動圈式揚聲器單體非線性參數之估測法

Abstract

揚聲器的發聲原理是透過振膜推動空氣來造成聲壓，電子訊號在揚聲器內部的轉換過程有賴於揚聲器的機械構造與磁場設計間的交互作用，有此可知，對於訊號轉換的品質好壞於否決定在揚聲器本身的機械構造，但是在追求聲音品質的過程中，揚聲器的開發相當耗費時間與成本，因此我們希望在不改動揚聲器構造的情況下，藉由訊號補償的方式來調整，我們相信此舉能大幅提高聲音品質，同時降低揚聲器開發的困難。 本論文中將揚聲器的機械構造簡化成一個彈簧-質量-阻尼系統(spring-mass-damper system)，使用回饋線性化的方法對輸入訊號做補償，最後，以揚聲器的總諧波失真(total harmonic distortion)作為聲音品質好壞的依據，失真愈低則品質愈好，其中最關鍵的部分在於對揚聲器系統的模擬，系統模型中的參數尤其重要，早期研究中大多將其參數視為定值，此舉目的在方便研究的計算，但卻無法精確描述一些揚聲器單體的特性，因此本研究提出一個估測揚聲器非線性參數的方法；對於揚聲器的運動行為可以使用類比電路法進行描述，直接採用二階微分方程式作為數學模型的主軸，而模型的係數則由揚聲器各項重要參數所組成，通常數學模型的係數為定值，實測上發現揚聲器的聲壓或振模位移會出現非線性失真的表現，一般上認為是揚聲器的力量因子(force factor)和剛性(stiffness)隨位移變化所造成的影響，本研究採用模擬退火法(simulated annealing)利用揚聲器的實測聲壓與模擬聲壓反覆進行擬合，最佳化其實際的力量因子與剛性曲線，最後，輸入補償後的訊號進行分析，研究結果可以看出揚聲器的諧波失真確實有大幅度的下降，驗證了本研究所得力量因子與剛性曲線的可靠性。

In this paper, we propose a nonlinear parameter estimation method for moving-coil loudspeaker system. The performance of moving-coil loudspeaker can be described by using analogous circuits. Second-order deferential equation is a good pattern to mold system directly and some important parameters of moving-coil loudspeaker compose coefficients in this model. In general, those coefficients are constant. However, it is hard to solve equation with coefficient becomes complex. We usually consider that force factor and stiffness cause nonlinear distortion. Hence, we compare data which are calculated from model with data measured effectively. Then, the curve of force factor and stiffness can be estimated with simulated annealing finally. We compensate input signal with estimated nonlinear parameters. It works that reducing total harmonic distortion of real loudspeaker.