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我国的扬声器出口量约占国际市场的60%,是扬声器制造第一大国。然而扬声器的产品研发和质量检测实力仍落后于欧美国家。在扬声器的设计与制造过程中,往往只测量灵敏度、极性和总谐波失真等少数几个声电指标。这些指标能够反映扬声器的故障症状,但难以用于故障的定量分析。另一方面,液晶电视、便携电脑和手机等电子产品的设计趋于轻薄,留给扬声器的空间减小,导致扬声器更多地工作在非线性状态而产生更多的非线性失真,使扬声器音质下降。通过数字信号处理技术分析扬声器的物理特性、改善扬声器回放音质的技术是目前电声领域的研究热点之一。
立足于电声企业的需求,笔者调研了扬声器的失真类型、造成失真的原因及扬声器的模型,研究了扬声器参数的频域辨识方法。在此基础上,提出了一种无需振动传感器测量扬声器线性参数和非线性参数的方法,并应用于扬声器的常规非线性失真补偿器中。实验验证结果表明,使用本文提出的方法可近似辨识得到扬声器的线性和非线性参数,辨识的误差与激光辨识方法接近。将辨识方法应用于前馈型常规非线性失真补偿器,当激励信号幅度为4V时前馈型补偿器可以将声响应的低频谐波失真降低至约10%。
论文的主要内容有以下4个方面:
1)扬声器的失真及模型
介绍扬声器的失真分类及成因,并总结现有的扬声器模型,作为参数辨识的基础。
2)扬声器线性参数和非线性参数辨识
扬声器的参数辨识分为线性参数辨识和非线性参数辨识,非线性参数辨识的工作建立于性参数辨识之上。在线性参数辨识部分,通过归一化灵敏度分析了线性参数的辨识误差,基于非线性最小二乘拟合,给出了由阻抗曲线和位移响应辨识线性参数的方法。非线性参数辨识部分,在频域Volterra模型的基础上,给出了3种频域辨识非线性参数的方法,并使用灵敏度分析比较了不同方法的特点。将时域状态空间模型预测位移作为理论结果,考察了不同的非线性参数辨识方法的误差。其中根据电压驱动和电流驱动下Volterra核函数的关系提出的电流谐波响应辨识法无需使用声或振动传感器,具有更广泛的应用前景。
最后,给出了扬声器参数辨识在扬声器设计优化、故障检测上的应用。
3)常规非线性失真补偿
作为扬声器参数辨识的典型应用,本文给出了一种基于前馈补偿器的常规非线性失真补偿器。首先比较了基于Volterra逆滤波器的失真补偿器和反馈线性化补偿器。而后给出了反馈线性化补偿器中派生出的前馈补偿器的仿真结果和误差分析。通过误差分析得到了对补偿效果影响最大的参数,根据已有的环境对参数影响的结果,确定了补偿器中需要辨识的参数。
4)参数辨识及失真补偿实验
分为电声响应测量、线性参数辨识结果对比、常规非线性参数辨识和非线性失真补偿实验。将电声响应测量和线性参数辨识的结果与国外仪器结果进行了对比验证,并在搭建的实验平台上进行了常规非线性辨识及补偿实验。