Linjärisering av mikrohögtalare genom adaptiv reglering

Abstract

Loudspeakers were invented over 150 years ago, but the loudspeakers used todayare still based on the same ideas. Traditionally, good sound quality has been obtainedby using expensive materials in the loudspeakers and by allowing themto be big. However, nowadays loudspeakers are wanted in applications such asmobile phones and tablets where size and weight are very limited and there is aconstant desire to decrease production costs. Special small loudspeakers, knownas micro loudspeakers, have been developed for this purpose but due to the severerestrictions in size and manufacturing costs, the sound quality in the microloudspeakers is relatively poor. One problem is that the nonlinearities of thesystem, present in any loudspeaker, become more evident in the case of microloudspeakers and cause noticeable distortion of the sound.This master’s thesis has been performed in cooperation with Opalum (formerlyActiwave), a company specializing in using digital signal processing to improvethe sound in loudspeakers with poor acoustic properties. The objective of thethesis is to investigate ways to increase the sound quality in micro loudspeakersby using nonlinear control. Focus has been on frequencies below the resonancefrequency since the distortion is more noticeable at low frequencies. First, a nonlinearmodel of the micro loudspeaker has been obtained using system identificationstrategies. The model describes the relationship between the voltage overthe voice-coil and the diaphragm displacement. Subsequently, input-output linearisationhas been used to design a controller for the system and the effect onthe distortion has been investigated through experiments. Two different modelstructures have been tested, a physical model based on the Thiele-Small modeland a black-box model with a Hammerstein-Wiener structure. In both cases, thenonlinearities were modelled as polynomials. The controller was then extendedwith an updating algorithm, making it adaptive.The efficiency of the controllers has been proved by experiments, where distortionwas decreased by up to 60 % compared to the case without control. The effectwas largest for low frequencies, around one third of the resonance frequency,but improvements were noted up to about two thirds of the resonance frequency,depending on the loudspeaker unit. The approach using a physical model andthat using a black-box model have shown similar results.Högtalaren uppfanns för över 150 år sedan men de högtalare som används idagbygger till stora delar på samma teknik. Högkvalitativt ljud har traditionellt uppnåttsgenom att ge högtalaren goda akustiska egenskaper genom att tillåta den attvara stor och tillverkad av dyra material. Utmaningen idag ligger i att högtalarefinns inbyggda i exempelvis mobiltelefoner, vilket innebär att de behöver görassmå, lätta och billiga att producera. För att möta dessa krav har kompromisserkrävts vilket gör att dessa små högtalare, kallade mikrohögtalare, har sämre ljudkvalitet.Ett problem är att de olinjäriteter som finns i alla högtalare blir extraframträdande i små högtalare vilket leder till distorsion och övertoner i ljudsignalen.Detta examensarbete är gjort i samarbete med Opalum (tidigare Actiwave), vilketär ett företag som specialiserar sig på att med hjälp av digital signalbehandlingförbättra ljudkvaliteten för högtalare med akustiskt dåliga egenskaper. Syftetmed examensarbetet har varit att minska distorsionen i en mikrohögtalaremed hjälp av olinjär reglering. Fokus har legat på den lägre delen av frekvensbandet,under resonansfrekvensen, eftersom det är där distorsionen är mest märkbar.Först har en olinjär modell av högtalaren tagits fram genom systemidentifiering.Modellen förklarar sambandet mellan spänningen över högtalarens talspole ochmembranets utslag. I ett nästa steg har en regulator designats utifrån modellenoch regulatorns effekt på distorsionen har utvärderats genom experiment. Två olikamodellstrukturer har undersökts, dels en fysikalisk modell baserad på Thiele-Smallmodellen och dels en svartlådemodell med Hammerstein-Wienerstruktur.I båda fallen har olinjäriteterna modellerats som polynom. Regulatorn har sedanutökats med en uppdateringsalgoritm som gör den adaptiv.Experiment har visat att regleringen bidrog till att minska distorsionen med upptill 60 % jämfört med då systemet kördes utan reglering. Effekten har varit störstför låga frekvenser, kring en tredjedel av resonsnsfrekvensen, men förbättringarhar kunnat ses upp till frekvenser kring två tredjedelar av resonansfrekvensen.Både metoden med en fysikalisk modellstruktur och med en svartlådestrukturhar visat likartade resultat