CN104170404B - 音频系统、具有电‑声换能器的设备、测量装置及方法 - Google Patents

音频系统、具有电‑声换能器的设备、测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种音频系统包括：电‑声换能器(1)，具有从驱动电路(14)接收在音频频率范围内的音频信号(AS)的换能器连接(12，13)；以及测量装置(11)，用于测量电‑声换能器(1)的振动膜(3)的偏移，其中传感器信号源(16)在换能器连接(12，13)处提供传感器信号源(SS)，所述传感器信号具有超出音频频率范围并且在电‑声换能器的谐振频率范围内的传感器频率，并且测量装置(11)包括用于感测由于音频信号(AS)导致的振动膜(3)的偏移所引起的针对换能器连接(12，13)处传感器信号(SS)的电‑声换能器(1)的阻抗变化。

Description

音频系统、具有电-声换能器的设备、测量装置及方法
技术领域
本发明通常涉及一种音频系统，所述音频系统包括：具有换能器连接的电-声换能器，用于从驱动电路接收所考虑的音频频率范围中的音频信号；以及测量装置，用于测量电-声换能器的振动膜的偏移。
本发明还涉及一种用于测量电-声换能器的振动膜的偏移的方法。
背景技术
这样的音频系统例如用在移动电话中，针对移动电话的设备所考虑的音频通常是10Hz到20kHz。在这种移动应用中，组件的大小总是很重要的。这对于像麦克风和扬声器这种电-声换能器始终如此。后者处于不利地位，因为响度直接涉及扬声器内的移动空气量。仅当扬声器的全部部件被优化设计后，才能共同实现较高的声音等级需求以及较小的尺寸需求。
为了实现高声音等级要求，需要最大化移动空气量，并且需要最小化整个扬声器的底部空间。这导致振动膜的高偏移量，该振动膜的高偏移量导致对线性扬声器模型的降低的适配性。
基本以线性方式为扬声器建模的常用方法包括图1中所示的三部分：
·电气模型(包括电阻器Rconductor和音圈电感Zcoil)
·机械模型(包括移动的振动膜和音圈的质量MMS，弹簧CMS以及衰减组件)
·声学模型(包括声质量Ma，声顺Ca以及声阻Ra)
如果参数已知，该模型可以用于预测扬声器的行为。为了从扬声器中获得最大的声功率，所有部件需要适应热和机械压力。需要考虑由于驱动电路所导致的音圈温度和受振动膜设计限制或者更严重地受盆架(basket)或磁系统限制的偏移。可以考虑电气、机械以及声学 模型，估计主扬声器谐振频率。
在机械尺寸方面的扩展、生产过程等降低了扬声器的理论功率限制。为了扩大这种限制，过去发展了两种基本概念：
通过附加传感音圈的振动膜运动控制
如在专利US4,327,250中描述的那样，除音圈外，还将传感音圈安装在移动振动膜上，并且传感音圈提供关于振动膜速度的信息。该信息用在驱动电路中调整音频信号并限制振动膜的偏移。为了不仅跟踪速度，还跟踪振动膜的绝对位置，可以使用电容器原理获得振动膜的相对位置。
通过对运动建模的运动控制
这种方法复杂得多，因为它将线性或甚至非线性的模型适配于音圈电流和电压的在线测量中。该模型基于诸如磁通量B乘以音圈线的长度、音圈的已知质量以及静态电阻之类的静态参数。基于这些模型参数以及电流和电压的测量值，可以计算并因此控制偏移估计。
这两种基本概念的缺点
如专利US4,327,250中描述的，真实动作控制要求附加的传感机制(如，传感音圈和一个或两个附加的传感器换能器连接)以及除换能器连接外的该机制的布线，但是对于在包括应用了扬声器的声音情况的整个换能器链中的任何扩展是鲁棒的。
建模方式避免了扬声器的附加换能器连接，但是需要大量的数字信号处理能力并且结果仅与模型反映“真实世界”一样鲁棒。
发明内容
本发明的目的在于提供音频系统和针对这样的音频系统的测量装置，具有电-声换能器的设备，以及测量电-声换能器振动膜的偏移的方法，用于避免已知基本概念的缺点。
所述目的是采用音频系统实现的，所述音频系统还包括：传感器 信号源，用于在换能器连接处提供传感器信号，所述传感器信号具有超出所考虑的音频频率范围并且在电-声换能器的电气域谐振频率范围内的传感器频率；并且所述测量装置包括传感器电路，用于感测由于音频信号导致的振动膜的偏移所引起的针对换能器连接处传感器信号的电-声换能器的阻抗变化。
所述目的还通过执行以下步骤的方法实现：
在连接到电-声换能器的音圈的两个换能器连接处，应用具有超出所考虑的音频频率范围的扫频信号，以测量电-声换能器的电气域谐振频率。
以在电-声换能器所测量的电气域谐振频率之下或之上的频率偏移设置传感器信号的传感器频率；或者将传感器信号的传感器频率设置在电-声换能器所测量的电气域谐振频率上。
感测由于音圈处的音频信号导致的振动膜的偏移所引起的针对换能器连接处传感器信号的电-声换能器的阻抗变化。
这提供的好处是：不需要额外的换能器连接或者附加的传感音圈或者高数字信号处理能力，同时测量装置所感测的振动膜的偏移是在特定电-声换能器上鲁棒测量的结果。电-声换能器的几个参数可能由于在材料上或生产中的微小差异或由于随时间变化而不同。这种偏移测量使能调整音频信号的DC分量和其它参数，以使能特定电-声换能器的优化使用。
本发明的这些以及其他方面从下面描述的实施例中变得显而易见，并将参照下面描述的实施例进行阐述。本领域技术人员将理解，可以组合各个实施例。
附图说明
图1示出了扬声器建模的常用方法。
图2示出了扬声器的主要部件。
图3示出了根据本发明第一实施例的具有用于测量振动膜偏移的测量装置的音频系统。
图4示出了针对扫频信号以及超出所考虑的音频频率范围的传感 器信号的电-声换能器的阻抗曲线。
图5示出了振动膜的偏移与电压偏移信号的相关性。
图6示出了根据本发明第二实施例的具有用于测量振动膜偏移的测量装置的音频系统。
具体实施方式
图2示出了作为音频系统2的一部分的电-声换能器或扬声器1的主要部件。所述扬声器1包括具有连接音圈4的振动膜3。所述振动膜3还经由悬架6连接到扬声器1的底板5。扬声器1还包括装在容器或壳体8中的磁体7。音圈4伸入磁体7与壳体8之间的气隙9。
图3示出了根据本发明第一实施例的音频系统2的电路图，具有用于提供音频信号AS的驱动电路10和用于测量并且进而控制振动膜3的偏移的测量装置11。驱动电路10包括音频信号源14，所述音频信号源14具有电阻15并向扬声器1的两个换能器连接12和13提供音频信号AS。如果驱动电路10经由两个换能器连接12和13向音圈4提供通常为20Hz到20kHz的所考虑的音频信号范围内的音频信号AS，那么音圈4在气隙9内移动。结果，如图2上中下图所示，振动膜3移动到振动膜3的不同偏移E1、E2和E3。
需要指出，所考虑的音频信号范围取决于所使用的扬声器、以及容纳扬声器的特定设备所用于的应用。存在这样的应用，其中只有例如20Hz到100Hz或5kHz到20kHz的音频信号范围可以被认为与传输相关声音信息相关。
图3示出更加详尽的扬声器1的电气域的电气模型，其中音圈4的导线被建模为电感器、电阻器和电容的组合。扬声器阻抗ZLS的幅度显示由简化公式描述的特性形状，其中已经应用了串联连接RL和L的变换(来源：维基百科)
其中Rp表示导线的电阻，L为电感并且C为每匝和在本实施例中与换能器连接12电连接的壳体8的电容。这种设置导致扬声器1不具有在所考虑的音频频率范围内的电气域谐振频率RF，但是具有在假定微型扬声器的MHz范围内的电气域谐振频率RF。扬声器1的该电气域谐振频率RF是如图1中所示的模型中电气域中的谐振频率。因此，由于存在音圈电阻、接触电阻、均受到周围电动态活动组件影响的音圈电感和电容，电气域谐振频率RF受电气域所发现的组件影响。
测量装置11包括具有电阻17的传感器信号源16，用于在换能器连接12和13处提供传感器信号SS。图4示出了采用在换能器连接12和13处高于所考虑的音频频率范围的扫频信号的阻抗ZLS的阻抗曲线IC。阻抗曲线IC清楚地示出了扬声器1的电气域谐振频率RF。传感器信号SS具有超出所考虑的音频频率范围并在扬声器电气域谐振频率RF的范围R内的传感器频率SF。范围R可能已经开始接近超出所考虑的音频频率范围的末端，尽管阻抗ZLS在低频(像20kHz)的变化将会很小并且难于测量。在图4所示的实施例中，选择具有超出所测量的电气域谐振频率RF的频率几kHz的频率偏移FS的传感器频率SF。所述传感器频率SF被选择位于阻抗曲线IC的拐点内，这使能针对传感器信号SS的操作点OP周围的小偏斜的线性化19。
由于这里处理的是具有损耗的反谐振电路，振动膜的移动不仅由于改变的电感而改变电气域谐振频率RF，还改变反谐振电路的品质因数。将在阻抗的绝对值、相位响应以及电气域谐振频率RF中看出导致较低的谐振频率的这种改变。
测量装置11还包括传感器电路18，传感器电路18感测由于音圈4处的音频信号AS导致的振动膜3的偏移所引起的针对换能器连接12和13处的传感器信号SS的扬声器1的阻抗ZLS变化。音圈4的移动改变阻抗ZLS的电容和电感，这将导致扬声器1的不同阻抗曲线IC1和谐振频率RF1。针对具有传感器频率SF的传感器信号SS，阻抗曲线从IC到IC1的偏移导致操作点从OP到OP1的偏移。如下面将解释的，由传感器电路18感测到操作点OP的偏移。
测量装置11的传感器电路18经由两个电容C1和C2连接到两个换能器连接，以基本上阻止音频信号AS并令传感器信号SS通过。此外，驱动电路10经由测量装置11的两个电感L1和L2与两个换能器连接12和13相连，以基本上阻止传感器信号SS并令音频信号AS通过。结果，来自驱动电路10的音频信号AS将主要看到扬声器1，具有由于电感L1和L2导致的小的附加阻抗、但由于电容C1和C2导致的并行的相当高的阻抗。有利地，驱动电路10的音频信号AS将因此不受测量装置11的影响。
通过具有二极管D1和电容C3的AM解调实现根据第一实施例的测量装置11的传感器电路18，AM解调利用了在第二种实现方式中发现的电感元件L1。在音频频率范围内，传感器电路18仅通过其导线阻抗“可见”，对于更高频率，传感器电路18优选地在操作点OP和传感器频率SF处扬声器1的阻抗ZLS的相同范围内充当阻抗。扬声器1的阻抗ZLS的偏移导致扬声器1的电感L1与电感LS(Lvc_a和Lvc_b和Lvc_c和Lvc_d之和)之间的幅度变化。这导致与扬声器1的振动膜3的偏移相关的电压偏移信号VES。
电压偏移信号VES包括AC和DC分量，并且可以用于变换振动膜3的零位置(在换能器连接12和13处没有音频信号AS)或者测量扬声器1的偏移。也可以通过应用与应用程序匹配的与非对称声孔一起充当微型泵的正弦频率来进行补偿。扬声器1或麦克风的不同参数可以基于关于振动膜的实际偏移的知识进行调整。
音频系统1利用可以用于测量实际偏移并因此随着时间来测量振动膜3动作的模拟电路，来使能简单的偏移测量。基于具有任何时间的振动膜3的绝对位置的知识的测量，可以经由用于音圈4的直流来补偿振动膜3的位置偏移。对于特定的扬声器模型，可以找到具有大小V/mm的偏移因子，以得到偏移的真实机械测量。
音频系统1还使能运行启动程序。在启动程序期间，将测试信号应用于换能器连接12和13处，以测量针对换能器连接12和13处的传感器信号SS的振动膜4的偏移与扬声器1的阻抗ZLS变化之间的相关性。例如，如图5所示，这使能找到中间位置MP。例如，可以使用其频率接近于包括全部域(因为有电气、机械和声学域)的主扬声器谐振频率的正弦信号作为测试信号，其偏移最大，具有接近偏移最大值的幅度。对于微型扬声器，这种主谐振频率通常在500Hz到1kHz的范围内。
假设在扬声器1内部阻抗ZLS的L和C的参数在生产期间是稳定的，甚至可以在不启动程序的情况下测量扬声器1，以找到振动膜3的绝对位置。如果这些值易于变化过大，则启动程序使能找到偏移的中间位置MP以及最大和最小值。
在一个实施例中，设备(像移动电话)可以在第一次上电或者在每次上电时，向换能器连接12或13提供最大和最小音频信号AS作为测试信号，并使振动膜偏向最大和最小偏移值。这些位置的电压偏移信号VES等级可以被存储，并进而用作振动膜3的最大偏移的限制和最大音频信号AS的限制。
在第一实施例中，壳体8连接到换能器连接12。因为壳体8的电势固定，所以确保了鲁棒性。由于阻抗ZLS的变化主要受介电常数变化的影响，不必将壳体8与换能器连接12或13中的一个连接。
由于扬声器1在其谐振频率之外用作反谐振电路，与换能器连接12和13并行地添加电容可以将扬声器1的电气域谐振频率RF拉到更低的频率。如果扬声器1的电气域谐振频率RF可以是例如10MHz，这样的100pF的附加电容将会将谐振频率降低为仅4MHz，如果出于任何系统集成原因，例如干扰不可接受线圈阻抗的主谐振频率，这会是有利的。
只要降级将要传输的所考虑的音频信号的感知信号质量不影响所考虑的音频频率范围，从电气域谐振频率RF到音频频率范围的变换也是可能的。因此可以在高音频频率(例如19kHz)感测到具有非常窄的上至200Hz的带宽的低音喇叭(subwoofer)。
图6示出了根据本发明第二实施例的具有组合的驱动器和用于测量振动膜3的偏移的测量装置20的音频系统19。在本实施例中，驱动电路21提供在所考虑的音频频率范围内的组合音频信号AS和在超出所考虑的音频频率范围的频率范围内的传感器信号SS。运算放大器被设计为充当阻抗变换器，以不影响扬声器1。
测量装置11和20处理一种用于测量扬声器1的振动膜3的偏移的方法，其中采用了以下步骤：
传感器信号源16在与扬声器1的音圈4连接的两个换能器连接12和13处，应用具有超出所考虑的音频频率范围的扫频信号，以测量扬声器1的电气域谐振频率RF。作为下一个步骤，测量装置11和20的传感器信号设置装置(在图中未示出)以在扬声器1所测量的电气域谐振频率RF之下或之上的频率偏移FS设置传感器信号SS的传感器频率SF。作为下一个步骤，传感器线路18感测由于音圈4处的音频信号AS导致的振动膜3的偏移所引起的针对换能器连接12和13处传感器信号SS的扬声器的阻抗变化。这种方法使能调整特定扬声器1的参数，以优化扬声器1的声音性能。
此外，有利地，连续地、或周期性地、或在包括扬声器1的设备每一次上电时、或在扬声器1的生产过程中、或在设备的生产过程中，感测由于在音圈4处的音频信号AS导致的振动膜3的偏移所引起的针对换能器连接12和13处的传感器信号SS的扬声器1的阻抗ZLS变化；并通过自适应滤波减小扬声器1的失真因子，来调整音频信号AS的DC分量或者限制针对特定频率范围的偏移。这种调整是通过音频信号调整装置实现的。
本申请的范围应当用以下方式理解：基于本领域技术人员的知识，也可以通过有源元件实现音频系统2和19的电气组件。这导致更好地利用音频频率范围并且受到传感器信号SS的较少影响的高质量滤波。
如果发现纯电气域驱动反谐振电路足够有损，则以所测量的电气域谐振频率RF设置传感器频率SF，弃用在所测量的电气域谐振频率RF以下或以上的偏移FS。在那种情况下，振动膜3的任何偏移导致传感器电路18所感测到的电气域谐振频率RF处的阻抗曲线IC的降低的最大值。
感测频率不限于一个特定的正弦信号，而是可以是具有超出所考虑的音频带宽的频率的任意数量的信号的混合。在多个感测信号的情况下，检测由于振动膜运动导致的阻抗变化的方法必须适用于这些多个信号。使用更多感测信号的好处是：由于阻抗变化在不同频率处的强相关性而导致增加SNR。
与扬声器1的振动膜3偏移相关的来自传感器电路18的电压偏移信号VES可以用作自适应滤波器的输入信号，用来过滤在所考虑的音频频率范围内的频率。这种自适应滤波器将会保证：针对在所考虑的音频频率范围内的所有频率，可以限制振动膜3的偏移，以提供具有低失真因子的高品质音频再现。

Claims (14)

1.一种音频系统，包括：电-声换能器，具有从驱动电路接收所考虑的音频频率范围内的音频信号的换能器连接；以及测量装置，用于测量电-声换能器的振动膜的偏移，其特征在于：所述音频系统还包括传感器信号源，用于在换能器连接处提供具有超出所考虑的音频频率范围并且在电-声换能器的电气域谐振频率范围内的一个或多个传感器频率的传感器信号；以及所述测量装置包括传感器电路，用于感测由于音频信号导致的振动膜的偏移所引起的针对换能器连接处传感器信号的电-声换能器的阻抗变化。
2.根据权利要求1所述的音频系统，其中
所述电-声换能器还包括：壳体，所述壳体容纳磁体和音圈，在磁体与壳体之间形成气隙，并且伸入气隙中的音圈附接振动膜；以及
所述壳体与换能器连接中的一个电连接。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的音频系统，其中
所述传感器电路经由所述测量装置的至少两个电容器与两个换能器连接相连接，以基本阻断音频信号并令传感器信号通过；以及
所述驱动电路经由所述测量装置的至少两个电感与两个换能器连接相连接，以基本阻断传感器信号并令音频信号通过。
4.根据前述权利要求1或2所述的音频系统，其中
所述测量装置包括传感器信号设置装置，设置用于当在换能器连接处提供所考虑的音频频率范围以上的扫频信号时，在第一步骤中测量电-声换能器的电气域谐振频率；以及设置用于在第二步骤中以在所测量的电气域谐振频率之下或之上的频率偏移设置传感器信号的传感器频率。
5.根据权利要求1或2所述的音频系统，其中
所述测量装置包括传感器信号设置装置，设置用于当在换能器连接处提供所考虑的音频频率范围以上的扫频信号时，在第一步骤中测量电-声换能器的电气域谐振频率；以及设置用于在第二步骤中将传感器信号的传感器频率设置在所测量的谐振频率上。
6.根据前述权利要求1或2所述的音频系统，其中
所述测量装置包括：音频信号调节装置，所述音频信号调节装置设置用于基于由传感器电路感测到的振动膜的偏移，调整驱动电路处的音频信号的DC分量。
7.根据前述权利要求1或2所述的音频系统，其中
通过调幅AM解调器和来自于传感器电路的电压偏移信号来设置所述传感器电路，所述电压偏移信号具有与振动膜的偏移相关的电压幅度作为输入信号。
8.根据权利要求1或2所述的音频系统，其中
所述驱动电路向换能器连接提供组合的音频信号和传感器信号，和/或所述传感器电路包括运算放大器，用于充当阻抗变换器以不影响所述电-声换能器。
9.一种测量装置，用于测量电-声换能器的振动膜的偏移，所述电-声换能器具有从驱动电路接收所考虑的音频频率范围内的音频信号的换能器连接，其特征在于：
所述测量装置包括传感器信号源，所述传感器信号源用于在换能器连接处提供具有超出所考虑的音频信号范围并且在电-声换能器的电气域谐振频率范围内的传感器频率的传感器信号；以及
所述测量装置还包括传感器电路，所述传感器电路用于感测针对换能器连接处传感器信号的电-声换能器的阻抗变化。
10.一种具有电-声换能器的设备，其特征在于，所述设备包括根据权利要求1到8中的任一项所述的音频系统。
11.一种用于测量电-声换能器的振动膜的偏移的方法，其特征在于以下步骤：
在与电-声换能器的音圈连接的两个换能器连接处，应用具有超出所考虑的音频频率范围的频率的扫频信号，以测量电-声换能器的电气域谐振频率；
以在所测量的电-声换能器的电气域谐振频率之下或之上的频率偏移设置传感器信号的传感器频率，或者将传感器信号的传感器频率设置在所测量的电-声换能器的电气域谐振频率上；
感测由于音圈处的音频信号导致的振动膜的偏移所引起的针对换能器连接处传感器信号的电-声换能器的阻抗变化。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于以下附加步骤：
将电-声换能器的主扬声器谐振频率范围内的测试信号应用于换能器连接，以测量振动膜的偏移与针对换能器连接处传感器信号的电-声换能器阻抗变化的相关性。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于以下附加步骤：
将电-声换能器的主扬声器谐振频率范围内的测试信号应用于换能器连接处，以测量所应用的测试信号与针对换能器连接处的传感器信号的电-声换能器阻抗变化的相关性。
14.根据权利要求11到13中的任一项所述的方法，其特征在于以下附加步骤：
连续地、或周期性地、或在包括电-声换能器的设备每一次上电时、或在电-声换能器的生产过程中、或在所述设备的生产过程中，感测由于音圈处的音频信号导致的振动膜的偏移所引起的针对换能器连接处传感器信号的电-声换能器的阻抗变化；并调整音频信号的DC分量或对特定频带的音频信号进行滤波，以减小电-声换能器的失真。
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