识别和补偿机电换能器中的非线性振动的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及通过使用机电换能器将输入信号转换为输出信号并且减小所述 输出信号中的非线性总失真的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 本发明总体涉及识别非线性模型的参数的装置和方法，所述非线性模型描述了例 如在机电换能器和电声换能器中使用的机械结构的非线性振动。这种信息是用于识别非线 性的结构性原因、对那些换能器的传递行为进行线性化并且对电学、机械或声学输出信号 的非线性信号失真进行主动补偿的基础。
[0003] 扬声器和其他电声换能器使用振动膜、面板、壳（shell)和其他机械结构来产生 振动和声音。在低频率下，因为声音辐射表面的主要部分作为刚体而振动并且只有悬架 (例如，扬声器中支架和边沿）变形，可以通过包括集总元件在内的网络对换能器进行建 模。这种模型也可以考虑换能器的机械悬架和发动机固有的非线性，并且是如在Yeh，D.T.， Bank，B.Karjalainen，M. 2008年9月在Proceedingsof11thInt.ConferenceonDigital AudioEffects，pp.DAFxl-DAFx-8 的题为"NonlinearModelingofaGuitarLoudspeaker Cabinet"的出版物中和专利申请US2005/0031139所述的测量和控制应用的基础。专利申 请US2003/0142832使用非线性集总参数模型来研宄递归结构。
[0004] 在高频率下，机械结构产生高阶振动模式，所述高阶振动模式需要使用分布式参 数的更复杂建模。Yeh，D.T.的出版物和专利申请US2005/0175193使用线性系统（例如均 衡器）用于高阶模式的仿真和扬声器在小幅度下的传递行为的主动校正。然而，力和位移 之间的关系在较大幅度下成为非线性的，并且产生了附加的谱分量（谐波和互调制失真）。 这些失真削弱了音频设备再现的声音质量以及主动降噪和回声抵消的性能。
[0005] 高阶模式的非线性振动和声音辐射可以通过解析模型或数值模型（BEM、FET)来 描述，其要求与机械部件中使用的几何形状和材料有关的详细信息。
[0006] N.Queagebeur和A.Chaigne在出版物"MechanicalResonancesandGeometrical NonlinearitiesinEleetrodynamicLoudspeakers''，JournalofAudioEng.Soc., Vol.56，No. 6(2008)，462-471中提出了卡曼（Karman)模型，以描述与较高提取级别有关的 机械系统。这种模型要求高阶模式的固有函数（振型）、固有频率和模型损耗因子，可以通 过对机械结构的表面移动进行扫描来确定上述内容。
[0007] 普通黑盒子模型已经用于描述非线性传递函数，而无须考虑信号失真的物理原 因。例如，文献US6687235使用Volterra膨胀用于回音补偿。文献US5148427、US8509125、 US2013/0216056、US6813311和US5329586代替地使用静态非线性元件而不使用存储器， 所述存储器可以实现为表、幂级数或非线性硬件部件。
【发明内容】
[0008] 本发明公开了一种装置和方法，通过改进结构设计或者通过对输入信号或输出信 号的逆非线性处理来补偿不期望的信号失真，来对机电换能器或电声换能器的传递信号进 行校正。本发明是基于使用分布参数的物理模型，所述分布参数考虑了高阶模式的非线性 激励、时变振型（timevariantmodeshape)对进入周围流体（例如空气）中的声音福射 的影响。
[0009] 本发明使用与主要非线性有关的物理信息来得出面向块的波模型，所述面向块的 博模型描述了非线性失真的产生以及向输出信号的传递。
[0010] 面向块的波模型在激活模式之间进行区分，所述激活模式激活非线性行为并且影 响传递模式，所述传递模式将输入信号U传递为输出信号P。由于在振动膜上分布的移动 质量的惯性，输入信号u与每一个m阶模式（0<m<M)之间的幅度响应|Qm(f)|具有低 通特征，并且以固有频率以上每倍频程12dB的斜率下降。相较于第一m阶模式而言固有频 率更低（fk<fj的第二k阶模式（m>k)通常产生更高的幅度|Qk(f) | >iQjf) |，并且 更大程度地激活固有非线性。为此原因，将对于位移有显著贡献的基模和其他低阶模式（0 <m<MD)看作是激活模式。
[0011] 可以将振动膜上的所有模式（〇 <m<M)看作是传递模式。不能激活非线性元件 的具有较低位移的高阶模式（m多MD)可以对于声压输出p(ra)的产生有贡献，因为位移的 二次导数（加速度）确定了声学辐射。
[0012] 通过相对于表示传递模式的多模态信号wm,n对表示激活模式的模态激活信号qm进 行非线性处理，对激活模式和传递模式之间的非线性相互作用进行建模。
[0013] 通过对至少一种激活模式加以表示的线性激活滤波器He,m来产生模态激活信号 qm。线性激活滤波器11_包括具有低通特征的传递函数Qm(f)，其中在两个极点产生无限脉 冲响应。
[0014] 可以通过使用网络模型队的集总参数P1来产生对具有最低固有频率的m= 0阶 的基模加以表示的模态激活信号q〇。网络模型队后面跟着面向块的波模型Nd的串联连接 是本发明的重要特征。
[0015] 通过使用线性多模态滤波器来产生多模态信号wm,n，所述线性多模态滤波器具有 对传递行为的非线性变化加以表示的传递函数Hs,m,n(s)。所述多模态滤波器具有宽带传递 特性，并且考虑了激励的时间变化、固有频率和m阶传递模式的振型（0<m<M)以及它们 对声音福射的影响。
[0016] 可以通过使用包括二次、三次和高阶子系统在内的多项式滤波器来实现多模态信 号《_和模态激活信号qm的非线性处理。每一个n次幂系统包含产生信号Bm,n=qm(Iri)的 静态非线性子系统，所述信号Bm,n=qm(Iri)是模态激活信号qm的（n_l)次幂。通过将信号 Bm,n= 与多模态信号相乘来产生源信号zm,n。源信号zm,n描述了在位置（例如周 围）以及在产生源信号的状态变量（例如机械张力）中的失真信号。
[0017] 经由后面的具有传递函数Hp,m,n(s)的后处理滤波器将源信号2_传递为虚失真贡 献Um,n，所述虚失真贡献um, n在换能器的输入处被添加至激励信号并且经由具有传递函数Htot(s)的附加线性滤波器被传递为输出信号p(ra) 〇
[0018] 激活滤波器、多模态传递滤波器和后处理器滤波器的自由参数赋予面向系统的波 模型Nd建模能力，以描述振动膜几何形状和材料性质、辐射条件、声学环境和其他未知过程 的影响。因此，可以将面向系统的波模型看作是灰度模型（greymodel)，所述灰度模型提供 足够的自由度来作为其他简要通用的方法（例如，volterra-系统），同时使用来自物理建 模的结构信息（例如，FEM，BEM)。本发明的特征在于面向系统的波模型Nd包括最小个数的 自由参数Pd，所述自由参数Pd可用于在机械和声学场景中进行解释，并且具有用于换能器 的研发、优化和质量控制的较高诊断值。
[0019] 可以在普通音频信号（例如，音乐）激励的同时通过自适应系统识别来确定波模 型Nd的所有自由参数Pd。在换能器端子处测量的电信号可以用于基于具有集总参数&的 网络模型队来识别最低阶m= 0的模态激活滤波器Hm> 0的高阶模态激活滤波器扎， m和所有多模态传递滤波器Hs,m,n以及后处理滤波器Hp,m,n的参数识别需要机械传感器或声 学传感器。
[0020] 波模型Nd可以用于在换能器输入信号中合成信号失真并且将全部传递行为线性 化，其中所述波模型主动地补偿由换能器产生的非线性失真。主动失真的减小可以改善在 使用麦克风信号P(rs)来识别非线性参数的远程通信应用中的回声抵消性能。
[0021] 换能器的声学输出的线性化需要在控制系统中对输入信号v进行非线性预处理 以及产生用于激励换能器的控制输出信号u。本发明提出的控制系统包括使用由物理建模 提供的先验信息而串联连接的两个子系统。第一子系统通过使用波模型Nd的结构和参数 来产生补偿失真vd，并且从输入信号v减去所述失真vd。将差信号v-vd提供给第二子系统 的输入，所述第二子系统基于网络模型队的信息产生失真vi，并且通过从第一子系统的输 出减去失真Vi产生控制输出信号U=V d-Vp
[0022] 本发明的这些和其他特征、益处和技术可行性的特征在于以下说明、详细描述和 权利要求。
【附图说明】
[0023]图1示出了基于恒定振型I的换能器的模态振动和声音辐射的非线性模型。
[0024] 图2示出了振动膜在平衡位置的几何形状（虚线）和针对10kHz下正弦激励的振 动膜最大正负位移（实线）。
[0025] 图3示出了通过产生音圈的-0.3mm负DC位移得到的振动膜几何形状（虚线）和 针对10kHz下正弦激励的振动膜最大正负位移（实线）。
[0026] 图4示出了通过产生音圈的0.3mm正DC位移得到的振动膜几何形状（虚线）和 针对10kHz下正弦激励的振动膜最大正负位移（实线）。
[0027] 图5示出了有效辐射面积Sd(xd。）根据音圈静态位移xd。的变化。
[0028] 图6示出了考虑振型变化的情况下的换能器的模态振动和声音辐射的非线 性模型。
[0029] 图7示出了模态位移相对于频率的幅度响应。
[0030] 图8示出了通过使用等价输入失真％和ud对换能器的模态振动和声音辐射进行 建模的非线性系统。
[0031] 图9示出了通过使用等价输入失真％和ud对换能器的模态振动和声音辐射进行 建模的修改后非线性模型系统。
[0032]图10示出了产生非线性等价输入失真ud的非线性系统Nd的实施例。