CN109951787B - 扩音器参数预测系统 - Google Patents

Abstract

一种扩音器实时状态变量预测系统可以包括：扩音器，所述扩音器具有音圈和磁体；以及非线性偏移模型，所述非线性偏移模型被配置成估计所述扩音器的非线性偏移。所述系统还可以包括：热模型，所述热模型被配置成基于所述扩音器的至少一个热特性来利用热参数和频率；以及增益调整热限制器，所述增益调整热限制器被配置成对传入音频信号应用增益减小以保护所述扩音器免于热过载。

Description

扩音器参数预测系统

技术领域

本文公开了用于具有限制和线性补偿的扩音器实时状态变量预测的系统。

背景技术

已经开发了各种方法和系统来用数字信号处理(DSP)保护扩音器。已经开发了各种模型来表征扩音器的非线性。这些非线性的主要来源是力因数B_l(x)、刚度K_ms(x)和电感L_e(x)。现有扬声器限制器可能会限制峰值或RMS电压，但缺少适当的信息，包括完整的热和偏移模型。这些扬声器限制器在限制时可能过于谨慎，并且由此防止扩音器以其能够实现的最大输出执行。

发明内容

一种扩音器参数预测系统可以包括：扩音器，所述扩音器具有音圈和磁体；以及非线性偏移模型，所述非线性偏移模型被配置成估计所述扩音器的非线性偏移。所述系统还可以包括：偏移限制器，所述偏移限制器被配置成从所述非线性模型接收预测位移信号，以防止在所有驱动级别的过度偏移；以及热模型。所述热模型可以被配置成基于所述扩音器的至少一个热特性来利用频率相关参数和频率无关参数，并且接收已接合所述偏移限制器之后的音频信号，以确定所述扩音器的实时温度和阻抗。所述系统还可以包括增益调整热限制器，所述增益调整热限制器被配置成基于所述扩音器的所述实时温度来对传入音频信号应用增益减小，以保护所述扩音器免受热过载。

一种扩音器实时状态变量预测系统可以包括：扩音器，所述扩音器具有音圈和磁体；以及非线性偏移模型，所述非线性偏移模型被配置成估计所述扩音器的非线性偏移。所述系统还可以包括：热模型，所述热模型被配置成利用频率取决于所述扩音器的至少一个热特性的热参数；以及增益调整热限制器，所述增益调整热限制器被配置成对传入音频信号应用增益减小以保护所述扩音器免于热过载。

附图说明

在所附权利要求中具体指出了本公开的实施方案。然而，通过参考以下结合附图的详细描述，各种实施方案的其它特征将变得更加明显并且将被最好地理解，其中：

图1说明了示例扬声器系统；

图2说明了用于扩音器状态变量/参数预测的示例系统；

图3A说明了用于非耦合双向系统中的扩音器状态变量/参数预测的示例系统；

图3B说明了用于包括总增益限制器的耦合双向系统中的扩音器状态变量/参数预测的示例系统；

图4说明了示例热表征系统；

图5说明了温度测量电路；

图6说明了示出实际测量温度与模型温度的示例图表；

图7说明了示出喇叭或HF驱动器的阻抗随音圈温度而变的示例图表；

图8说明了示出当包括偏离时随音圈温度而变的阻抗的示例图表；

图9说明了示出随闭盒式低音扬声器的音圈温度而变的阻抗的示例图表；

图10说明了温度的示例频率相关热时间常数模型；

图11A至11C说明了对于通过Klippel方法测量的典型扩音器的针对非线性参数的一部分估计的多项式的示例图形表示；

图12A至12C说明了扩展超出测试范围的多项式的示例图形表示；

图13说明了两个高斯内核和现实B_l(x)函数的示例图形表示；

图14说明了用于确定B_k(x)、K_ms(x)和L_e(x)函数的过程402的示例流程图；

图15说明了示出示例扬声器马达的各种FEA模拟的示例曲线图；

图16说明了特定扬声器马达的FEA模拟中的一者的示例曲线图；

图17说明了拟合到目标B_l(x)的示例B_l(x)曲线的曲线图；

图18说明了基于由静力生成的渐近线的目标K_ms(x)的示例曲线图；

图19说明了基于渐近线点测量的电感值L_e的目标K_ms(x)的示例曲线图；

图20说明了目标L_e(x)的示例曲线图；以及

图21A至C说明了示出SOA非线性曲线和建模曲线的示例曲线图。

具体实施方式

根据需要，本文公开了本发明的详细实施方案；然而，应理解，所公开的实施方案仅仅是本发明的示例，本发明可以按各种替代形式实施。诸图不一定是按比例绘制；某些特征可能被夸大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。

电磁扩音器可以使用磁体在气隙中产生磁通量。音圈可以放置在气隙中。音圈可以具有圆柱形缠绕的导体。音频放大器电连接到音圈以提供对应于到音圈的特定电流的电信号。由磁体产生的电信号和磁场使音圈振荡，进而驱动隔膜产生声音。

然而，扩音器的性能有限制。通常，随着向扬声器施加更多功率，音圈将升温并且最终失效。这是由于生成热的导体的电阻。由于音圈的直流电阻(DCR)构成了驱动器阻抗的主要部分，因此大部分输入功率转换为热而非声音。因此，随着线圈温度增大，线圈的DCR将增大。驱动器的功率处置能力受到其耐受热的能力的限制。此外，扩音器的电阻和阻抗随着音圈温度的增大而增大。这可能导致功率压缩，即由于音圈和DCR的温度升高而导致的预期输出的频率相关损失。随着DCR增大，系统的线性和非线性行为也会发生变化。随着更多的低频应用于驱动器，辨识出更大的音盆偏移。在输出发生极端失真之前，扩音器具有有限的偏移能力。为了补偿这些变化，可能需要进行调整。为了应用适当的调整，可能需要实时或接近实时地准确预测音圈温度和音盆偏移的非线性行为。此类预测可以允许音盆达到安全的最大偏移，并且适当地控制过度偏移而不会产生撤消失真。

为了实现音圈温度的准确模型和音盆偏移的非线性行为，所述系统包括热建模系统和非线性建模系统。所述模型可以准确地实时预测音盆偏移和音圈温度的各种状态变量，以便进行特性应用限制和功率压缩补偿。

热操作系统可以允许呈参数均衡形式的线性补偿，以基于对音圈温度的了解来补偿功率压缩。这确保了频率响应在满足热偏移限制之前不会改变。此时，限制器将参与将驱动器保持在安全操作区域(SOA)中。

非线性建模系统可以准确地模拟扩音器的动态行为，其功能已针对对应于安全操作区域的范围以及在安全操作区域外的特性进行曲线拟合。所述模型产生较受约束并且稳定的功能，以在所有级别驱动扩音器。

图1说明了包括音频源12的示例扬声器系统10，所述音频源被配置成将音频信号发射到放大器14和扩音器18。一个或多个控制器(下文中称“控制器16”)可以与放大器14通信。控制器16通常可以耦合到存储器，用于操作指令以执行本文所述的方程和方法。通常，控制器16被编程为执行如本文所述的各种方法。控制器16可以包括本文描述的模型。控制器16可以基于扩音器的温度和非线性来修改音频信号。扩音器18可以包括一个或多个驱动器，包括喇叭驱动器(或高频(HF)驱动器)和/或低音扬声器，以再现音频信号。本文包括和描述的驱动器是示例性的而不是限制性的。可以包括具有各种频率范围的其它驱动器。扩音器18可以包括音盆和音圈。

扩音器18可以包括磁体、背板、顶板、极靴125和音圈。音圈可以包括例如缠绕在线圈架(coil former)上的绝缘铜线130(即，音圈或线圈)的导线。音圈可以以磁隙为中心。音圈可以被配置成从放大器14接收信号。此信号可以在音圈内产生电流。磁隙中的磁场可以与载流音圈相互作用，由此生成力。所得力可能导致音圈前后移动，并且因此使音盆从其静止位置移位。扬声器音盆150的运动使空气在音盆前方移动，产生声波，从而在声学上再现电信号。

扩音器18包括从线圈径向向外延伸以产生圆锥形或圆顶状形状的扬声器音盆(或隔膜)。靠近音圈的音盆的中心可以由星行轮(spider)固定就位。星行轮和围绕物一起通常仅允许扬声器音盆的轴向移动。在操作期间，并且当电流被驱动通过线圈时，线圈可以轴向移动，从而引起音盆150的移动(即，音盆偏移)。音盆偏移或位移x通常是音盆从静止位置移动的距离。距静止位置的距离随着提供给线圈的电信号的大小变化而变化。举例来说，线圈在接收到具有大电压的电子信号时可能会使线圈移出或进一步移入磁隙中。当线圈移入和移出磁隙时，音盆可能会从音盆的静止位置移位。因此，大电压可能产生大的音盆偏移，这又导致换能器中固有的非线性成为主导。

随着音盆x的偏移或位移增大，围绕物和星形轮可逐渐变硬。由于刚度Kms增大，可能需要更大的力以及因此更大的输入功率来进一步增大音盆的偏移。此外，当音盆移动到外壳中时，盒内的空气可能被压缩并且可以用作弹簧，由此增大总刚度K_ms(x)。因此，扩音器18的位移相关总刚度K_ms(x)可以包括星形轮、围绕物和空气的刚度。

另外或替代地，线圈的电感L_e也可能受到电子信号的影响。举例来说，如果电子信号的正电压过大以致线圈移出磁隙，则可以减小线圈的电感L_e。另一方面，如果电子信号的负电压过大以致线圈移动到磁隙中，则可以增大线圈的电感L_e。音圈的电感L_e的变化表示电感的位移相关非线性行为L_e(x)。

图2说明了用于扩音器参数预测的示例系统100。系统100可以被配置成接收音频信号、预测各种热模型特性并且将某些均衡参数应用于音频信号，并且将音频信号提供给驱动器。系统100可以包括增益热限制器105。增益热限制器105可以是被配置成从热模型120应用增益调整的限制器。热模型120可以确定频率相关热参数以及频率无关热参数，并且应用这些参数来提高音质并且保护扬声器免受热过载。下文参考图4至10更详细地描述热模型120。

均衡块110可以经由各种滤波器将均衡参数应用于音频信号。均衡参数可以包括待应用于音频信号的特定频率的各种幅度。参数均衡块115可以应用二阶滤波函数并且调整音频信号的均衡。参数均衡块115可以从热模型120接收温度T。

系统100可以包括前瞻延迟器125，所述前瞻延迟器被配置成适应关于音频信号和计算要求的某些延迟。偏移限制器130可以从非线性偏移模型135接收位移信号X(t)。偏移限制器130可以约束函数，使得函数在所有驱动级别都是稳定的。这些函数可以由非线性偏移模型135定义，其在下文参考图11至21更详细地论述。

驱动器140可以从偏移限制器130接收音频信号并且将电信号转换为声波。驱动器140可以是换能器，例如中程驱动器、高音扬声器或低音扬声器。驱动器140可以具有特定的热容限，在所述热容限下，声波的质量在热过载期间在此公差下显著降低或失效。

图3A说明了用于非耦合双向系统中的扩音器参数预测的示例系统200。在此示例中，包括多个信道或频带，具体地说，高频信道250和低频信道255。在此示例中，偏移限制器130应用于低频信道255处。

系统200可以包括高频信道250处的高频热限制器105a和热模型高频120a，以及低频信道255处的低频热限制器105b和热模型低频120b。每个限制器105a、105b可以从相应的热模型120a、120b接收音频信号V(t)和增益调整。如上文关于图2所解释的，热模型驱动器120a、120b可以确定频率相关热参数以及频率无关热参数，并且应用这些参数来提高音质并且保护扩音器免于热过载。在下文参考图4至10更详细地描述热模型驱动器120a、120b。

高通均衡块210和低通均衡块211可以从相应热限制器105a、105b接收音频信号，并且经由各种滤波器将均衡参数应用于将均衡参数应用于音频信号。均衡参数可以包括待应用于音频信号的特定频率的各种幅度。参数均衡块115a、115b可以应用二阶滤波函数并且调整音频信号的Q。参数均衡块115a、115b可以从相应热模型120接收温度T。

系统200可以包括前瞻延迟器225，所述前瞻延迟器被配置成适应相对于音频信号的某些延迟。前瞻延迟器225可以从参数均衡块115a、115b接收滤波后的音频信号。

类似于图2，偏移限制器130可以从非线性偏移模型135接收位移信号X(t)。偏移限制器130可以约束函数，以使得函数在所有驱动级别都是稳定的。这些函数可以由非线性偏移模型135定义，其在下文参考图11至21更详细地论述。在图3A的示例中，偏移限制器130和非线性偏移模型135可以处于低频信道255处。在此示例中，参数均衡块115a、115b处的参数均衡与增益热限制器105a、105b处的限制同时或接近同时执行，以避免音频信号V_HF(t)、V_LF(t)V_HF(t)的振荡。此外，增益热限制器105a、105b可以按具有长取样率的帧速率工作，例如0.10秒。另一方面，偏移限制器130可以具有在样本间变化的速率。因此，增益热限制器105a、105b与偏移限制器130可以具有非常不同的取样率以避免振荡。

高频信道250处的高频驱动器140a可以接收高频音频信号V_HF(t)。低频信道255处的低频驱动器140b可以从偏移限制器130接收低频音频信号V_LF(t)，并且将电信号转换为声波。驱动器140a、140b可以是换能器，例如中程驱动器、高音扬声器或低音扬声器。

图3B说明了用于耦合双向系统中的扩音器实时状态变量预测的示例系统300，其中包括总增益限制器。总增益限制器的功能可以类似于增益热限制器105、105a、105b，但是可以基于首先达到其热限制的驱动器。通过实施总体限制器，系统300可以实现平坦的系统响应。也就是说，通过保护最弱的驱动器140，系统300可以保持平坦的响应。驱动器块360可以被配置成从热模型120a、120b中的每一者接收温度，并且确定与热模型120相关联的驱动器140中的哪一者接近或可能达到其热限制(例如，热容限)。接着，驱动器块360可以将热参数提供给与所述热模型120相关联的增益限制器。

类似于图3A的系统200，偏移限制器130和非线性偏移模型135可以处于低频信道255处。在此示例中，参数均衡块115a、115b处的参数均衡与增益热限制器105a、105b处的限制同时或接近同时执行，以避免音频信号V_HF(t)、V_LF(t)的振荡。如上所述，另一方面，偏移限制器130可以具有在样本间变化的速率。因此，增益热限制器105a、105b与偏移限制器130可以具有非常不同的取样率以避免振荡

因此，非线性偏移模型135可以向偏移限制器130提供位移信号x(t)，而热模型120可以将音圈温度提供给参数均衡块，并且将增益调整提供给增益热限制器105。信号x(t)可以包括基于扬声器的非线性而生成的函数。频率相关热参数可用于估计线圈温度，以防止系统100达到其热限制。

热模型120可以被配置成从音频信号V(t)估计输入功率，并且估计频率相关热参数的使用。当扩音器长时间以高音量播放时，扩音器可能会显著升温。随着音圈温度升高，扩音器的电阻和阻抗也会增大。这可能导致功率压缩，包括高达6分贝的输出损失。此外，由音圈过热引起的热过载可能损坏扩音器或使扩音器不能工作。准确预测音圈温度可以解决这些问题。可以使用线性参数均衡(PEQ)来实现对功率压缩的补偿和对频率响应的调整。此外，可以设置温度限制器保护水平，使得不会超过预定的最大温度阈值。因此，可以通过功率压缩补偿来增强扩音器的音质并且保护扩音器免受热过载，从而延长其寿命。

温度预测的改进的准确性至少部分地归因于对于音圈和换能器的磁体使用频率相关热参数。可以仅从输入电压确定输入功率的值。通过监视输入功率，系统100可以在频率相关加热模式和频率无关冷却模式之间切换。

图4说明了示例热表征系统400。热表征系统400可以用于对热模型120进行编程。热表征系统400可以包括测试信号生成块405。

在测试信号生成块405处，测量系统120可以生成测试信号。可以生成测试信号以捕获磁体的时间常数。可以基于音调测试序列和粉红噪声测试序列生成测试信号。通常，在2小时的时间段内产生测试信号以捕获磁体时间常数。

热表征系统400可以包括数据获取块410，其中测量系统120接收各种形式的数据。此类数据可以包括AC电压、DC电压、AC电流和DC电流。这四个数据输出是从图5所示的测量电路中获取。从这四个输出中，可以计算出受测扬声器的所有必要热特性，包括音圈温度和直流电阻(DCR)。

音圈温度块415可以基于DCR确定音圈温度。音圈温度可以由温度电路500确定，如图5所示。

图5说明了温度电路500，所述温度电路可以包括AC电源和DC电源。温度电路500还可以包括防止AC电流流回DC电源的第一电感器L₁和第二电感器L₂。电容器C₁和C₂可以防止DC电流流回AC电源。可以基于基于DC电压和DC电流的测量计算的DC电阻来确定实际温度。(AC电流和电压稍后将用于计算随温度和真实功率而变的阻抗。

温度电路500可以测量四个数据信道以及通过麦克风或激光器位移测量的近场。因此，可以获取五个信道。信道1可以包括AC电流，其被高通滤波以通过高于10Hz的频率。信道2可以是DC电流，其为用于温度计算的主要因素。可以对此电流进行低通滤波以通过低于10Hz的频率。信道3可以是DC电压，其被低通滤波以通过低于10Hz的频率。此电压通常是恒定的，例如1V低音扬声器。信道4可以是麦克风压力信号。信道5可以是AC电压，其以10Hz高通滤波。另外：

DCR＝DC电压/DC电流＝V_DC/C_DC，其中测试电路的DCR。

R_driver＝V_AC(dc或低通分量)/C_DC，其中V_AC是在测试开始时施加刺激之前的AC电压信道。

ActualTemp(n)＝[(V_DC/C_DC(n)-(DCR-R_driver)-R_driver)*((1/TCR)/R_driver)]，TCR＝音圈导体的电阻率的热系数。

其中：

V_DC是信道3-DC电压的平均值，在开始呈递时测量(在装置冷的情况下)，C_DC是开始呈递时的信道2的平均值。

温度电路500测量DC耦合电流信号，并且使用导线的已知电阻和用于驱动器的测量的DC阻抗值来计算模型温度。

图6说明了示出实际测量温度(例如，ActualTemp)与模型温度的示例图表。在此示例中，对于低频的音调脉冲序列(例如，测试信号)，随时间绘制音圈的温度。在此示例中，测试运行大约180分钟。实际测量温度与模型温度之间的归一化误差为3.3％。

返回图4，阻抗块420可以随频率和温度和/或电压电平而变来确定音圈的阻抗。这可以针对HF驱动器和低音扬声器两者确定。温度电路500可以将阻抗曲线确定为温度的函数。此阻抗曲线允许从V²/Z准确估算热功率(Q)，其中Z是根据预测的温度升高计算的阻抗。可以处理和分析使用在测试信号生成块405中生成的测试信号的测试以产生阻抗曲线。

为了确定阻抗与温度的关系，将上文的实际温度方程以C_DC转换为为温度：

ActualTemp(n)＝[(V_DC/C_DC(n)-(DCR-R_driver)-R_driver)*((1/TCR)/R_dricer)]

接下来，可以将快速傅里叶变换(FFT)应用于V_AC和C_AC以计算阻抗。FFT可以应用于扫描测试信号。另外或替代地，可以使用粉红噪声部分而非扫描。宽带源应位于测试信号中以生成阻抗曲线。阻抗曲线可以示出阻抗如何随着温度以及扩音器的冷阻抗而变化。当扬声器处于环境室温时，冷阻抗可以是测量开始时的阻抗

阻抗曲线的FFT的最低频段与DCR值匹配的验证可以通过在信道2的平均值上取信道3的平均值来完成：

图7说明了示出阻抗随HF驱动器的音圈温度而变的示例图表。值得注意的是，随着音圈温度升高，阻抗相对恒定地增大。因此，HF驱动器的阻抗曲线在整个温度范围内是相对可预测的。随温度而变的阻抗曲线可以准确地建模为冷阻抗加上基于温度的频率无关偏移。通过参考图7中所示的随温度数据而变的阻抗来找到所需的偏移。

图8说明了示出当包括偏移时电感L_e随音圈温度而变的示例图表。通过使用具有简单DC移位的冷阻抗，阻抗与真实估计密切对应。

图9说明了示出阻抗随低音扬声器的音圈温度而变的示例图表。此示例中的阻抗很简单，因此可以使用图的上部频率区域以及谐振区域来建模。

温度预测模型425可以确定扩音器的频率相关热参数。这可以通过迭代地处理测试信号以找到用于频率相关热建模的最佳参数来实现。在通电时，加热取决于频率。虽然没有通电，但冷却基本上与频率无关。因此，温度预测模型425可以生成一组频率取决于音圈和磁体的第一参数。一旦扬声器升温并且关闭，扬声器就可以开始冷却。在冷却期间，参数可以与频率无关。温度预测模型425还可以生成与频率无关的一组第二参数。通过在通电期间使用第一参数，并且在不通电期间使用第二参数，可以增大热模型准确度。

这些参数可以由优化分析块430产生。优化分析块430可以为HF驱动器和低音扬声器提供音圈温度的实时或接近实时的建模。

图10说明了温度的示例频率相关热时间常数模型1000。模型1000可以包括FFT1005，所述FFT被配置成将音频信号V(t)划分为各种频带。在一个示例中，音频信号V(t)可以被划分为十二个频带。在另一示例中，音频信号V(t)可以被划分为24个频带，等等。一旦音频信号V(t)被划分成多个频带，就可以将RC电路应用于每个频带。在另一示例中，模型1000可以包括被配置成将音频信号V(t)划分为若干频带的其它滤波器。

如图10所示，模型1000可以包括第一RC电路1010a、第二RC电路1010b，并且继续到第n RC电路1010n。对于每个RC电路1010，可以包括各自具有音圈(g)和磁体(m)的电阻器和电容器。这些部件中的每一者的值可以产生温度的频带分量。这些值的总和可以用于产生总温度。如上所述，电阻器和电容器的值由优化分析430确定。

对于每个频带，基于V²/Z估计热功率Q，其中V是所述频带中的输入电压，并且Z是通过模型中估计的最近温度调整的阻抗曲线值。由于阻抗可以随频率而移位，因此可以基于移位阻抗来估计功率。因此，可以仅使用发送到扬声器的电压(例如，音频信号V(t))来预测音圈温度。本文公开的热模型系统和方法消除了对额外传感器的需要。

在扩音器的操作期间，载流音圈可以使扬声器音盆移动并且从音盆的静止位置移位。扬声器音盆的移动可以使音盆前方的空气移动从而产生声波。扩音器的高电压电平将表现出非线性行为。因此，扬声器音盆从音盆的静止位置的大位移可能显著改变扩音器的机电特性，从而产生非线性音频失真。非线性音频失真可能导致音频质量的劣化。将扬声器驱动到非常大的位移可能会对扬声器造成永久性损坏。可以使用对扬声器音盆的位移的了解来防止发生非常大的偏移(或位移)，从而保持扬声器健康并且提供以最大音量播放声音的安全方式。

当前的扩音器建模，特别是非线性建模，可以使用Klippel方法。此方法可以产生多项式，其为对于一系列音盆位移值(例如，安全操作区域(SOA))的曲线拟合。此方法用不同的信号并且通过对大信号’非线性参数的位移和电流反馈估计来激励扬声器。在此方法中，可以准确地测量BL(力因数)、K_ms(刚度)和L_e(线圈的电感)的非线性分量的形状与位移的关系。然而，在高于测试值的位移处，这些函数的在SOA之外的‘尾部’尚不清楚。未对这些区域进行测试的原因是因为其经常会使扬声器断裂或过热。Klippel方法曲线将4到8阶多项式拟合到测量数据以估计非线性函数。虽然这适用于比较设计或使用建模来估计测量边界内的失真，但其超出这些界限时会失去准确性，并且过度驱动条件的准确建模变得非常不准确和不稳定。也就是说，在SOA之外，多项式可能具有不准确的特性并且导致错误的建模。此类错误可能会导致不稳定的模型，当过度驱动时可能会鼓起’。这对于使用限制器对系统建模很重要，因为模型的性质经常被过度驱动。

本文公开了一种非线性偏移模型135，其被配置成限定和约束各种功能，以便使模型在所有驱动级别上稳定，甚至是在扬声器的SOA之外的那些驱动级别也是如此。非线性偏移模型135可以将位移信号提供给偏移限制器130。

返回参考图2至3，非线性偏移模型135可以包括被配置成执行本文描述的过程和方法的处理器。在一个示例中，处理器可以是图1的控制器16。在其它示例中，非线性偏移模型135可以包括或使用专用于产生位移信号x(t)的特殊处理器。

可以基于以下微分方程来计算扩音器的动态非线性行为。

扩音器的‘电压’集总元方程可以定义为：

‘力’集总元方程可定义为：

可以从这两个标准集总元方程中导出用于电流和位移的近似离散时间方程：

电流

位移

此处，

是x的非线性函数，通常被建模为多项式函数。

标准多项式方程可以表示为：

f(x)＝p₁x+p₂x²+…+p_Nx^N

BL(x)或力因数函数、K_ms(x)或刚度函数、L_e(x)或电感函数的参数是可以指示‘大信号’行为的非线性函数。从上文可以看出，为了预测音盆位移，所述函数必须易于微分并且可转换为离散时间函数。

如上所述，Klippel方法曲线将4到8阶多项式拟合到测量数据以估计非线性函数。虽然这适用于比较设计或使用建模来估计测量边界内的失真，例如安全操作区域(SOA)，但这些曲线拟合在这些范围之外会失去准确性，并且过度驱动条件的准确建模变得非常不准确和不稳定。

图11A至11C是如通过Klippel方法测量的针对典型扩音器的非线性参数的一部分估计的多项式的示例图形表示。具体地说，图11A说明了B_l(x)因数的示例图形表示。图11B说明了K_ms(x)因数的示例图形表示。图11C说明了L_e(x)因数的示例图形表示。

图线图示出了基于SOA中最大测试位移为曲线拟合的多项式的截面。如果图11A中所示的BL曲线延伸超出有用范围和SOA，则曲线将变为负。负BL在物理上不可能，并且通过多项式揭示了BL的传统建模中的缺陷。

图12A至12C说明了扩展超出测试范围的多项式的示例图形表示。具体地说，图12A说明了基于Klippel方法建模的BL(x)函数的示例图形表示。如图所示，力因数BL在测试范围之外快速变为负值。真实扬声器的真实力因数BL不会以这种方式表现。图12B说明了示例K_ms(x)函数。刚度K_ms示出为在高幅度处减小，但实际上刚度K_ms永远不会为负。图12C说明了示例L_e(x)函数。电感L_e示出为在末端处急剧跳跃，对于真实扬声器来说不是这种情况。如图所示，这些函数在SOA之外表现得不切实际，尤其是BL(x)函数。由于这种不切实际的建模，系统将不稳定并且在功能通过零时‘鼓起’。任何大的或快速变化的电感值也可能导致模型不稳定。

这些函数应单调渐近，而不是上文提到的行为。BL(x)函数应渐近零，并且永不为负。K_ms(x)函数应渐近无穷大，或者当悬架撕裂时，至少固定值应渐近。L_e(x)函数应在向外方向上渐近于相当于自由空气中的线圈的电感的固定值，并且在向内方向上渐进于间隙底部的线圈的电感。

对于BL(x)函数，一般指数或高斯混合模型方程可以适用于具有高斯拟合参数集的M个内核，以三个为一组。对于比例，可以使用求和和平均值。此类方程可以表示为：

其中

p_1，i＝比例

p_2，i＝求和(宽度)

p_3，i＝平均值(偏离)

使用6个参数[p_1，1、p_2，1、p_3，1、p_1，2、p_2，2、p_3，2]和两个高斯函数的示例高斯混合模型：

f(x)＝内核1+内核2

图13说明了两个高斯内核和真实BL(x)函数的示例图形表示。

图14说明了用于确定BL(x)、K_ms(x)和L_e(x)函数的过程402的示例流程图。这些函数通常源自Klippel方法，所述方法在SOA内建立非线性并且基于其它数据产生目标函数(即，SOA非线性曲线)以将Klippel测量值曲线化并且外推到适当的函数中。也就是说，函数符合曲线的已知区域中的数据，以生成SOA之外的未知区域。可以使用自然渐近线适当地约束这些函数。

过程402开始于框404，其中控制器16使用Klippel方法确定扬声器非线性。这些扬声器非线性可以形成SOA非线性曲线。

过程402可以确定BL(x)、K_ms(x)和L_e(x)中的每一者的函数。框408至414可以用于生成BL(x)函数，框416至422可以用于生成K_ms(x)函数，框424至428可以用于生成L_e(x)函数。

关于BL(x)函数，在框408处，控制器16的设计者可以执行马达分析。马达分析可以包括扬声器马达的有限元分析(FEA)。FEA可以基于马达的已知特性。在另一示例中，马达分析可以包括马达内部和外部两者的磁通密度的点测量。

图15说明了示出示例扬声器马达的各种FEA模拟的示例曲线图。

图16说明了特定扬声器马达的FEA模拟中的一者的示例曲线图。此曲线图说明了模拟的典型尾部，其是基于马达的磁通分布和线圈拓扑来提供。在这些示例中，所述模拟模仿指数高斯函数，并且可以是用于产生BL(x)函数的指南。

返回图14，在框412处，可以基于马达分析和SOA非线性曲线向控制器16加载目标BL(x)函数。目标BL(x)函数可以是SOA非线性曲线，其具有由马达分析生成的尾部特征。可以与SOA非线性曲线的末端相切地添加尾部特征。尾部特征可以说明SOA之外的目标BL(x)函数的可能行为。

在框414处，可以通过将指数函数(例如内核高斯函数)曲线拟合到目标BL(x)函数(例如，SOA非线性曲线和通过运动分析产生的尾部特征)来向控制器16加载aBL(x)。

图17说明了到目标BL(x)的示例BL(x)曲线拟合的曲线图。如图所示，指数函数模仿目标BL(x)函数，包括在SOA之外的尾部。

关于K_ms(x)，在框416处，控制器16的设计者可以确定在前后方向上静态地移位扬声器音盆直到音盆不会在不断开的情况下进一步移位所需的静力。此最大强制位移可以指示用于生成K_ms(x)的渐近线。

在框418处，可以基于SOA非线性和静力向控制器16加载目标K_ms(x)函数。可以通过使用由静力产生的渐近线来生成目标K_ms(x)函数以生成指数曲线。可以经由来自框415的马达分析的磁通密度的点测量来获取电感L_e。

图18说明了基于从静力生成的渐近线的目标K_ms(x)函数的示例曲线图。目标K_ms(x)的顶点通常可以与SOA非线性曲线对准。目标K_ms(x)函数的尾部可以基于渐近线形成，如图18所示。如图所示，SOA非线性曲线的尾部朝向零减小，这在真实扩音器的情况下不会发生。为了形成准确的目标K_ms(x)函数，渐近线可以用于将目标K_ms(x)函数建模为非零尾值。

如图18所示，渐近线可以形成顶点并且产生预定角度θ。虽然θ被示为对称的，但可以使用其它非对称的θ。如果悬架将为硬限制，那么θ可以接近零并且渐近线可以是垂直的。无论如何，多项式可以是适当的函数，只要多项式受渐近线约束即可。

返回图14，在框422处，控制器16可以通过将指数函数曲线拟合到目标K_ms(x)函数(例如，SOA非线性曲线和由静力或电感中的一者或两者产生的尾部特征)来生成K_ms(x)函数。

与BL(x)函数和K_ms(x)函数不同，可以使用四参数广义双弯曲函数模型生成L_e(x)函数：

在框424处，可以向控制器16加载静电感值L_e。

在框426处，可以基于SOA外部的静电感L_e向控制器16加载目标L_e(x)函数。

图19说明了基于基于点测量的电感值L_e的渐近线的目标L_e(x)函数的示例曲线图。电感L_e可以在向外方向上设置限制以建立目标L_e(x)函数。如图19所示，目标L_e(x)函数在外边缘处与电感值L_e对准，并且在SOA内与SOA非线性曲线对准。

图20说明了目标L_e(x)函数的示例曲线图。如图所示，目标L_e(x)函数可以模仿双弯曲函数。

返回图14，在框428，可以通过将双弯曲函数曲线拟合到目标L_e(x)函数来生成L_e(x)。

接着，过程402结束。

虽然图14侧重于扩音器的上述三个非线性，但这些不应被视为所述想法的唯一可能应用。本文解释的基本非线性参数估计过程可以并且应该用于任何扩音器非线性。

图21A至C说明了示出SOA非线性曲线和建模曲线(例如，非线性函数BL(x)、K_ms(x)和L_e(x))的示例曲线图。图21A说明了示例BL(x)，图21B说明了示例K_ms(x)，图21C说明了示例L_e(x)。如图所示，建模曲线说明了更现实的功能，并且考虑到SOA之外的实际行为而与实际经验一致。

本文描述的计算装置通常包括计算机可执行指令，其中指令可以由例如上文列出的那些装置的一个或多个计算或硬件装置执行。计算机可执行指令可以从使用各种编程语言和/或技术产生的计算机程序编译或解译，包括但不限于(单独或组合)Java^TM、C、C++、Visual Basic、Java Script、Perl等。通常，处理器(例如，微处理器)例如从存储器、计算机可读介质等接收指令，并且执行这些指令，从而执行一个或多个过程，包括本文所述的一个或多个过程。可以使用各种计算机可读介质来存储和传输此类指令和其它数据。

虽然以上描述了示例性实施方案，但并不意味着这些实施方案描述了本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。另外，可以组合各种实施性实施方案的特征以形成本发明的其它实施方案。

Claims (8)

1.一种扩音器参数预测系统，包括：

扩音器，所述扩音器具有力换能器和隔膜；

非线性偏移模型，所述非线性偏移模型被配置成基于传入音频信号估计所述扩音器的非线性偏移；

偏移限制器，所述偏移限制器被配置成从所述非线性偏移模型接收位移计算，以防止在所有驱动级别的过度偏移，并且进一步被配置成输出要馈送到所述扩音器的音频信号；

热模型，所述热模型被配置成：

基于所述扩音器的至少一个热特性来利用频率相关参数；

在使用所述偏移限制器之后接收来自所述偏移限制器的所述音频信号，仅基于所述传入音频信号并且使用所述频率相关参数来确定所述扩音器的实时温度和音圈的阻抗；以及

增益调整热限制器，所述增益调整热限制器被配置成基于所述扩音器的所述实时温度来对传入音频信号应用增益减小，以保护所述扩音器免受热过载和偏移过载。

2.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括均衡块，所述均衡块被将均衡参数应用于从所述增益调整热限制器接收的所述音频信号。

3.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括参数均衡块，所述参数均衡块被配置成基于从所述热模型接收的温度来应用二阶滤波器功能。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述增益调整热限制器包括具有高频增益限制器的高频信道和具有低频增益限制器的低频信道。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述热模型包括：被配置成向所述高频增益限制器提供高频参数的高频驱动器；以及被配置成向所述低频增益限制器提供低频参数的低频驱动器。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述非线性偏移模型被配置成通过以下操作确定所述位移计算：

产生多项式，所述多项式是对于一系列音盆位移值的曲线拟合，以用于估计以下非线性参数：力因数、刚度和线圈的电感；

基于所产生的多项式来生成目标函数；以及

将函数曲线拟合到所述目标函数以生成所述位移计算。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述位移计算包括至少一个非线性函数。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述增益调整热限制器在音圈的加热期间应用频率相关参数，并且在所述音圈的冷却期间应用频率无关参数。

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