓扑结构进行分组，从而保留不变的功能特性。
图2示出了所提出的解决方案的框图，该解决方案包括：被配置成对输入音频信号应用非线性处理的数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、被配置成将DSP的数字输出转换成模拟信号的数模转换器(digital-to-analog converter，DAC)、以及被配置成对模拟信号进行放大以对扬声器进行驱动的放大器。
DSP通过应用第一非线性数学模型和第二非线性数学模型来对数字音频信号进行接收和处理：例如，处理器可以应用第一非线性数字滤波器以对音频信号设置期望的非线性特性，以及随后，设置另一非线性补偿特征，例如，通过第二数学模型将扬声器的非线性特性进行线性化。根据本发明的优选实施方式，数字信号处理器还包括估计器，该估计器接收放大信号并且对补偿扬声器的非线性特性的非线性数字滤波器的构成参数进行估计。估计器的存在是可选的，这是因为系统也可以使用扬声器的标称参数进行操作。
使用数模转换器(DAC)将预失真信号转换为模拟信号，以及随后借助于放大器对该模拟信号进行放大。放大后的信号对扬声器进行驱动以产生音频输出信号。扬声器包括在封闭箱体中运行的动态直接辐射扬声器。放大后的信号也用作估计器输入。DSP由硬件(处理器)构成，该硬件执行加载在存储器上的合适软件，该软件可以由处理器读取以执行下文所述的数字信号处理操作。
第一数学模型：非线性目标滤波器(FT)
目标非线性数字滤波器接收输入的数字音频信号，将基于扬声器的参数模型的非线性滤波器应用于输入信号以产生滤波后的数字信号，以及最后输出具有期望的非线性特性的预失真信号，以便由下游部件接收和处理。非线性目标数字滤波器是使用如下文所描述的WDF系统实现的。非线性目标数字滤波器对音频信号施加期望的非线性特性(目标)，例如，防止换能器的过冲，从而增长换能器的使用寿命。
WDF的实现方式是基于构成连续时间域中扬声器模型的单端口元件的局部本构关系的，如下表所示，其中元件的命名参考图l中的a)。
从属生成器形成两个双端口元件。第一双端口元件是理想旋转器，该理想旋转器的旋转比等于Bl。在连续时间域中，可以写出它的本构关系
Vcm(t)＝Ims(t)Bl，Vme(t)＝Ie(t)Bl (1)，
其中，Vcm(t)代表电气域中的反电动力，并且Vme(t)代表机械域中的力。
第二双端口元件是变压比等于Sd的理想变压器。在连续时间域中，其本构关系为
Vma(t)＝Vout(t)Sd，Iam(t)＝Ims(t)Sd (2)，
其中，Vma(t)是机械域上由声学负载施加的反作用力，并且Iam(t)是声域中的体积速率。
在图3中示出整体系统到数值波。
这里描述的解决方案中，包含多端口元件的系统WDF的实现方式包括将相关发生器连接到3端口结点，如图4中的二叉连接树所示。结点的三个端口编号为1，2和3并且以三对基尔霍夫变量{v1，j1}{v2，j2}，{v3，j3}为特征。数值波域中对应的变量为
b1＝v1+Z1j1，a1＝v1-Z1j1 (3)，
b2＝v2+Z2j2，a2＝v2-Z2j2 (4)，
b3＝v3+Z3j3，a3＝v3-Z3j3 (5)，
其中，b1、b2和b3是入射波，并且a1、a2、a3是结点反射的波。结点的散射矩阵是用现有技术中已知的方法获得的，从而获得：
从而获得结点S1的散射矩阵：
结点S3的散射矩阵是：
结点S2的散射矩阵是：
结点的散射矩阵是：
鉴于上图所示的本构关系，扬声器模型的单端口元件可以被实现为如下表所示的数值波元件，其中，k表示离散时间，Ts表示采样周期，以及Fs＝Ts -1表示采样频率。
虽然下表示出了结点的数值波实现方式，其使用方程式(6)-(10)中定义的散射矩阵。
图4中所示的WDF实现方式允许实现直接计算流程，即，不使用迭代求解器的计算流程。计算流程包括三个阶段，这些阶段在离散时间k的每个瞬间重复。
1)直接扫描：从二叉连接树的叶子到根部。沿着计算路径，借助于前面介绍的散射关系对由线性元件反射的波进行计算；波通过结点传播到非线性元件。
2)在二叉连接树的根部处的局部非线性散射。给定在阶段1中计算的入射波，使用非线性元件的本构关系来计算反射波。
3)逆向扫描：从二叉连接树的根部到叶子。沿着计算路径，波通过结点传播直到线性元件；使用前面介绍的散射关系对入射到线性元件的波进行计算。
输出信号和状态信号
通过如上所述的计算流程计算的入射波和反射波来计算状态和输出信号。
输入信号由变量v1表示。在离散时间域中，类似于线圈位移的信号可以被估计为
其中，ξx≤1被赦免(oblivion)，其作用是抑制积分器在每个样本处的截断误差，以免累积。信号Ims[k]被计算为：
相当于由换能器产生的压力的输出信号Vout[k]被估计为
时变参数
扬声器模型的一些参数不是时变的，而是取决于相当于换能器中的线圈的物理位移的x(t)信号。具体而言，参数Bl、Kms和Le是信号x(t)的非线性函数。在已知技术中，这些函数被建模为多项式。
这方面是有问题的，因为如果偏移x(t)超过多项式表示的有效性的区间
基于多项式模型的外推可能导致对参数Bl、Kms和Le的不切实际的评估。出于这个原因，在本文的解决方案中，使用在信号x(t)的整个域中最接近非线性函数Bl(x)、Kms(x)和Le(x)的函数。函数Bl(x)被建模为高斯型函数，Le(x)函数被建模为S(sigmoid)型函数，Kms(x)函数被建模为指数函数的线性组合。非线性力因子通过评估中的函数Bl(x)而用每个样本进行更新。在非线性和时变电感Le的情况下，建议的数值波实现为
其中，L′e[k]表示Le(x(t))的数值导数。
考虑到时变非线性刚度，提出的数值实现是
其中，K′ms[k]是Kms(x(t))的数值导数
第二种数学模型：逆变非线性滤波器(FI)
逆变非线性数字滤波器在其输入处接收目标非线性数字滤波器的输出，基于扬声器的参数模型应用逆变非线性滤波器以产生滤波后的数字信号，并输出具有所期望的非线性特性的预失真信号，从而对换能器的非线性特性进行补偿，以便由系统的其他部件接收和处理。逆变非线性数字滤波器是使用下文所描述的数字波系统实现的。逆变非线性数字滤波器的参数由稍后描述的估计器块接收。优选地，逆变之前模型的结构与第一模型的结构相同，只是添加了空值，如下面更详细地解释的。相反，第二模型的参数与第一模型的参数适当不同，以适应扬声器(例如，换能器)的构造特性。
所提出的发明通过操纵图1中所示的扬声器的等效电路来实现逆变系统。这种操纵(如下文所述)允许创建任何电路的逆变。
如图1中的a)所示，换能过程的等效电路可以通过在电阻器Ral的末端添加被称为零器的理论电路元件来操纵，以获得图5中描绘的电路。零器被定义为双门理论电路元件，该双门理论电路元件包括一系列泛器(用两个连续的圆圈示出)和零器(用椭圆示出)。零器是由零电流穿过的理论上的电路元件并且在零器的两端部处具有零电压，而泛器是任意电流穿过并且在泛器两端部处具有任意电压。因此，无效的特征在于以下构成关系：
考虑到零器的特性，可以观察到图1中的a)和图5的电路是等效的。
为了获得逆变电路，参考图5，允许将Vin计算为Vout的函数，图5的电路通过用电压受控的电压发生器替换泛器以及用泛器替换源发生器来进一步操纵，以获得图6的电路。此外，在图6的电路中，在泛器上并联添加电阻，并且在零器上串联添加电阻；由于泛器和零器的电路特性，观察到添加电阻器不会改变电路的行为。
图5和图6中的电路具有相同的拓扑结构，因此可以通过相同的状态函数f(x，u，y)和相同的输出函数g(x，u，y)来描述它们，其中x代表状态，u代表输入信号，以及y代表输出信号。通过用波浪号(tilde)标记对应于图6电路的信号，并且假设图5和图6的电路允许单一解，则对于每个实值x和x_tilde状态，表示图5的电路的输出方程g(x，u，y)＝0具有唯一解y＝h(x，u)，表示图6的电路的输出方程g(x_tilde，u_tilde，y)＝0具有唯一解u_tilde＝h^(-1)(x_tilde，y)。因此，如果初始状态一致，例如x(0)＝x_tilde(0)，则u＝u_tilde，即，图6电路实现了图5电路的逆变。
这个结果在如下的文献中是已知的，C.f.r.A.Leuciuc，“The realization ofinverse system for circuits containing nullors with applications in chaossynchronization(含零器的电路逆变系统的实现及其在混沌同步中的应用)”，Int.J.Circ.Theor.Appl.，26，1-12(1998)。
图7通过二叉连接树示出了逆变系统的WDF反应。逆变系统的单门元件的特征在于上一节中已经描述的相同散射关系以及结点。
在这种情况下(考虑到不同的拓扑结构)，结点的散射矩阵具有五个门，该结点的散射矩阵被定义为：
输出信号和状态信号
状态信号和输出信号是根据由如上所述计算流程计算的入射波和反射波计算的。
输入信号由变量v3表示。等效于取消其非线性行为的换能器输入电压的输出信号Vout[k]是Vout[k]＝v1。
估计器
众所周知，描述换能器的行为的参数根据进入换能器的电能随时间变化。具体地，对变化最敏感的参数是电阻Re和Kms值(x＝0)，它们描述了换能器悬架静止时的刚度。估计器负责推断这两个参数根据时间的变化，使用输入到换能器的电压Ve(t)和电流Ie(t)作为输入信号。
Re(t)和Kms(x＝0，t)的估计由以下算法执行。
1.Re的估计。考虑估计R^e和估计R^e±δR的两个扰动。使用非线性目标数字滤波器用于预测进入换能器的电流。将三个估计电流与测量电流进行比较。对返回测量电流与估计电流之间的最小误差的电阻值进行选择。
2.Kms(0)的估计。考虑K^ms(0)估计和K^ms(0)±δK估计的两个扰动。使用非线性目标数字滤波器用于预测进入换能器的电流。将三个估计电流与测量电流进行比较。对给出测量电流与估计电流之间的最小误差的刚度值进行选择。
系统的剩余部分
具有期望的非线性特性的预失真信号，补偿换能器的非线性特性且并调整参数Re和Kms(x＝0)，通过数字/模拟转换器转换为模拟域，以及然后用音频放大器进行放大。放大后的信号构成换能器输入，该换能器输入允许获得期望的声学输出。放大后的信号也用作来自估计器的输入。
最后，很明显，在不脱离所附权利要求书所限定的保护范围的情况下，可以对这里描述和说明的方法进行改变或变化。
Claims (7)
1.一种用于对扬声器进行控制的方法，所述扬声器具有机电力换能器和隔膜，所述方法包括以下步骤：
-提供非线性模型(FT)，所述非线性模型(FT)被配置成将一个或更多个期望条件应用于扬声器输入数字音频信号；
-提供所述力换能器的逆变非线性机电(FI)模型，所述逆变非线性机电(FI)模型被配置成接收由所述非线性模型处理过的信号并且对换能器线圈的至少一个机械和/或电气和/或机电的非线性进行补偿，优选地，对换能器线圈的至少一个机械和/或电气和/或机电的非线性进行线性化，
-将所述机电模型的数字输出信号转换为用于所述力换能器的模拟信号，
其中，所述输出信号包括表示所述换能器的位移的电压信号，从而通过所述换能器对所述隔膜的作用而发出声音，并且至少所述非线性机电逆变模型是数字波滤波器(WDF)模型以用于提供所述换能器的输入信号的可直接计算函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，从包括零器的直接机电模型开始获得所述逆变模型。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述期望条件是以下各者中的至少一者：所述力换能器的期望的频率响应条件、和/或取决于所述力换能器的期望偏移的力因子、和/或取决于所述力换能器的期望偏移的机械刚度、和/或取决于所述力换能器的期望偏移的电感。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述非线性机电模型包括所述扬声器的属于电气域的参数，例如，所述扬声器的属于电气域的参数为所述换能器线圈的至少电阻和阻抗；并且所述非线性机电模型包括所述扬声器的属于机械域的参数，例如，所述扬声器的属于机械域的参数为至少一个弹性参数，所述至少一个弹性参数诸如为所述换能器的刚度和运动质量，所述电气域和所述机械域通过基于第一电流受控的电压发生器和第二电流受控的电压发生器的第一转换因子关联，以将应用于所述运动质量的电磁力与由质量的运动在线圈中生成的反电动力进行关联。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述机电模型包括声域的至少一个参数，例如，所述声域的至少一个参数为至少一个声阻抗，所述声域经由第二转换因子与所述电气域和机械域相关联，所述第二转换因子将由所述隔膜生成的压力的声波与由所述换能器施加于所述隔膜上的力进行关联。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二转换因子是基于电压受控的电压发生器和电流受控的电流发生器。
7.一种电子控制单元，所述电子控制单元用于具有机电力换能器和隔膜的扬声器，所述电子控制单元被编程以进行下述操作：
运行非线性模型(FT)，所述非线性模型(FT)被配置成将一个或更多个期望条件应用于扬声器输入数字音频信号；
执行所述力换能器的非线性机电(FI)逆变模型，所述非线性机电(FI)逆变模型被配置成接收由所述非线性模型处理过的信号并且对换能器线圈的至少一个机械和/或电气和/或机电非线性进行线性化，
将所述机电模型的数字输出信号转换为用于所述力换能器的模拟信号，
其中，所述输出信号包括表示所述换能器的位移的电压信号，从而通过所述换能器对所述隔膜的作用而发出声音，并且至少所述非线性机电逆变模型是数字波滤波器(WDF)模型以用于提供所述换能器的输入信号的可直接计算函数。
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