CN105704624B

CN105704624B - 控制电动扬声器的膜片偏移的方法

Info

Publication number: CN105704624B
Application number: CN201510917626.3A
Authority: CN
Inventors: K·S·贝尔塞森; M·A·查韦斯萨拉斯; K·斯特兰格
Original assignee: Analog Devices Technology
Current assignee: Analog Devices Global ULC; Analog Devices International ULC
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2019-02-19
Anticipated expiration: 2035-12-11
Also published as: CN105704624A; US20160173983A1; DE102015121528A1; US9813812B2

Abstract

本发明在一个方面涉及一种控制电动扬声器的膜片偏移的方法。该方法包括通过频带分离网络将音频输入信号转换成至少低频带信号和高频带信号，和施加低频带信号到膜片偏移估计器。瞬时膜片偏移是基于低频带信号来确定的。所确定的瞬时膜片偏移与偏移限制标准进行比较。基于瞬时膜片偏移和偏移限制标准之间的比较结果而限制低频带信号，以产生结合高频带信号的有限低频带信号，用于产生偏移有限的音频信号。

Description

控制电动扬声器的膜片偏移的方法

技术领域

背景技术

本发明涉及一种控制电动扬声器的膜片偏移的方法。该电动扬声器例如可以安装在基本上密封的外壳或通风的外壳。基本上密封的外壳或通风的外壳可形成便携式通信设备的一部分，诸如智能手机或桌上计算机。该电动扬声器可以用于声音再现的目的，如作为接收器，用于通过用户耳朵的声耦合产生声音，或者作为扬声器用于再现记录的音乐或用于电话会议应用中的语音再现。

显著关注的在于准确估计和限制在众多声音再现应用程序和设备中电动扬声器膜片偏移或移位，例如以防止机械损伤电动扬声器。精确控制或限制膜片偏移是重要的，以避免膜片或膜片组件被超过其最大偏移限制驱动。如果所讨论的电动扬声的器最大偏移限制被超过以及各种暂时或永久的机械损坏可以被赋予所述电动扬声器而使后者暂时或永久失效发生，这种情况将发生。机械损伤可由可动扬声器组件(诸如，音圈，膜片或音圈骨架)和扬声器的固定构件(诸如，磁回路)之间的碰撞引起。因为电动扬声器通常是相当非线性的设备，特别是在高声压级，具有大量的复杂非线性特性，已经证明难以通过基于各种预测模型的方法来精确地估计膜片偏移。此外，电动扬声器的线性扬声器参数(诸如，机械顺从性和音圈电阻的参数值)也各不相同，但随着时间和温度慢慢而显著地改变，从而导致在维持电动扬声器的精确模型的进一步挑战。因此，显著兴趣和重要的在于：尽管这些挑战，提供一种相对简单的方法，用于精确地估计和限制电动扬声器的膜片偏移。

控制膜片偏移的本方法包括：通过频带分离网络将音频输入信号转换成至少低频带信号和高频带信号。低频带信号被施加到膜片偏移估计器，用于基于所述低频带信号确定瞬时膜片偏移。信号限制前的频带划分音频输入信号是有利的，因为膜片偏移是在和低于与电动扬声器的基本谐振频率比在基本共振频率以上大得多。这种关系相反于声压级，其在之上比低于扬声器的基本谐振频率高得多。为了提供良好的偏移控制以及因此良好的扬声器保护，而不过度限制扬声器的最大声压级能力，该音频输入信号被划分或划分成低频和高频带信号。频带分离网络的交叉频率可位于电动扬声器的基本谐振频率以上，使得高频带信号位于所述基本谐振频率以上。因此，低频带信号可以位于在基波谐振频率和电动扬声器的基本谐振频率以下。以这样的方式，低频带信号可以分别限制，以防止过度的偏移膜片和保护扬声器，而同时高频带信号可以基本上保持不受限制。因此，通过电动扬声器所产生的声音的主观响度保持相对不受膜片偏移的限制的影响。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种控制扬声器(诸如，电动扬声器)的膜片偏移的方法。控制膜片偏移的方法包括以下步骤：从音频信号源接收音频输入信号；由具有预定交叉频率的频带分离网络将音频输入信号划分成至少低频带信号和高频带信号；施加低频带信号在膜片偏移估计器，基于所述低频带信号确定或估计瞬时膜片偏移；比较瞬时膜片偏移和偏移限制标准；基于瞬时膜片偏移和偏移限制标准之间的比较结果，限制低频带信号，以产生有限的低的频带信号；组合有限的低频带信号和高频带信号，以产生偏移有限的音频信号。

本膜片偏移控制的方法和相应的声音再生电路可应用于广泛的各种应用，诸如低频或宽带扬声器的高保真应用，汽车或公共广播应用电动扬声器，以及用于便携式通信设备和/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电话和安装在密封的、通风的或开放的外壳中，具有0.5和2.0cm³之间的体积(诸如约1cm³)。外壳安装的电动扬声器可以产生从低于100Hz和15kHz的有用声压，或甚至高达20kHz。

本膜片偏移控制方法优选地被配置以限制膜片位移或偏移，足以防止如上所述的各种机械损坏扬声器。机械损伤可由可动的扬声器组件(诸如，音圈、膜片或音圈架)和固定构件(诸如磁回路)之间的碰撞引起。低频带信号的限制可包括：响应于瞬时膜片偏移估计满足偏移限制标准，动态范围压缩或峰值削波低频带信号。偏移限制标准可以包括：对应于如扬声器制造商所指定的电动扬声器的最大偏移的偏移阈值，或该最大偏移的一定量/比例。本领域技术人员将理解：特定类型的电动扬声器的最大偏移取决于它的尺寸和许多结构细节。对于以上讨论的具有约11mm*15mm外尺寸的微型扬声器1，最大膜片偏移是大约+/-0.45mm。然而，例如用于家庭立体声音响或公共广播应用的较大尺寸的扬声器可具有更大的最大膜片偏移，例如高于+/-5.0mm。

音频输入信号可以包括从外部数字音频源(诸如，数字麦克风)提供的实时数字音频信号。实时数字音频信号可以根据标准化的串行数据通信协议(诸如，IIC或SPI)被格式化，或根据数字音频协议(诸如，I²S，SPDIF等)格式化。

控制膜片偏移可以包括进一步的步骤的方法：施加偏移有限音频信号到功率放大器，以产生扬声器驱动信号，以及将所述扬声器驱动信号应用于电动扬声器，以根据该偏移有限音频信号产生声压。可以使用各种类型的直链或脉冲调制功率放大器。电源或输出放大器可以包括开关或D类放大器，例如都具有高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。这对于电池供电的便携式通信设备是特别有利的特征。在替代方案中，输出放大器可以包括传统的非开关功率放大器拓扑，像A类或AB类。

由于低频带信号和高频带信号的组合或总和，偏移有限音频信号包括音频输入信号的低频和高频分量。因为低频频带信号的限制可以对于瞬时膜片偏移的小值基本上为零，低电平音频输入信号可以传播通过限制步骤和组合步骤，而没有频率响应修改并因此没有主观信号着色。另一方面，对于瞬时膜片偏移的大值，即满足偏移极限标准的瞬时膜片偏移，例如通过削峰或动态范围压缩限制的低频带信号，使得低频率带信号的电平减小。这种减少的低频带信号的电平导致偏移限制音频信号对于瞬时膜片偏移的较大值的歪斜频率响应，使得相对于音频输入信号的低频分量的电平，该音频输入信号的高频分量的电平在偏移有限的音频信号中相对增大。

将音频输入信号划分成高频带信号和低频带信号可以以各种方式或者在数字域上操作的数字化音频输入信号或在模拟域中执行。在一些实施例中，音频输入信号由具有在20Hz和20kHz之间的音频频率范围内(诸如，100Hz和10kHz之间，或400Hz与2kHz之间)的预定交叉频率的频带划分网络划分。预定交叉频率优选依赖于电动扬声器的基本谐振频率，偏移有限的音频信号被向其施加，如在下面进一步详细讨论。本领域技术人员将理解：取决于扬声器本身的性质(例如，膜片悬浮和膜片的质量)和扬声器的特定量(例如，扬声器箱安装的值)，给定的电动扬声器的基本谐振频率是高度可变的。便携式终端的外壳安装微型电动扬声器的基本共振频率通常介于400Hz和1.0kHz之间。

该频带划分网络的一个实施例具有全通响应，使得所述低频带信号和高频带信号的总和在整个音频频率范围的相关部分提供基本上平的(即恒定或统一幅度)的频率响应。

该频带划分网络的预定交叉频率优选为讨论的电动扬声器的基本谐振频率的至少1.2倍以上，并且甚至可至少两倍以上，以确保诱发音频输入信号的信号分量的较大膜片偏移包含在低频带信号中。在又一个实施例中，频带划分网络的预定交叉频率介于讨论的电动扬声器的基本谐振频率的1.2和2.5倍之间。

在目前情况下，所述电动扬声器的基本谐振频率是由作用于可动膜片组件的总顺应性和所述电动扬声器的总移动质量确定或设定的共振频率。作用于移动膜片组件的总顺应性通常包括扬声器的边缘悬挂的顺应性和由机箱内部的被困空气引起的顺应性的并联连接。安装电动扬声器的外壳的基本谐振频率可以通过寻找局部峰值电阻抗识别，例如通过检查图3和4的阻抗曲线，如下面另外详细讨论。

动态范围压缩以限制上面所讨论的低频带的信号可以以许多方式进行。根据一个这样的实施例，动态范围压缩方法包括：根据预定的增益法，施加膜片偏移相关增益值到低频带信号。预定增益法例如可以包括表示膜片偏移和增益值之间的所需关系或连接的合适的表或数学方程。在一个实施例中，预定增益法包括偏移阈值。根据后一实施例，预定增益法还包括：低于偏移阈值的低频带信号的基本上恒定的增益，超出偏移阈值的增加膜片偏移的减少增益值。在后一实施例中，对于跌破偏移阈值的所有膜片偏移，低频带的信号可以和常数相乘，诸如一。在偏移阈值以上，增益值可降低，使得低频带信号的电平保持基本上独立于膜片偏移。

瞬时膜片偏移的确定或估计以许多方式可以进行。在本发明的一些实施例中，瞬时膜片偏移可以衍生自传感器信号。传感器信号可以由加速度，速度或位移传感器产生或提供，连接或耦合到扬声器的膜片。在替代实施例中，瞬时膜片偏移通过电动式扬声器的线性或非线性状态空间模型确定。根据本方法的这些基于状态空间的模型，瞬时膜片偏移的确定包括进一步的步骤：确定横跨音圈的音圈电压；响应于音圈电压，检测音圈电流；施加检测的语音线圈电流和确定的音圈电压到所述电动扬声器的线性或非线性状态空间模型；施加低频带信号到电动扬声器的线性或非线性状态空间模型；从线性或非线性状态空间模型的输出确定瞬时膜片偏移。

本方法可包括进一步的步骤：施加检测到的语音线圈电流和所确定的音圈电压到包括多个自适应扬声器参数的线性自适应数字式扬声器模型；基于所述线性自适应数字式扬声器模型，计算所述多个相应的自适应扬声器参数的多个参数值；应用多个参数值到电动扬声器的线性或非线性状态空间模型。

所述线性自适应数字式扬声器模型可以包括自适应FIR或自适应IIR滤波器。自适应IIR滤波器可以是第二级或甚至更高的级别。所述线性自适应数字式扬声器模型优选包括至少一个固定参数，诸如扬声器的总移动质量。

电动扬声器的线性和非线性状态空间模型的特性和操作参考附图的图6进行详细讨论。线性自适应数字式扬声器模型的功能和操作也同样参考附图的图6进行详细讨论。

本发明的第二方面涉及一种声音再现电路或电动扬声器，包括：音频输入，用于接收由音频信号源提供的音频输入信号；频带分裂网络，耦合到所述音频输入信号，并且配置用于将音频输入信号划分成至少低频带信号和高频带信号；耦合到低频带信号的膜片偏移估计器，用于基于所述低频带信号确定或估计瞬时膜片偏移；比较器，经配置以比较瞬时膜片偏移的估计和偏移限制标准；信号限制器，经配置为基于所述瞬时膜片偏移和偏移限制标准之间的比较结果产生有限的低频带信号，以产生有限的低频带信号；信号组合器，经配置用于相加有限低频带信号和高频带信号，以产生偏移有限的音频信号。

声音再现电路可以包括具有耦合到所述偏移有限音频信号的输入端的输出或功率放大器。输出或功率放大器被配置为产生通过声音再现电路的一对扬声器端子的扬声器驱动信号。输出或功率放大器的特性已在上文结合相应的膜片偏移控制方法进行了详细公开。D类输出放大器可以包括具有耦合到电动扬声器的单个输出的半桥驱动级或与耦合到电动扬声器的相应对侧面或端子的输出端的全桥/H桥驱动级。频带划分网络的性能结合相应膜片偏移控制方法进行了详细公开，和在下文进一步详细参照附图进行讨论。

本领域技术人员将理解，频率频带划分网络、膜片偏移估计器、信号限幅器和信号组合或加法器的每一个或至少一个的方法步骤和电路功能可以完全或部分地由软件可编程微处理器按照可执行程序指令实施，诸如可编程数字信号处理器。软件可编程微处理器可以操作在应用于或由上述电路功能输出的数字域信号。根据一个这样的实施例，频带划分网络包括用于可编程微处理器的第一组可执行程序指令，膜片偏移估计器包括用于可编程微处理器的第二组可执行程序指令，比较器包括用于可编程微处理器的第三组可执行程序指令，信号限幅包括用于所述可编程微处理器的第四组可执行程序指令；和所述信号组合器包括用于可编程微处理器的第五组可执行程序指令。

在替代方案中，在频带划分网络，膜片偏移估计器，信号限幅器和信号合并器或加法器的每一个或至少一个的电路功能可通过包括适当配置顺序和组合数字逻辑的单独硬连线数字逻辑电路来实现。

本发明的第三方面涉及一种其上集成根据上述实施例的声音再现电路的半导体基板或管芯。所述半导体衬底可被制造在合适的CMOS或DMOS半导体工艺。

本发明的第四方面涉及一种声音再现组件，包括：电动扬声器，其包括可动膜片装置，用于响应于膜片组件的致动产生可听声音；和根据它们的任何上述实施例的声音再现电路。声音再现电路的扬声器端子对电连接到所述电动扬声器的可动膜片组件的音圈。音频信号源可操作地连接到声音再现电路的音频信号输入。本声音再现装置可有利地用作具有集成扬声器偏移控制的自包含的音频传输系统，所述扬声器偏移控制可独立于便携式通信终端的应用处理器操作，以提供可靠、便捷的保护，避免漂移引起的电动式扬声器的机械性损伤。

附图说明

本发明的优选实施例进行更详细结合附图进行描述，其中：

图1A)是用于本发明的各种便携式声音再现应用的微型电动扬声器的示意性剖视图，

图1B)是安装在封闭外壳或外壳的微型电动扬声器的示意性剖视图，

图2示出示例性的微型电动式扬声器的实验测得的扬声器阻抗vs频率曲线，

图3示出示例性的微型电动扬声器1的扬声器阻抗曲线和膜片偏移曲线的曲线图300，

图4是表示示例性的微型电动扬声器的声压级和膜片偏移曲线的图，

图5示出根据本发明第一实施例的电动扬声器的声音再现电路的简化示意框图；和

图6示出的示例性膜片偏移估计器的简化示意框图，用于图5描绘的声音再现电路。

具体实施方式

概述

图1A)是密封箱安装和用于便携式音频设备(诸如，移动电话和智能电话)的典型的微型电动扬声器1的示意性横截面图，其中扬声器1提供各种类型应用的声音再现，例如扬声器电话和音乐播放。本领域技术人员将理解：取决于预期应用，电动扬声器存在许多形状和尺寸。用于检测外壳泄漏的下面描述方法的电动扬声器1和用于在检测外壳泄漏的相应组件具有约15毫米的最大外尺寸D的矩形形状，横向方向上约11毫米的外部尺寸。然而，本领域技术人员将理解：用于膜片偏移控制和相应电路的本方法适用于几乎所有类型的外壳或盒安装的电动扬声器。

微型电动扬声器1包括固定到音圈的上边缘表面的膜片10。膜片10还通过弹性边缘或外部悬架12机械耦合到扬声器框架22。环形永磁结构18产生磁通量，其通过具有布置在其中的圆形空气间隙24的导磁结构16传导。圆形的通风管道14被布置在框架结构22中，并可用于传导热量远离膜片10下形成的否则密封室结构。弹性缘悬架12提供可移动膜片组件(线圈20和膜片10)的相对明确的柔量。弹性边缘悬架12的柔量和膜片10的移动质量决定微型扬声器的自由空气的基本谐振频率。弹性边缘悬架12可被构造以限制可动膜片组件的最大偏移或最大位移。

在微型扬声器1的操作中，语音线圈电压或驱动电压通过电连接到合适的输出放大器或电源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。对应的音圈电流作为响应流经通过音圈20，导致在由速度箭头V指示的方向中膜片组件在扬声器的位置范围内基本上均匀的振动运动。借此，相应的声音压力由扬声器1产生。响应于音圈电流的流动，线圈20和膜片10的振动运动由气隙24中的径向取向磁场的存在引起。施加的音圈电流和电压导致音圈20中的功耗，其在运行期间加热所述音圈20。因此，长时间的应用过高的驱动电压和电流可导致音圈20的过热，这是电动扬声器中故障的另一个常见原因。

施加过大的音圈电流(其迫使可动膜片组件超过其最大允许偏移限制)是电动扬声器中另一种常见的故障机制，导致各种不可逆的机械损伤。一种类型的机械损伤可例如由音圈20的最下边缘和导磁结构16的环形面对部分17之间的碰撞引起。另一类型的机械损坏例如可以通过拉伸弹性边缘悬架12高于其临界点造成。

图1B)是安装在具有预定的内部容积30的封装、箱或腔室31的微型电动扬声器的示意性剖视图。外壳或腔室31被布置在扬声器1的膜片10的下方。扬声器1的框架结构22的外周壁牢固地附着在密封箱31的配合壁表面上，以形成基本上气密耦合，声音上从周围环境隔离存留在容积30内部的空气。封闭容积30可以是0.5和2.0立方厘米之间，诸如对于像移动电话和智能手机的常规便携式终端应用约1立方厘米。在密封外壳30中安装扬声器1导致微型扬声器的较高基波谐振频率，比起上面讨论的自由空气的基本谐振频率，由于腔室30内被困空气的顺应性。腔室30内被困空气的顺应性和弹性边缘悬架12平行工作，以减少作用于扬声器的移动质量的总顺应性(即，增加刚度)。因此，外壳安装的扬声器1的基本谐振频率比自由空气共振更高。基本共振频率的增加量取决于外壳30的体积。密封封壳31周围的壁结构可以由有有限冲击强度的模制弹性化合物形成。

图2示出安装在具有约1cm³的容积的密封外壳中的微型电动式扬声器1的阻抗vs频率的实验测得曲线201。图200的x轴示出跨越从5赫兹至约5千赫的频率范围内的对数标度的测量频率，和y轴示出微型扬声器1在从约6Ω至15Ω的线性标度上测量的电阻抗幅值。扬声器1的测量的基本谐振频率位于838赫兹周围，由附图标记203指示，和扬声器1的伴随峰值阻抗为约14Ω。在非常低的频率，例如低于约50赫兹，阻抗曲线201仍然基本上平的，反映音圈阻抗逐渐接近于约8Ω的音圈的DC电阻。

图3是示出上文讨论的示例性的微型电动扬声器1的扬声器阻抗曲线301和对应的膜片偏移曲线305的曲线图300。图300的x轴表示跨越从5赫兹至大约5千赫的频率范围内的对数标度上的测量频率。Y轴表示微型扬声器1上在无量纲刻度上测量电阻抗幅值和膜片偏移，用于进行比较。膜片偏移具有大约838赫兹的扬声器1的基本谐振频率的局部最大值，由附图标记303所指示。膜片偏移的本局部最大值的频率相应一致于扬声器1的峰值阻抗频率。在远低于基本谐振频率的频率，膜片偏移随着递减频率单调增加，使得膜片偏移在低于约25Hz的频率超过基波谐振频率的偏移。由于普通语音和音乐信号的大多数信号能量集中在低频范围内，膜片偏移在该频率范围内的显着增加可导致扬声器的不可逆的机械损伤，除非采取适当预防措施以限制膜片偏移。

图4是再次示出了膜片偏移曲线405的曲线图400，但这次连同以上所讨论的示例性微型电动扬声器1的相应声压水平曲线407。图400的x轴示出在从5赫兹至大约5千赫的频率范围上对数标度的测量频率。y轴示出微型扬声器1在无量纲规模的膜片偏移和声压水平，用于进行比较。如密封扬声器箱预期的，声压水平到达扬声器1的基本谐振频率附近最大，并且声压水平之后每倍频程单调减小在大约12dB，用于降低频率。

图5示出根据本发明第一实施例，用于电动扬声器的声音再现电路500的简化示意框图，例如以上图1B)所示的外壳安装微型扬声器1。本领域技术人员将认识：声音再现电路500可以容易地适用于许多其它类型的外壳装载或打开挡板安装的电动扬声器。声音再现电路500的该扬声器具体适应可以包括调节频带分裂网络502的交叉频率fc，取决于扬声器的电特性和/或预期应用。

声音再现电路500在终端或电线512产生到功率放大器510的偏移限制音频信号。功率放大器510通过一对外部访问的扬声器端子511a、511b耦合或连接到微型电动扬声器1。功率放大器510可包括脉冲调制D类放大器输出，或用于向微型电动扬声器1的音圈供给充足的驱动电压和电流的任何其它合适的功率放大器。

声音再现电路500包括音频输入501，用于接收由音频信号源(未示出)提供的音频输入信号。在本实施例中，声音再现电路500主要或完全操作在操纵和处理数字信号的数字域中，但是本发明的其他实施例可以相反使用模拟信号或模拟和数字信号的混合。音频输入501相应地接收由外部数字音频源提供的数字音频输入信号，诸如其中本声音再现电路500被集成的便携式通信设备的应用处理器。外部产生的数字音频输入信号可根据标准化的串行数据通信协议(例如，IIC或SPI)被格式化，或根据数字音频协议(诸如，IIS、SPDIF等)格式化。声音再现电路500还包括上述的上文提及的频带划分网络502，其将数字音频输入信号划分为低频带信号或分量和高频带信号或分量。低频带信号提供在网络502的第一输出LF，和高频带信号供给在网络502的第二输出HF。频带划分网络502具有预定交叉频率fc，其优选是所述外壳安装微型扬声器1的基本谐振频率的至少1.2倍。如上所述，后者为约829赫兹。然而，fc甚至更优选位于或高于所述外壳安装微型扬声器的829Hz基本谐振频率的2.0倍，诸如处于或超过1628赫兹。一般情况下，fc通常介于其中。本领域技术人员将通过检查图3上描绘的膜片偏移曲线305理解：fc的后者值确保显著有助于微型扬声器1的振动板偏移的数字音频输入信号的所有频率分量包括在低频带信号，并因此受到如下面另外详细所讨论的信号限制操作。频带划分网络502的频率响应特性可发生很大变化，取决于特定应用的需求。频带划分网络502在本实施例中完全操作在数字域，使得每个所产生的高频和低频带信号是数字信号。频带划分网络502的数字域操作方式提供网络502的低通滤波器部分和高通滤波器部的各自频率响应特性的选择的相当大的灵活性，分别产生低频带信号LF和高频段信号HF。每个网络502的低通和高通滤波器部分可以包括FIR滤波器或IIR滤波器。该频带划分网络502可以例如具有全通响应，使得低频带信号LF和所述高频带信号HF的总和提供基本上平的(恒定幅度)频率响应。因此，低水平音频输入信号可传播通过频带划分网络502，而没有频率响应修改，因此，不要主观信号着色。高于预定交叉频率fc的低通滤波器部分的频率响应的斜率可以根据所讨论的应用而变化。斜率优选小于每倍频12dB，如每倍频大于24dB或30dB，以减少高频信号分量进入低频带信号LF的泄露。同样，低于预定交叉频率的高通滤波器部分的频率响应的斜率fc可取决于所讨论的应用而变化。高通滤波器部分的斜率可以是基本相同于低通滤波器部的斜度或不同于低通滤波器部分的斜率。高通滤波器部分的斜率优选小于每倍频12dB，诸如大于每倍频24dB或30dB，以减少低频音频信号分量到高频带信号HF的泄露。本领域技术人员将理解，所述低通滤波器部可以包括具有远低于预定交叉频率fc的角频率的高通滤波器，例如在低于20赫兹的亚音速频率，使得该实施例将低通滤波器部分转换成带通滤波器部分。后者带通滤波器部分的高通滤波器有益于抑制数字音频输入信号的某些潜在的有害超低频分量。给出图4上描绘的频率响应曲线407，微型扬声器例如可以无法使用任何有用的或可听的声压水平重现这些超低频率分量。

数字低频带LF信号并行施加到膜片偏移估计器或计算器504的输入和信号限制器506的输入。估计器504被配置用于基于数字低频带信号LF产生瞬时膜片偏移估计x，并经由线路或连接507将膜片偏移估计x应用于信号限制器506。基于瞬时膜片偏移估计x和偏移极限标准之间的比较，信号限制器506读取或接收瞬时膜片偏移估计x和利用后者以在输出LF_C产生有限的低频带信号。信号限制器506的输出LF_C的有限低频带信号被信号限制器506的操作衰减或限制电平或幅度，相对于在其输入的低频带信号LF。优选地，限制信号包括低频带信号的动态范围压缩，以减少由所述限制操作引入的非线性信号失真的量。在替代方案中，低频带的LF信号的限制可以通过简单的削峰操作来进行，其中分别超过上限和下限的低频带信号LF的正和负信号幅度被限幅。

动态范围压缩以限制低频带LF信号可以包括：根据预定的增益法，向低频带信号施加膜片偏移相关增益值。预定增益法例如可以包括合适的表或数学等式来表示所确定的膜片偏移和增益值之间的关系或键合。在一个实施例中，预定增益法包括偏移阈值。后一实施例的预定增益法还包括低于偏移阈值的低频带信号的基本上恒定的增益，和具有超过偏移阈值的增加膜片偏移的降低增益值。在后一实施例中，对于低于该偏移阈值的所有膜片偏移值，低频带信号LF可以与常数(诸如，一)相乘。因此，低频带信号LF可基本上未修改地发送通过信号限制器506，使得在输出LF_C的有限低频带信号基本相同于在信号限幅器506的输入端的低频带信号LF。超过偏移阈值，增益值可单调降低，具有减少的各种速率。在一些实施例中，增益值的降低速率可确保在输出LF_C的低频带信号的电平基本上对于超出偏移阈值的所有膜片偏移值恒定。这对应于有限低频带信号的基本上无穷大的压缩比。

本领域技术人员将理解，偏移阈值可以通过多种标准中在特定的实施例中设置，例如根据应用的类型。在一些实施例中，偏移阈值可被设定为所述电动扬声器的最大偏移(扬声器制造商所指定的)或低于该最大偏移值的一定量/百分比。本领域技术人员将理解：特定类型的电动扬声器的最大偏移取决于扬声器和它的外壳的尺寸和众多结构细节。对于以上讨论的具有约11mm乘以15mm外尺寸的微型扬声器1，最大膜片偏移是大约+/-0.45mm。然而，对于家用音响和公共广播应用，更大的扬声器类型可以具有更大的最大膜片偏移，例如高于+/-5.0mm。

在输出LF_C的有限低频带信号被施加到或传送到加法器508的第一输入，如声音再现电路500的概略框图所示。高频带信号HF被施加或发送到加法器508的第二输入。高频带信号HF和有限低频带信号被组合以在加法器508的输出OUT产生偏移有限音频信号。偏移有限音频信号被施加到功率放大器510的输入，其由此产生在一对扬声器端子511a、511b的扬声器驱动信号，如前面所讨论地。

本领域技术人员将理解，频带划分网络502、膜片偏移估计器504、信号限制器506和加法器508的每一个可完全或部分地由软件可编程微处理器(诸如，可编程数字信号处理器)实施为对数字域信号操作的一组可执行程序指令。在替代方案中，频带划分网络502、膜片偏移估计器504、信号限制器506和加法器508的每个的功能可通过包括适当配置的顺序和组合数字逻辑的单独硬连线的数字逻辑电路来实现。硬连线的数字逻辑电路可以集成在专用集成电路(ASIC)或通过可编程逻辑或它们的任意组合构成。由声音再生电路500利用的各种变量和恒定值(诸如，频带划分网络502的预定交叉频率fc、网络502的低通和高通滤波部分的滤波器系数)可存储在由软件可编程微处理器或硬连线的数字逻辑电路访问的数据存储器的预定数据存储器地址。

膜片偏移估计器504可以以多种不同的方式来实现。在一些实施例中，膜片偏移估计器504可以基于附连或耦合到上述讨论的微型扬声器1的膜片的加速度、速度或位移传感器供给的传感器信号。膜片偏移估计器504的优选实施例是根据电动扬声器的线性或非线性状态空间模型，如下所述。

图6示出图5上描绘的膜片偏移估计器504的最佳实施例的简化示意框图。膜片偏移估计器504包括微型扬声器1的非线性状态空间扬声器模型614。低频带信号LF被应用到非线性状态空间扬声器模型614的输入。瞬时膜片偏移x的估计由非线性状态空间扬声器模型614计算或确定，并且提供在输出端613。非线性状态空间扬声器模型614可以相同于申请人的共同未决专利申请US 14/073324中描述的非线性状态空间扬声器模型，在此将其全部引入作为参考。非线性状态空间扬声器模型的操作和功能详细描述在该共同未决的专利申请中。因此，非线性状态空间扬声器模型的功能的简短摘要在下面讨论，以说明非线性状态空间扬声器模型614如何可以与本膜片偏移估计器504集成在一起。

膜片偏移估计器504包括所述电动扬声器1的线性自适应数字模型610，包括响应于数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压Vm[N]的多个适应或自适应模型参数。扬声器的自适应线性数字模型610优选地包括自适应滤波器，其基于所述检测或测量音圈电流和音圈电压(如由数字音圈电流信号Im[n]和该数字语音线圈电压Vm[n]表示)，建模横跨预定音频频率范围(例如10Hz和10kHz之间)的微型扬声器1的频率相关阻抗。所述线性自适应数字式扬声器模型610包括多个自适应扬声器参数。所述线性自适应数字式扬声器模型610被配置为计算多个线性扬声器参数的各参数值。自适应线性数字式扬声器模型610的细节和功能可以在本申请人的上述共同未决的专利申请US 14/073324中讨论。线性自适应数字式扬声器模型610的输出包括多个相应线形、尽管时变性、自适应扬声器参数的参数值，例如外壳安装微型扬声器1的力因子或悬架顺应性。由线性自适应数字式扬声器模型610输出的多个参数值被提供给非线性功能块612，它是电动扬声器的非线性状态空间模型614的一部分。自适应扬声器参数的参数值表示或估计各自适应扬声器参数的各当前参数值，使得每个这些的以前讨论的时变和温度变化属性被适当跟踪。本领域技术人员将理解，所述非线性功能块612是本膜片偏移估计器504的可选特征。在本膜片偏移估计器504的其它实施例中，所述非线性功能块612不存在，以及自适应扬声器参数的参数值被直接传递到电动扬声器1的线性状态空间模型616。虽然非线性功能块612可显著改进瞬时膜片偏移x的估计的准确度，特别对于特定的大膜片偏移，缺少将常常节约计算资源和功率消耗，使得两个替代方案可以是非常有用的，依赖于本声音再现电路500的特定应用的需求。为了向自适应线性数字式扬声器模型610递送数字音圈电流信号Im[n]和数字音圈电压信号Vm[n]，膜片偏移估计器504包括至少一个A/D转换器608，其通过采样和数字化跨越扬声器端子511A、511B的瞬时音圈电压产生数字音圈电流信号Im[n]和数字语音线圈电压信号Vm[N]。A/D转换器608还包括第二输入，其经配置以采样和数字化在变换器608的第二输入线圈传送的模拟语音线圈电流。

Claims

1.一种用于控制扬声器的膜片偏移的方法，包括以下步骤：

当音频输入信号正施加到扬声器的线圈时，检测流过扬声器的线圈的电流和扬声器的线圈两端的电压中的至少一个；

使用扬声器的自适应数字模型估计扬声器的膜片偏移，所述估计包括将关于音频输入信号的预定频带中的低频分量和关于所检测的电流或电压的信息应用到所述自适应数字模型；以及

当所估计的膜片偏移的幅值超过指定的阈值时：

减小所述低频分量的电平以便提供音频输入信号的经减小的低频分量；以及

组合所述音频输入信号的经减小的低频分量和所述音频输入信号的在另一频带处的高频分量以便提供组合信号，其中所述低频分量和高频分量是根据预定的交叉频率而确定的。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述减小包括对所述低频分量执行动态范围压缩。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述减小包括削波低频分量的超过阈值的一部分。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定频带包括低于和包括所述扬声器的预期谐振频率的所有频率。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述估计包括：从扬声器返回的传感器信号估计膜片偏移。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述估计之前，根据比所述扬声器的预期谐振频率更高的所述预定的交叉频率，将所述音频输入信号划分成低频分量和高频分量。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述交叉频率是介于所述扬声器的预期谐振频率的1.2倍和2.5倍之间。

8.如权利要求6所述的方法，进一步包括：根据扬声器的性能，调整所述交叉频率。

9.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在组合之前，抑制所述低频分量的低于扬声器的声音再现能力的低频分量。

10.如权利要求1所述的方法，其中，使用自适应数字模型估计扬声器的膜片偏移的步骤包括基于所检测的流过线圈的电流或扬声器的线圈两端的电压来调节所述自适应数字模型的一个或更多个参数，并且还包括基于经调节的一个或更多个参数来估计膜片偏移。

11.一种用于控制扬声器的膜片偏移的装置，包括：

处理器电路，被配置为将关于扬声器的所测量的音圈电压或电流信息应用到所述扬声器的自适应数字模型以便估计所述扬声器的响应于输入信号的膜片偏移；

频带划分系统，根据预定的交叉频率，将所述输入信号划分成高频分量信号和低频分量信号，

比较器，将所估计的膜片偏移和阈值进行比较，

信号限制器，响应于所述比较器的输出，减小所述低频分量信号的电平，并

信号组合器，合并所述信号限制器的输出和来自所述频带划分系统的高频分量信号，以产生输出信号。

12.如权利要求11所述的装置，其中，该频带划分系统具有高于所述扬声器的谐振频率的所述预定的交叉频率。

13.如权利要求12所述的装置，其中，所述交叉频率是介于所述扬声器的谐振频率的1.2倍和2.5倍之间。

14.如权利要求11所述的装置，其中，所述信号限制器对所述低频分量信号执行动态范围压缩，作为所述减小。

15.如权利要求11所述的装置，其中，所述信号限制器削波所述低频分量信号的超出阈值的一部分，作为所述减小。

16.如权利要求11所述的装置，进一步包括：具有耦合到所述信号组合器的输入端和用于耦合到所述扬声器的输出端的放大器。

17.如权利要求16所述的装置，其中，所述放大器是脉冲密度调制放大器或脉冲宽度调制放大器。

18.如权利要求11所述的装置，其中，所述频带划分系统、所述比较器和所述信号限制器由所述处理器电路实现。

19.如权利要求11所述的装置，其中，所述频带划分系统包括每个接收所述输入信号的高通滤波器部分和低通滤波器部分。

20.如权利要求11所述的装置，其中，所述处理器电路被配置为基于所述自适应数字模型的一个或更多个参数来估计所述扬声器的膜片偏移，其中所述参数包括所述扬声器的机械顺从性、音圈电阻、移动质量和力因子中的一个或更多个。

21.一种用于控制扬声器的膜片偏移的装置，包括：

处理器，执行程序指令，所述程序指令使所述处理器操作作为：

频带划分系统，根据预定的交叉频率，将输入信号划分成高频分量信号和低频分量信号；

估计器，被配置为基于低频分量信号，应用扬声器的自适应数字模型以便估计扬声器膜片的偏移；

信号限制器，在估计的偏移超过预定界限的情况下，减小低频分量信号的电平，以及

22.如权利要求21所述的装置，其中，使所述处理器操作作为估计器的指令包括使所述处理器基于所述扬声器的自适应数字模型的一个或更多个时变参数来估计膜片偏移的指令。