一種調製氣流聲源及無傳感器閉環調製方法
2023-09-23 21:33:30
專利名稱：一種調製氣流聲源及無傳感器閉環調製方法
技術領域：
本發明涉及聲換能器領域，具體涉及一種調製氣流聲源無傳感器閉環調製方法。
背景技術：
調製氣流聲源是一種通過激勵音圈振動而實現對高速氣流調製發聲的大功率高壓流體聲源。目前，現有技術調製氣流聲源調製方式採用開環調製和傳感器閉環調製兩種。調製氣流聲源開環調製方式即為音圈瞬時位移沒有實時反饋到音頻功放電路中去；調製氣流聲源傳感器閉環調製方式即為藉助位移傳感器把音圈瞬時位移實時反饋到功放驅動電路中去，實現氣路調製比精確控制。調製氣流聲源開環調製方式下，音圈運動位移幅度與音頻信號大小受高壓氣流擾動影響很大，無法準確控制高壓氣流調製比且音圈位移具有不確定性，最終導致調製噪聲加大，聲能轉換效率下降，所產生聲波的相位也具有很大的隨機性，無法實現強聲多陣元相干組陣。調製氣流聲源閉環調製方式可使音圈振動系統運動位移的幅值相位與音頻信號保持高度一致，從而實現氣路調製比精確控制，大幅降低調製氣流擾動噪聲，提升語音品質和聲壓級。在此基礎上，可實現多陣元強聲相干聚束。由於調製氣流換能器結構緊湊，音圈振動系統對音圈質量要求較高，很難實現傳感器安裝，且工作環境惡劣，傳感器閉環調製可靠性低、代價昂貴。
發明內容
鑑於上述現有技術所存在的問題，本發明要解決的問題是提供一種無需安裝傳感器，並且能夠實現調製氣流聲源閉環調製的方法。該方法可使音圈振動系統運動位移的幅值相位與音頻信號保持高度一致，能夠大幅降低調製氣流擾動噪聲，提升聲源發音品質和聲壓級。本發明的目的是通過以下技術方案實現的:一種調製氣流聲源無傳感器閉環調製方法，包括以下步驟:S1.在調製氣流聲源的初始音頻信號的基礎上疊加高頻檢測信號；S2.將疊加了高頻檢測信號的音頻信號作為輸入量，通過音頻功放，驅動音圈振動；S3.在所述音頻功放的輸出端串入電流檢測電阻，檢測線圈的電流信號；然後用精密差動放大電路對經過調製後的線圈電流信號進行採樣和線性放大，再通過帶通濾波器得到調製後的高頻檢測信號，所述帶通濾波器的中心頻率與所述高頻檢測信號的頻率相同；S4.對調製後的高頻檢測信號進行正交分解，得到其瞬時相位；根據音圈瞬時位移與瞬時相位之間的關聯模型，計算出對應的音圈瞬時位移；S5.利用步驟S4得到的音圈瞬時位移作為反饋量，對音圈位置進行閉環控制調節，實現調製氣流聲源的閉環調製。優選地，所述步驟SI中疊加的高頻檢測信號的頻率為所述調製氣流聲源的截止頻率的5 10倍。優選地，所述步驟SI中疊加的高頻檢測信號的頻率小於所述音頻功放的截止頻率。優選地，所述步驟S3中帶通濾波器的通帶寬度大於或等於所述調製氣流聲源的截止頻率。優選地，所述步驟S4中音圈瞬時位移與瞬時相位之間的關聯模型是通過建立數學模型，並在離線狀態下採用高精度檢測儀器測量實際位移進行修正所述數學模型得到。優選地，所述步驟S5中對音圈位置進行閉環控制調節採用PID算法或超前滯後校正網絡算法。本發明還提供一種調製氣流聲源，包括音圈、純鐵磁芯、音頻功放和閉環控制調節器，進一步，在調製氣流聲源初始音頻信號的基礎上疊加高頻檢測信號；將疊加了高頻檢測信號的音頻信號作為輸入量，通過音頻功放，驅動音圈振動；在所述音頻功放輸出端設置有電流檢測電阻，所述電流檢測電阻用於檢測音圈內線圈的電流信號；在所述音圈的輸出端依次設置精密差動放大電路、帶通濾波器和正交解調電路，所述精密差動放大電路對經過調製後的線圈電流信號進行採樣和線性放大，所述帶通濾波器用於提取調製後的高頻檢測信號，所述正交解調電路用於對所述調製後的高頻檢測信號進行正交分解，得到其瞬時相位；在所述正交解調電路後設置有處理器，所述處理器存儲有音圈瞬時位移與瞬時相位之間的關聯模型，用於根據經過所述正交解調電路得到的瞬時相位來輸出音圈的瞬時位移，最終通過所述閉環控制調節器實現閉環調製。優選地，所述高頻檢測信號的頻率為所述調製氣流聲源的截止頻率的5 10倍。優選地，所述高頻檢測信號的頻率小於所述音頻功放的截止頻率。優選地，所述帶通濾波器的通帶寬度應大於或等於所述調製氣流聲源的截止頻率。本發明取得的有益效果是:(I)無附加傳感器，無需破壞換能器結構完整性；(2)可靠性高，抗幹擾性強，適合在高溫、高壓、高溼度等環境下工作；(3)無附加傳感器，閉環調製成本低；(4)閉環調製下的調製氣流強聲源可大幅降低氣流擾動噪聲，提升發音品質和電聲轉換效率；(5)音頻信號相位具有可控性，在此基礎上可以實現多調製氣流聲源組陣相干聚束。
圖1為典型的調製氣流聲源結構示意圖；圖2為調製氣流聲源首圈振動系統調製原理不意圖；圖3為NASA研製的具有閉環調製功能的調製氣流聲源示意圖；圖4為調製氣流聲源音圈振動系統結構簡化示意圖5為本發明所述調製氣流聲源組成結構示意圖；圖6為本發明所述音圈瞬時位移檢測方法信號流圖；圖7為本發明所述高頻檢測信號與音頻信號之間的頻率隔離示意圖；圖8為本發明所述高頻檢測信號提取及正交解調電路原理圖；圖9為本發明所調製氣流聲源閉環調製信號流圖。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施方式
對本發明所述的技術方案作進一步說明。圖1為典型的調製氣流聲源結構示意圖。圖2為調製氣流聲源音圈調製原理示意圖。圖1中，11為高速氣流進氣入口，12為調製氣流環縫，13為彈性元件，14為音圈內線圈，15為永磁體，16為音圈，17為氣流出口導流錐。圖2中，21為氣流出口導流錐，22為高速氣流進氣入口，23為調製氣流環縫，24為彈性元件，25為彈性元件支撐壁，26為音圈，27為音圈內繞制的線圈，28為永磁體，提供恆定磁場。工作時高壓氣體進入氣室，通過音頻信號控制音圈振動，使排縫結構氣路截面積發生變化，進而實現高速氣流調製，在出口產生壓力擾動，形成脈動聲源，並稱合號筒向外福射聲波。圖3為美國國家航空和宇宙航行局研製的一款具有閉環調製功能的氣流調製聲源示意圖。圖3中，301為高速氣流出口 ；302為紅外光源發射器，發射探測空外光束；303為永磁體，提供驅動音圈的恆定磁場；304為音圈；305為音圈內繞制的線圈；306為調製氣流環縫；307為高速氣流進氣入口 ；308為紅外光束接收器，通過檢測透過調製氣流環縫光束強度來計算音圈瞬時位移；309為閉環控制調節器，實現閉環調製；310為音頻信號源；311為音頻功放，驅動音圈振動系統，實現氣流調製。圖3給出的閉環調製方法採用紅外光束對音圈瞬時位移進行在線檢測，閉環調製精度受氣流擾動、氣體水霧等因素影響很大，且傳感器需要工作在高溫高壓高溼度環境下，可靠性較差。圖4為調製氣流聲源音圈振動系統結構簡化示意圖，其中41為高速氣流進氣入口 ；42為調製氣流環縫；43為首圈；44為首圈內繞制的線圈；45為永磁體；46為彈性兀件。永磁體45緊貼音圈內壁，音圈內繞制的線圈44周圍充滿了強磁場。當線圈44內有電流通過時，受垂直磁場方向上的洛倫茲力影響，線圈44將產生切割磁力線運動，同時帶動與之固連的音圈43產生相應運動，高速氣流環縫截面積發生變化，氣流被音頻調製，實現流體能向聲能轉換。整個運動過程複雜:線圈運動時切割磁力線，將產生反向電動勢，同時音圈位置I發生變化，線圈自感係數響應改變，其等效復阻抗也會隨之改變，線圈內的電流信號將產生電感調製效應。音圈內電流信號發生的電感調製效應與音圈瞬時位移有著某種特定的函數關係，通過建立理論模型和實驗數據擬核的方法可以獲得該函數的實際參數，這正是音圈瞬時位移檢測算法的理論依據。本發明所述調製氣流聲源的無傳感器閉環調製方法可通過圖5描述。採用疊加高頻檢測信號方式可以有效地避開音頻信號幹擾，音頻功放單元能夠對高頻檢測信號進行有效放大，避免被淹沒在噪聲中。同時頻帶的隔離有效地避開了音圈切割磁力線運動而產生的反向電動勢的幹擾，使高頻檢測信號的電感調製效應引發的相位變化能夠真實的反映出音圈瞬時位移的變化。通過對音圈內繞制線圈中電流信號進行採樣、放大、帶通濾波及正交解調電路等處理後，得到高頻檢測信號瞬時相位變化量信息，處理器根據音圈瞬時位移與瞬時相位關聯模型，可得到音圈瞬時位移，進一步可實現調製氣流聲源閉環調製。音圈瞬時位移與瞬時相位關聯模型可通過數學建模方式取得，模型具體參數可在在離線狀態下採用高精度檢測儀器(如雷射測距儀)等輔助工具獲得。下面結合圖6、圖7、圖8和圖9對本發明具體實施步驟做進一步詳細闡述。圖6所示為本發明所述音圈瞬時位移檢測方法信號流圖。步驟1: 利用調製氣流聲源音圈振動系統有限帶寬特性和線圈內電流信號的電感調製效應，在調製氣流聲源初始音頻信號S(t)的基礎上疊加高頻檢測信號H(t)。由於音頻信號為非平穩隨機信號，其頻率分量與幅值複雜多變，並且還受到線圈切割磁力線運動時產生的反向電動勢的幹擾，直接利用初始音頻信號的電感調製效應觀測音圈瞬時位移是困難的。考慮到音圈振動系統頻率具有有限帶寬特點則可以充分利用音圈振動系統的「剩餘」帶寬，通過在初始音頻信號內增加高頻信號來實現對音圈瞬時位移的觀測。圖6給出了高頻檢測信號與初始音頻信號之間的頻率隔離示意圖，圖中fs為調製氣流聲源的截止頻率，fm為高頻檢測信號的頻率，fg為音頻功放的截止頻率，疊加高頻檢測信號H(t)的頻率fm選擇在調製氣流聲源的截止頻率fs之外，通常fm取fs值的5 10倍為宜。同時，為了避免高頻檢測信號衰減嚴重，fm應選在音頻功放的截止頻率fg之內。例如，fs=1500Hz, fg=20000Hz時，可選擇^=15000 左右。三者之間關係為4〈〈乙〈匕。步驟2:將疊加了高頻檢測信號的音頻信號作為輸入量，通過音頻功放，驅動音圈振動。步驟3:在音頻功放輸出端串入電流檢測電阻，檢測線圈的電流信號；用精密差動放大電路對經過調製後的線圈電流信號進行採樣，併線性放大，之後，通過帶通濾波器得到調製後的高頻檢測信號M(t)。圖8為本發明所述高頻檢測信號提取及正交解調電路原理圖。為了減少音頻信號幹擾，帶通濾波器的中心頻率也為fm;同時為了避免音圈瞬時位移信息的完整性，帶通濾波器的通帶寬度應大於或等於fs。步驟4:首先，對調製後的高頻檢測信號M(t)進行正交分解，得到其瞬時相位爐幻。正交分解原理如下:設M(t)信號表達式為:M(t) = Asin (cot+Φ⑴)，ω為其角頻率，為已知量。分別取參考信號-sin (cot)、cos (cot)與M(t)相乘，即:
權利要求
1.一種調製氣流聲源無傳感器閉環調製方法，其特徵在於包括以下步驟:調製氣流聲源的初始音頻信號的基礎上疊加高頻檢測信號；疊加了高頻檢測信號的音頻信號作為輸入量，通過音頻功放，驅動音圈振動；所述音頻功放的輸出端串入電流檢測電阻，檢測線圈的電流信號；然後用精密差動放大電路對經過調製後的線圈電流信號進行採樣和線性放大，再通過帶通濾波器得到調製後的高頻檢測信號，所述帶通濾波器的中心頻率與所述高頻檢測信號的頻率相同；調製後的高頻檢測信號進行正交分解，得到其瞬時相位；根據音圈瞬時位移與瞬時相位之間的關聯模型，計算出對應的音圈瞬時位移；用步驟S4得到的瞬時位移作為反饋量，對音圈位置進行閉環控制調節，實現調製氣流聲源的閉環調製。
2.根據權利要求1所述的調製氣流聲源無傳感器閉環調製方法，其特徵在於:所述步驟SI中疊加的高頻檢測信號的頻率為所述調製氣流聲源的截止頻率的5 10倍。
3.根據權利要求2所述的調製氣流聲源無傳感器閉環調製方法，其特徵在於:所述步驟SI中疊加的高頻檢測信號的頻率小於所述音頻功放的截止頻率。
4.根據權利要求1至3之一所述的調製氣流聲源無傳感器閉環調製方法，其特徵在於:所述步驟S3中帶通濾波器的通帶寬度大於或等於所述調製氣流聲源的截止頻率。
5.根據權利要求4所述的調製氣流聲源無傳感器閉環調製方法，其特徵在於:所述步驟S4中音圈瞬時位移與瞬時相位之間的關聯模型是通過建立數學模型，並在離線狀態下採用高精度檢測儀器測量實際位移進行修正所述數學模型得到。
6.根據權利要求4所述的調製氣流聲源無傳感器閉環調製方法，其特徵在於:所述步驟S5中對音圈位置進行閉環控制調節採用PID算法或超前滯後校正網絡算法。
7.一種調製氣流聲源，包括音圈、純鐵磁芯、音頻功放和閉環控制調節器，其特徵在於:在調製氣流聲源初始音頻信號的基礎上疊加高頻檢測信號；將疊加了高頻檢測信號的音頻信號作為輸入量，通過音頻功放，驅動音圈振動；在所述音頻功放輸出端設置有電流檢測電阻，所述電流檢測電阻用於檢測音圈內線圈的電流信號；在所述音圈的輸出端依次設置精密差動放大電路、帶通濾波器和正交解調電路，所述精密差動放大電路對經過調製後的線圈電流信號進行採樣和線性放大，所述帶通濾波器用於提取調製後的高頻檢測信號，所述正交解調電路用於對所述調製後的高頻檢測信號進行正交分解，得到其瞬時相位；在所述正交解調電路後設置有處理器，所述處理器存儲有音圈瞬時位移與瞬時相位之間的關聯模型，用於根據經過所述正交解調電路得到的瞬時相位來輸出音圈的瞬時位移，最終通過所述閉環控制調節器實現閉環調製。
8.根據權利要求7所述的調製氣流聲源，其特徵在於:所述高頻檢測信號的頻率為所述調製氣流聲源的截止頻率的5 10倍。
9.根據權利要求7或8所述的調製氣流聲源，其特徵在於:所述高頻檢測信號的頻率小於所述音頻功放的截止頻率。
10.根據權利要求9所述的調製氣流聲源，其特徵在於:所述帶通濾波器的通帶寬度應大於或等於所述調製氣流聲源的截止頻率。
全文摘要
本發明涉及聲換能器領域，提供一種調製氣流聲源及其無傳感器閉環調製方法。所述方法包括將疊加了高頻檢測信號的音頻信號作為輸入量，通過音頻功放，驅動音圈振動；對經過調製後的線圈電流信號進行採樣、線性放大、濾波和正交分解，得到其瞬時相位；根據瞬時位移與瞬時相位之間的關聯模型，得到音圈瞬時位移，實現對音圈位置進行閉環控制調節。所述調製氣流聲源包括音圈、純鐵磁芯、音頻功放和閉環控制調節器、電流檢測電阻，以及精密差動放大電路、帶通濾波器和正交解調電路和處理器。本發明無附加傳感器，無需破壞換能器結構完整性，閉環調製成本低；可靠性高，抗幹擾性強，適合在高溫、高壓、高溼度等環境下工作。
文檔編號H04R3/00GK103108272SQ20131001033
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月11日 優先權日2013年1月11日
發明者孫海洋, 曾新吾, 龔昌超, 趙雲, 韓開鋒, 田章福, 蔡清裕 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學