CN104640051B - 估计扬声器的振膜偏移的方法 - Google Patents

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Abstract

可以使用音频信号来执行估计电动扬声器的振膜偏移的方法。可以通过输出放大器将音频输出信号施加到电动扬声器的音圈以产生声音。可以将检测到的音圈电流和确定的音圈电压施加到具有多个自适应扬声器参数的线性自适应数字扬声器模型。自适应扬声器参数的参数值可以基于线性自适应数字扬声器模型来计算并且可以施加到电动扬声器的非线性状态空间模型。对于非线性状态空间模型，预定的非线性函数可以施加到多个接收的参数值中的至少一个以计算自适应扬声器参数的至少一个非线性补偿参数值，以确定振膜的瞬时偏移。

Description

估计扬声器的振膜偏移的方法
本发明涉及一种估计电动扬声器的振膜偏移的方法，该方法包括：接收音频输入信号的步骤；和基于所述接收的音频输入信号产生音频输出信号的步骤。该方法包括如下步骤：通过输出放大器施加音频输出信号到电动扬声器的音圈以产生声音；施加检测到的音圈电流和确定的音圈电压至包括多个自适应扬声器参数的线性自适应数字扬声器模型。该方法包括如下进一步的步骤：基于线性自适应数字扬声器模型计算多个相应的自适应扬声器参数的多个参数值；和施加多个参数值至电动扬声器的非线性状态空间模型。在非线性状态空间模型中，将表示扬声器参数与预定的扬声器变量之间的非线性关系的预定的非线性函数施加至所述多个接收的参数值中的至少一个的步骤计算至少一个自适应扬声器参数的至少一个非线性补偿参数值。将非线性补偿参数值和音频输入信号施加到电动扬声器的非线性状态空间模型，且基于音频输入信号和电动扬声器的非线性状态空间模型来确定振膜的瞬时偏移。
背景技术
本发明涉及一种估计电动扬声器的振膜偏移的方法。电动扬声器可以例如安装在便携式通信装置的大致声音密封的外壳或通风的外壳中。为了声音再现目的，电动扬声器可以被利用例如作为用于通过声耦合到用户的耳朵来产生声音的接收器，或作为用于播放记录的音乐或用于电信会议应用中的语音再现的扬声器。
在若干声音再现应用和装置中，为了保护电动扬声器免受机械损伤，精确地估计电动扬声器的振膜偏移或位移是具有重大意义。必须精确地估计振膜偏移以允许对振膜偏移的相应精确的控制。对振膜偏移的精确控制或限制对于避免振膜或组件在其最大偏移限制以上被驱动(可能在低估振膜偏移的情况下发生)是重要的。如果超过最大偏移限制，则可能对扬声器造成各种暂时或永久机械损伤，使得扬声器临时或永久不起作用。机械损伤可能由可移动扬声器部件(诸如，音圈、振膜或音圈骨架)与扬声器的固定部件(诸如，磁路)之间的碰撞引起。另一方面，如果高估振膜偏移并且因此瞬时偏移下被激活的偏移限制比讨论中的扬声器的最大偏移限制小得多，则扬声器的最大声压受到不适当的限制。
由于电动扬声器一般更确切地说是非线性装置(具体地，在高声压电平下，有大量复杂非线性关系)所以已经证明，通过各种基于预测模型的方法难以精确地估计振膜偏移。此外，电动扬声器的线性扬声器参数的参数值，诸如机械柔度和音圈电阻，也随时间和温度缓慢地但明显地变化，这导致在维持电动扬声器的准确模型上的进一步的挑战。
因此，将一个或多个扬声器参数的非线性属性和扬声器参数的缓慢时变属性都考虑进去，为精确地估计电动扬声器的振膜偏移提供相对简单的方法是具有重大意义和价值的。在制造包括电动扬声器的设备或装置期间，补偿一个或多个扬声器参数的非线性属性而无需电动扬声器的非线性的耗时且昂贵的个别特征化将是有利的。估计振膜偏移的方法应优选地避免复杂的计算以最小化实施振膜偏移估计方法的某些步骤的信号处理器的计算资源的费用。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种估计电动扬声器的振膜偏移的方法，该方法包括如下步骤：
接收音频输入信号并且基于所述接收的音频输入信号产生音频输出信号，
将所述音频输出信号通过输出放大器施加到电动扬声器的音圈以产生声音，
确定所述音圈上的音圈电压，
响应于所述音圈电压，检测音圈电流，
将所述检测到的音圈电流和所述确定的音圈电压施加至包括多个自适应扬声器参数的线性自适应数字扬声器模型，
基于线性自适应数字扬声器模型，计算所述多个相应的自适应扬声器参数的多个参数值，
施加所述多个参数值至所述电动扬声器的非线性状态空间模型，
在所述非线性状态空间模型中，将表示扬声器参数与预定的扬声器变量之间的非线性关系的预定的非线性函数施加至所述多个接收的参数值中的至少一个以计算至少一个自适应扬声器参数的至少一个非线性补偿参数值，
将所述音频输入信号施加至所述电动扬声器的非线性状态空间模型，
基于所述音频输入信号和所述电动扬声器的所述非线性状态空间模型确定所述振膜的瞬时偏移。
在非线性状态空间模型中使用表示扬声器参数与预定的扬声器变量之间的非线性关系的预定的非线性函数提高振膜偏移估计的精确度。因此，本方法允许对瞬时振膜偏移的精确控制或限制，避免对先前讨论的与低估和高估振膜偏移相关联的问题。
技术人员应理解，预定的非线性函数可以形成电动扬声器的非线性状态空间模型的不可或缺的部分或非线性函数在施加到扬声器的线性状态空间模型之前可以在独立预处理块或步骤中被计算。在第一实施方案中，预定的非线性函数可以被表达为非线性状态空间模型的(一个或多个)非线性方程。在第二实施方案中，在独立的预处理块或步骤中，预定的非线性函数可以连同瞬时振膜位移信号一起施加到至少一个自适应扬声器参数以计算至少一个非线性补偿参数值的值。随后可以将该至少一个非线性补偿参数值输入到电动扬声器的线性状态空间模型，如在下文中参照附图以附加细节所解释的。后一个实施方案减小与非线性状态空间模型的计算相关联的计算负载。
对音圈电压的检测可以通过直接测量例如通过耦接到音圈电压的A/D转换器或通过间接确定来完成，在间接确定的情况下，根据已知的例如数字表示的音频信号电平和输出放大器的已知DC供应电压来确定或估计音圈电压。
在正常运行期间施加到扬声器的音频输出信号可以包括从诸如收音机、CD播放器、网络播放器、MP3播放器的适当的音频源供应的语音和/或音乐。音频源也可以包括响应于传入的声音产生实时麦克风信号的麦克风。技术人员应明白，音频信号、音圈电压和音圈电流中的每一个可以由模拟信号表示为例如电压、电流、电荷等，或可替代地由数字信号表示，例如在适当的采样频率或速率和分辨率下以二进制格式编码的采样信号。输出放大器优选地包括开关或D类放大器，例如均具有大功率转换效率的脉冲密度调制(PDM)或脉冲宽度调制(PWM)输出放大器。这对于在电池供电的便携式通信装置中使用是特别有利的结构。在替代方案中，输出放大器可以包括像A类或AB类的传统非切换功率放大器拓扑结构。
本振膜偏移方法可以应用到各种应用中的宽范围的电动扬声器，诸如用于高保真度应用、汽车或公共地址应用的低频或宽带扬声器以及用于便携式通信装置和/或音乐播放器的微型电动扬声器。在后一种情况下，电动扬声器可以集成在移动电话或智能手机中并且安装在具有在0.5cm3与2.0cm3之间(诸如约1cm3)的容积的密封或通风外壳中。
根据估计振膜偏移的本方法的一个有利的实施方案，预定的非线性函数表示通过多个代表性的电动扬声器上的非线性关系测量确定的、至少一个扬声器参数与预定的扬声器变量之间的平均非线性关系。本发明人已经认识到，尽管多个线性或小信号扬声器参数的相应参数值随时间和温度的显著变化以及多个线性扬声器参数的相应参数值的大的样本到样本变化，但是至少一个扬声器参数与预定的扬声器变量之间的非线性关系是相对明确定义且时间不变关系。因此，通过使线性自适应数字扬声器模型的多个线性或小信号扬声器参数的相应的参数值自适应，跟踪这些参数随时间和温度的变化。此外，通过将预定的非线性函数施加到至少一个自适应扬声器参数的当前参数值，根据电动扬声器的精确线性模型来计算对电动扬声器的振膜偏移的非线性贡献。按照该方法，根据预定的非线性函数，至少一个非线性补偿参数值可以被计算为当前参数值的相对调整。
鉴于电动扬声器的大量复杂的非线性，可以选择各种扬声器变量作为预定的非线性函数的预定扬声器变量。自然地，预定的扬声器变量优选地包括为讨论中的扬声器参数的非线性行为做出重大贡献的变量。因此，预定的扬声器变量优选地包括振膜偏移或位移，使得预定的非线性函数表示电动扬声器的偏移依赖的非线性属性，因为振膜的位移通常在扬声器参数(诸如，力因子(B*1或B1乘积)、总机械柔度或刚度、音圈电感等)的非线性行为中起重要作用。可替代地，或此外，预定的扬声器变量可以包括音圈电流，因为该变量也是诸如力因子的某些扬声器参数的显著非线性的来源。
因此，根据估计振膜偏移的本方法的一个优选实施方案，多个自适应扬声器参数包括力因子(B*1)，并且预定的非线性函数表示力因子(B*1)的测定的偏移依赖性以便将非线性补偿力因子值包括在电动扬声器的非线性状态空间模型中。
根据另一个实施方案，多个自适应扬声器参数包括振膜的总机械柔度或刚度，并且预定的非线性函数表示总机械柔度或刚度的测定的偏移依赖性以便在电动扬声器的非线性状态空间模型中提供非线性补偿振膜悬架柔度或刚度。技术人员应明白，多个自适应扬声器参数可以包括力因子和总机械柔度或刚度两者，其由表示它们的相应测定偏移依赖性的相应预定的非线性函数表示。
技术人员应理解本方法可以使用多个预定的非线性函数，各个表示多个自适应扬声器参数的具体扬声器参数和具体预定的扬声器变量之间的具体非线性关系，以计算相应的自适应扬声器参数的多个非线性补偿参数值。用相应的非线性函数表示大量自适应扬声器参数将总体提高非线性状态空间模型中计算的扬声器参数值的精确度并且因此提高振膜偏移估计的精确度。然而，该提高的精确度可能以增加计算负载的代价达到。因此，在非线性状态空间模型中施加的非线性函数的数量可以有利地适于偏移预测或估计的精确度的施加相关要求。
线性自适应数字扬声器模型优选地包括二阶或更高阶自适应IIR滤波器，该二阶或更高阶自适应IIR滤波器包括多个可适应的模型参数，多个自适应扬声器参数的多个参数值根据所述多个可适应的模型参数来推导。自适应IIR滤波器横跨预定的音频频率范围(例如，在10Hz与10kHz之间)模拟或跟踪扬声器的时变且频率依赖的阻抗。检测到的音圈电流和检测到的音圈电压优选地分别用数字音圈电流信号和数字音圈电压来表示，如在下文中参照附图以附加细节所解释的。为了辅助线性自适应数字扬声器模型的适当自适应，除了一个或多个可适应或自由模型参数，后者优选地包括至少一个固定的扬声器参数诸如扬声器的总移动质量。
估计振膜偏移的本方法的优选实施方案包括如下进一步的步骤：如果瞬时振膜偏移超过某一偏移限制，则控制或限制振膜偏移。该实施方案包括如下步骤：
将瞬时振膜偏移与预定的限制准则相比较，并且根据所述比较的结果，限制所述振膜的偏移。
预定的限制准则可以例如限定最大振膜偏移或位移，例如为了避免对扬声器的机械损伤由扬声器制造商推荐的最大振膜偏移或位移。限制振膜偏移的步骤可以例如包括使音频信号的子带中的音频信号电平衰减或宽带衰减音频信号的步骤。音频信号电平的衰减可以通过使音圈上的音频输出信号的电平衰减或使音圈电流衰减来完成。子带优选为音频信号的低频带，例如在800Hz或500Hz以下的频带。这对机械保护目的而言常常是非常有效的，因为低频率音频信号分量最可能驱动扬声器振膜超过其最大偏移限制。低频带可以包括在某一阈值频率(诸如800Hz或500Hz)以下的所有频率或仅孤立的频带，诸如以低频带(例如，400Hz或300Hz等)内的选定频率为中心的三分之一倍频带。
该方法的又一个实施方案包括如下步骤：在瞬时振膜偏移与预定的限制准则的比较步骤之前，延迟音频输入信号预定的延迟时间，诸如短于8ms的延迟时间或更优选地短于4ms的延迟时间。
估计振膜偏移的方法可以包括如下步骤：
将所述音频输入信号与预定的电平准则和预定的频谱准则中的一个相比较，
基于所述比较的结果，中断所述线性自适应数字扬声器模型的多个自适应扬声器参数的自适应。该实施方案对于确保这样的情况是有帮助的：如果数字音频输入信号为倾向于脱轨诸如最小均方根的自适应滤波器算法的大致纯音或其它窄带音频信号，则中断多个自适应扬声器参数的自适应。后一种类型的自适应滤波器算法可以通过自适应线性数字扬声器模型来施加
音圈电压和音圈电流优选地在声音再现组件中以数字格式表示以实现与线性自适应扬声器模型的无缝接口。因此，本方法优选地包括如下步骤：
对音圈电流采样并且数字化以在第一采样频率下产生数字音圈电流信号，
对音圈电压采样并且数字化以在第一采样频率下产生数字音圈电压信号。
在本方法中，优选地以数字格式利用音频输入信号。因此，音频输入信号在一些实施方案中可以被提供为数字音频输入信号并且在其它实施方案中可以被提供为在接收之后被采样和数字化的模拟音频输入信号。因此，该方法也可以包括如下步骤：
在第二采样频率下接收音频输入信号作为数字音频输入或对所述音频输入信号进行接收、采样和数字化以在所述第二采样频率下产生数字音频输入信号。
第二采样频率可以是标准化数字音频采样频率，例如在16kHz与96kHz之间(诸如32kHz、44.1kHz或48kHz等)的采样频率。
根据该方法的有利的实施方案，第一采样频率被选择为比第二采样频率更低的频率。第一采样频率可以例如小于第二采样频率的一半或四分之一。第一采样频率的下限值减小由自适应线性数字扬声器模型和由非线性状态空间模型引起的计算负载以便减小信号处理器的功率消耗。
本发明的第二方面涉及电动扬声器的声音再现组件。该声音再现组件包括用于接收由音频信号源供应的音频输入信号的音频信号输入端。输出放大器被配置成接收音频输入信号并且在可连接到电动扬声器的音圈的一对输出端子处产生对应的音频输出信号作为音圈电压。该组件还包括电流检测器，该电流检测器被配置用于响应于对音圈电压的施加，检测流入到电动扬声器中的音圈电流。组件的信号处理器被配置成：
将所述检测到的音圈电流和所述确定的音圈电压施加至所述电动扬声器的线性自适应数字模型，
基于线性自适应数字扬声器模型，计算所述多个相应的自适应扬声器参数的多个参数值，
施加所述多个参数值至所述电动扬声器的非线性状态空间模型，
在所述非线性状态空间模型中，将表示扬声器参数与预定的扬声器变量之间的非线性关系的预定的非线性函数施加至所述多个接收的参数值中的至少一个以计算至少一个非线性补偿参数值，
将所述音频输入信号施加至所述电动扬声器的非线性状态空间模型，
基于所述音频输入信号和所述电动扬声器的所述非线性状态空间模型确定所述振膜的瞬时偏移。
上文已经结合对应的偏移检测方法详细地公开了输出放大器的属性。D类输出放大器可以包括半桥驱动级(其单个输出端耦接到电动扬声器)或满桥/H桥驱动级(其一对输出端子耦接到电动扬声器的相应侧或端子)。音频输入信号可以包括从诸如数字麦克风的外部数字音频源供应的实时数字音频信号。实时数字音频信号可以根据诸如I2C或SPI的标准化串行数据通信协议格式化或根据诸如I2S、SPDIF等的数字音频协议格式化。
技术人员应明白，信号处理器优选地包括可由包括存储在程序存储器中的一组可执行程序指令的应用程序控制的可编程微处理器。可编程微处理器可以包括集成在声音再现组件上或可操作地耦接到声音再现组件的软件可编程DSP。应用程序可以包括第一组可执行程序指令，所述第一组可执行程序指令当被执行时计算线性自适应数字扬声器模型的多个相应的自适应扬声器参数的多个参数值。在本发明的一些实施方案中，信号处理器可以形成便携式通信装置的应用处理器的不可分割的部分，而在本发明的其它实施方案中信号处理器可以是组件的专用微处理器或DSP。
技术人员应明白，电流检测器可以包括各种类型的电流传感器，例如连接到输出放大器的输出晶体管的电流反射镜或与扬声器音圈串联耦接的小感测电阻器。音圈电流可以相应地由比例/缩放感测电压表示。音圈电压和音圈电流优选地在声音再现组件中以数字格式表示以实现与线性自适应扬声器模型的无缝接口。因此，电流检测器包括优选地包括第一A/D转换器，该第一A/D转换器被配置成对音圈电流进行采样和数字化以在第一采样频率下供应数字音圈电流信号，并且音圈电压检测器包括第二A/D转换器，该第二A/D转换器被配置成在第一采样频率下对音圈电压进行采样和数字化以产生数字音圈电压信号。
在声音再现组件的优选实施方案中，信号处理器另外被配置成将瞬时振膜偏移与预定的限制准则相比较并且基于比较的结果限制振膜的偏移。
本发明的第三方面涉及上面集成有根据上文描述的实施方案中的任一个的声音再现组件的半导体衬底或晶片。可以以适当的CMOS或DMOS半导体过程来制造半导体衬底。
本发明的第四方面涉及包括根据上文描述的本发明的实施方案中的任一个的声音再现系统的便携式通信装置。
本发明的第五方面涉及确定电动扬声器的扬声器参数与扬声器变量之间的平均非线性函数的方法，该方法包括如下步骤：
a)将试验信号施加至相同类型的多个电动扬声器中的每个扬声器，其中，所述试验信号被配置成横跨所述扬声器变量的预定范围激励所述扬声器变量与所述扬声器参数之间的具体关系
b)为所述多个扬声器中的每个扬声器记录横跨扬声器变量的所述预定范围的所述扬声器参数的多个参数值，
c)在所述扬声器变量的公共参考值处标准化每个扬声器的所述扬声器参数的所述多个记录的参数值，
d)横跨扬声器变量的所述预定范围计算相同类型的所述多个电动扬声器的扬声器变量的多个标准化参数值的平均值用于表示所述扬声器参数与所述扬声器变量之间的平均非线性函数。
扬声器参数可以包括相同类型的多个电动扬声器的力因子(B*1)和悬架柔度或刚度中的一个。此外，扬声器变量可以包括相同类型的多个电动扬声器的振膜偏移或位移。
根据步骤c)标准化多个记录的参数值优选地包括：在所述扬声器变量的公共参考值处增加或减小每个扬声器的所述多个记录的参数值中的每一个，使得所述扬声器参数的所有参数值在所述公共参考值处大致相等。扬声器变量的公共参考值可以例如是零振膜偏移。
附图说明
将结合附图更详细地描述本发明的优选实施方案，其中：
图1A)是用于本发明的各种便携式声音再现应用的示例性微型电动扬声器的示意截面图，
图1B)是安装在具有声音泄漏的外壳中的示例性微型电动扬声器的示意截面图，
图2示出根据本发明的第一实施方案的耦接到电动扬声器的声音再现组件的示意框图，
图3示出图2上所描绘的声音再现组件的选定的信号处理函数和块的详细示意框图，
图4示出用于确定多个自适应模型参数的电动扬声器的基于自适应IIR滤波器的阻抗模型，
图5为力因子(B*1)对比振膜位移的实验上测量的平均非线性行为和表示力因子(B*1)与振膜位移之间的多项式曲线拟合的计算的对应多项式系数的图形，
图6为总机械柔度(CMS)对比振膜位移的实验上测量的平均非线性行为和表示总机械柔度与振膜位移之间的多项式曲线拟合的计算的对应多项式系数的图形，
图7以非标准化和标准化表征示出多个代表性电动扬声器的力因子(B*1)与振膜位移之间的分别测量的非线性关系的图；并且
图8以图7上所描绘的多个代表性电动扬声器的标准化表征示出力因子(B*1)与振膜位移之间的计算的对应平均非线性关系的图形。
具体实施方式
图1A)是用于密封盒安装以及在诸如移动电话和智能电话的便携式音频应用中使用的典型微型电动扬声器1的示意截面图示，其中，扬声器1为各种类型的应用提供声音再现，诸如扬声器电话和音乐回放。技术人员应明白，取决于预期的应用，电动扬声器以若干形状和大小存在。在下文描述的估计振膜偏移的方法和用于估计振膜偏移的对应组件中所使用的电动扬声器1具有矩形形状，该矩形形状具有近似15mm的最大外尺寸D和在横向方向上约11mm的外尺寸。然而，技术人员应明白，用于估计电动扬声器的振膜偏移的本方法实际上适用于所有类型的电动扬声器。
微型电动扬声器1包括紧固到音圈的上边缘表面的振膜10。振膜10也通过弹性边缘或外悬架12机械地耦接到扬声器框架22。环形永磁体结构18产生磁通量，该磁通量通过在其中布置有圆形空气间隙24的导磁结构16传导。圆形通风道14布置在框架结构22中并且可以被用来将热量从形成在振膜10下方的另外的密封室结构中导出。弹性边缘悬架12为可移动振膜组件(音圈20和振膜10)提供相对明确的柔度。弹性边缘悬架12的柔度和振膜10的移动质量确定微型扬声器的自由空气基本谐振频率。弹性边缘悬架12可以构造以限制可移动振膜组件的最大偏移或最大移位。
在微型扬声器1的工作期间，音圈电压或驱动电压通过电连接到适当的输出放大器或功率放大器的一对扬声器端子(未示出)施加到扬声器100的音圈20。对应的音圈电流在响应中流动通过音圈20，导致振膜组件在扬声器的活塞范围内沿由速度箭头V指示的方向的基本上均匀的振动。因此，扬声器1产生对应的声压。响应于音圈电流的流动，音圈20和振膜10的振动因在空气间隙24中存在径向取向的磁场而引起。施加的音圈电流和电压导致音圈20中的在工作期间加热音圈20的功率耗散。因此，过高驱动电压和电流的持续很久的施加可能导致音圈20过热，这是电动扬声器中的另一个普遍故障因素。
迫使可移动振膜组件超出其最大允许的偏移限制的过大音圈电流的施加是电动扬声器中导致各种不可逆转的机械损伤的另一个普通的故障机制。一种类型的机械损伤可能例如由音圈20的最下边缘与导磁结构16的环形面对部分17之间的碰撞引起。特定类型的电动扬声器的最大偏移取决于其尺寸和结构细节。对于上文讨论的具有近似11mm x 15mm的外尺寸的微型扬声器1，最大允许振膜偏移通常为约+/-0.45mm。
图1B)是安装在具有预定内部空间30的外壳、盒或腔31中的微型电动扬声器1的示意截面图示。外壳或腔31布置在扬声器1的振膜10下方。扬声器1的框架结构22的外周壁牢固地附接到密封盒31的配对壁表面以形成大致不透空气的耦接，在声学上将在空间30内围困的空气与周围环境隔离。对于类似移动电话和智能电话的典型的便携式通信装置或终端应用，封闭空间30可以在0.5cm3和2.0cm3之间，诸如约1cm3。技术人员应明白，本发明能够用来控制安装在所描绘类型的大致声密封外壳中的扬声器的振膜偏移，本发明也能够被用来控制在不同类型的声音安装布置中的扬声器的振膜偏移。
由于在腔30内部围困的空气的柔度，扬声器1安装在密封外壳30中导致微型扬声器的比上文所讨论的其自由空气基本谐振频率更高的基本谐振频率。在腔30的内部围困的空气的柔度与弹性边缘悬架12的柔度并行作用以降低作用在扬声器的移动质量上的总柔度(即，增加刚度)。因此，安装外壳的扬声器1的基本谐振频率高于自由空气谐振。基本谐振频率的增加量取决于外壳30的容积。围绕密封外壳31的壁结构可以由具有限制的冲击强度的模制弹性化合物而形成。在某些操作条件下，密封外壳可能偶然例如被外壳30的壁结构31中的小孔或裂纹35破坏。该类型的外壳孔或裂纹导致外壳声压不期望地声音泄漏到周围环境，如由箭头37示意性地示出的。声音泄漏总体是不期望的并且倾向于使扬声器1的基本谐振频率下降，如上所述。基本谐振频率的该变化能够可选地通过监控扬声器1的电阻抗的相关联的变化而检测，如下文进一步详细描述的。
图2为用于便携式通信装置和其它类型的音频使能便携式计算装置的电动扬声器的振膜偏移估计并且优选地还有偏移限制的声音再现组件200的简化示意框图。声音再现组件可以例如用来控制上文图1A)或图1B)所示的微型扬声器1的声音再现。声音再现组件200通过一对外部可接入的扬声器端子211a、211b耦接到微型电动扬声器1。脉冲调制D类输出放大器206可以包括H桥输出级，该H桥输出级通过一对扬声器端子211a、211b横跨扬声器的音圈以脉冲调制格式供应音频输出信号。D类输出放大器在放大器输入端203处接收已处理的数字音频信号，所述数字音频信号源自于在组件200的数字音频信号输入端201处供应的数字音频输入信号。在输入端子或垫201处的数字音频输入信号可以由外部数字音频信号源以第一采样频率(例如，在16kHz与96kHz之间的采样频率)供应。外部数字音频信号源可以包括集成有本声音再现组件200的便携式通信装置的应用处理器的数字音频端口或接口。外部产生的数字音频信号可以根据诸如I2C或SPI的标准化串行数据通信协议格式化或根据诸如I2S、SPDIF等的数字音频协议格式化。
声音再现组件200包括延迟电路或函数202，该延迟电路或函数202将数字音频输入信号延迟预定的时间延迟，例如小于8ms并且优选地小于4ms。延迟的数字音频输入信号被传输至音频电平限幅电路或函数204，所述音频电平限幅电路或函数204被配置成：根据检测到的通过非线性状态空间扬声器模型214计算的瞬时振膜偏移x通过使已处理的数字音频信号电平在放大器输入端203处衰减或限制已处理的数字音频信号电平，减小扬声器的振膜的偏移。当估计的瞬时振膜偏移x超过扬声器的最大偏移限制时，延迟时间允许限制已处理的数字音频信号电平以大致瞬间地反应，并且因此提高保护的有效性。然而，太长的延迟时间可能引起声音再现组件的实时应用方面的问题，诸如在移动/智能电话应用中的话音通信。
声音再现组件200进一步包括电动扬声器220的线性自适应数字模型210，该线性自适应数字模型210包括多个可适应或自适应模型参数，该多个可适应或自适应模型参数响应于数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压Vm[n]被调节。扬声器的自适应线性数字模型210优选地包括自适应滤波器，其基于检测到的或测定的如由数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压Vm[n]表示的音圈电流和音圈电压横跨预定的音频频率范围(例如，在10Hz与10kHz之间)模拟扬声器220的频变阻抗。线性自适应数字扬声器模型210包括多个自适应扬声器参数。线性自适应数字扬声器模型210被配置用于计算线性扬声器参数的多个相应的参数值。下面参照图3进一步详细讨论自适应线性数字扬声器模型210的功能的细节。自适应线性数字扬声器模型210可以例如被配置成计算或跟踪电动扬声器220的时变阻抗对频率函数。各种重要的线性扬声器参数的相应的参数值可以源自于跟踪扬声器220的阻抗函数或曲线的时变模型参数的值。线性自适应数字扬声器模型210的输出包括供给为电动扬声器的非线性状态空间模型214的一部分的非线性函数块212的相应的线性但时变的自适应扬声器参数的多个参数值，例如安装外壳的微型扬声器的力因子或悬架柔度。因此，自适应扬声器参数的参数值表示或估计相应的自适应扬声器参数的相应的电流参数值，使得这些自适应扬声器参数中的每一个的先前讨论的时变和温度变化属性被适当地跟踪。
为了将数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压信号Vm[n]输送至自适应线性数字模型210，声音再现组件200包括至少一个A/D转换器208，该至少一个A/D转换器208通过对扬声器端子211a、211b上的瞬时音圈电压进行采样和数字化来产生数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压信号Vm[n]。A/D转换器208进一步包括第二输入端，该第二输入端被配置成对在转换器208的第二输入端处传输的模拟音圈电流Icoil进行采样和数字化。优选地以相同的采样频率对数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压信号Vm[n]进行采样，所述相同的采样频率可以与先前讨论的数字音频输入信号的第一采样频率完全相同。数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压信号Vm[n]的采样频率可以可替代地比第一采样频率小例如比第一采样频率的一半小以减少在本声音再现组件200实施自适应线性数字模型210的数字信号处理器上的计算负载。技术人员应明白，至少一个A/D转换器208可以包括交替地对音圈电压和模拟音圈电流信号进行采样的多路复用类型的转换器。可替代地，至少一个A/D转换器208可以包括分别固定地耦接到音圈电压和音圈电流信号的两个独立的A/D转换器。技术人员应明白，语音电流信号可以由产生与流入音圈的瞬时音圈电流成比例的电压、电流或电荷信号的各种类型的电流传感器产生。
在非线性参数块212中，相应的非线性函数优选地施加到自适应扬声器参数的传入参数值中的一个或多个以计算一个或多个对应的非线性补偿参数值。非线性补偿参数值将讨论中的扬声器参数相对于某一扬声器变量的非线性行为或属性考虑进去。这能够例如是电动扬声器的力因子(B*1)对振膜位移的非线性依赖性或电动扬声器的力因子(B*1)对音圈电流的非线性依赖性。
清楚地，由自适应线性数字扬声器模型210供应的自适应扬声器参数的传入参数值中的仅几个或单个可能经历(一个或多个)非线性函数和所计算的相应的(一个或多个)非线性补偿参数值。其余自适应扬声器参数的传入参数值中其余的参数值可能处于无非线性补偿状态并且在非线性状态空间模型214被直接利用，有效绕过非线性参数块212。技术人员应明白，在非线性参数块212中利用大量非线性函数将总体提高非线性状态空间模型214中的计算的扬声器参数值的精确度。然而，该提高的精确度可能以增加的计算负载为代价达到。因此，偏移预测或估计的精度要求将在不同的应用类型和用户要求之间变化，使得在非线性参数块212中应用的非线性函数的数量适于应用相关要求。计算的扬声器振膜的瞬时偏移x被反馈至非线性参数块212的第二输入端以允许非线性参数块212基于先前的x值计算更新的非线性补偿参数值。
预定的非线性函数中的每一个的特性优选地已经关于与有源电动扬声器220相同的构造和模型的适当的代表性电动扬声器组或集结合某些实验测量被确定。在校准测量期间，已经针对每个扬声器样品测量了选定的扬声器变量与讨论中的扬声器参数之间的单独确定的非线性关系。一批代表性电动扬声器上的平均非线性函数关系已经被确定，如在下文中以进一步的细节所描述的。该平均非线性函数关系可以由表示选定的扬声器变量与讨论中的扬声器参数之间的多项式曲线拟合的各种机制(诸如，一个或多个多项式系数)限定。在另一个实施方案中，平均非线性函数关系可以由将扬声器变量映射到扬声器参数的对应的非线性补偿值的查阅表来限定。因此，可以利用多个查阅表来映射扬声器变量与扬声器参数的相应的非线性补偿参数值之间的平均非线性函数关系。一个或多个查阅表可以存储在声音再现组件的适当的非易失性存储器地址空间中或至少可访问的非易失性存储器空间中以便由声音再现组件的DSP读取。在后一种情形下，技术人员应明白，非易失性存储器地址空间可以位于便携式通信装置的应用处理器的数据存储器装置中。在两个实例中，一个或多个查阅表的内容优选地从例如与声音再现组件200的初始化相关的适当的非易失性存储器地址空间被读入到非线性参数块212中。
对非线性参数块212中的选定的扬声器变量与讨论中的扬声器参数之间的这些平均非线性关系的测量和后续使用是有利的，因为它消除对进行复杂校准测量以在便携式通信装置的制造期间或在语音和音乐信号的再现期间在组件的有源或在线操作期间确定一个或多个扬声器参数的非线性行为的需要。
由线性自适应数字扬声器模型210计算的多个线性扬声器参数的参数值的自适应或跟踪属性的效果在于，即使环境条件(诸如，湿度和温度)改变、材料老化和扬声器的声音操作条件(例如，外壳泄漏)改变，线性但时变的扬声器模型随时间也保持精确。线性自适应数字模型210能够跟踪由这些因素引起的自适应扬声器参数的参数值的这样的相对缓慢的不同的改变。另一方面，为了对扬声器振膜的瞬时偏移做出精确的确定并且因此能够防止较早描述的机械损伤，使用扬声器的非线性模型使得适当考虑扬声器参数的参数值的大信号引入的非线性效果仍然是非常有利的。尽管相关的扬声器参数的显著的非线性，但是后面一个特征使得精确地预测或估计扬声器振膜的瞬时偏移x可行。重要的扬声器参数(诸如，力因子(B*1)和悬架柔度或刚度)影响振膜偏移并且显示偏移依赖行为或属性，使得力因子的值随着增加的振膜偏移位移而减小。同样地，悬架柔度的值随着典型的扬声器结构的增加的振膜偏移而减小。
非线性状态空间模型214的第三输入端从输入端子201接收数字音频输入信号，并且基于数字音频输入信号、自适应扬声器参数的参数值和非线性补偿参数值，非线性状态空间模型214估计瞬时振膜偏移x和将该数量供应至先前讨论的幅度或电平限制器函数204。电平限制器函数204将估计的瞬时振膜偏移x与预定的偏移限制或阈值相比较。预定的偏移限制或阈值将典型地指示特定类型的扬声器220的最大允许的或推荐的振膜位移或偏移。因此，最大允许的或推荐的振膜位移可以根据扬声器制造商的建议来设置。
如果瞬时振膜偏移x小于预定的偏移限制，则电平限制器函数204可以将延迟的数字音频输入信号传输至输出放大器206的输入端而无衰减或电平限制。另一方面，如果瞬时振膜偏移x超过预定的偏移限制，则在将延迟的数字音频输入信号传输到输出放大器206之前，电平限制器函数204适于使延迟的数字音频输入信号衰减或限制延迟的数字音频输入信号。衰减优选地通过选择性地使延迟的数字音频输入信号的低频率子带(诸如，在800Hz或500Hz以下的低频带)衰减而保持较高频分量不衰减来完成。这对保护目的而言常常是非常有效的，因为低频率音频信号分量最可能驱动扬声器振膜超过其最大允许偏移限制。低频带可以包括在某一阈值频率(诸如800Hz或500Hz)以下的所有频率或仅单个低频带，诸如低频范围中以中心频率(诸如，400Hz或300Hz)为中心的三分之一倍频带。在另一个实施方案中，不存在低频带的任意小信号衰减，而是非线性幅度电平限制器被施加到延迟的数字音频输入信号以例如通过自动增益控制或可能的峰值限制器来限制峰值电平。
技术人员应明白，上文讨论的信号处理电路、函数或模型202、204、210、212、214和216中的每一个可以被实施为在软件可编程微处理器核心或DSP核心上执行的一组可执行程序指令、或程序例程。在后面的实施方案中，自适应线性数字扬声器模型210可以通过专用的一组可执行程序指令和保存模型210的多个可适应模型参数的多个数据存储器位置来实施。技术人员应理解，可编程DSP核心可以与先前讨论的便携式通信端子的应用处理器集成在一起或可以被实施为独立的可编程或硬连线的DSP核心，所述独立的可编程或硬连线的DSP核心被配置成执行上文描述的信号处理电路、函数或模型202、204、210、212、214和216。技术人员应理解，信号处理电路、函数或模型202、204、210、212、214和216中的一些可以被实施为相应的可执行程序指令组，而任意其余信号处理电路、函数或模型可以被实施为包括适当配置的连续且组合的数字逻辑的独立的硬连线数字逻辑电路。硬连线的数字逻辑电路可以集成在专用集成电路(ASIC)上或由其可编程逻辑或任意组合配置。
声音再现组件200包括可选的信号自适应控制处理函数或块216，该信号自适应控制处理函数或块216被配置成在数字音频输入信号的某些不利条件下中断或停止先前讨论的自适应线性数字扬声器模型210的自适应扬声器参数的自适应。信号自适应控制块216优选将音频输入信号与预定的信号电平准则和/或预定的频谱准则相比较并且基于比较的结果中断多个自适应扬声器参数的自适应。信号自适应控制块216可以例如计算数字音频输入信号的连续信号频谱并且将计算的信号频谱中的每一个与频谱准则相比较。如果数字音频输入信号的信号频谱具有比由预定的频谱准则限定的预设信号带宽更小的带宽，则自适应被中断。这确保：如果数字音频输入信号为倾向于脱轨诸如最小均方根的自适应滤波器算法的纯音或其它窄带音频信号，则中断多个自适应扬声器参数的自适应。该类型的自适应滤波器算法可以通过自适应线性数字扬声器模型210施加，如下文进一步详细解释的。
声音再现组件200被供应来自正功率供应电压VDD的运行功率。接地(未示出)或负DC电压可以形成扬声器偏移检测器200的负供应电压。取决于声音再现组件200的特定应用，VDD的DC电压可以变化相当大，并且可以典型地被设置成在1.5伏与100伏之间的电压。时钟信号输入f:clk设置A/D转换器208的时钟频率。
图3示出在图2上描绘的自适应线性数字扬声器模型210中应用的优选信号处理函数的详细示意框图。为了便于比较，已经对图2和图3中相同的结构提供相同的附图标记。如上所讨论的，数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压信号Vm[n]被应用于自适应数字扬声器模型210的相应的输入端。Im[n]和Vm[n]信号中的每一个由数字低通滤波器301低通滤波并且被施加到抽取器303的输入端，抽取器303从数字音频输入信号的第一采样频率至显著较低的采样频率(诸如，小于0.5倍、0.25倍或0.125倍的第一采样频率)对Im[n]和Vm[n]信号中的每一个进行降采样。该组合的低通滤波和降采样操作减小组件的自适应线性数字扬声器模型210和其它信号处理函数中信号的采样速度，产生减小的计算负载和减少的功率消耗。
低通滤波且降采样的Im[n]和Vm[n]信号被供给内部信号计算块305，该内部信号计算块305推导或计算施加到电动扬声器的自适应数字阻抗或导纳模型307的力信号F和音圈电压信号V。下面参照图4以附加细节下面解释自适应数字阻抗模型307的自适应操作。自适应数字阻抗模型307被配置成自适应地计算和输出示出的四个自适应模型参数：RDC(音圈的DC电阻)；B*1(力因子)以及为如下所述的z域阻抗模型参数的a1和a2。依据处理块309中的某些预设参数限制可选地检查四个自适应模型参数的参数值中的每一个以验证，自适应数字阻抗模型307似乎正确地工作，例如，验证阻抗模型是不离散的并且输出明智的参数值。处理块309可以包括提高自适应数字阻抗模型307的自适应速度的某些扬声器特定数据。
四个自适应模型参数的计算值随后被传输到扬声器模型311，扬声器模型311将四个自适应模型参数转换成由线性自适应数字扬声器模型210输出的多个自适应扬声器参数的先前讨论的多个参数值。在本实施方案中，扬声器模型311已经被配置成计算如图所示的下列五个自适应扬声器参数：RDC(音圈的DC电阻)；B*1(力因子)；RMS(总机械阻尼)；KMS(总机械刚度)和QTS(总阻尼因数)。技术人员应明白，在本发明的其它实施方案中，假设参数选择为非线性状态空间模型214提供充分详细的扬声器信息，则可以选择其它自适应扬声器参数。
保护方案块或函数313包括根据由非线性状态空间模型214计算的瞬时偏移的计算或估计值操作的先前讨论的幅度或水平限制器函数204。技术人员应理解，保护方案块313优选地包括电动扬声器的附加保护机构，诸如热保护，然而，这种附加保护机构在本公开的范围之外。
图4为电动扬声器的先前讨论的自适应数字阻抗或导纳模型307的内部信号处理部件或计算块的详细视图。电动扬声器的自适应数字阻抗或导纳模型307包括自适应二阶IIR滤波器401，该自适应二阶IIR滤波器401自适应地跟踪或模拟微型电动扬声器的音圈的尤其反映扬声器的基本谐振频率的时变阻抗。先前讨论的数字音圈电流信号Im[n]被施加到自适应数字扬声器模型210的第一输入端，并且数字音圈电压信号Vm[n]被施加到自适应数字阻抗模型307的第二输入端。自适应数字阻抗或导纳模型307的参数输出(未示出)是先前讨论的四个自适应模型参数：RDC(音圈的DC电阻)；B*1(力因子)以及a1和a2。在内部计算块401、403和405内部描绘了这四个自适应模型参数。
自适应阻抗模型307包括电动扬声器的下列模型参数：
Ve[n]：音圈电压或驱动电压的估计；
RDC：音圈的DC电阻；
B1：扬声器的力因子(B·1乘积)；
MMS：总机械移动质量(包括声音加载)；
KMS：总机械刚度；
RMS：总机械阻尼；
自适应IIR滤波器401是二阶滤波器，并且为了方便，优选地由在z域中其机械导纳传递函数Ym(z)表示，如由下面的导纳方程所示。自适应数字阻抗模型307的整体操作为，参数跟踪算法试图基于音圈电流Im[n]的测量值和扬声器的预选阻抗模型来预测音圈电压Ve[n]。技术人员应明白，本自适应数字阻抗模型307适用于安装密封外壳的电动扬声器。误差信号VERR[n]从测量的实际音圈电压信号Vm[n]与由模型产生的音圈电压信号的估计值Ve[n]之间的差获得。技术人员应理解，各种自适应滤波方法诸如LMS可以被用来适应所挑选的扬声器阻抗模型中的自由模型参数以最小化误差信号VERR[n]。自由模型参数优选地连续地被传输至DSP，并且当误差信号变得充分地小时，例如，遵守预定的误差准则时，适应的模型参数被假定为正确的。通过保持图4的块401中所描绘的四个参数B1、MMS、KMS和RMS中的一个不变，能够通过识别Im[n]与Vm[n]之间的关系来确定其余三个参数。在数学上，这四个参数中的哪一个是不变的并不重要，但是总移动质量MMS通常是好的选择，因为就制造扩展和随时间和温度的变化而言，总移动质量MMS常常是这些参数中最稳定的。
图5包括实验测量的由曲线511指示的力因子(B*1)对比振膜位移的平均非线性行为的图形501。镜像曲线513简单地为帮助曲线，其由测量系统计算和显示以允许对所描绘的非线性关系的对称度的视觉评估。这同样适用于图6的镜像曲线613。平均曲线501已经通过测量与图1上所描述的电动扬声器1相同的构造和模型的5个代表性扬声器样本的单独的力因子对比振膜位移特性并且求平均值而获得。五个代表性扬声器样本选自不同的生产批次或小组以在制造过程中包括扬声器参数的变化。5个代表性扬声器样本中的每一个的单独的力因子对比振膜位移特性已经由激光位移传感器测量，该激光位移传感器为所利用的用于扬声器特征化的KLIPPEL R&D系统的部件。这些单独的力因子对比振膜位移特性的结果被输出到由发明人研发的例如基于MATLAB的专用软件分析程序。软件分析程序计算5个代表性扬声器样本的平均测量力因子并且提供图形501上所描述的结果的图形显示。Y轴描绘以相对较小尺度的尺寸测定的平均力因子，并且X轴描绘在向外和向内方向上的以mm计的振膜偏移或位移x。对于振膜位移的+/-0.45mm的范围，力因子(B*1)已经相应地被测定。如由平均力因子对比振膜位移曲线511所示，横跨所描绘的位移范围，存在测定的平均力因子的显著变化，大约40％。平均力因子对比振膜位移曲线511的多项式曲线拟合已经被计算并且结果显示在盒503中。从阶次零至阶次4计算的对应的多项式系数已经分别被显示为B10、B11、B12、B13和B14。B10表示扬声器振膜的零位移的标准化力因子，并且该值自适应地确定，如下文所讨论的。力因子对比振膜位移曲线511显示环绕零位移(x＝0)的显著不对称，这种不对称因讨论中的扬声器的磁和机械结构细节引起。
图6示出图形601，描绘实验测定的由曲线611指示的总机械柔度(CMS)对比振膜位移的平均非线性行为。扬声器的总机械柔度(CMS)是较早讨论的扬声器参数总机械刚度KMS的倒数量。平均曲线601已经通过两步骤程序获得，所述程序包括通过用于扬声器特征化的KLIPPEL R&D系统最初测量上文讨论的5个代表性扬声器样本中的每一个的单独的总机械柔度对比振膜位移特性。在下一个步骤中，将这些单独的总机械柔度对比振膜位移特性输出至上述专用的软件分析程序，并且计算如图形601上所描绘的平均总机械柔度对比振膜位移。图形601的Y轴描绘测定的平均总机械柔度，以mm/N表示，并且X轴描绘在向外和向内方向上的振膜偏移或位移x，以mm表示。对于振膜位移的+/-0.45mm的范围，总机械柔度已经相应地被测定。如由曲线611所示，横跨所描绘的位移范围，存在测定的总机械柔度的显著变化，大约20％。可以以与先前描述的方式类似的方式来计算平均总机械柔度对比振膜位移曲线611的多项式曲线拟合。
图7的图形701示出以非标准化表示的多个代表性电动扬声器的力因子(B*1)对比振膜位移的多个分别测定的曲线。Y轴描绘以相对较小尺度的尺寸测定的平均力因子，并且X轴描绘在向外和向内方向上的以mm计的振膜偏移或位移x。在该示例中，代表性电动扬声器的数量为约20，但是可以使用更少或更多的扬声器，如上文示例所指示，使用仅5个代表性电动扬声器以推导力因子的期望的平均非线性行为。单独的力因子对振膜位移曲线或特性通过由先前讨论的用于扬声器特征化的激光位移传感器来测定。用于试验的代表性电动扬声器中的每一个的力因子与振膜位移之间的非线性关系或函数从图形701上所描绘的曲线的曲率显而易见。横跨+/-0.20mm的振膜位移范围，力因子(B*1)已经相应地被测定并且被记录。为了推导或确定力因子与振膜位移之间的期望平均非线性函数，执行下列步骤：对于代表性扬声器中的每一个，如由图形701的所描绘的力因子曲线以图表表示的多个力因子值对比振膜位移值被记录在适当的计算设备中。之后，在振膜位移(即，在该实施方案中选定的扬声器变量)的任意参考值处(诸如，如图形703上所描绘的零振膜位移)，通过竖直地(即，沿着力因子轴线向下或向下)补偿或拖曳力因子曲线来标准化代表性扬声器中的每一个的测定的力因子曲线。根据需要，向上或向下拖曳测定的力因子曲线中的每一个，直至在零振膜位移处的值达到任意参考值为止，因而所有的移位力因子曲线707在如图形703的附图标记705所指示的零振膜位移处与相同的任意力因子值相交。在后续的步骤中，如由图形703的力因子曲线所表示和描绘的，标准化力因子值的平均值被计算并且可以由图8的图形801上所描绘的单个平均力因子曲线803以图表表示。在本实施方案中，标准化力因子值的平均值通过针对每个振膜位移值对所有代表性扬声器的标准化力因子值求和再除以代表性扬声器的数量来计算，即，实质上计算力因子的算术平均值。技术人员仍然将明白，可以应用其它计算方法来计算标准化力因子值的平均值。在一个替代实施方案中，在各振膜位移值处，标准化力因子值的中值可以被用来表示平均值。
如上结合图5所讨论的，多项式函数最终可以被应用于如由图形801上的曲线803表示的平均标准化力因子值，以表示代表性扬声器集的力因子与振膜位移之间的平均非线性关系。对应的多项式系数可以通过如上所述的适当的多项式曲线拟合来确定。因此，由上文所讨论的线性自适应数字扬声器模型输出的B1乘积的自适应值被应用于非线性状态空间模型的确定的多项式函数以实现对B1乘积的对应的非线性补偿值的计算。B1乘积的该非线性补偿值在非线性状态空间模型中被利用以提高被输入到图2的音频电平限制电路或函数204的计算的振膜位移x的精确度。
结合对平均非线性函数的确定完成的标准化过程是估计振膜偏移的本方法的优点，因为它利用了如结合图2所描述的电动扬声器的线性自适应数字模型210的自适应性质。线性自适应数字模型210计算随时间在零振膜位移处力因子或任意其它选定的扬声器参数的值的精确估计，使得即使先前讨论的该扬声器参数的值随时间缓慢不同的变化，后面的值也保持精确。因此，能够利用非线性函数以通过插入如由线性自适应数字模型提供的B1乘积的当前值作为图5的多项式函数503的恒定部分B1＝0来确定B1乘积的非线性补偿值。通过使用已经确定的多项式系数和振膜位移x的先前值，能够在非线性状态空间模型中直接计算B1乘积的期望的非线性补偿值的绝对值。

Claims (37)

1.一种估计电动扬声器的振膜偏移的方法，所述方法包括如下步骤：
接收音频输入信号并且基于所述接收的音频输入信号产生音频输出信号，
将所述音频输出信号通过输出放大器施加到所述电动扬声器的音圈以产生声音，
确定所述音圈上的音圈电压，
响应于所述音圈电压，检测音圈电流，
将所述检测到的音圈电流和所述确定的音圈电压施加至包括多个自适应扬声器参数的线性自适应数字扬声器模型，
基于所述线性自适应数字扬声器模型，计算所述多个相应的自适应扬声器参数的多个参数值，
施加所述多个参数值至所述电动扬声器的非线性状态空间模型，
在所述非线性状态空间模型中，将表示扬声器参数与预定的扬声器变量之间的非线性关系的预定的非线性函数施加至所述多个接收的参数值中的至少一个以计算至少一个自适应扬声器参数的至少一个非线性补偿参数值，
将所述音频输入信号施加至所述电动扬声器的所述非线性状态空间模型，
基于所述音频输入信号和所述电动扬声器的所述非线性状态空间模型确定所述振膜的瞬时偏移。
2.根据权利要求1所述的估计振膜偏移的方法，其中，所述预定的非线性函数表示通过对多个代表性的电动扬声器的非线性关系测量确定的、所述至少一个扬声器参数与所述预定的扬声器变量之间的平均非线性关系。
3.根据权利要求1或2所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中，所述线性自适应数字扬声器模型包括下列中的一个：
二阶或更高阶自适应IIR滤波器，其包括多个可适应的模型参数，所述多个自适应扬声器参数的所述多个参数值从所述多个可适应的模型参数推导；和
自适应FIR滤波器，所述多个自适应扬声器参数的所述多个参数值从所述自适应FIR滤波器推导。
4.根据权利要求1所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中，所述线性自适应数字扬声器模型包括至少一个固定参数。
5.根据权利要求1所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中，所述多个自适应扬声器参数包括选自一组力因子B*1、悬架柔度或刚度、音圈电阻、总机械阻尼、总移动质量、音圈电感的至少一个扬声器参数。
6.根据权利要求1所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中，在所述预定的非线性函数中的所述预定的扬声器变量是振膜偏移或位移，使得所述预定的非线性函数表示所述电动扬声器的偏移依赖的非线性属性。
7.根据权利要求6所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中，所述多个自适应扬声器参数包括力因子(B*1)；并且
所述预定的非线性函数表示所述力因子(B*1)的测定的偏移依赖性以便将非线性补偿的力因子值包括在所述电动扬声器的所述非线性状态空间模型中。
8.根据权利要求6所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中，所述多个自适应扬声器参数包括所述振膜的总机械柔度或刚度；并且
所述预定的非线性函数表示所述总机械柔度或刚度的测定的偏移依赖性以便在所述电动扬声器的所述非线性状态空间模型中提供非线性补偿的振膜悬架柔度或刚度。
9.根据权利要求2所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中，对所述预定的非线性函数的所述施加包括如下步骤：
确定从所述线性自适应数字扬声器模型接收的所述至少一个自适应扬声器参数的当前参数值，
根据所述预定的非线性函数计算所述至少一个非线性补偿参数值作为所述当前参数值的相对调整。
10.根据权利要求9所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中，所述预定的非线性函数包括表示所述至少一个扬声器参数与所述预定的扬声器变量之间的多项式曲线拟合的一个或多个多项式系数。
11.根据权利要求9所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中，所述预定的非线性函数包括将所述预定的扬声器变量的多个值映射到所述至少一个扬声器参数的对应的非线性补偿参数值的查找表。
12.根据权利要求1所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其包括如下步骤：
将所述音频输入信号与预定的电平准则和预定的频谱准则中的一个相比较，
基于所述比较的结果，中断所述线性自适应数字扬声器模型的所述多个自适应扬声器参数的自适应。
13.根据权利要求1所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，包括如下步骤：
对所述音圈电流采样并且数字化从而以第一采样频率产生数字音圈电流信号，
对所述音圈电压采样并且数字化从而以所述第一采样频率产生数字音圈电压信号。
14.根据权利要求13所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其包括如下步骤：
以第二采样频率接收所述音频输入信号作为数字音频输入或对所述音频输入信号进行接收、采样和数字化从而以所述第二采样频率产生所述数字音频输入信号。
15.根据权利要求14所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中，所述第一采样频率低于所述第二采样频率。
16.根据权利要求13所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，包括如下步骤：
在将所述数字音圈电流信号和所述数字音圈电压信号施加到所述线性自适应数字扬声器模型之前：
对所述数字音圈电流信号进行低通滤波，
对所述数字音圈电压信号进行低通滤波，
从所述第一采样频率到另一个更低的采样频率对所述数字音圈电流信号和所述数字音圈电压信号中的每一个进行降采样。
17.根据权利要求1所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其包括通过如下来控制所述振膜偏移的进一步的步骤：
将瞬时振膜偏移与预定的限制准则相比较，并且根据所述比较的结果，限制所述振膜的偏移。
18.根据权利要求1所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中，所述预定的限制准则包括最大振膜位移或偏移。
19.根据权利要求1所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中，限制所述振膜偏移的所述步骤包括如下步骤：
衰减所述音频信号的子带中的所述音频信号的电平，或宽带衰减所述音频信号。
20.根据权利要求17所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其包括在所述比较步骤之前将所述音频输入信号以预定的延迟时间延迟的步骤。
21.根据权利要求4所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中所述固定参数是所述电动扬声器的总移动质量。
22.根据权利要求20所述的估计电动扬声器的振膜偏移的方法，其中所述预定的延迟时间短于8ms。
23.一种用于包括振膜的电动扬声器的声音再现组件，其包括：
音频信号输入端，其用于接收由音频信号源供应的音频输入信号，
输出放大器，其被配置成接收所述音频输入信号并且在可连接到电动扬声器的音圈的一对输出端子处产生对应的音频输出信号作为音圈电压，
电流检测器，其被配置用于响应于所述音圈电压的施加来检测流入到所述电动扬声器中的音圈电流；和
信号处理器，其被配置成：
将所述检测到的音圈电流和所述确定的音圈电压施加至所述电动扬声器的线性自适应数字模型，所述线性自适应数字模型包括多个自适应扬声器参数，
基于所述线性自适应数字扬声器模型，计算所述多个相应的自适应扬声器参数的多个参数值，
施加所述多个参数值至所述电动扬声器的非线性状态空间模型，
在所述非线性状态空间模型中，将表示扬声器参数与预定的扬声器变量之间的非线性关系的预定的非线性函数施加至所述多个接收的参数值中的至少一个以计算至少一个非线性补偿参数值，
将所述音频输入信号施加至所述电动扬声器的所述非线性状态空间模型，
基于所述音频输入信号和所述电动扬声器的所述非线性状态空间模型确定所述振膜的瞬时偏移。
24.根据权利要求23所述的声音再现组件，其中，所述信号处理器另外被配置成：
将所述瞬时振膜偏移与预定的限制准则相比较，并且基于所述比较的结果，限制所述振膜的所述偏移。
25.根据权利要求23所述的声音再现组件，其中，所述电流检测器包括第一A/D转换器，所述第一A/D转换器被配置成对所述音圈电流采样并且数字化从而以第一采样频率供应数字音圈电流信号。
26.根据权利要求25所述的声音再现组件，其包括音圈电压检测器，所述音圈电压检测器包括第二A/D转换器，所述第二A/D转换器被配置成以所述第一采样频率对所述音圈电压采样并且数字化以产生数字音圈电压信号。
27.根据权利要求23所述的声音再现组件，其中，所述信号处理器包括可编程微处理器，所述可编程微处理器可由包括存储在程序存储器中的一组可执行程序指令的应用程序控制。
28.根据权利要求27所述的声音再现组件，其中，所述应用程序包括：
第一组可执行程序指令，所述第一组可执行程序指令当被执行时计算所述线性自适应数字扬声器模型的所述多个相应的自适应扬声器参数的所述多个参数值。
29.根据权利要求23所述的声音再现组件，其包括非易失性存储器地址空间，所述非易失性存储器地址空间存储将扬声器变量值映射到所述扬声器参数的对应的非线性补偿参数值中的查找表。
30.根据权利要求23所述的声音再现组件，其中，所述输出放大器包括D类功率级，所述D类功率级被配置成产生脉冲调制输出信号以便施加到所述电动扬声器的所述音圈电压。
31.一种上面集成有根据权利要求23所述的声音再现组件的半导体衬底。
32.一种声音再现系统，其包括：
安装外壳的电动扬声器，所述电动扬声器包括可移动振膜组件，所述可移动振膜组件用于响应于所述振膜组件的致动来产生可听见的声音，
根据权利要求23所述的声音再现组件，其电耦接到所述可移动振膜组件，
音频信号源，其可操作地耦接到所述声音再现组件的音频信号输入端。
33.一种包括根据权利要求32所述的声音再现系统的便携式通信装置。
34.一种确定电动扬声器的扬声器参数与扬声器变量之间的平均非线性函数的方法，所述方法包括如下步骤：
a)将试验信号施加至相同类型的多个电动扬声器中的每个扬声器，其中，所述试验信号被配置成横跨所述扬声器变量的预定范围激励所述扬声器变量与所述扬声器参数之间的具体关系，
b)为所述多个扬声器中的每个扬声器记录横跨所述扬声器变量的所述预定范围的所述扬声器参数的多个参数值，
c)在所述扬声器变量的公共参考值处标准化每个扬声器的所述扬声器参数的所述多个记录的参数值，
d)横跨所述扬声器变量的所述预定范围计算相同类型的所述多个电动扬声器的所述扬声器变量的所述多个标准化参数值的平均值以用于表示所述扬声器参数与所述扬声器变量之间的所述平均非线性函数。
35.根据权利要求34所述的确定扬声器参数与扬声器变量之间的平均非线性函数的方法，其中，所述扬声器参数包括相同类型的所述多个电动扬声器的力因子(B*1)和悬架柔度或刚度中的一个；并且所述扬声器变量包括相同类型的所述多个电动扬声器的振膜偏移或位移。
36.根据权利要求34所述的确定扬声器参数与扬声器变量之间的平均非线性函数的方法，其中，根据步骤c)标准化所述多个记录的参数值包括：
在所述扬声器变量的所述公共参考值处增加或减小每个扬声器的所述多个记录的参数值中的每一个，使得所述扬声器参数的所有参数值在所述公共参考值处大致相等。
37.根据权利要求36所述的确定扬声器参数与扬声器变量之间的平均非线性函数的方法，其中，所述扬声器变量的所述参考值是零振膜偏移。
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