CN105592388A - 用于估计扬声器纸盆的位移的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于估计扬声器的纸盆位移的位移估计系统可包括：包括至少一个非线性部分的电路，其耦合到包括至少一个非线性部分的机械电路；以及控制器，其经编程以：通过使用所述电路的所测得电流的离散域传递函数基于所述至少一个非线性部分来确定所述扬声器的所述纸盆位移；以及将所述位移传输到校正器以校正因所述位移所致的音频信号的失真。

Description

用于估计扬声器纸盆的位移的系统和方法

技术领域

本文中揭示的实施方案大体上涉及一种用于估计扬声器纸盆的位移的系统和方法。

发明背景

扬声器可为响应于电子输入信号而发出声音的机电换能器。传统的扬声器可被收容在框架中，并且可包括扬声器纸盆及位于其中心的音圈。当电压被施加到音圈的端部时，可产生电流，电流继而可与磁场相互作用，以使扬声器纸盆移动。音频波形可应用到音圈，从而致使换能器纸盆产生对应于电子输入信号的声压波。这种移动的程度可在纸盆与框架之间产生位移。

发明内容

一种用于估计扬声器的纸盆位移的位移估计系统可包括：包括至少一个非线性部分的电路，其耦合到包括至少一个非线性部分的机械电路；以及控制器，其经编程以：通过使用所述电路的所测得电流的离散域传递函数基于所述至少一个非线性部分来确定所述扬声器的所述纸盆位移；以及将所述位移传输到校正器以校正因所述位移所致的音频信号的失真。

一种音频系统可包括：扬声器，其包括纸盆和参数模型；以及控制器，其电耦合到所述扬声器，且经编程以：使用扬声器模型的所测得电流的离散域传递函数基于所述扬声器模型的至少一个非线性部分来确定所述纸盆的纸盆位移。

一种用于估计扬声器的纸盆位移的位移估计系统可包括控制器，所述控制器经编程以：通过使用扬声器模型的电路的所测得电流的离散域传递函数基于至少一个非线性部分来确定所述扬声器的所述纸盆位移，其中所述位移被传输到校正器，以校正因所述位移所致的音频信号的失真。

附图说明

所附权利要求书中特别指出了本发明的实施方案。然而，各种实施方案的其它特征将通过参考以下结合附图的详细描述而变得更加显而易见并得到最好的理解，在附图中：

图1为换能器的透视截面图；

图2为图1的换能器的截面图；

图3为图1和图2的换能器的集总参数模型；

图4为位移估计系统的框图；以及

图5为位移估计系统的音频系统。

具体实施方式

根据需要，本文揭示了本发明的详细实施方案；然而，应理解，所揭示的实施方案仅仅是可以各种替代形式体现的本发明的示例。附图未必按比例绘制；一些特征可夸示或最小化，以示出特定部件的细节。因此，本文揭示的特定结构和功能细节将不解释为限制性的，而是仅为教示所属领域的技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。

在扬声器的操作期间，载流音圈可致使扬声器纸盆移动，并从纸盆的静止位置移位。扬声器纸盆的移动可致使纸盆前面的空气移动，由此产生声波。扬声器的机电性质可随纸盆的位移非线性地改变。因此，扬声器纸盆从纸盆静止位置的大位移可实质上变更扬声器的机电性质，由此产生非线性音频失真。非线性音频失真可造成音质退化。对扬声器纸盆位移的了解可用来开发减少非线性失真的非线性扬声器校正器。为了有效开发此类校正器，可有必要估计纸盆位移。用于估计位移的机构可包括数字信号处理(DSP)。此类处理可使用简单的线性模型。然而，对于大位移而言，扬声器中固有的非线性可能变得显著且因此致使线性模型不准确。例如，通过使用激光器来测量纸盆的移动，也可测量出纸盆的位移。然而，使用激光器来确定位移可能比较昂贵。本文描述一种被配置成经由但不限于换能器的电流以及各种非线性变量来估计换能器纸盆的位移的系统和方法。这些变量可表示悬架刚度、音圈电感、音圈寄生电感、音圈寄生电阻以及换能器的力因数。通过使用这些变量把音圈电流归因于扬声器纸盆的位移，可实施一种用于估计纸盆位移的可靠系统和方法。所估计的位移随后可用来开发自适应非线性校正器。

图1和图2示出扬声器105。图1为扬声器105的透视截面图，而图2为音箱170内的扬声器105的截面图。扬声器105可包括磁体110、背板185、顶板190、极片125以及音圈组件115。可限定顶板190与极片125之间的磁隙165，并且磁隙165可收纳音圈组件115。顶板190、背板185以及极片125可导引永磁体110的磁场，因而在磁隙165中产生径向磁场。音圈组件115可由导线组成，例如，缠绕在线圈架115上的绝缘铜线130(即，音圈或线圈)，其中两端140形成音圈130的电引线。音圈130可位于磁隙165的中心。音圈导线130的两端140可被配置成接收来自放大器(未示出)的信号。这个信号可在音圈130内形成电流。磁隙165中的磁场可与载流音圈130相互作用，由此产生力。所得力可致使音圈130来回移动，因此使得纸盆从其静止位置移位。扬声器纸盆150的运动使纸盆前方的空气移动，形成声波，从而在声学上再现电信号。

扬声器105包括扬声器纸盆(或膜片)150，所述扬声器纸盆从线圈130径向向外延伸，从而形成圆锥或穹顶状的形状。纸盆150可由多种材料制成，所述材料包括但不限于塑料、金属、纸张、复合材料及其任何组合。开口135可限定在纸盆150的中心处，并且防尘盖145可在开口135处形成穹顶状盖子。纸盆150的外缘可通过环绕物160附接到框架155。音圈130附近的纸盆150中心可由中心盘(spider)175固定在适当位置，如图2中所示。中心盘175和环绕物160合起来大体上只允许扬声器纸盆150轴向移动。框架155可为圆锥形外壳，其将纸盆150维持在固定位置，如图1中所示。框架155可环绕纸盆150，并且可由更坚固的材料制成，以帮助在操作期间维持纸盆150的形状和位置。

在操作期间，并且在电流被驱动穿过线圈130的同时，线圈130可沿着极片125横向移动。线圈130的这种移动继而可致使纸盆150移动(即，纸盆偏移)。一般来说，纸盆偏移或位移x是纸盆150从静止位置移动的距离。距静止位置的距离随着供应到线圈130的电信号的幅度改变而变化。例如，在线圈130接收到具有大电压的电信号之后，即刻可致使线圈130移动离开磁隙165或进一步移动到磁隙165中，如图2中的x所指示。当线圈130移动进入和离开磁隙165时，纸盆130可从纸盆的静止位置移位。因此，大电压可形成大纸盆偏移，继而致使换能器105固有的非线性变得显著。因此类非线性所致，用于估计纸盆位移x的典型线性模型可导致错误估计。

随着纸盆的偏移或位移x增加，环绕物160和中心盘175可逐渐变得更具刚度。因刚度增加所致，可能需要更多的力且因此更大的输入功率，以进一步增加纸盆的偏移。此外，随着纸盆移动进入外壳，音箱170内部的空气可被压缩，并且可充当弹簧，由此增加中心盘175和环绕物160的整体刚度K_tot(x)。因此，扬声器105的位移相关整体刚度K_tot(x)可由中心盘的刚度K_spider(x)、环绕物的刚度K_surround(x)以及空气的刚度K_air组成。空气的刚度K_air可包括空气在纸盆150处形成的阻力。

另外或作为替代，线圈130的电感也可受电子信号的影响。例如，如果电子信号的正电压如此之大以致于线圈130移动离开磁隙165，那么线圈130的电感可减少。另一方面，如果电子信号的负电压如此之大以致于线圈130移动进入到磁隙165中，那么线圈130的电感可增加。音圈130的电感变化表示电感的位移相关非线性行为L_e(x)。线圈130的电感也可受被驱动穿过音圈130的电流影响。当大的负电流被驱动穿过线圈130时，线圈130的电感可减少。

扬声器的电部分与机械部分之间的耦合可由力因数Bl(x)执行，所述力因数由磁隙165内的磁场强度B和磁隙165内的线圈130的长度l(x)确定。由于力因数取决于磁隙165内的线圈130的长度，因此，力因数可随着线圈130移动进入和离开磁隙165而减少。纸盆150的大偏移可减小力因数，由此需要更大的输入功率以在扬声器纸盆150上产生相同的力。扬声器的力因数的这种位移相关行为促成扬声器105中的非线性。图3为用于闭箱式直接辐射扬声器105的示例性集总参数模型或扬声器模型(“模型”)300。尽管本文的示例被描述为涉及扬声器105，但模型300也可有益于其它换能器(例如，麦克风)。模型300可包括电路305和机械电路310。机械电路310和电路305可经由回转器Hy连接在一起。回转器被配置成将电路305中的电流交叉耦合到机械电路310中的力。电路305中的电压可耦合到机械电路310中的速度。参数模型300中示出的各种线性和非线性部分可用来确定纸盆的所估计纸盆位移x。每个部分由如下变量表示：

i音圈电流。

u输入到音圈的AC电压。

x膜片/纸盆的位移。

v移位期间的膜片速度，其中速度为位移的改变率v＝dx/dt。

f因穿过音圈的电流所致而在膜片上产生的力，其中f＝Bl(x)*i。

p因纸盆运动所致而在膜片上产生的声压。

R_vc音圈电阻。

L_e音圈电感。

L₂与L_e相关联的寄生电感(寄生电感)。

R₂与L_e相关联的寄生电阻(寄生电阻)。

R_ms模仿机械损失的电阻。

F_m以牛顿为单位的所估计磁阻力。

K_tot(x)位移相关悬架刚度

M_tot机械运动质量，包括膜片前面的空气质量以及音圈组件的质量。

Bl(x)位移相关力因数。

i₂寄生电感中的电流。

i₃寄生电阻中的电流。

R_sense电流感测电阻器。

u_sense在R_sense上测得的电压。

另外，如电路305中所示，R_sense可作为电流感测电阻器而包括在模型300中。R_sense可具有小的值(例如，约0.10欧姆)，以便不修改音圈电流i的值。借助R_sense的值，使用在R_sense上测得的电压u_sense，可通过欧姆定律来确定音圈电流i(即，u_sense/R_sense＝i)。

L_e(x)、L₂(x)、R₂(x)、F_m(x,i,i₂)、K_tot(x)以及Bl(x)的值可非线性地取决于以下各者的值：纸盆130的位移x、音圈中的电流i以及寄生电感中的电流i₂。电路305可包括各种所估计的换能器值，例如，R_vc、L_e(x)、L₂(x)以及R₂(x)。寄生电感L₂(x)可取决于位移x而变化。

给定上述变量，下述等式可用来确定输入到音圈的电压u：

$u={\mathrm{iR}}_{vc}+\frac{d\left({\mathrm{iL}}_e\right(x\left)\right)}{dt}+\frac{d\left(i_2{L}_2\right(x\left)\right)}{dt}+Bl\left(x\right)v---\left(1\right)$

基于洛伦兹定律，位移相关力因数Bl(x)是因电流所致而产生的力，并且由以下等式确定：

$Bl\left(x\right)i={\mathrm{vR}}_{ms}+K_{tot}\left(x\right)x+M_{tot}\frac{dv}{dt}+F_m(x,i,i_2)---\left(2\right)$

磁阻力随后通过以下等式计算：

$F_m(x,i,i_2)=-\frac{i_2}{2}\frac{d\left(L_e\right(x\left)\right)}{dx}-\frac{i_2^2}{2}\frac{d\left(L_2\right(x\left)\right)}{dx}---\left(3\right)$

将等式(3)代入到等式(2)中，得出音圈电流i与纸盆位移x之间的隐含关系：

$Bl\left(x\right)i={\mathrm{vR}}_{ms}+K_{tot}\left(x\right)x+M_{tot}\frac{dv}{dt}+-\frac{i^2}{2}\frac{d\left(L_e\right(x\left)\right)}{dx}-\frac{i_2^2}{2}\frac{d\left(L_2\right(x\left)\right)}{dx}---\left(4\right)$

上述等式4示出了音圈电流i与位移x的关系。由于等式4是隐等式，因此，电流和位移相关变量可不分开。由于这些等式表示代数环路，因此，为了在数字信号处理器(DSP)中实施所述等式，可使用数字环路和延迟元件。也就是说，如果在时间t＝t-1时确定位移x，并且在时间t＝t时测得电流i，那么可确定时间t＝t时的位移x。

通过重新排列等式4并且重写K_tor(x)x＝(K_tot(x)-K_tot，0)x+K_tot，0x，非线性项可与线性项分开：

$Bl\left(x\right)i-\left(K_{tot}\right(x)-K_{tot,0})x+\frac{i^2}{2}\frac{d\left(L_e\right(x\left)\right)}{dx}+\frac{i_2^2}{2}\frac{d\left(L_2\right(x\left)\right)}{dx}=(M_{tot}\frac{d^2\left(x\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+R_{ms}\frac{dx}{dt}+K_{tot,0}x)---\left(5\right)$

其中K_tot,₀＝K_tot(x＝0)，即，在x＝0处(静止位置处)的K_tot(x)值。

令等式5的左边表示时变信号g(t)：

$g\left(t\right)=Bl\left(x\right)i-\left(K_{tot}\right(x)-K_{tot,0})x+\frac{i^2}{2}\frac{d\left(L_e\right(x\left)\right)}{dx}+\frac{i_2^2}{2}\frac{d\left(L_2\right(x\left)\right)}{dx}---\left(6\right)$

如果已知位移x(t-1)、电流i(t)以及寄生电感i₂(t)的值，那么可对等式6求值。寄生电感电流i₂无法直接测量，但它可根据i(t)和x(t-1)进行确定。为了确定i₂，应用基尔霍夫电流和电压定律。

i＝i₂+i₃(7)

$i_3{R}_2\left(x\right)=\frac{d\left(i_2{L}_2\right(x\left)\right)}{dt}---\left(8\right)$

$\frac{d\left(i_2{L}_2\right(x\left)\right)}{dt}=i_2\frac{d\left(L_2\right(x\left)\right)}{dt}v+L_2\left(x\right)\frac{{\mathrm{di}}_2}{dt}---\left(9\right)$

将等式(7)和(8)代入(9)中可得到：

$i=i_2(1+\frac{v}{R_2\left(x\right)}\frac{d\left(L_2\right(x\left)\right)}{dx})+\frac{L_2\left(x\right)}{R_2\left(x\right)}\frac{{\mathrm{di}}_2}{dt}---\left(10\right)$

等式(10)可使用双线性变换而转换成离散时变线性滤波器，并且可用来根据i计算i₂。另外或作为替代，使用四阶龙格-库塔方法得到i₂也可解出上述等式。i₂的值随后可用在等式(6)中，以得到时间t时的值g(t)。

为了将g(t)转换成位移信号x(t)，将等式(6)代入到等式(5)中，以得到等式(11)，该等式示出了时变信号g(t)与位移x(t)之间的显式关系：

$g\left(t\right)=(M_{tot}\frac{d^2\left(x\right(t\left)\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+R_{ms}\frac{dx\left(t\right)}{dt}+K_{tot,0}x(t\left)\right)---\left(11\right)$

使用等式11的拉普拉斯变换，产生：

$\frac{X\left(s\right)}{G\left(s\right)}=\frac{1}{M_{tot}{s}^2+R_{ms}s+K_{tot,0}}---\left(12\right)$

通过采用双线性变换，上述传递函数可转换成离散时间域，其中预翘曲频率作为换能器的谐振频率。替代地，等式11也可直接使用龙格-库塔方法解出。

例如，双线性变换可给出如下：

$s=\frac{2}{T}*\frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}}---\left(13\right)$

其中T为采样周期并且z^-1表示延迟元件。为简洁起见，令T＝1。因此，将等式(13)代入等式(12)并进行简化，我们得到：

$\frac{X\left(z\right)}{G\left(z\right)}=\frac{1+2z^{-1}+z^{-2}}{(4M_{tot}+2R_{ms}+K_{tot,0})+(2K_{tot,0}-8M_{tot})z^{-1}+(4M_{tot}-2R_{ms}+K_{tot,0})z^{-2}}---\left(14\right)$

等式(14)表示二阶IIR滤波器的传递函数。此外，令a＝(4M_tot+2R_ms+K_tot，0)、b＝(2K_tot，0-8M_tot)以及c＝(4M_tot-2R_ms+K_tot，0)代替等式14中的a、b和c并且重新排列，我们得到：

$X\left(z\right)=\frac{1}{a}\left(G\right(z)+2G(z)z^{-1}+G(z)z^{-2}-bX(z)z^{-1}-cX(z\left)z^{-2}\right)---\left(15\right)$

使用逆变z变换：

$x\[n\]=\frac{1}{a}(g\[n\]+2g\[n-1\]+g\[n-2\]-bx\[n-1\]-cx\[n-2\])---\left(16\right)$

因此，使用这个离散域传递函数，可将所测得电流转换成位移x的估计值。此外，可基于音圈电流i确定位移x。上述分析基于音圈电流i、线圈刚度K_ms、音圈电感L_e、音圈寄生电感L₂以及力因数F_m来确定所估计的位移x。具体而言，磁阻力F_m的音圈寄生电感L₂和音圈寄生电阻R₂的作用被用于确定所估计的位移x。

图4为图3的模型300的框图400。离散时间域中示出了框图及其标记，而连续时间域中示出了上述等式中的一些。上述等式可通过使用双线性变换而转换成离散时间域。预翘曲频率可为换能器的谐振频率。换能器的谐振频率是针对给定输出电压而言换能器的SPL输出最大时所处的频率。这可描述为：

方框405可为电流滤波器，其被配置成或经编程以应用上述等式(10)从而基于i来确定i₂。方框410可为非线性滤波器，其被配置成应用上述等式(6)从而基于i₂[n]和i[n]来确定离散时变信号g[n]。方框415可为二阶无限冲击响应(IIR)滤波器，其被配置成应用等式(11)从而基于g[n]来确定位移x[n]。x[n-1]的值用于在等式6和等式10中计算非线性变量。

图5为包括音频源505的音频系统500，所述音频源505被配置成将音频信号传输到放大器510和扬声器105。控制器515可与扬声器105处的电阻器R_sense通信。控制器可具有用于执行指令以执行本文所述的等式和方法的处理器和存储器。一般来说，控制器515经编程以执行如本文所述的各种等式。控制器515可包括图3的模型，并且可将所估计的纸盆位移x输出到校正器520。控制器515可基于位移x来修改音频信号，并且可基于所述位移来对音频信号进行必要的调整。校正器520可为非线性校正器。可基于位移x来开发校正器520。校正器520可为具有控制器和存储器的单独处理器。尽管在图5中示为单独的部件，但校正器520也可包括和形成于控制器515中。

尽管上文描述了示例性实施方案，但这些实施方案并不意图描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中使用的字词是说明性而非限制性的字词，且应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可做出各种改变。另外，各种实施性实施方案的特征可相结合，以形成本发明的另外的实施方案。

本文中所述的计算设备大体上包括计算机可执行指令，其中指令可由一个或多个计算或硬件设备执行，例如，上文列出的那些。计算机可执行指令可根据使用各种编程语言和/或技术创建的计算机程序进行编译或解译，所述编程语言和/或技术包括但不限于(单独地或呈组合形式)Java^TM、C、C++、VisualBasic、JavaScript、Perl等。一般来说，处理器(例如，微处理器)接收(例如)来自存储器、计算机可读媒体等的指令，并且执行这些指令，由此执行一个或多个过程(包括上述过程中的一个或多个)。此类指令和其它数据可使用多种计算机可读媒体进行存储和传输。

至于本文所述的过程、系统、方法、探试法等，应理解，尽管已将此类过程等的步骤描述为根据某种有序顺序进行，但通过按不同于本文所述的次序来执行所描述的步骤执行时，也可实践此类过程。还应理解，可同时执行某些步骤，可添加其它步骤，或者可省略本文所述的某些步骤。换言之，提供对本文的过程的描述是为了说明某些实施方案的目的，并且决不应被解释为限制权利要求书。

Claims (20)

1.一种用于估计扬声器的纸盆位移的位移估计系统，其包括：

包括至少一个非线性部分的电路，其耦合到包括至少一个非线性部分的机械电路；以及

控制器，其经编程以：

通过使用所述电路的所测得电流的离散域传递函数基于所述至少一个非线性部分来确定所述扬声器的所述纸盆位移；以及

将所述位移传输到校正器，以校正因所述位移所致的音频信号的失真。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个非线性部分包括寄生电感和寄生电阻中的至少一个。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器还经编程以基于音圈电流来确定所述纸盆位移。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器还经编程以基于所述音圈电流来确定寄生电感电流。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制器还经编程以使用离散域传递函数将所述音圈电流转换成所述纸盆位移。

6.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器还经编程以基于所述纸盆位移的速度来确定所述纸盆位移。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个非线性部分包括所述扬声器的悬架的刚度，并且其中所述悬架包括环绕物和中心盘中的至少一个。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述悬架的所述刚度包括环绕物刚度、中心盘刚度以及空气刚度中的至少一个，所述悬架刚度与位移相关。

9.一种音频系统，其包括：

扬声器，其包括纸盆和参数模型；以及

控制器，其电耦合到所述扬声器并且经编程以使用扬声器模型的所测得电流的离散域传递函数基于所述扬声器模型的至少一个非线性部分来确定所述纸盆的纸盆位移。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述至少一个非线性部分包括寄生电感和寄生电阻中的至少一个。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述控制器还经编程以基于音圈电流来确定所述纸盆位移。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述控制器还经编程以基于所述音圈电流来确定寄生电感电流。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述控制器还经编程以经由离散域传递函数将所述音圈电流转换成所述纸盆位移。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述模型包括经由回转器耦合到机械电路的电路，寄生电感和寄生电阻中的至少一个包括在所述电路中。

15.根据权利要求9所述的系统，其中所述至少一个非线性部分包括悬架刚度，所述悬架刚度包括所述刚度。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述悬架刚度包括环绕物刚度、中心盘刚度以及空气刚度中的至少一个，所述悬架刚度与位移相关。

17.一种用于估计扬声器的纸盆位移的位移估计系统，其包括：

控制器，所述控制器经编程以通过使用扬声器模型的电路的所测得电流的离散域传递函数基于至少一个非线性部分来确定所述扬声器的所述纸盆位移，其中所述位移被传输到校正器，以校正因所述位移所致的音频信号的失真。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述至少一个非线性部分包括寄生电感和寄生电阻中的至少一个。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述控制器还经编程以基于音圈电流来确定所述纸盆位移。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述控制器还经编程以基于所述音圈电流来确定寄生电感电流。