CN104838670A - 声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有固定线圈和移动线圈的声换能器，以及用于操作所述声换能器的方法。时变信号施加于所述移动线圈和所述固定线圈以控制产生声音的隔膜移动。施加于所述移动线圈的所述时变信号对应于输入音频信号的至少一个经处理版本，且至少基于施加于所述固定线圈的所述时变信号的版本而更新。一些实施方案包括响应于对应于施加于所述固定线圈的所述时变信号的磁通量值更新所述输入音频信号的所述经处理版本。一些实施方案包括响应于反馈信号更新施加于所述移动线圈的所述时变信号。

Description

声换能器

技术领域

本文中描述的实施方案涉及声换能器。

背景技术

许多声换能器或驱动器使用移动线圈动态驱动器以生成声波。在大部分换能器设计中，磁体在气隙内激励磁通量。移动线圈与气隙中的磁通量作用以移动驱动器。最初，使用电磁体以在气隙中创建固定磁通量。此类基于电磁体的驱动器具有高的功耗。最近，一直用永磁体制造声驱动器。虽然永磁体不消耗功率，但是其具有有限的BH磁能积，体积可能过大且取决于磁性材料，其可为昂贵的。相比之下，基于电磁体的驱动器没有相同的BH磁能积限制。

需要一种并有电磁体的优点并同时减小其一些缺点的影响的更有效的基于电磁体的声换能器。

发明内容

本文中描述的实施方案一般涉及具有固定线圈和移动线圈的声换能器，以及用于操作声换能器的方法。时变信号施加于所述移动线圈和所述固定线圈以控制产生声音的隔膜移动。施加于所述移动线圈的所述时变信号可至少基于施加于所述固定线圈的所述时变信号的版本而更新。

根据本发明的一些实施方案，提供一种操作声换能器的方法，所述方法包括：接收输入音频信号；在固定线圈中生成时变固定线圈信号，其中所述时变固定线圈信号对应于所述输入音频信号，其中所述固定线圈在磁通量路径中引发磁通量；在移动线圈中生成时变移动线圈信号，其中：所述移动线圈安置在所述磁通量路径内；所述时变移动线圈信号对应于所述时变固定线圈信号和所述输入音频信号的经处理版本两者；和所述时变移动线圈耦合到响应于所述时变移动线圈信号移动的移动隔膜；和响应于对应于所述时变固定线圈信号的磁通量值生成所述输入音频信号的所述经处理版本。所述输入音频信号的所述经处理版本可以响应于所述磁通量值而迭代地更新。

在一些情况下，所述声换能器是包括还在所述磁通量路径中生成磁通量的永磁体的混合声换能器。在此类情况下，生成对应于由所述永磁体引发的所述磁通量和所述输入音频信号两者的所述时变固定线圈信号。

根据本发明的另一实施方案，提供一种声换能器，其包括：音频输入端子，其用于接收输入音频信号；驱动器，其具有：移动隔膜；磁性材料，其具有气隙；固定线圈，其用于在所述磁性材料和所述气隙中引发磁通量；耦合到所述隔膜的移动线圈，其中所述移动线圈至少部分安置在所述气隙内；和控制系统，其被调整来：在所述固定线圈中产生时变固定线圈信号，其中所述时变固定线圈信号对应于所述输入音频信号；在所述移动线圈中产生时变移动线圈信号，其中：所述时变移动线圈信号对应于所述时变固定线圈信号和所述输入音频信号的经处理版本两者；且所述时变移动线圈耦合到响应于所述时变移动线圈信号移动的所述移动隔膜；和响应于对应于所述时变固定线圈信号的磁通量值更新所述输入音频信号的所述经处理版本。

根据本发明的另一实施方案，提供一种操作声换能器的方法，所述方法包括：接收输入音频信号；在移动线圈中生成时变移动线圈信号，其中：所述移动线圈安置在磁通量路径内；所述时变移动线圈信号对应于所述输入音频信号的至少一个经处理版本；且所述移动线圈耦合到响应于所述时变移动线圈信号移动的移动隔膜；生成用于更新所述时变移动线圈信号的反馈信号；在固定线圈中施加时变固定线圈信号，所述固定线圈在所述磁通量路径中引发磁通量，所述时变固定线圈信号对应于所述反馈信号；和响应于所述反馈信号更新所述时变移动线圈信号。

根据本发明的另一实施方案，提供一种声换能器，其包括：音频输入端子，其用于接收输入音频信号；驱动器，其具有：移动隔膜；磁性材料，其具有气隙；固定线圈，其用于在所述磁性材料和所述气隙中引发磁通量；耦合到所述隔膜的移动线圈，其中所述移动线圈至少部分安置在所述气隙内；和控制系统，其被调整来：在所述移动线圈中生成时变移动线圈信号，其中：所述时变移动线圈信号对应于所述输入音频信号的至少一个经处理版本；且所述移动线圈耦合到响应于所述时变移动线圈信号移动的所述移动隔膜；生成用于更新所述时变移动线圈信号的反馈信号；在所述固定线圈中施加时变固定线圈信号，其中所述时变固定线圈信号对应于所述反馈信号；和响应于所述反馈信号更新所述时变移动线圈信号。

下文描述各个方面和实施方案的额外特征。

附图说明

现在将参考附图详细地描述本发明的几个实施方案，其中：

图1说明根据示例性实施方案的声换能器；

图2到图4说明根据其它示例性实施方案的声换能器；

图5是根据示例性实施方案的反馈块的方框图；

图6是根据示例性实施方案的平衡块的方框图；

图7是根据示例性实施方案的动态均衡块的方框图；且

图8说明根据示例性实施方案的用于不同声换能器设计的磁通量曲线。

附图的各个特征没有按比例绘制以说明下文描述的实施方案的各个方面。在附图中，对应元件通常是以类似或对应参考数字识别。

具体实施方式

首先参考图1，其说明声换能器100的第一实施方案。声换能器100具有输入端子102、控制块104和驱动器106。图1以横截面说明驱动器106且以方框图形式说明声换能器100的剩余部分。

控制块104包括固定线圈信号生成块108、移动线圈信号生成块110和动态均衡块160。如图1中所示，动态均衡块160、固定线圈信号生成块108和移动线圈信号生成块110中的每一个可以彼此耦合以传输和/或接收数据。

在操作中，在输入端子102处接收输入音频信号V_i。输入音频信号V_i然后可以被传输到控制块104内的块中的一个或多个。

在一些实施方案中，如下文将进一步描述，固定线圈信号生成块108和动态均衡块160中的每一个耦合到输入端子102。输入音频信号V_i被传输到固定线圈信号生成块108和动态均衡块160两者。固定线圈信号生成块108响应于输入音频信号V_i在节点126处生成固定线圈电流信号I_s。动态均衡块160生成输入音频信号的经处理版本，其被传输到移动线圈信号生成块110。移动线圈信号生成块110然后部分响应于接收自动态均衡块160的输入音频信号的经处理版本和接收自固定线圈信号生成块108的固定线圈控制信号两者在节点128处生成移动线圈电流信号I_m。

在一些其它实施方案中，如下文又将进一步描述，只有动态均衡块160耦合到输入端子102。输入音频信号V_i被传输到动态均衡块160。动态均衡块160生成输入音频信号的经处理版本，其被传输到移动线圈信号生成块110。移动线圈信号生成块110然后响应于输入音频信号的经处理版本和接收自固定线圈信号生成块108的固定线圈控制信号两者在节点128处生成移动线圈电流信号I_m。移动线圈信号生成块110还生成提供到固定线圈信号生成块108的移动线圈控制信号。基于移动线圈控制信号，固定线圈信号生成块108生成固定线圈电流信号I_s。

驱动器106包括磁性材料112、隔膜114、移动线圈管116、固定线圈118和移动线圈120。驱动器106还包括选用隔膜支撑件，其包括支架122和环绕物123。

磁性材料112通常呈圆环形且具有圆环腔。固定线圈118定位在腔内。在各个实施方案中，磁性材料112可以由一个或多个部分形成，所述一个或多个部分可以允许更容易在腔内插入或形成固定线圈118。磁性材料112响应于固定线圈电流信号I_s而磁化，从而在磁性材料中产生磁通量。磁性材料在其磁路138中具有圆柱形气隙136且磁通量流过且靠近气隙136。将了解，路径连同磁通量流动可以称作磁通量路径。

磁性材料112可以由能够在存在磁场时磁化的任何材料形成。在各个实施方案中，磁性材料112可以由两种或两种以上此类材料形成。在一些实施方案中，磁性材料112可以由叠层形成。在一些实施方案中，叠层可以径向组装且可以呈楔状使得复合磁性材料经形成使得叠层之间没有间隙。

移动线圈120安装在移动线圈管116上。移动线圈120耦合到移动线圈信号生成块110且接收移动线圈电流信号I_m。隔膜114安装到移动线圈管116使得隔膜114与移动线圈120和移动线圈管116一起移动。移动线圈120和移动线圈管116响应于移动线圈电流信号I_m和气隙136中的磁通量在气隙136内移动。随着移动线圈管116移动的声换能器的组件可以称作移动组件。当移动线圈管116运动时，固定的组件可以称作固定组件。声换能器100的固定组件包括磁性材料112和固定线圈118。

在各个实施方案中，声换能器100可以被调整来使防尘帽132与磁性材料112之间的气室通风。例如，孔可以形成在磁性材料112中，或孔可以形成在移动线圈管116中以允许气室通风，藉此减小或防止气压影响隔膜114的移动。

控制块104响应于输入音频信号V_i生成固定线圈和移动线圈信号使得隔膜114生成对应于输入音频信号V_i的音频波。

固定线圈和移动线圈信号对应于输入音频信号V_i且还彼此对应。固定线圈和移动线圈信号两者分别是时变信号，其中固定线圈和移动线圈信号的量级在声换能器100的操作期间并未固定在单个量级。固定线圈信号的变化在磁性材料112和气隙136中产生不同程度的磁通量。移动线圈信号的变化使隔膜114移动，从而产生对应于输入音频信号V_i的声音。在一些实施方案中，固定线圈信号生成块108和移动线圈信号生成块110分别彼此耦合。

在一些其它实施方案中，固定线圈信号生成块108和移动线圈信号生成块110分别无法彼此耦合，但是固定线圈信号生成块108和移动线圈信号生成块110中的一个或两个分别可以被调整来评估或模型化分别由另一块生成的移动线圈电流信号I_s和固定线圈电流信号I_m，且然后响应于模型化线圈信号和输入音频信号生成其自身的相应线圈信号。

在根据本发明的声换能器的各个实施方案中，固定线圈信号生成块108和移动线圈信号生成块110分别可以被调整来取决于换能器的所需性能和操作以各种方式操作。

现在参考图2，其更详细地说明声换能器200的第二实施方案的控制块204。

控制块204包括固定线圈信号生成块208和移动线圈信号生成块210。

固定线圈信号生成块208包括绝对值块230、固定线圈程序块232和固定线圈电流调节器236。绝对值块230接收输入音频信号V_i且提供整流输入音频信号250。使用输入音频信号V_i的绝对值导致固定线圈信号为单向信号。在一些实施方案中，固定线圈信号可因此总是正信号。固定线圈程序块232响应于整流输入音频信号250生成固定线圈控制信号252。

在不同实施方案中，固定线圈程序块232可以具有各种元件且可以各种方式操作。第8,139,816号美国专利中描述固定线圈程序块232的一些实例，该专利以此引用方式并入本文中。例如，固定线圈程序块232在一些实施方案中可以包括定标器、平方根块和限制器块。替代地，固定线圈程序块232在一些实施方案中可以包括峰值保持RCD，其具有包括二极管、电容器和电阻器的衰减网络。将了解，电路组件可以被提供作为物理组件或作为一个或多个数字模块。还将了解，可以使用固定线圈程序块232的其它示例性实施方案。固定线圈电流调节器236响应于固定线圈控制信号252生成固定线圈信号作为电流信号。

实际上，固定线圈信号的有用量级是有限的。磁性材料112具有对应于固定线圈电流信号I_s的最大有用量级的饱和通量密度。固定线圈电流信号I_s的量级增加超出此程度将不会显著地增加气隙136中的通量密度。固定线圈电流信号I_s的最大有用量级可以称作I_s-max。

移动线圈信号生成块210包括分频器220和移动线圈电压调节器228。分频器220从节点240接收如通过动态均衡块160生成的输入音频信号254的经处理版本。分频器220由固定线圈控制信号252分频输入音频信号254的经处理版本以生成移动线圈控制信号256。移动线圈电压调节器228响应于移动线圈控制信号256生成移动线圈信号作为电压信号或生成移动线圈电压信号V_m。移动线圈电压信号V_m可以被导出以基于以下方程生成适当的移动线圈电流信号I_m：

$I_m=\frac{V_m}{Z_m},---\left(1\right)$

其中Z_m对应于移动线圈120处的阻抗。在一些实施方案中，Z_m可以被模型化为电阻器。

不同于由电流源生成的电流信号，由移动线圈电压信号V_m导出的移动线圈电流信号I_m可以通过被适当地控制来最小化移动线圈120处的移动组件的阻抗的影响而受益。移动线圈电压调节器228充当电压源功率放大器，其接收输入音频信号且从所述输入音频信号生成适当的电压信号。

仍然参考图2，固定线圈信号被提供作为电流信号，而移动线圈电流信号I_m可以从移动线圈电压信号V_m生成。由于固定线圈信号被提供作为电流信号且固定线圈118耦合到移动线圈120，从移动线圈118反射到固定线圈120的电压可以使从固定线圈电流调节器236生成的信号被削波。用于最小化反射电压的一种解决方案可为将反磁线圈物理地缠绕在固定线圈118附近且与移动线圈120串联，但是与移动线圈120反相。然而，反磁线圈的效果是频率相依的且因此无法总是消除固定线圈118上的反射电压。此外，反磁线圈的使用可为昂贵的。

隔膜114关于移动线圈信号和固定线圈信号(固定地关于移动线圈120的移动)改变位置。在任何时刻，气隙136中的磁通量将通常与固定线圈电流信号I_s成比例(假设固定线圈信号量级没有过快地改变)。假设固定线圈电流信号I_s是恒定的，隔膜114将与移动线圈电流信号I_m的变化成比例移动且将产生具体音频输出。如果固定线圈电流信号I_s是时变的，那么移动线圈电流信号I_m必须被修改来适应气隙136中的磁通量的变动，以产生相同音频输出。动态均衡块160操作以补偿气隙136中的磁通量B的变化。

如上文简单地描述，动态均衡块160接收并处理输入音频信号V_i以生成输入音频信号254的经处理版本。通过使用移动线圈电压调节器228来代替电流调节器，控制块204可以包括动态均衡块160以补偿移动线圈120的电组件的影响。所述影响可以包括反电动势(emf)且可以由移动线圈120的电感和/或移动线圈120的电阻生成。通常，电流调节器操作以生成预定电流信号且不受反emf或移动线圈120的电感和/或电阻的效应影响。相反，由电流调节器生成的电流信号通常只考虑声换能器300的机械和声影响。

动态均衡块160部分基于固定线圈控制信号252生成输入音频信号254的经处理版本。固定线圈控制信号252通常与气隙136中的磁通量B成比例。因此，动态均衡块160操作以补偿气隙136中的磁通量的变化。即，动态均衡块160基于气隙136的磁通量(如从固定线圈控制信号252确定)提供移动线圈电压信号V_m的前向校正。下文参考图7描述动态均衡块160的示例性实施方案。

现在参考图3，其更详细地说明声换能器300的第三实施方案的控制块304。

声换能器300包括固定线圈信号生成块308和移动线圈信号生成块310。类似于移动线圈信号生成块210，移动线圈信号生成块310还包括类似于分频器220和移动线圈电压调节器228操作的分频器320和移动线圈电压调节器328。

固定线圈信号生成块308包括绝对值块330、固定线圈程序块332和固定线圈电流调节器336。绝对值块330接收输入音频信号V_i且提供整流输入音频信号350。固定线圈程序块332响应于整流输入音频信号350生成固定线圈控制信号352。不同于声换能器200的固定线圈电流调节器236，固定线圈电流调节器336响应于固定线圈控制信号352生成固定线圈信号作为电压信号或固定线圈电压信号V_s。固定线圈电压信号V_s可以使用以下方程式转换为固定线圈电流信号I_s：

$I_S=\frac{V_S}{Z_S}---\left(2\right)$

其中Z_s对应于固定线圈118处的阻抗。在一些实施方案中，Z_s可以被模型化为电阻器。

如图2和图3中说明，固定线圈信号生成块208、308可以包括电流调节器或电压调节器。如上所述，可以使用电压调节器，因为其可更容易实施，不同于电流调节器，电压调节器无须生成双向电压。

固定线圈电压调节器336的使用可以在声换能器300中产生问题。例如，固定线圈电压调节器336可以降低声换能器300的效率，因为固定线圈电压调节器336分流固定线圈118中从移动线圈120中的电流反射的电流。固定线圈电压调节器336也是频率相依的，且因此可以引入失真。然而，实际上，此类问题是次要的，因为固定线圈118不良地耦合到移动线圈120，且可在磁性材料112和/或气隙136中施加实际几何体予以进一步缓和。

现在参考图4，其更详细地说明声换能器400的第四实施方案的控制块404。

声换能器400包括固定线圈信号生成块408和移动线圈信号生成块410。然而，不同于声换能器200和300，声换能器400基于反馈操作。如下文将描述，固定线圈信号生成块408并未耦合到输入端子102。相反，固定线圈信号生成块408包括用于确定固定线圈电流信号458和/或固定线圈电流信号的版本的反馈块470。已确定的固定线圈电流信号458或已确定的固定线圈电流信号的版本然后被提供到动态均衡块160以因此改变移动线圈信号。将了解，固定线圈电流信号458通常与气隙136处的磁通量成比例

在一些实施方案中，可以提供无动态均衡块160的声换能器400。例如，移动线圈信号生成块410可以耦合到输入端子102以接收输入音频信号V_i且还可以耦合到反馈块470以接收固定线圈电流信号458。在一些实施方案中，移动线圈电压调节器428反而可以是移动线圈电流调节器。在一些实施方案中，固定线圈电压调节器438反而可以是固定线圈电流调节器。

反馈块470可以操作以确定固定线圈电流信号458以改变移动线圈信号以控制声换能器400的操作特性。例如，固定线圈电流信号458可以被确定用于诸如通过最小化固定线圈118和移动线圈120中的每一个处的组合损耗优化声换能器400的操作，从而减小移动线圈电流信号I_m的削波、调节移动线圈120的温度、最小化声换能器400中的噪声和/或失真。将了解，类似地可以使用固定线圈电流信号458改变声换能器400的其它操作特性。

类似于移动线圈信号生成块210和310，移动线圈信号生成块410还包括分频器420和移动线圈电压调节器428。分频器420通过凭借固定线圈电流信号458(如接收自固定线圈生成块408)分频输入音频信号454(如接收自动态均衡块160)的经处理版本而生成移动线圈控制信号456。移动线圈电压调节器428响应于移动线圈控制信号456生成移动线圈信号作为电压信号或移动线圈电压信号V_m。移动线圈信号V_m可以使用以上方程式(1)转换为移动线圈电流信号I_m。

在一些实施方案中，压缩器块可以提供在移动线圈信号生成块410中以减小移动线圈控制信号456的振幅以缓和由移动线圈电压调节器428生成的移动线圈信号V_m的削波。例如，在移动线圈信号生成块410中可以在移动线圈电压调节器428前面但是通常在节点444后面提供压缩器块。在此位置处，当压缩器块在操作时，压缩器块可以具有增加固定线圈电流信号458的效果，因为从节点444提供到反馈块470的信号将大于由压缩器提供到移动线圈电压调节器428的信号。此外，当较大固定线圈电流信号458被提供到分频器420时，所得移动线圈电压信号V_m将通过操作分频器420而降低。

替代地，在移动线圈信号生成块410中可以在移动线圈电压调节器428前面且通常在节点444前面提供压缩器块。在此位置处，当压缩器块在操作时，压缩器块可以操作以平衡固定线圈118和移动线圈120处消耗的功率，且结果还最小化固定线圈118和移动线圈120处的组合损耗。然而，当压缩器块放置在此位置处时，由移动线圈电压调节器428生成的移动线圈电压信号V_m将更频繁地削波。

在一些实施方案中，可以增加已确定的固定线圈电流信号458。例如，可以增加已确定的固定线圈电流信号458以缓和移动线圈电路信号V_m的削波或用于缓和压缩器块操作时的压缩。为了增加已确定的固定线圈电流信号458，当削波移动线圈电压信号V_m时或当需要缓和由压缩器块所致的压缩时可以给具有包括二极管、电容器和电阻器的衰减网络的峰值保持RCD充电。峰值保持RCD的输出信号可以被添加到已确定的固定线圈电流信号458。如上所述，将了解，电路组件可以被提供作为物理组件或一个或多个数字模块。

固定线圈生成块408包括反馈块470和固定线圈电压调节器438。反馈块470响应于由分频器420生成的移动线圈控制信号456生成固定线圈电流信号458。固定线圈电流信号458被提供给动态均衡块160和移动线圈信号生成块410。反馈块470还提供固定线圈电流信号458或固定线圈电流信号458的版本到固定线圈电压调节器438。固定线圈电压调节器438响应于固定线圈电流信号458生成电压信号或固定线圈电压信号V_s。

在一些实施方案中，反馈块470提供固定线圈电流信号458的相同版本到动态均衡块160和移动线圈信号生成块410以及固定线圈电压调节器438。

在一些实施方案中，动态均衡块160与移动线圈信号生成块410之间可以包括衰减块。可以包括衰减块以给反馈块470提供足够的响应时间。

现在参考图5，其说明示例性反馈块470的方框图500。

如上所述，反馈块470可以操作以确定固定线圈电流信号458用于不同目的。图5中说明的示例性反馈块470操作以确定固定线圈电流信号458以分别最小化固定线圈118和移动线圈120处的损耗。反馈块470包括移动线圈功率块562、选用移动线圈平均块564、固定线圈功率块572和平衡块550。

在一些实施方案中，平衡块550可以被提供作为物理电路组件或一个或多个数字模块。在一些其它实施方案中，平衡块550可以仅仅是反馈块470内的节点。

移动线圈功率块562操作以如使用以下公式确定般来确定由移动线圈120处的阻抗所致的损耗：

其中Z_m表示移动线圈120的阻抗，且R_m表示移动线圈120的电阻。类似地，固定线圈功率块572操作以如使用以下公式确定般来确定由固定线圈118处的阻抗所致的损耗：

其中Z_s表示固定线圈118的阻抗且R_s表示固定线圈118的电阻。

将了解，可以在s域中模块化移动线圈120的阻抗。例如，用于闭箱式系统的移动线圈120的阻抗可以表达为：

$Z_m\left(s\right)=R_m+R_{\mathrm{ES}}\left[\frac{s\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AT}}}{Q_{\mathrm{MS}}}}{s^2\·{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AT}}}^2+s\·\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{AT}}}{Q_{\mathrm{MS}}}+1}\right]---\left(5\right)$

其中R_ES表示如电气侧处反映的机械电阻，Q_MS表示谐振时只考虑机械损耗的驱动器106的阻尼，且τ_AT表示谐振时间常数。方程式(5)的逆可以表达为：

应了解，R_ES随着气隙136中的磁通量B变化，且可以表达为：

其中S_D表示隔膜114的表面面积，R_AS表示暂停损耗的声电阻，且l_有效表示移动线圈120在气隙136中的磁通量中的有效长度。

将了解，对于诸如具有通风口、带通的其它设计或具有无源辐射器的扬声器，可以使用对应方程式来表示将为所属领域一般技术人员所知的移动线圈120的阻抗。

双线性变换可以施加于方程式(6)以在z域中生成四次多项式(作为实例，如下文方程式(8)所示)使得可在离散时域中仿真移动线圈120的逆阻抗。

其中a₀和b₀表示当前迭代的系数，a₁和b₁表示先前迭代的系数，且a₂和b₂表示先前迭代之前的迭代的系数。方程式(8)中的一些系数将取决于磁通量B，因为如从方程式(7)中可见，R_ES的值取决于磁通量B。将了解，因为气隙136中的磁通量B随着每一次迭代改变，所以每一次迭代均需要确定方程式(8)中的系数。使用每一次迭代处确定的系数，可以确定移动线圈120的阻抗，且然后还可以使用方程式(3)确定移动线圈120处的损耗。在一些实施方案中，可以从查找表确定或直接从双线性变换计算系数。在其它实施方案中，可以使用类似形式的其它适当方程式。

在确定分别由固定线圈118和移动线圈120处的阻抗所致的损耗之后，可以希望分别减小固定线圈118和移动线圈120中的损耗。例如在节点582处可以通过从移动线圈损耗(功率_m)减去固定线圈损耗(功率_s)来生成功率平衡信号。因为最小损耗是在固定线圈118和移动线圈120中的每一个处的损耗相等之时，所以平衡块550可以确定可最小化损耗的固定线圈电流信号458且提供固定线圈电流信号458或固定线圈电流信号458的版本到固定线圈电压调节器438。下文参考图6进一步描述平衡块550的示例性实施方案。

在一些实施方案中，节点582处可以包括用于放大功率平衡信号的反馈增益放大器块。

在一些实施方案中，固定线圈功率块572和移动线圈功率块562中的每一个还可被设计来考虑环境因素的影响。例如，环境因素可以包括周围温度。R_m和R_s将通常分别取决于固定线圈118和移动线圈120的温度。在一些实施方案，可以测量或评估温度，且可以使用对应于已测量或评估的温度的电阻以计算功率平衡信号。

选用移动线圈平均块564可以被包括来稳定接收自节点444的移动线圈控制信号456。移动线圈功率块562生成与移动线圈控制信号456的值的平方成比例的瞬时移动线圈功率信号，且由移动线圈功率块562生成的移动线圈功率信号部分用于确定固定线圈电流信号458。所述固定线圈电流信号458然后至少被提供到分频器420和动态均衡块160用于更新移动线圈信号。因此，归因于瞬时移动线圈功率信号，可以引入失真到更新移动线圈控制信号456中。通过提供移动线圈平均块564，移动线圈功率信号可以通过消除移动线圈控制信号456的音频带内的失真分量而稳定。通常，移动线圈平均块564可以依低频值操作。例如，低频值可以在所需音频频率频带之外，但是低频值应允许移动线圈损耗和固定线圈损耗的动态平衡。

在一些实施方案中，放大器损耗块可以提供在移动线圈功率块562后面用于确定放大器处的损耗。放大器处的损耗与移动线圈信号直接相关。通过将放大器损耗包括到如移动线圈平均块564处确定的平均移动线圈损耗中，可确定声换能器400的最小总系统损耗。

将了解，可以提供反馈块470的其它配置和/或设计。例如，反馈块470的配置可以根据确定固定线圈电流信号458的不同目的而改变。

现在参考图6，其说明示例性平衡块550的方框图600。

在一些实施方案中，平衡块550可以被提供作为反馈块470内的节点。因此，节点582处生成的功率平衡信号可以用作固定线圈电流信号458，且可以被提供给动态均衡块160、分频器420和固定线圈电压调节器438。

在一些其它实施方案中，平衡块550可以用物理电路组件提供。在图6的示例性平衡块550中，例如，平衡块550响应于接收自节点582的功率平衡信号生成固定线圈电流信号458或固定线圈电流信号458的版本。

仍然参考图6，如说明，可以基于接收自节点582的功率平衡信号和来自节点654的平衡反馈信号在节点650处生成固定线圈电流信号的第一版本。节点654处提供的平衡反馈信号通常对应于固定线圈电流信号458的先前迭代。在节点650处，固定线圈电流信号458的第一版本通过从接收自节点582的功率平衡信号减去平衡反馈信号而生成。如图5中所示，固定线圈电流信号458的第一版本经由节点446提供到固定线圈功率块572和固定线圈平均调节器438。当固定线圈电流信号的第一版本被提供到固定线圈电压调节器438时，固定线圈功率块572可以确定固定线圈118处生成的损耗。

平衡块550还包括用于生成固定线圈电流信号458的第二版本的固定线圈阻抗模型652。固定线圈阻抗模型652对应于固定线圈118的模型。固定线圈阻抗模型652从节点650接收固定线圈电流信号的第一版本，且生成固定线圈电流信号的第二版本。固定线圈电流信号的第二版本可以对应于由固定线圈电压调节器438生成的固定线圈信号。固定线圈电流信号458的第二版本然后可以经由节点442提供到动态均衡块160和分频器420。

在一些实施方案中，固定线圈阻抗模型652可以是一阶低通滤波器。在一些其它实施方案中，固定线圈阻抗模型652可以被模型化为电感。通常，电感组件缓慢地操作，且因此缓慢操作的移动线圈平均块564将不会损害反馈块470的操作。

在一些实施方案中，固定线圈电流信号的第一版本和第二版本可以相同。在一些其它实施方案中，固定线圈电流信号的第一版本反而可以被提供到节点442，且固定线圈电流信号的第二版本反而可以被提供到节点446和固定线圈功率块572。

在一些实施方案中，反馈增益放大器块可以包括在固定线圈阻抗模型652前面用于放大节点650处提供的功率平衡信号的版本。通过放大功率平衡信号，可实现移动线圈损耗和固定线圈损耗的更好平衡。

现在参考图7，其说明示例性动态均衡块160的方框图700。

动态均衡块160可以包括目标信号块710、转移函数块720和稳定块730。

目标信号块710响应于输入音频信号V_i提供目标输入音频信号。通常，目标信号块710可以随着所描述声换能器中的任一个的运行特性而改变以提供更适用于特定声换能器的输入音频信号的版本。例如，目标信号块710可以是高通滤波器以减小驱动器106可以尝试复制的低频信息的量。高通滤波器可以是在z域内操作的一阶、二阶或更高阶滤波器，或甚至可以是模拟滤波器。

转移函数块720包括固定线圈118的模型，且因此是气隙136的磁通量B的函数。转移函数块720可以因此对应于转移函数G(s,B)。如上所述，气隙136的磁通量通常与固定线圈控制信号252、352和如接收自固定线圈生成块208、308、408生成的固定线圈电流信号458成比例。在一些实施方案中，可以假设固定线圈控制信号252、352和固定线圈电流信号458与磁通量直接成比例。在一些实施方案中，转移函数块720还可以包括考虑环境因素的影响的模型。例如，环境因素可以包括周围温度。

在一些实施方案中，通量转换块可以包括在动态均衡块160与固定线圈信号生成块208、308或408之间用于使固定线圈控制信号252、352和固定线圈电流信号458与对应磁通量值相关。例如，通量转换块可以包括查找表，其包括固定线圈控制信号252、352或固定线圈电流信号458的范围的对应磁通量值。

稳定块730操作以稳定由转移函数块720生成的输出信号Y(s,B)。在一些实施方案中，稳定块730还可以是气隙136的磁通量的函数，因为转移函数块720的运算(即，G(s,B))也是气隙136的磁通量的函数。

因此，可以通过施加转移函数G(s,B)于目标输入音频信号或T确定错误信号E(s,B)。错误信号E(s,B)作为输入音频信号254、354、454的经处理版本提供给相应节点240、340和440处的移动线圈信号生成块210、310或410。下文提供动态均衡块160的关系：

Y(s，B)＝E(s，B)×G(s，B)，    (9)

E(s，B)＝T-[H(s，B)×Y(s，B)]，    (10)

基于方程式(9)和(10)，其可确定Y(s,B)可以被定义为：

$Y(s,B)=\frac{G(s,B)}{1+G(s,B)H(s,B)}T.---\left(11\right)$

在诸如图7中说明的动态均衡块160的闭环系统中，可以从以下方程式确定错误信号E(s,B)：

$E(s,B)=\frac{Y(s,B)}{G(s,B)}\≈\frac{T}{G(s,B)}.---\left(12\right)$

在一些实施方案中，可以使用s域模型化所描述的声换能器中的任一个。例如，目标输入音频信号T可以是二阶高通滤波器，且可以在s域中用以下方程式表达：

$T\left(s\right)=\frac{S^2}{S^2+\frac{s}{Q_{\mathrm{hp}}.T_{\mathrm{hp}}}+\frac{1}{{T_{\mathrm{hp}}}^2}},---\left(13\right)$

其中Q_hp表示二阶高通滤波器的阻尼且T_hp表示二阶高通滤波器的时间常数。

此外，可以在s域中用以下方程式表达闭箱式系统的转移函数G(s,B)：

$G(s,B)=\frac{S^2}{S\·\frac{1}{{Q\left(B\right)}_{\mathrm{ts}}\·T_{\mathrm{AT}}}+S^2+\frac{1}{{T_{\mathrm{AT}}}^2}},---\left(14\right)$

其中Q(B)_ts表示驱动器106的阻尼，且T_AT表示驱动器106的时间常数。方程式(14)表示声换能器的自然响应。此外，Q(B)_ts可以用以下方程式表达：

其中C_AT表示驱动器106的柔度(如果使用扬声器箱来封闭所描述声换能器中的任一个，那么其还包括扬声器箱的柔度)，B表示气隙136中的磁通量，且l_有效表示移动线圈120在气隙136中的磁通量中的有效长度。

将了解，对于诸如具有通风口、带通的其它设计或具有无源辐射器的扬声器，可以使用对应方程式来表示驱动器106的阻尼函数Q(B)_ts和转移函数G(s,B)中的每一个。

使用方程式(12)到(14)，错误信号E因此可以被表达为：

$E(s,B)=\frac{S\·\frac{1}{{Q\left(B\right)}_{\mathrm{ts}}\·T_{\mathrm{AT}}}+S^2+\frac{1}{{T_{\mathrm{AT}}}^2}}{S^2+\frac{s}{Q_{\mathrm{hp}}\·T_{\mathrm{hp}}}+\frac{1}{{T_{\mathrm{hp}}}^2}},---\left(16\right)$

双线性变换可以施加于方程式(16)以在z域中生成四次多项式(如下文方程式(17)中所示)使得可在离散时域中仿真错误信号E。

$E\left(z\right)=\frac{a_0+a_1\·z^{-1}+a_2\·z^{-2}}{b_0+b_1\·z^{-1}+b_2\·z^{-2}},---\left(17\right)$

其中a₀和b₀表示当前迭代的系数，a₁和b₁表示先前迭代的系数，且a₂和b₂表示先前迭代之前的迭代的系数。方程式(17)中的一些系数将取决于磁通量B。将了解，因为气隙136中的磁通量B随着每一次迭代改变，所以每一次迭代均需要确定方程式(17)中的系数。在一些实施方案中，可以从查找表确定或直接从双线性变换计算系数。

在一些实施方案中，可以用直接数值方法模型化所描述的声换能器。例如，可以迭代地使用不同方程式。

在一些实施方案中，转移函数块720还可以考虑移动线圈120的电感L_m的影响。此可能是重要的，因为移动线圈电感L_m影响驱动器106的高频响应，且还可以取决于磁性材料112中的磁通量。在一个实例中，可以增加方程式(14)的阶数且因此增加方程式(16)的阶数。在另一实例中，移动线圈电感块可以包括在目标信号块710前面或后面，或在确定错误信号E(s,B)之后包括移动线圈电感块。移动线圈电感块可以包括对应于移动线圈电感L_m和气隙136中的磁通量的至少一个频率相依组件。移动线圈电感块的转移函数可以在s域中用以下方程式表达：

其中T_架构表示架构等化的上隅角的时间常数，且T(B)_LR表示移动线圈120的电感和电阻的时间常数。移动线圈120处的电感和电阻可以被表达为L_m(B)/R_m，其中移动线圈电感L_m是气隙136中的磁通量B的函数。

如上所述，双线性变换可以施加于方程式(18)以在z域中生成四次多项式(如下文方程式(19)中所示)使得可在离散时域中仿真移动线圈电感信号L_eq(s,B)。

$L_{\mathrm{eq}}\left(z\right)=\frac{a_0+a_1\·z^{-1}+a_2\·z^{-2}}{b_0+b_1\·z^{-1}+b_2\·z^{-2}},---\left(19\right)$

其中a₀和b₀表示当前迭代的系数，a₁和b₁表示先前迭代的系数，且a₂和b₂表示先前迭代之前的迭代的系数。方程式(19)中的一些系数取决于磁通量B。将了解，因为气隙136中的磁通量B每一次迭代均改变移动线圈电感L_m，所以每一次迭代均需要确定方程式(19)中的系数。在一些实施方案中，可以从查找表确定或直接从双线性变换计算系数。此外，因为移动线圈电感L_m是气隙136中的磁通量B的函数，所以移动线圈电感L_m还可从查找表或使用一阶、二阶或更高阶多项式确定。例如，可以使用以下方程式确定依据磁通量B变化的移动线圈电感L_m：

L_m(B)＝a·B³+b·B²+c·B+d，    (20)

上述声换能器的一些实施方案可以是混合声换能器。混合声换能器使用永磁体和一个或多个固定线圈118以磁化磁性材料112和气隙136。可以希望使用混合声换能器以在低电平的固定线圈电流信号I_s下增加磁通量。

现在参考图8，其通常说明用于不同声换能器设计的磁通量曲线800。磁通量曲线800针对不同声换能器设计标绘磁性材料112中的磁通量B对固定线圈电流信号I_s。曲线810对应于使用固定线圈118以磁化磁性材料112的声换能器(诸如上述声换能器中的任一个)，且曲线820对应于混合声换能器。在比较曲线810与曲线820时，可确定对于更小值的固定线圈电流信号I_s，混合声换能器更有效地用于在气隙136中生成磁通量。然而，对于更大值的固定线圈电流信号I_s，上述声换能器中的任一个与混合声换能器之间的磁通量的生成并无显著区别。

对于混合声换能器，固定线圈电流信号I_s可以表达如下：

其中B表示气隙136中的磁通量，N表示固定线圈118中的匝数，R表示混合声换能器的磁路的磁阻(磁路包括永磁体、磁性材料112和气隙136)，A表示磁性材料112和气隙136的横截面面积，H_磁体表示永磁体的磁动势，且l_磁体表示永磁体在磁体的磁通量(B_磁体)的方向上的长度。磁体的磁动势H_磁体通常可以表达如下：

其中B_磁体表示永磁体的磁通量密度，且B_剩磁表示永磁体的剩磁。B_剩磁的值和永久系数取决于混合声换能器中使用的永磁体。将了解，如果磁性材料112和永磁体中的每一个的横截面面积相等，那么B和B_磁体的值可以相等。

再次参考图8，混合声换能器的磁路的磁阻R随着B改变，因为磁性材料112中引发的磁通量饱和。曲线820可以使用充分拟合曲线820的任何一阶、二阶、三阶或更高阶多项式标绘。例如，可以使用依据固定线圈电流信号I_s变化的磁通量的以下表达式：

B(I_S)＝n₁·I_S ³+n₂·I_S ²+n₃·I_S+n₄，    (23)

其中系数n₁、n₂、n₃和n₄被选取来拟合曲线820。还可以使用类似形式的另一方程式。

上述各个实施方案是以方框图层级且使用一些离散元件描述以说明实施方案。本发明的实施方案(包括上文描述的实施方案)可以实施于提供数字信号处理的装置或提供模拟和数字信号处理的组合的装置中。

在这里只通过举例描述本发明。在不脱离只受随附权利要求书限制的本发明的精神和范围的情况下，可以对此类示例性实施方案作出各种修改和变动。

Claims (29)

1.一种操作声换能器的方法，所述方法包括：

接收输入音频信号；

在固定线圈中生成时变固定线圈信号，其中所述时变固定线圈信号对应于所述输入音频信号，其中所述固定线圈在磁通量路径中引发磁通量；

在移动线圈中生成时变移动线圈信号，其中：

所述移动线圈安置在所述磁通量路径内；

所述时变移动线圈信号对应于所述时变固定线圈信号和所述输入音频信号的经处理版本两者；且

所述时变移动线圈耦合到响应于所述时变移动线圈信号移动的移动隔膜；和

响应于对应于所述时变固定线圈信号的磁通量值生成所述输入音频信号的所述经处理版本。

2.根据权利要求1所述的方法，其中更新所述输入音频信号的所述经处理版本还包括：

响应于所述输入音频信号提供目标输入音频信号；和

生成所述输入音频信号的经更新处理版本，其中所述输入音频信号的所述经更新处理版本对应于所述磁通量值和所述目标输入音频信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其中生成所述输入音频信号的经更新处理版本还包括：

基于转移函数和所述目标输入音频信号确定所述输入音频信号的所述经更新处理版本，其中所述转移函数对应于所述磁通量值。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中响应于所述磁通量值迭代更新所述输入音频信号的所述经处理版本。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其中通过选自由以下项组成的组的方法确定所述磁通量值：

在查找表中查找所述磁通量值；和

使用多项式确定所述磁通量值。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其中生成时变固定线圈信号还包括：

生成对应于所述输入音频信号的固定线圈控制信号；和

生成对应于所述固定线圈控制信号的所述时变固定线圈信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其中生成时变移动线圈信号还包括：

由所述固定线圈控制信号分割所述输入音频信号的所述经处理版本。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其中所述声换能器是包括在所述磁通量路径中引发磁通量的永磁体的混合声换能器，且其中所述时变固定线圈信号对应于由所述永磁体引发的所述磁通量和所述输入音频信号两者。

9.一种声换能器，其包括：

音频输入端子，其用于接收输入音频信号；

驱动器，其具有：

移动隔膜；

磁性材料，其具有气隙；

固定线圈，其用于在所述磁性材料和所述气隙中引发磁通量；

移动线圈，其耦合到所述隔膜，其中所述移动线圈至少部分安置在所述气隙内；和

控制系统，其被调整用来：

在所述固定线圈中产生时变固定线圈信号，其中所述时变固定线圈信号对应于所述输入音频信号；

在所述移动线圈中产生时变移动线圈信号，其中：

所述时变移动线圈信号对应于所述时变固定线圈信号和所述输入音频信号的经处理版本两者；和

所述时变移动线圈耦合到响应于所述时变移动线圈信号移动的所述移动隔膜；和

响应于对应于所述时变固定线圈信号的磁通量值生成所述输入音频信号的所述经处理版本。

10.根据权利要求9所述的声换能器，其中所述控制系统还被调整用来：

响应于所述输入音频信号提供目标输入音频信号；和

生成所述输入音频信号的经更新处理版本，其中所述输入音频信号的所述经更新处理版本对应于所述磁通量值和所述目标输入音频信号。

11.根据权利要求10所述的声换能器，其中所述控制系统还被调整用来：

基于转移函数和所述目标输入音频信号迭代更新所述输入音频信号的所述经处理版本，其中所述转移函数对应于所述磁通量值。

12.根据权利要求9到11中任一项所述的声换能器，其中通过选自由以下项组成的组的方法确定所述磁通量值：

在查找表中查找所述磁通量值；和

使用多项式确定所述磁通量值。

13.根据权利要求9到12中任一项所述的声换能器，其中所述控制系统还被调整用来：

生成对应于所述输入音频信号的固定线圈控制信号；和

生成对应于所述固定线圈控制信号的所述时变固定线圈信号。

14.根据权利要求13所述的声换能器，其中所述控制系统还被调整用来：

由所述固定线圈控制信号分割所述输入音频信号的所述经处理版本。

15.根据权利要求9到14中任一项所述的声换能器，还包括用于在所述气隙中引发磁通量的永磁体，其中所述控制系统被调整来产生对应于所述输入音频信号和由所述永磁体在所述气隙中引发的所述磁通量两者的所述时变固定线圈信号。

16.一种操作声换能器的方法，所述方法包括：

接收输入音频信号；

在移动线圈中生成时变移动线圈信号，其中：

所述移动线圈安置在磁通量路径内；

所述时变移动线圈信号对应于所述输入音频信号的至少一个经处理版本；且

所述移动线圈耦合到响应于所述时变移动线圈信号移动的移动隔膜；

生成用于更新所述时变移动线圈信号的反馈信号；

在固定线圈中施加时变固定线圈信号，其中所述固定线圈在所述磁通量路径中引发磁通量，且其中所述时变固定线圈信号对应于所述反馈信号；和

响应于所述反馈信号更新所述时变移动线圈信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中生成用于更新所述时变移动线圈信号的反馈信号还包括：

确定固定线圈损耗和移动线圈损耗，所述固定线圈损耗对应于所述固定线圈处的损耗，且所述移动线圈损耗对应于所述移动线圈处的损耗；

确定功率平衡信号，其中所述功率平衡信号对应于所述固定线圈损耗与所述移动线圈损耗之间的差；和

基于所述功率平衡信号确定所述反馈信号。

18.根据权利要求16所述的方法，其中生成时变移动线圈信号还包括：

由所述反馈信号分割所述输入音频信号的所述经处理版本。

19.根据权利要求16所述的方法，其中更新所述时变移动线圈信号还包括：

提供对应于所述输入音频信号的目标输入音频信号；和

基于所述目标输入音频信号生成所述输入音频信号的经更新处理版本。

20.根据权利要求19所述的方法，其中生成所述输入音频信号的经更新处理版本还包括：

确定对应于所述反馈信号的反馈磁通量值；和

基于转移函数和所述目标输入音频信号迭代更新所述输入音频信号的所述经处理版本，其中所述转移函数对应于所述反馈磁通量值。

21.根据权利要求20所述的方法，其中通过选自由以下项组成的组的方法确定所述反馈磁通量值：

在查找表中查找所述磁通量值；和

使用多项式确定所述磁通量值。

22.根据权利要求16到21中任一项所述的方法，其中所述声换能器是包括在所述磁通量路径中引发磁通量的永磁体的混合声换能器，且其中所述时变固定线圈信号对应于由所述永磁体引发的所述磁通量和所述输入音频信号两者。

23.一种声换能器，包括：

音频输入端子，其用于接收输入音频信号；

驱动器，其具有：

移动隔膜；

磁性材料，其具有气隙；

固定线圈，其用于在所述磁性材料和所述气隙中引发磁通量；

移动线圈，其耦合到所述隔膜，其中所述移动线圈至少部分安置在所述气隙内；和

控制系统，其被调整来：

在所述移动线圈中生成时变移动线圈信号，其中：

所述时变移动线圈信号对应于所述输入音频信号的至少一个经处理版本；和

所述移动线圈耦合到响应于所述时变移动线圈信号移动的所述移动隔膜；

生成用于更新所述时变移动线圈信号的反馈信号；

在所述固定线圈中施加时变固定线圈信号，其中所述时变固定线圈信号对应于所述反馈信号；和

响应于所述反馈信号更新所述时变移动线圈信号。

24.根据权利要求23所述的声换能器，其中所述控制系统还被调整来：

确定固定线圈损耗和移动线圈损耗，其中所述固定线圈损耗对应于所述固定线圈处的损耗，且所述移动线圈损耗对应于所述移动线圈处的损耗；

确定功率平衡信号，其中所述功率平衡信号对应于所述固定线圈损耗与所述移动线圈损耗之间的差；和

基于所述功率平衡信号确定所述反馈信号。

25.根据权利要求23所述的声换能器，其中所述控制系统还被调整来：

由所述反馈信号分割所述输入音频信号的所述经处理版本。

26.根据权利要求23所述的声换能器，其中所述控制系统还被调整来

提供对应于所述输入音频信号的目标输入音频信号；和

基于所述目标输入音频信号生成所述输入音频信号的经更新处理版本。

27.根据权利要求26所述的声换能器，其中所述控制系统还被调整来：

确定对应于所述反馈信号的反馈磁通量值；和

基于转移函数和所述目标输入音频信号迭代更新所述输入音频信号的所述经更新处理版本，其中所述转移函数对应于所述反馈磁通量值。

28.根据权利要求27所述的声换能器，其中通过选自由以下项组成的组的方法确定所述反馈磁通量值：

在查找表中查找所述磁通量值；和

使用多项式确定所述磁通量值。

29.根据权利要求23到28中任一项所述的声换能器，还包括用于在所述气隙中引发磁通量的永磁体，其中所述控制系统被调整来产生对应于所述输入音频信号和由所述永磁体在所述气隙中引发的所述磁通量两者的所述时变固定线圈信号。