CN102742300B - 扬声器输出的控制 - Google Patents

Abstract

一种对扬声器的频率相关输入电压偏移传递函数进行建模的方法，包括：针对多个测量频率测量电压和电流并且得出测量频率下的阻抗。得出频率相关阻抗函数。通过附加地使用针对扬声器的受阻碍电学阻抗和耦合系数，可以计算频率相关输入电压偏移传递函数。本发明提出了一种不是基于参数模型、而是基于针对一组频率分离地计算传递函数的建模方法。作为其结果，不要求与外壳(例如封闭或者带开口的盒子)有关的现有技术知识，并且可以处理外壳的复杂设计。

Description

扬声器输出的控制

技术领域

本发明涉及扬声器输出的控制。

背景技术

众所周知的是应该按照这样的方式控制扬声器的输出，使得并不是通过任意输入信号简单地驱动所述扬声器。例如，扬声器故障的一个重要原因是机械缺陷，当扬声器振膜位移超过一定限制时发生机械故障，所述限制通常由制造商来提供。超出这种位移限制或者会立即损坏扬声器，或者可以显著地减小扬声器的预期寿命。

存在几种方法来限制扬声器振膜的位移，例如通过利用可变截止滤波器(高通或者其他)处理输入信号，可以经由前馈或反馈控制回路控制其特性。将测量的控制信号称作位移预测器，并且这要求对扬声器特性的建模，使得可以响应于给定输入信号来预测位移。

诸如上述扬声器预测和扬声器输出线性化之类的电学动态扬声器建模的许多应用包括使用扬声器模型对振膜位移(也称作锥形位移(coneexcursion))进行预测的模块。该模型可以是线性的或者非线性的，并且通常具有允许物理解释的参数。

用于预测振膜位移的大多数方法是基于扬声器及其外壳的电学、机械和声学性质，并且这些方法对其中安装扬声器(安装在闭合或者带开口盒子中)的外壳进行了假设。

尽管其中安装扬声器的外壳通常根据设计是已知的，并非总是这样的情况：扬声器/外壳结构与涉及所期待的相对应。这可能是由于部件(例如扬声器机械质量、外壳体积)的容差，其与模型参数值中的变化相对应，但是不会影响扬声器模型的有效性(如果扬声器模型可以具有足够精度地预测扬声器的行为，将扬声器模型称作是“有效的”)。预期行为和实际行为之间的其他差异可能是由于在生产工艺中引入的或者由机械损伤(例如，将扬声器跌落到地板上，并且由于小的裂纹使得封闭的盒子变得有漏洞)引起的缺陷，其可以具有所述模型不再有效的结果。例如，如果使用封闭盒子模型，但是由于机械缺陷，扬声器变成有开口的盒子，封闭盒子模型不再有效。

当所述模型失效时，并且因此根据所述模型及其参数获得的扬声器传递函数失效时，振膜位移的预测不可能精确。

因此需要一种扬声器建模方法，其针对不同的或者变化的扬声器和/或外壳特征保持可靠。

发明内容

根据本发明，提出了一种如权利要求1所述的方法。

本发明提出了一种建模方法，所述建模方法不是基于参数模型，但是针对一组频率分离地计算传递函数。作为其结果，本发明并不要求与外壳(例如封闭的或者有开口的盒子)有关的现有技术知识，并且可以处理外壳的复杂设计。

因此，在一般情况下本发明的非参量模型是有效的。所述模型基于对于大多数扬声器/外壳组合有效的扬声器/外壳的基本性质。因此，当存在生产工艺中引起的或者由机械损坏引起的缺陷时(将影响参量模型的有效性)，所述模型保持有效。

另外，基于所提出的建模方法构建的控制方法(例如，用于损坏保护或者输出质量的控制)将具有较宽的可用性，因为所述建模不会进行与扬声器外壳有关的假设。

所述方法还可以包括：根据受阻碍的电学阻抗、耦合系数和频率相关阻抗函数来得出机械阻抗，并且其中根据阻抗函数和机械阻抗函数来计算频率相关输入电压偏移传递函数。

在一个实例中，所述机械阻抗是根据拉普拉斯等式得出的：

$Z_m\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{Z\left(s\right)-Z_e\left(s\right)}$

其中φ是耦合系数，Z(s)是阻抗函数，以及Z_e(s)是受阻碍的阻抗。

通过下式计算频率相关输入电压偏移传递函数：

$h_{\mathrm{vx}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{\frac{\mathrm{\φ}}{\mathrm{j\ω}}}{Z_m\left(\mathrm{j\ω}\right)Z\left(\mathrm{j\ω}\right)}$

其中Z_m(jω)是频率相关机械阻抗函数，以及Z(jω)是频率相关阻抗函数。

所述方法还可以包括：根据频率相关输入电压偏移传递函数来得出频率相关声学输出传递函数。例如，频率相关输入电压偏移传递函数通过防止太强烈地驱动扬声器，可以防止对于扬声器的损坏。例如，频率相关声学输出传递函数可以用于将扬声器输出线性化，或者提供对于来自扬声器的声学输出的其他控制。

优选地，所述耦合系数是恒定值。

本发明还提出了一种如权利要求7所述的扬声器控制系统。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：

图1A示出了通过本发明的方法执行的测量的电学阻抗；

图1B示出了通过本发明的建模方法得出的结果电压偏移传递函数；以及

图2示出了本发明的扬声器控制系统。

具体实施方式

本发明提出了一种建模方法，所述建模方法基于扬声器的电学阻抗的测量而不是复杂的基于参数的模型。除了测量的阻抗值之外，用于得出所述模型的参数仅仅扬声器的受阻碍电学阻抗和耦合系数。可以假设这些参数是恒定的，并且也可以假设这些参数与扬声器外壳的本性无关。因此，证明扬声器特性或外壳特性中的变化主要是测量的阻抗变化而不是对于假设为恒定的值的变化。因此，所述模型保持有效，并且可以利用新的阻抗测量进行更新。

可以在系统启动时、在固定的时间间隔之后、或者按照需要或者连续地执行阻抗测量。因此，如何调度阻抗测量的选择将依赖于应用。

在可听得见的频带内，作为不同频率下的一组离散(数字)测量获得了阻抗函数。所需的频率范围依赖于应用。例如，对于扬声器偏移保护，足以检查小于例如4000Hz的频率，同时扬声器线性化可以要求整个音频带宽(最高至20kHz)。

类似地，在感兴趣的频带内采样的频率个数将依赖于应用。阻抗函数的平滑量或者电压和电流信息的平均量依赖于电压和电流测量的信噪比。

由于Ze是恒定(电阻)值，通常可以通过忽略电感效应来简化受阻碍的电阻。可以将该值确定为是怎对非常低频率的阻抗值。替代的，也可以对电感部件进行估计。

当扬声器是已知结构(例如，不具有外壳的无限反射板)时，耦合系数估计要求从附加的传感器(例如，用于测量振膜位移的激光器)得出的信号。

用于估计或者测量这些参数的已知技术对于本领域普通技术人员而言是已知的。

受阻碍的阻抗将不再是优选恒定的，例如其随着温度改变。在下述模型中并没有考虑这种情况，但是可以在建模过程中重新估计所述受阻碍的阻抗。

对于电学动态扬声器的电压等式如下：

$v\left(t\right)=R_{e}i\left(t\right)+L_e\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\φ}\stackrel{\·}{x}\left(t\right),---\left(1\right)$

其中，Re和Le是当机械阻碍音圈时音圈的DC电阻和电感，φ是耦合系数或者BI积(假设恒定)，以及是振膜的速度。拉普拉斯变换产生：

v(s)＝Z_e(s)i(s)+φsx(s)，            (2)

其中Z_e(s)＝(R_e+L_es)是音圈的受阻碍电学阻抗。如果使用对于受阻碍电学阻抗的不同模式，Z_e(s)可以具有不同的函数形式。

存在许多用于估计受阻碍的电学阻抗的方法，并且这种估计不是所提出的本发明的一部分。例如，参考Leach，W等人2002年在J.AudioEng.Soc.50(6)的“Loudsperker voice-coil inductance losses：Circuit models，parameter estimation，and effect on frequencyresponse”以及Vanderkooy，J.在J.Audio Eng.Soc.37，119-128的“Amodel of loudspeaker driver impedance incorporating eddy currentsin the pole structure”。

耦合因子φ表示在锥形物上施加的洛伦兹力和输入电流之间的比率，使得：

φi(s)＝f(s)，                    (3)

将其称作力等式。将机械阻抗定义为力和速度之间的比率：

$Z_m\left(s\right)=\frac{f\left(s\right)}{\mathrm{sx}\left(s\right)},---\left(4\right)$

其中x(s)是振膜位移，由此可以将电压等式重写为：

$v\left(s\right)\stackrel{\left(2\right),\left(3\right),\left(4\right)}{=}{Z}_e\left(s\right)i\left(s\right)+\frac{{\mathrm{\φ}}^{2}i\left(s\right)}{Z_m\left(s\right)}---\left(5\right)$

传统的方法将使用针对机械阻抗的参量模型(例如，对于封闭盒子结构，单自由度机械振荡器)，所述参量模型对于具体的扬声器外壳是特定的。在模型参数方面，通过使得测量的电学阻抗和从模型获得的电学阻抗之间的差异量度最小化来获得模型参数。

锥形偏移预测将局限于针对模型有效的情况(例如，理想密封的外壳)，并且对于其他封装是不正确的(例如，由于生产或者机械损坏，并非理想密封的有开口盒子或者封闭盒子)。

可以对电压和力等式进行组合：

$v\left(s\right)\stackrel{\left(2\right)\left(3\right)}{=}{Z}_e\left(s\right)i\left(s\right)+\frac{{\mathrm{\φ}}^{2}i\left(s\right)}{Z_m\left(s\right)},$

据此可以得出机械阻抗为：

$Z_m\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{Z\left(s\right)-Z_e\left(s\right)},---\left(6\right)$

其中电学阻抗由Z(s)＝v(s)/i(s)表示。

等式(4)和(3)的组合产生了：

φ_i(s)＝Z_m(s)sx(s)                (7)

可以按照以下方式获得电压偏移传递函数h_vx：

$h_{\mathrm{vx}}\left(s\right)=\frac{x\left(s\right)}{v\left(s\right)}=\frac{x\left(s\right)}{i\left(s\right)}\·\frac{i\left(s\right)}{v\left(s\right)}---\left(8\right)$

$\stackrel{\left(7\right)}{=}\frac{\mathrm{\φ}}{s{Z}_m\left(s\right)}\·\frac{1}{Z\left(s\right)}---\left(9\right)$

本发明包括独立地针对每一个频率或者每一组频率的扬声器传递函的定义，而不使用参数模型。使用本发明，可以获得在一般情况下有效且精确的锥形偏移预测模块。使用所建议的本发明，也可以在一般情况下有效且精确的针对扬声器声学输出的预测模块。

通过在等式(9)中用jw(w是每秒的弧度)代替s而找到了(复数值)频域电压偏移传递函数：

$h_{\mathrm{vx}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{\frac{\mathrm{\φ}}{\mathrm{j\ω}}}{Z_m\left(\mathrm{j\ω}\right)Z\left(\mathrm{j\ω}\right)}---\left(10\right)$

当输入电压信号v(t)已知时为了预测锥形偏移，应该将电压信号与h_vx卷积。可以在频域执行这种操作，在这种情况下要求电压信号的频率变换；或者可以在时域执行，在这种情况下要求h_vx(jw)的逆频率变换。可以按照以下方式获得传递函数h_vx(jw)：

1.例如，通过测量一组频率下的电压和电流来估计电学阻抗函数，并且计算：

$Z\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{v\left(\mathrm{j\ω}\right)}{i\left(\mathrm{j\ω}\right)}$

2.估计受阻碍电学阻抗Ze

3.计算机械阻抗(等式(6))，其要求耦合系数φ的值是已知的(该值或者是已知的，或者可以进行估计)

4.使用等式(10)计算h_vx(jω)

图1A示出了阻抗曲线的两个实例，以及基于安装到封闭盒子(曲线10)和安装到具有与封闭盒子相同体积的有开口盒子(曲线12)中的扬声器两端的电压和流过其中的电流计算了所述阻抗曲线。在图1B中示出了已经使用本发明的方法计算的相应电压偏移传递函数10a、12a。

可以获得相应声学输出传递函数作为h_vx的二次导数，通过恒定因子进行缩放：

$h_{\mathrm{vp}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{S}_d}{2\mathrm{\πd}}{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^2{h}_{\mathrm{vx}}\left(\mathrm{j\ω}\right),---\left(11\right)$

其中ρ₀是空气密度，S_d是有效振膜辐射面积，以及d是扬声器和评估点之间的距离。这种传递函数假设了半平面辐射，并且忽略了由波传播引起的相位滞后(因此相位信息是不精确的)。这种传递函数可以用于扬声器声学响应的非参数线性化，例如得出对频率均匀的期待声学响应进行渲染的滤波操作，或者得出将期待的声学响应改变为一定的所需响应的滤波操作。

因此，本发明提出了一种针对给定输入电压预测振膜位移的方法。可以基于扬声器两端的电压和流过其中的电流来计算传递函数，并且在频域中针对每一个频率(或者频率集合)独立地计算传递函数。所述方法不要求扬声器的参数模型。

可以按照传统方式实现扬声器电压和电流的测量。例如，可以将旁路电阻器设置为与扬声器线圈串联。可以测量该电阻器两端的电压降以使得能够计算电流，并且也测量线圈两端的电压。

本发明可以用于扬声器保护和/或最大化算法。也可以用于按照非参数方式对扬声器的声学响应线性化，以使其在频率上均匀(以给出平坦的频率响应)或者使其尽可能接近所需频率响应，即不需要假设与外壳有关的知识。本发明也能够处理外壳的复杂设计，而不要求更复杂的模型。

以上给出的等式只表示对扬声器行为进行建模的一种方式。不同的分析方法是可能的，其进行不同的假设并且因此提供不同的函数。然而，替代的详细分析函数也在权利要求所限定的本发明范围内。

以上分析示出了机械阻抗函数的计算。然而，这只是中间计算产物，并且其用于解释物理模型。实践中，算法将处理测量的电流和电压值，并且将不需要明确地计算诸如机械阻抗函数之类的中间值。类似地，不需要将频率相关阻抗函数表现为是系统的输出，并且其也是中间计算资源。

图2示出了本发明的扬声器系统。数模转换器20准备模拟扬声器信号，通过放大器22对模拟扬声器信号进行放大。串联电阻器24用于在扬声器26的音圈路径中的电流感测。

通过处理器30监测电阻器24每一端上的电压，其实现了本发明的算法，从而得出了频率相关输入电压偏移传递函数以及可选地频率相关声学输出传递函数。这两个电压使得能够测量线圈两端的电流和电压(因为音圈的一侧接地)。

将得出的函数用于控制主处理器28中的音频处理，所述柱处理器驱动转换器20以便实现扬声器保护和/或声学信号处理(例如变平或者频率选择性滤波)。

可以将本发明的方法实现为软件算法，并且同样地本发明也提供一种包括适用于执行所述方法的计算机程序代码装置的计算机程序，并且可以在诸如存储器之类的计算机可读介质上实现所述计算机程序。

各种改进对于本领域普通技术人员是清楚明白的。

Claims (11)

1.一种控制扬声器输出的方法，包括：

通过以下步骤对扬声器的频率相关输入电压偏移传递函数进行建模：

针对多个测量频率，在所述测量频率下测量电压和电流并且得出阻抗，以及根据所述多个阻抗值得出频率相关阻抗函数；

估计、测量或者获得针对所述扬声器的受阻碍电学阻抗和耦合系数；以及

根据所述阻抗函数、受阻碍的电学阻抗和耦合系数来计算所述频率相关输入电压偏移传递函数；以及

使用所述频率相关输入电压偏移传递函数控制扬声器的音频处理，从而实现扬声器保护和/或声学信号处理。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括根据受阻碍的电学阻抗、耦合系数和频率相关阻抗函数得出机械阻抗函数，其中根据所述阻抗函数和所述机械阻抗函数来计算频率相关输入电压偏移传递函数。

3.根据权利要求2所述的方法，其中根据以下拉普拉斯等式得出所述机械阻抗函数：

$Z_m\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{Z\left(s\right)-Z_e\left(s\right)}$

其中φ是耦合系数，Z(s)是阻抗函数，以及Z_e(s)是受阻碍的电学阻抗。

4.根据权利要求3所述的方法，其中通过下式计算频率相关输入电压偏移传递函数：

$h_{\mathrm{VI}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{\frac{\mathrm{\φ}}{\mathrm{j\ω}}}{Z_m\left(\mathrm{j\ω}\right)Z\left(\mathrm{j\ω}\right)}$

其中Z_m(jω)是频率相关的机械阻抗函数，以及Z(jω)是频率相关阻抗函数。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括：根据频率相关输入电压偏移传递函数来得出频率依赖声学输出传递函数。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述耦合系数是恒定值。

7.一种扬声器控制系统，包括：

扬声器(26)；

传感器(30)，针对多个测量频率测量电压和电流；以及

处理器(28)，

其中所述处理器包括：

计算模块,用于针对每一个测量频率得出阻抗，以及根据多个阻抗值得出频率依赖阻抗函数；并根据扬声器的所述阻抗函数、受阻碍的电学阻抗和耦合系数来计算频率相关输入电压偏移传递函数；以及

处理模块,用于使用所述频率相关输入电压偏移传递函数来控制扬声器的音频处理，从而实现扬声器保护和/或声学信号处理。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述处理器(28)的计算模块还适用于：

根据受阻碍的电学阻抗、耦合系数和频率相关阻抗函数得出机械阻抗函数，其中所述处理器适用于根据所述阻抗函数和所述机械阻抗函数来计算频率相关输入电压偏移传递函数。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述处理器(28)的计算模块适用于根据以下拉普拉斯等式得出所述机械阻抗函数：

$Z_m\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{Z\left(s\right)-Z_e\left(s\right)}$

其中φ是耦合系数，Z(s)是阻抗函数，以及Z_e(s)是受阻碍的电学阻抗。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述处理器(28)的计算模块还适用于通过下式计算频率相关输入电压偏移传递函数：

$h_{\mathrm{VI}}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{\frac{\mathrm{\φ}}{\mathrm{j\ω}}}{Z_m\left(\mathrm{j\ω}\right)Z\left(\mathrm{j\ω}\right)}$

其中Zm(jω)是频率相关机械阻抗函数，以及Z(jω)是频率相关阻抗函数。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中所述处理器(28)的计算模块还用于根据频率相关输入电压偏移传递函数来得出频率相关声学输出传递函数。