CN102843633B - 扬声器输出的控制 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种控制扬声器输出的方法，包括：根据音圈电压和电流导出时间上的导纳函数。结合德尔塔函数、扬声器的力因子和阻挡电阻抗获得时间上的输入电压至偏移传递函数。时间上的输入电压至偏移传递函数用于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。本发明提供了一种不基于参数模型的建模和控制方法。因此，所述方法不需要与箱体(例如，封闭盒或开孔盒)相关的现有知识，并且可以解决的复杂的箱体设计。

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

公知应该控制扬声器的输出，使得该扬声器的输出不能简单地由任何输入信号来驱动。例如，扬声器失效的重要原因是当扬声器振动膜移位超出特定限制时出现的机械缺陷，该特定限制通常由制造商提供。超出该位移限制会立即损坏扬声器，或者能够极大地减少其期望使用寿命。

对于限制扬声器的振动膜的位移而言，存在若干方法，例如利用可变截止滤波器(高通或其它)处理输入信号，其中经由前馈或反馈控制回路控制所述可变截止滤波器的特性。测量的控制信号被称作位移预测器，以及这需要对扬声器特性建模，使得可以响应于给定输入信号预测位移。

诸如以上提及的扬声器保护和扬声器输出线性化之类的电动扬声器建模的许多应用包括一种模块，该模块使用扬声器的模型来预测振动膜位移，也被称作锥体偏移(coneexcursion)。这个模型可以是线性的或非线性的，并且通常具有允许物理解释的参数。

用于预测振动膜位移的大多数方法基于扬声器的电、机械和声学性质和扬声器箱体，以及这些方法作出了与安装有扬声器的箱体(例如，在封闭或开孔的盒中)相关的假定。

尽管通常根据设计知道安装有扬声器的箱体，但并非始终是扬声器/箱体配置与设计所期望的扬声器/箱体配置相对应的情况。这归因于部件的容限(例如，扬声器机械质量，箱体体积)，所述部件的容限与模型参数值方面的变化相对应，但是不影响扬声器模型的有效性(如果扬声器模型可以十分精确地预测扬声器的行为，则扬声器模型被称作“有效”)。期望行为与实际行为之间的其他差异可以归因于生产过程中引起的缺陷或者由机械损坏引起的缺陷(例如，扬声器掉到地上，以及封闭盒由于小裂缝而变成漏的)，这些缺陷可能导致模型不再有效。例如，如果使用封闭盒模型，但是扬声器由于机械缺陷而变成开孔盒，则封闭盒模型不再有效。

当模型无效时，并且因此根据模型获得的扬声器传递函数(例如，电压与位移函数)及其参数无效时，对振动膜位移的预测不可能精确。

因此，需要一种对于不同或变化的扬声器和/或箱体特性而言保持可靠的扬声器建模方法。

US4815585公开了一种用于在不使用额外机械和声学传感器的情况下校正扬声器的传递特性的自适应布置。

US2005/0031139公开了一种控制系统，用于具有位置反馈系统的音频再现系统，所述控制系统例如用于检测和测量音圈的倾斜(cant)。

发明内容

根据本发明，提供了在独立权利要求中限定的一种控制扬声器输出的方法及扬声器控制系统。

本发明提供了一种时域估计方法，其中在时域中估计电压与电流之间的传递函数(即，过渡函数)，并所述传递函数用于导出电压至偏移传递函数。电压至偏移(excursion)传递函数进而可以用于导出电压至声学输出传递函数。

时域估计方法存在若干优势。使用时域自适应滤波方法，可以随时间逐步调整模型，而没有陡变。与申请人最近还建议的频域方法(但是在该申请的申请日时还没有公开)相比，时域估计方法相比于频域方法对于噪声更鲁棒。

本发明无需与箱体(例如封闭盒或开孔盒)相关的现有知识，并且可以解决箱体的复杂设计。

因此，在一般情况下，本发明的控制方法中使用的非参数模型是有效的。非参数模型是基于扬声器/箱体的基本性质的，该基本性质对于大多数扬声器/箱体组合而言是有效的。因此，当存在生产过程所引起的缺陷或者影响参数模型的有效性的机械损坏所引起的缺陷时，非参数模型保持有效。

此外，所述控制方法具有更广泛的适用性，原因在于建模没有进行与扬声器箱体相关的假设。

可以通过下式计算离散时间输入电压至偏移传递函数h_vx[k]：

$h_{\mathrm{vx}}\left[k\right]=\frac{1}{\mathrm{\φ}}\left(\mathrm{\δ}\right[k]-R_{e}g[k\left]\right)*h_{\mathrm{int}}\left[k\right],---\left(19\right)$

其中，Φ是力因子，δ[k]是德尔塔函数，y[k]是导纳函数，Re是阻挡电阻抗，以及h_int[k]是积分函数。

可以在数字信号处理器的单元中容易地实现所有这些函数。

可以使用电压和电流信号作为输入的自适应滤波，来获得导纳函数。这同样是数字信号处理器的一部分。

所述方法还可以包括根据电压至偏移传递函数导出声学输出传递函数。

本发明的方法还可以被实现为计算机程序。

附图说明

现在将参考附图详细地描述本发明的示例，其中

图1用于说明本发明的方法实现的处理；

图2用于说明自适应滤波器的函数；以及

图3示出了本发明的扬声器控制系统。

具体实施方式

本发明提供了一种控制扬声器输出的方法，所述方法包括根据音圈电压和电流信号导出时间上的导纳函数(导纳函数是阻抗函数的倒数，使得可以导出任何一个，并且可通过简单运算互反函数而使两者互换)。结合德尔塔函数、扬声器的力因子和阻挡电阻抗，导出时间上的输入电压至偏移传递函数。时间上的输入电压至偏移传递函数用于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。

本发明提供了一种建模方法，所述建模方法是基于时间上的扬声器电阻抗/导纳的测量，而不是基于复杂的基于参数的模型。除了测量的阻抗/导纳值之外，用于导出模型的参数仅是扬声器的阻挡电阻抗以及力因子。可以假定这些参数是常数，并且还可以假定这些参数与扬声器箱体的属性无关。因此，扬声器特性或箱体特性的改变主要表现为测量的阻抗/导纳函数的改变，而非假定为常数的值的改变。因此，模型保持有效，并且可以利用当前阻抗/导纳函数更新模型。

为了说明本发明的方法，导出电压至偏移传递函数的分析形式，在此之后，示出了在时域中如何估计电压至偏移传递函数。

导出电压至偏移传递函数的表达式，作为导纳函数，Y(s)，该Y(s)是电阻抗传递函数Z(s)的逆。

电动扬声器的电压等式如下，该等式将扬声器音圈电压v(t)与音圈电流i(t)和振动膜速度相关：

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

其中，当音圈被机械阻挡时，Re和Le是音圈的DC电阻和电感，Φ是力因子或BI积(假定是常数)，以及是振动膜的速度。

拉普拉斯变换产生：

v(s)＝Z_e(s)i(s)+φsx(s)，(2)

其中，Ze(s)是音圈的阻挡电阻抗。力因子Φ代表了在锥体上施加的洛伦兹力与输入电流之间的比值：

φi(s)＝f(s).(3)

当扬声器处于已知配置(例如，无限障板，而无箱体)中时，对力因子的估计需要从附加传感器(例如，用于测量振动膜位移的激光器)导出的信号。

对于本领域技术人员而言，用于估计或测量这些参数的已知技术是公知的。

理想地，阻挡阻抗将不是常数，例如，阻挡阻抗随着温度而改变。在以下描述的模型中，这将不作考虑，但是可以在建模过程中重新估计阻挡阻抗。对于估计阻挡电阻抗而言，存在许多方法，以及阻挡电阻抗的估计不是所建议本发明的一部分。例如，参考Leach,W.,2002："Loudspeakervoice-coilinductancelosses:Circuitmodels,parameterestimation,andeffectonfrequencyresponse"J.AudioEng.Soc.50(6),442-450,和Vanderkooy,J.,1989："Amodelofloudspeakerdriverimpedanceincorporatingeddycurrentsinthepolestructure"J.AudioEng.Soc.37,119-128。

机械阻抗被定义为力与速度之比：

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

$\⇔\mathrm{sx}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\φi}\left(s\right)}{Z_m\left(s\right)}---\left(5\right)$

重新整理电压等式Eq.(2)，产生：

$Z\left(s\right)\stackrel{\left(5\right)}{=}{Z}_e\left(s\right)+\frac{\mathrm{\φ}}{i\left(s\right)}\frac{\mathrm{\φi}\left(s\right)}{Z_m\left(s\right)}---\left(6\right)$

$=Z_e\left(s\right)+\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{Z_m\left(s\right)},---\left(7\right)$

据此，导出机械阻抗的表达式：

$Z_m\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{Z\left(s\right)-Z_e\left(s\right)}---\left(8\right)$

从电压等式(Eq.(2))开始，可以导出电压至偏移传递函数的表达式：

$\frac{v\left(s\right)}{x\left(s\right)}=Z_e\left(s\right)\frac{i\left(s\right)}{x\left(s\right)}+\mathrm{\φs}---\left(9\right)$

$\stackrel{\left(4\right)}{=}\frac{Z_e\left(s\right)Z_m\left(s\right)s}{\mathrm{\φ}}+\mathrm{\φs},---\left(10\right)$

据此，导出拉普拉斯域电压至位移传递函数h_vx(s)：

$h_{\mathrm{vx}}\left(s\right)=\frac{x\left(s\right)}{v\left(s\right)}=\frac{\frac{\mathrm{\φ}}{s}}{Z_e\left(s\right)Z_m\left(s\right)+{\mathrm{\φ}}^2}---\left(11\right)$

可以重写拉普拉斯域传递函数：

$h_{\mathrm{vx}}\left(s\right)=\frac{\frac{\mathrm{\φ}}{s}}{Z_e\left(s\right)Z_m\left(s\right)+{\mathrm{\φ}}^2}---\left(12\right)$

$\stackrel{\left(8\right)}{=}\frac{\frac{\mathrm{\φ}}{s}}{Z_e\left(s\right)\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{Z\left(s\right)-Z_e\left(s\right)}+{\mathrm{\φ}}^2}---\left(13\right)$

$=\frac{(Z\left(s\right)-Z_e\left(s\right))\frac{\mathrm{\φ}}{s}}{{\mathrm{\φ}}^{2}Z\left(s\right)}---\left(14\right)$

$=\frac{(Z\left(s\right)-Z_e\left(s\right))\frac{1}{s}}{\mathrm{\φZ}\left(s\right)}---\left(15\right)$

$=(1-\frac{Z_e\left(s\right)}{Z\left(s\right)})\frac{1}{\mathrm{\φs}}---\left(16\right)$

如果现在假定阻挡电阻抗Ze(s)是纯电阻的(通常为微扬声器设置的)，即Ze(s)＝Re，电压至偏移传递函数可以被写为：

$h_{\mathrm{vx}}\left(s\right)=(1-R_{e}Y\left(s\right))\frac{1}{\mathrm{\φs}},---\left(17\right)$

其中，Y(s)＝Z(s)^-1是扬声器的导纳。该传递函数的时域等价物是如下：

其中，δ(t)是狄拉克(Dirac)脉冲，以及L^-1表示拉普拉斯逆变换。

等式(18)示出了电压至偏移传递函数可以被计算成积分器与从扬声器的导纳y(t)导出的线性滤波器的卷积。

在离散时间的情况下，可以容易地得到：

$h_{\mathrm{vx}}\left[k\right]=\frac{1}{\mathrm{\φ}}\left(\mathrm{\δ}\right[k]-R_{e}y[k\left]\right)*h_{\mathrm{int}}\left[t\right],---\left(19\right)$

其中，δ[k]是德尔塔函数，以及h_int[k]是由例如下式描述的(漏)积分器：

$h_{\mathrm{int}}\left(z\right)=\frac{1/f_s}{1-\mathrm{\γleak}{z}^{-1}},---\left(20\right)$

其中，γ_leak是积分器泄露因子(leakagefactor)，以及f_S是采样率。

现在，可以利用h_vx[k]对电压信号滤波，来导出振动膜位移。该滤波操作可以被分为两个滤波操作，一个利用：

$\frac{1}{\mathrm{\φ}}\left(\mathrm{\δ}\right[k]-R_{e}y[k\left]\right)$

以及一个利用h_int[k]。

在电压至偏移传递函数(Eq.(19))中，假设Φ和Re是已知的。根据下式，导纳y[k]可以被估计为电压与电流信号之间的线性传递函数：

y[k]*v[k]＝i[k].(21)

可以使用例如归一化最小均方方法(参见，例如，Haykin,2002-AdaptiveFilterTheory,4thEdition.PrenticeHall,UpperSaddleRiver,NJ)之类的公知自适应滤波理论，在时域中估计这种关系。

图1中示出了本发明的自适应方案的示意图。

虚线矩形10是系统中估计导纳函数y[k]的一部分。虚线矩形10调整滤波器12的系数，使得滤波器的输出与电流i[k]之间的差异e[k]，例如在最小二乘方面是最小的。

可选地，使自适应滤波器的系数在时间上平滑，并且将自适应滤波器的系数复制(图1中的虚线箭头14)到系统中用于计算振动膜位移的一部分。滤波器传递函数包括i[k]与v[k]之比，因而滤波器传递函数是导纳函数y[k]的模型。在电路的下部重复该函数y[k]。

下部是Eq.(19)的可能实现，并产生振动膜位移x[k]。

下部包括拷贝的导纳函数16、用于与阻挡电阻Re相乘的乘法器18、和用于加上由单元22产生的脉冲函数的加法器20。

按照这种方式，将导纳函数y[k]与阻挡电阻抗Re相乘，并从德尔塔函数δ[k]减去乘积。在框26中的积分器传递函数对结果进行处理之前，乘法器24该结果缩放了力因子Φ的倒数。

v[k]、i[k]和e[k]是数字化时间信号(例如，-1与1之间的16比特离散值)。如δ[k]和y[k]所示的可以被实现为长度N的脉冲响应(FIR滤波器)。

如h_int[k]所示的框是IIR滤波器，IIR滤波器的传递函数由Eq.(20)描述，并且由一组系数表征。

图2示出了频率相关阻抗函数(上方曲线)和相应导纳脉冲响应y[k](下方曲线)的示例。控制自适应滤波器，以收敛于导纳值。

可以导出相应声学输出传递函数，作为通过常数因子进行缩放的h_vx[k]的二阶导数。在拉普拉斯域中，这会产生：

$h_{\mathrm{vp}}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{S}_d}{2\mathrm{\πd}}{s}^2{h}_{\mathrm{vx}}\left(s\right),---\left(22\right)$

其中，ρ₀是空气的密度，S_d是有效振动膜辐射面积，以及d是扬声器与评估点之间的距离。该传递函数假想了半平面(half-plane)辐射，且忽略了波传播引起的相位滞后(因此，相位信息是不正确的)。

根据Eq.(19)，可以获得时域电压至声学输出传递函数：

$h_{\mathrm{vp}}\left[k\right]=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{S}_d}{2\mathrm{\πd\φ}}\left(\mathrm{\δ}\right[k]-R_{e}y[k\left]\right)*h_{\mathrm{diff}}\left[k\right],---\left(23\right)$

其中，h_diff[k]是由下式描述的时域微分器：

$h_{\mathrm{diff}}\left[z\right]=2f_s\frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}}---\left(24\right)$

传递函数(Eq.(23))可以用于扬声器的声学响应的非参数线性化，即导出使期望声学响应在频率上呈现均匀的滤波操作，或者导出将期望声学响应改变为特定期望响应的滤波操作。

因此，本发明提供了一种方法，用于针对给定输入电压预测振动膜位移。本发明使用以下方面：

-基于扬声器音圈两端的电压和流入扬声器音圈的电流的记录来计算传递函数，或者当在扬声器上播放声音时以在线的方式计算传递函数

-在时域中计算传递函数

-所述方法避免了对扬声器的参数模型的需求。

可以在扬声器保护和/或最大化算法方面使用本发明。本发明还可以用于按照非参数方式，即没有假定与箱体有关的知识的情况下，使扬声器的声学响应线性化，使得扬声器的声学响应在频率上均匀(平坦频率响应)，或者使扬声器的声学响应尽可能接近期望频率响应。所建议的发明还能够处理复杂的箱体设计(而无需更复杂的模型)。

本发明提供了一种用于针对给定输入电压预测振动膜位移的方法。基于扬声器音圈两端的电压和流入扬声器音圈的电流的记录来计算传递函数，或者使用这些信号以在线方式计算传递函数，并且在时域中计算传递函数。所述方法不需要扬声器的参数模型。

可以以常规方式实现对扬声器电压和电流的测量。例如，可以放置分流电阻器与扬声器线圈串联。测量分流电阻器两端的压降，以使得能够计算电流，并且还测量线圈两端的电压。

可以在扬声器保护和/或最大化算法中使用本发明。本发明还可以用于按照非参数方式，即没有假定与箱体有关的知识的情况下，使扬声器的声学响应线性化，使得扬声器的声学响应在频率上均匀(以给出平坦频率响应)，或者使扬声器的声学响应尽可能接近期望频率响应。本发明还能够处理复杂的箱体设计，而无需更复杂的模型。

以上给出的等式仅代表了对扬声器的行为进行建模的一种方式。进行不同假设的不同分析方法是可能的，因而提供了不同函数。然而，备选详细分析函数在所述发明要求保护的范围内。

以上分析示出了各种参数的计算。然而，一般而言，这些仅是中间计算产物，并用于说明物理模型。实践中，算法将处理测量的电流和电压值，并不需要明确地计算诸如导纳函数和输入电压至偏移传递函数之类的中间值，或者不需要呈现这些中间值，作为来自系统的输出。

图3示出了本发明的扬声器系统。数模转换器30准备模拟扬声器信号，放大器32放大所述模拟扬声器信号。串联电阻器34用于在扬声器36的音圈的路径中进行电流感测。

处理器40监控电阻器34的每端上的电压，所述处理器40实现了本发明的算法。

导出函数用于控制主处理器38中的音频处理，以实现扬声器保护和/或声学信号处理(比如，整平、或频率选择性滤波)，其中所述主处理器38驱动转换器30。

本发明的方法可以被实现为软件算法，因此，本发明还提供了一种包括计算机程序代码装置的计算机程序，所述计算机程序代码装置适于执行所述方法，以及可以在诸如存储器之类的计算机可读介质上实现计算机程序。

对于本领域技术人员而言，多种修改将是显而易见的。

Claims (7)

1.一种控制扬声器输出的方法，包括：

测量时间上的音圈电压和音圈电流，

其特征在于，所述方法包括：

导出时间上的导纳函数；

将时间上的导纳函数与德尔塔函数、扬声器的力因子和阻挡电阻抗相结合；以及

根据导纳函数、阻挡电阻抗和力因子计算时间上的输入电压至偏移传递函数；以及

使用时间上的输入电压至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；

其中，通过下式计算离散时间输入电压至偏移传递函数h_vx[k]：

$h_{vx}\[k\]=\frac{1}{\mathrm{\φ}}(\mathrm{\δ}\[k\]-R_{e}y\[k\])*h_{int}\[k\],---\left(19\right)$

其中，Φ是力因子，δ[k]是德尔塔函数，y[k]是导纳函数，Re是阻挡电阻抗，以及h_int[k]是积分器函数。

2.如权利要求1所述的方法，其中，使用电压和电流信号作为输入的自适应滤波，来获得导纳函数。

3.如权利要求1或2所述的方法，还包括：根据输入电压至偏移传递函数来导出声学输出传递函数。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，力因子是恒定值。

5.一种扬声器控制系统，包括：

扬声器(36)；

传感器(40)，用于测量音圈电压和音圈电流；以及

处理器(38)，

其特征在于，所述处理器适于：

测量时间上的音圈电压和音圈电流，以及导出时间上的导纳函数；

将时间上的导纳函数与德尔塔函数、扬声器的力因子和阻挡电阻抗相结合；以及

根据导纳函数、阻挡电阻抗和力因子计算时间上的输入电压至偏移传递函数；以及

使用时间上的输入电压至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；

其中，所述处理器(38)适于基于下式计算离散时间输入电压至偏移传递函数h_vx[k]：

$h_{vx}\[k\]=\frac{1}{\mathrm{\φ}}(\mathrm{\δ}\[k\]-R_{e}y\[k\])*h_{int}\[k\],---\left(19\right)$

其中，Φ是力因子，δ[k]是德尔塔函数，y[k]是导纳函数，Re是阻挡电阻抗，以及h_int[k]是积分器函数。

6.如权利要求5所述的系统，其中，所述处理器(38)适于使用电压和电流信号作为输入的自适应滤波，来获得导纳函数。

7.如权利要求5或6所述的系统，其中，所述处理器(38)适于根据输入电压至偏移传递函数来导出声学输出传递函数。