CN110032751A - 稳健非线性扬声器建模的约束非线性参数估计 - Google Patents
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Abstract
一种用于估计扬声器的非线性偏移的非线性偏移估计系统，可包括：扬声器，所述扬声器具有力传感器；和控制器，所述控制器被编程为通过基于所述扬声器的安全工作区(SOA)非线性曲线之外的渐近线对至少一个约束非线性曲线建模来限制所述扬声器的偏移。
Description
技术领域
本文公开了具有限制和线性补偿的扬声器实时状态变量预测系统。
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)保护扬声器。已经开发了各种模型来表征扬声器的非线性。这些非线性的主要来源是力因子Bl(x)、刚度Kms(x)和电感Le(x)。现有的扬声器限制器可限制峰值或RMS电压，但缺少适当的信息，包括完整的热模型和偏移模型。这些扬声器限制器在限制时可能过于谨慎，从而阻止扬声器以其能够的最大输出执行。
发明内容
一种用于估计扬声器的非线性偏移的非线性偏移估计系统可包括：扬声器，所述扬声器具有力传感器；和控制器，所述控制器被编程为通过基于所述扬声器的安全工作区(SOA)非线性曲线之外的渐近线对至少一个约束非线性曲线建模来限制所述扬声器的偏移。
一种用于估计扬声器的非线性偏移的非线性偏移估计系统可包括具有力传感器的扬声器。该系统还可包括控制器，该控制器被编程为通过基于扬声器的安全工作区(SOA)非线性曲线之外的渐近线对力因子约束非线性曲线建模来限制扬声器的偏移。
一种用于估计扬声器的非线性偏移的方法可包括确定用于实现扬声器纸盆的最大强制位移的静力以及确定扬声器的安全工作区(SOA)非线性曲线。该方法还可包括基于静力生成渐近线，基于SOA非线性曲线和由渐近线建立的约束生成目标刚度函数，并且曲线拟合目标刚度函数以生成刚度函数。
附图说明
本公开的实施方案在所附权利要求中特别指出。然而，通过结合附图参考以下具体实施方式，各种实施方案的其他特征将变得更显而易见，并且将得到最好的理解，在附图中：
图1示出了示例性扬声器系统；
图2示出了用于扬声器状态变量/参数预测的示例性系统；
图3A示出了用于非耦合双向系统中的扬声器状态变量/参数预测的示例性系统；
图3B示出了用于包括总增益限制器的耦合双向系统中的扬声器状态变量/参数预测的示例性系统；
图4示出了示例性热表征系统；
图5示出了温度测量电路；
图6示出了显示实际测量温度对模型温度的示例性图表；
图7示出了显示针对号角或HF驱动器的阻抗与音圈温度的函数的示例性图表；
图8示出了显示当包括偏移时阻抗与音圈温度的函数的示例性图表；
图9示出了显示针对密闭箱低音扬声器的阻抗与音圈温度的函数的示例性图表；
图10示出了温度的示例性频率相关的热时间常数模型；
图11A至图11C示出了针对通过Klippel方法测量的典型扬声器的一部分非线性参数估计的多项式的示例性图形表示；
图12A至图12C示出了扩展到测试范围以外的多项式的示例性图形表示；
图13示出了两个高斯核和实际的Bl(x)函数的示例性图形表示；
图14示出了用于确定Bl(x)函数、Kms(x)函数和Le(x)函数的过程402的示例性流程图；
图15示出了显示示例性扬声器马达的各种FEA仿真的示例图；
图16示出了特定扬声器马达的FEA仿真中的一个的示例图；
图17示出了曲线拟合到目标Bl(x)的示例性Bl(x)的图；
图18示出了基于由静力生成的渐近线的目标Kms(x)的示例图；
图19示出了基于渐近线点测量电感值Kms(x)的目标Le的示例图；
图20示出了目标Le(x)的示例图；以及
图21A至图21C示出了显示SOA非线性曲线和模拟曲线的示例图。
具体实施方式
根据要求，本文中公开了本发明的详细实施方案；但是应理解，所公开的实施方案仅示例性说明本发明，本发明可体现为不同和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。
电磁扬声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卷绕的导体。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，进而驱动振膜产生声音。
但是，扬声器的性能有限。通常，随着向扬声器施加更多功率，音圈将升温并最终失效。这是由于生成热量的导体的电阻。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量而不是声音。因此，随着线圈温度的升高，线圈的DCR将增大。驱动器的功率处理能力受到其耐受热量的能力的限制。此外，扬声器的电阻和阻抗随着音圈温度的升高而增大。这可能导致功率压缩，即由于音圈的温度和DCR升高而导致的预期输出的频率相关损失。随着DCR增大，系统的线性行为和非线性行为也会发生变化。随着更多的低频施加于驱动器，识别到更大的纸盆偏移。在输出发生极端失真之前，扬声器具有有限量的偏移能力。为了补偿这些变化，可能需要进行调整。为了施加适当的调整，可能需要实时或接近实时地准确预测音圈温度和纸盆偏移的非线性行为。这样的预测可以允许纸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纸盆偏移的非线性行为，该系统包括热建模系统和非线性建模系统两者。该模型可以实时准确地预测纸盆偏移和音圈温度的各种状态变量，以便适当地施加限制和功率压缩补偿。
热操作系统可以允许以参数均衡的形式进行线性补偿，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已满足热偏移限制之前不会改变。此时，限制器将致力于将驱动器保持在安全工作区(SOA)中。
非线性建模系统可以准确地模拟扬声器的动态行为，该扬声器具有已针对对应于安全工作区的范围进行曲线拟合的函数，以及安全工作区之外的属性。该模型产生了更多受约束和稳定的函数以在各个级别驱动扬声器。
图1示出了包括音频源12的示例性扬声器系统10，音频源12被配置为将音频信号传输到放大器14和扬声器18。一个或多个控制器，下文中称为“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可包括本文描述的模型。控制器16可以基于扬声器的温度和非线性来修改音频信号。扬声器18可以包括一个或多个驱动器，该一个或多个驱动器包括号角驱动器(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旨在是限制性的。可以包括具有各种频率范围的其他驱动器。扬声器18可包括纸盆和音圈。
扬声器18可包括磁体、背板、顶板、极靴125和音圈。音圈可以包括卷绕在线圈架上的线诸如绝缘铜线130(即，音圈或线圈)。音圈可以以磁隙为中心。音圈可以被配置为从放大器14接收信号。该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，从而产生力。产生的力可导致音圈前后移动，从而使纸盆从其静止位置移位。扬声器纸盆150的运动使空气在纸盆前方移动，产生声波，从而在声学上再现电信号。
扬声器18包括从线圈径向向外延伸的扬声器纸盆(或振膜)，形成圆锥形或圆顶状形状。靠近音圈的纸盆的中心可以由弹波固定就位。弹波和边一起通常仅允许扬声器纸盆的轴向移动。在操作期间，并且当正通过线圈驱动电流时，线圈可以轴向移动，从而导致纸盆150的移动(即，纸盆偏移)。纸盆偏移或位移x通常是纸盆从静止位置移动的距离。与静止位置的距离随着提供给线圈的电信号的量值变化而变化。例如，线圈在接收到具有大电压的电子信号时可使线圈移出或进一步移入磁隙。当线圈移入和移出磁隙时，纸盆可从纸盆的静止位置移位。因此，大电压可产生大的纸盆偏移，这又导致换能器中固有的非线性成为主导。
随着纸盆的偏移或位移x增加，边和弹波175可能变得越来越硬。由于刚度Kms增加，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纸盆的偏移。此外，当纸盆移动到外壳中时，箱内的空气可被压缩并且可用作弹簧，从而增加总刚度Kms(x)。因此，扬声器105的位移相关的总刚度Kms(x)可包括弹波、边和空气的刚度。
另外地或可选地，线圈的电感Le还可受到电子信号的影响。例如，如果电子信号的正电压如此大以至于线圈移出磁隙，则线圈的电感Le可降低。另一方面，如果电子信号的负电压如此大以至于线圈移动到磁隙中，则线圈的电感Le可增加。音圈的电感Le的变化表示电感Le(x)的位移相关的非线性行为。
图2示出了用于扬声器参数预测的示例性系统100。系统100可被配置为接收音频信号，预测各种热模型特征并将某些均衡参数应用于音频信号，并将音频信号提供给驱动器。系统100可包括增益热限制器105。增益热限制器105可以是被配置为应用来自热模型120的增益调整的限制器。热模型120可确定频率相关的热参数以及与频率无关的热参数，并应用这些参数以提高声音质量并保护扬声器免受热过载。下面参考图4至图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。均衡参数可包括要应用于音频信号的特定频率的各种幅值。参数均衡块115可以应用二阶滤波函数并调整音频信号的均衡化。参数均衡块115可以从热模型120接收温度T。
系统100可包括预测延迟125，其被配置为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限定，其在下面参考图11至图21更详细地讨论。
驱动器140可以从偏移限制器130接收音频信号并将电信号转换为声波。驱动器140可以是换能器，诸如中音驱动器、高音扬声器或低音扬声器。驱动器140可以具有特定的耐热性，在该耐热性下，声波的质量在热过载期间在该公差下显著降低或失效。
图3A示出了用于非耦合双向系统中的扬声器参数预测的示例性系统200。在该示例中，包括多个通道或频带，具体地为高频通道250和低频通道255。在该示例中，偏移限制器130应用于低频通道255。
系统200可包括高频通道250处的高频热限制器105a和热模型高频120a，以及低频通道255处的低频热限制器105b和热模型低频120b。限制器105a、105b中的每一个可以接收音频信号V(t)以及来自相应热模型120a、120b的增益调整。如上面关于图2所解释的，热模型驱动器120a、120b可以确定频率相关的热参数以及与频率无关的热参数，并且应用这些参数以提高声音质量并保护扬声器免受热过载。热模型驱动器120a、120b在下面参考图4至图10更详细地描述。
高通均衡块110a和低通均衡块110b可以从相应的热限制器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音频信号。均衡参数可包括要应用于音频信号的特定频率的各种幅值。参数均衡块115a、115b可以应用二阶滤波函数并调整音频信号的Q。参数均衡块115a、115b可以从相应的热模型120接收温度T。
系统200可包括预测延迟225，其被配置为适应关于音频信号的某些延迟。预测延迟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，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限定，其在下面参考图11至图21更详细地讨论。在图3A的示例中，偏移限制器130和非线性偏移模型135可处于低频通道255。在该示例中，参数均衡块115a、115b处的参数均衡和增益热限制器105a、105b处的限制同时或接近同时执行以避免音频信号VHF(t)、VLF(t)VHF(t)的振荡。此外，增益热限制器105a、105b可以以具有长采样率的帧速率工作，例如0.10秒。另一方面，偏移限制器130可具有随样本而变化的速率。因此，增益热限制器105a、105b和偏移限制器130可具有非常不同的采样率以避免振荡。
高频通道250处的高频驱动器140a可接收高频音频信号VHF(t)。低频通道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VLF(t)，并将电信号转换为声波。驱动器140a、140b可以是换能器，诸如中音驱动器、高音扬声器或低音扬声器。
图3B示出了用于耦合双向系统中的扬声器实时状态变量预测的示例性系统300，其中包括总增益限制器305。总增益限制器305可以与增益热限制器105、105a、105b类似地起作用，但是可基于首先达到其热限制的任何驱动器。通过实施总限制器，系统300可以实现平坦系统响应。也就是说，通过保护最弱的驱动器140，系统300可以保持平坦响应。驱动器块360可以被配置为接收来自热模型120a、120b中的每一个的温度，并确定与热模型120相关联的驱动器140中的哪一个接近或可能达到其热限制(例如，耐热性)。然后，驱动器块360可将热参数提供给与该热模型120相关联的增益限制器305。
类似于图3A的系统200，偏移限制器130和非线性偏移模型135可以处于低频通道255。在该示例中，参数均衡块115a、115b处的参数均衡和增益热限制器105a、105b处的限制同时或接近同时执行以避免音频信号VHF(t)、VLF(t)的振荡。如上所述，另一方面，偏移限制器130可具有随样本而变化的速率。因此，增益热限制器105a、105b和偏移限制器130可具有非常不同的采样率以避免振荡。
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)，同时热模型120可以向参数均衡块提供音圈温度并向增益热限制器105提供增益调整。位移信号x(t)可包括基于扬声器的非线性生成的函数。频率相关的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可以被配置为从音频信号V(t)估计输入功率，以及估计频率相关的热参数的使用。当扬声器长时间以高音量播放时，扬声器可能会显著升温。随着音圈温度的升高，扬声器的电阻和阻抗也会增大。这可能导致功率压缩，包括输出损失高达6分贝。此外，由音圈过热导致的热过载可能损坏或使扬声器不能工作。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级别，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扬声器的声音质量，以及保护扬声器免受热过载，从而延长其寿命。
温度预测的改善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的热参数。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可以在频率相关的加热模式和与频率无关的冷却模式之间切换。
图4示出了示例性热表征系统400。热表征系统400可用于对热模型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小时的时间段内生成测试信号以捕获磁体时间常数。
热表征系统400可包括数据采集块410，其中测量系统120接收各种形式的数据。这些数据可包括交流电压、直流电压、交流电流和直流电流。从图5所示的测量电路获取这四个数据输出。从这四个输出中可以计算出被测扬声器的所有必要的热特性，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示出了温度电路500，其可包括交流电源和直流电源。温度电路500还可以包括第一电感器L1和第二电感器L2，其防止交流电流回流到直流电源。电容器C1和C2可以防止直流电流回流到交流电源。可以根据基于直流电压和直流电流的测量值计算的直流电阻来确定实际温度。(交流电流和电压稍后将用于计算随温度和真实功率变化的阻抗。
温度电路500可以测量四个通道的数据以及通过传声器或激光位移测量的近场。因此，可以获取五个通道。通道1可以包括交流电流，其被高通滤波以使高于10Hz的频率通过。通道2可以是直流电流，其为用于温度计算的主因子。可以对该电流进行低通滤波以使低于10Hz的频率通过。通道3可以是直流电压，其被低通滤波以使低于10Hz的频率通过。例如，该电压通常是恒定的，诸如1V低音扬声器。通道4可以是传声器压力信号。通道5可以是交流电压，其以10Hz高通滤波。进一步：
DCR＝直流电压/直流电流＝V_DC/C_DC，其中测试电路的DCR。
R_driver＝V_AC(直流或低通分量)/C_DC，其中V_AC是在测试开始时施加激励之前的交流电压通道。
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是通道3-直流电压的平均值，在文件开头测量(装置是冷的)，C_DC是文件开头的通道2的平均值。
温度电路500测量直流耦合电流信号，并且使用线的已知电阻和驱动器的测量的直流阻抗值来计算模型温度。
图6示出了显示实际测量温度(例如,ActualTemp)对模型温度的示例性图表。在该示例中，对于低频率的音调脉冲序列(例如，测试信号)，随时间绘制音圈的温度。在该示例中，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可以将音圈的阻抗确定为频率和温度和/或电压电平的函数。这可以针对HF驱动器和低音扬声器二者确定。温度电路500可以将阻抗曲线确定为温度的函数。该阻抗曲线允许从V2/Z准确估计热功率(Q)，其中Z是根据预测的温升计算出的阻抗。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创建阻抗曲线。
为了确定阻抗为温度的函数，将上面的实际温度方程从C_DC转换为温度：
ActualTemp(n)＝[(V_DC/C_DC(n)-(DCR-R_driver)-R_driver)*((1/TCR)/R_driver)]
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。另外地或可选地，可以使用粉红噪声部分而不是扫描。宽带源应位于测试信号中以生成阻抗曲线。阻抗曲线可以显示阻抗如何随着温度以及扬声器的冷阻抗而变化。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。
验证阻抗曲线的FFT的最低频率仓与DCR值匹配可以通过取通道3的平均值而不是通道2的平均值来完成：
图7示出了显示针对HF驱动器的阻抗与音圈温度的函数的示例性图表。值得注意的是，随着音圈温度的升高，阻抗相对恒定地增大。因此，HF驱动器的阻抗曲线在温度上是相对可预测的。作为温度的函数的阻抗曲线可以准确地建模为冷阻抗加上基于温度的与频率无关的偏移。通过参考图7中所示的阻抗与温度数据的函数来找到所需的偏移。
图8示出了显示当包括偏移时电感Le与音圈温度的函数的示例性图表。通过使用具有简单直流偏移的冷阻抗，阻抗与真实估计密切对应。
图9示出了显示针对低音扬声器的阻抗与音圈温度的函数的示例性图表。该示例中的阻抗是简单的，因此可以使用上频率区域以及图的谐振区域来建模。
温度预测模型425可以确定扬声器的频率相关的热参数。这可以通过迭代地处理测试信号以找到用于频率相关的热建模的最佳参数来实现。在通电时，加热与频率相关。在没有通电时，冷却基本上与频率无关。因此，温度预测模型425可以生成对于音圈和磁体频率相关的一组第一参数。一旦扬声器升温并关闭，则扬声器可开始冷却。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，并且在未通电期间使用第二参数，可以增加热模型准确度。
这些参数可以由优化分析块430开发。优化分析块430可以为HF驱动器和低音扬声器两者提供音圈温度的实时或接近实时的建模。
图10示出了温度的示例性频率相关的热时间常数模型1000。模型1000可以包括FFT 1005，其被配置为将音频信号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可以包括被配置为将音频信号V(t)划分为频带的其他滤波器。
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个RC电路1010n。对于每个RC电路1010，可以包括电阻器和电容器，每个针对于音圈(g)和磁体(m)中的每一者。这些分量中的每一个的值可以产生频带温度分量。这些值的总和可用于产生总温度。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是该频带中的输入电压，并且Z是通过模型中估计的最新温度调节的阻抗曲线值。由于阻抗可以根据频率而变化，因此可以基于变化的阻抗来估计功率。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。
在扬声器的操作期间，载流音圈可以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以使纸盆前方的空气移动从而产生声波。扬声器的高电压电平将表现出非线性行为。因此，扬声器纸盆从纸盆的静止位置的大位移可能基本上改变扬声器的机电特性，从而产生非线性音频失真。非线性音频失真可导致音频质量的恶化。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。可以使用对扬声器纸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以及提供以最大音量播放声音的安全方式。
当前的扬声器建模，特别是非线性建模，可以使用Klippel方法。该方法可以创建多项式，其针对一系列纸盆位移值，例如，安全工作区(SOA)进行曲线拟合。该方法用不同的信号并通过对“大信号”非线性参数的位移和电流反馈估计来激励扬声器。在这种方法中，可准确地测量BL(力因子)、Kms(刚度)和Le(线圈的电感)对位移的非线性分量的形状。然而，在高于测试值的位移处，这些函数中落在SOA之外的“尾部”尚不清楚。这些区域未经测试的原因是因为其经常会使扬声器断裂或过热。Klippel方法将4阶至8阶多项式曲线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，但是它会超出这些界限而失去准确性，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属性并导致错误的建模。这样的错误可能会导致当过度驱动时可能会“爆炸”的不稳定的模型。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，其被配置为限定和约束各种函数，以便在所有驱动级别(甚至是在扬声器的SOA之外的那些驱动级别)上稳定该模型。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至图3，非线性偏移模型135可包括被配置为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。在其他示例中，非线性偏移模型135可包括或使用专用于产生位移信号x(t)的专用处理器。
可以基于以下微分方程来计算扬声器的动态非线性行为。
扬声器的“电压”集总元件方程可以定义为：
‘力’集总元件方程可以定义为：
可以从这两个标准集总元件方程中导出用于电流和位移的近似离散时间方程以用于实施：
在这里，是x的非线性函数，通常建模为多项式函数。
标准多项式方程可表示为：
f(x)＝p1x+p2x2+…+pNxN
BL(x)或力因子函数、Kms(x)或刚度函数，以及Le(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。从上面可以看出，为了预测纸盆位移，该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方法将4阶至8阶多项式曲线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(诸如已知为安全工作区(SOA))内的失真，但这些曲线拟合在这些边界之外会失去准确性，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至图11C是如通过Klippel方法测量的针对典型扬声器的一部分非线性参数估计的多项式的示例性图形表示。具体地，图11A示出了BL(x)因子的示例性图形表示。图11B示出了Kms(x)因子的示例性图形表示。图11C示出了Le(x)因子的示例性图形表示。
所述图显示了基于SOA中最大测试位移曲线拟合的多项式的部分。如果图11A中所示的BL曲线延伸超出有用范围和SOA，则曲线将变为负值。负BL不是物理可能性，并且通过多项式揭示了BL的传统建模中的缺陷。
图12A至图12C示出了扩展超出测试范围的多项式的示例性图形表示。具体地，图12A示出了如基于Klippel方法建模的BL(x)函数的示例性图形表示。如图所示，力因子BL在测试范围之外快速变为负值。真实扬声器的真正的力因子BL不会以这种方式行事。图12B示出了示例性Kms(x)函数。显示刚度Kms在高幅值处降低，但是实际上刚度Kms永远不会为负。图12C示出了示例性Le(x)函数。显示电感Le在两端显著跳跃，但对于真实扬声器来说情况并非如此。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，系统将不稳定并在函数通过零时“爆炸”。任何大的或快速变化的电感值也可导致模型不稳定。
这些函数应该单调渐近，而不是上面提到的行为。该BL(x)函数应渐近零并永不变为负值。该Kms(x)函数应该渐近无穷大，或者当悬架撕裂时至少固定值应该渐近。该Le(x)函数应该渐近于等于向外方向上的自由空气中的线圈的电感和具有向内方向上的间隙底部的线圈的电感的固定值。
针对BL(x)函数，一般指数或高斯混合模型方程可能适合M具有高斯拟合参数集的内核，以三个为一组。针对比例，可以使用σ和平均值。这样的方程可以表示为：
其中
p1，i＝比例
p2，i＝σ(宽度)
p3，i＝平均值(偏移量)
使用6个参数的示例性高斯混合模型[p1，1，p2，1，p3，1，p1，2，p2，2，p3，2]和两个高斯函数：
f(x)＝kernal1+kernal2
图13示出了实际的BL(x)函数和两个高斯核的示例性图形表示。
图14示出了用于确定BL(x)函数、Kms(x)函数和Le(x)函数的过程402的示例性流程图。这些函数通常由Klippel方法导出，该方法在SOA中建立非线性并基于其他数据创建目标函数(即SOA非线性曲线)以将Klippel测量曲线化且外插为适当的函数。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)、Kms(x)和Le(x)中的每一者的函数。框408-414可以涉及生成BL(x)函数，框416-422可以涉及生成Kms(x)函数并且框424-428可以涉及生成Le(x)函数。
相对于该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。在另一个示例中，马达分析可以包括马达内部和外部的磁通密度的点测量。
图15示出了显示出示例性扬声器马达的各种FEA仿真的示例图。
图16示出了特定扬声器马达的FEA仿真中的一个的示例图。该图示出了仿真的典型尾部，其基于线圈拓扑和马达的磁通分布来提供。在这些示例中，仿真模仿指数高斯函数，并且可以引导创建BL(x)函数。
返回图14，在框412处，控制器16可以基于马达分析和SOA非线性曲线加载目标BL(x)函数。目标BL(x)函数可以是具有由马达分析生成的尾部特征的SOA非线性曲线。可以添加尾部特征与SOA非线性曲线的末端相切。尾部特征可以示出SOA之外的目标BL(x)函数的可能行为。
在框414处，控制器16可以通过曲线拟合指数函数诸如内核高斯函数到目标BL(x)函数(例如，SOA非线性曲线和马达分析产生的尾部特征)来加载BL(x)。
图17示出了曲线拟合到目标BL(x)的示例性BL(x)的图。如图所示，指数函数模仿目标BL(x)函数，包括SOA之外的尾部。
关于Kms(x)，在方框416处，控制器16的设计者可以确定在正向和反向上使扬声器纸盆静态地移位所需的静力，直到纸盆不会在不断裂的情况下进一步移位。该最大强制位移可以指示用于生成Kms(x)的渐近线。
在框418处，控制器16可基于SOA非线性和静力加载目标Kms(x)函数。可以通过使用由静力创建的渐近线来生成目标Kms(x)函数，从而生成指数函数。电感Le可以通过来自框415的马达分析的磁通密度的点测量来获取。
图18示出了基于由静力生成的渐近线的目标Kms(x)函数的示例图。目标Kms(x)的顶点通常可以与SOA非线性曲线对准。目标Kms(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，这在真实扬声器的情况下不会发生。为形成准确的目标Kms(x)函数，渐近线可用于将目标Kms(x)函数建模为非零尾部值。
如图18所示，渐近线可以形成顶点并创建预定义角度θ。虽然θ如图所示是对称的，但可以使用其他非对称的θ。如果悬架将硬限制，那么θ可接近零，并且渐近线可为竖直的。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Kms(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Kms(x)函数。
与BL(x)函数和Kms(x)函数不同，该Le(x)函数可以使用四参数广义S型函数(sigmoid function)模型生成：
在框424处，控制器16可以加载静态电感值Le。
在框426处，控制器16可以基于SOA之外的静态电感Le(x)加载目标Le函数。
图19示出了根据基于点测量电感值Le(x)的渐近线的目标Le函数的示例图。该电感Le可以设定向外方向上的限制以建立目标Le(x)函数。如图19所示，目标Le(x)函数在外边缘处与电感值Le对准并在SOA中与SOA非线性曲线对准。
图20示出了目标Le(x)函数的示例图。如图所示，目标Le(x)函数可模仿S型函数。
返回图14，在框428处，Le(x)可以通过将S型函数曲线拟合到目标Le(x)函数来生成。
然后，过程402结束。
虽然图14侧重于扬声器的上述三个非线性特征，但这些不应被视为该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扬声器非线性特征。
图21A至图21C示出了显示SOA非线性曲线和模拟曲线(例如,非线性函数BL(x)、Kms(x)和Le(x))的示例图。图21A示出了示例性BL(x)，图21B示出了示例性Kms(x)，并且图21C示出了示例性Le(x)。如图所示，模拟曲线示出了更实际的函数，并且考虑到SOA之外的实际行为而与实际经验保持一致。
本文所述的计算装置通常包括计算机可执行指令，其中所述指令可由一个或多个计算装置或硬件装置(诸如上文所列出的那些)来执行。计算机可执行指令可由使用各种编程语言和/或技术创建的计算机程序来编译或解释，所述编程语言和/或技术单独地或组合地包括但不限于JavaTM、C、C++、Visual Basic、Java Script、Perl等。一般来说，处理器(例如，微处理器)接收例如来自存储器、计算机可读介质等的指令，并执行这些指令，从而执行一个或多个过程，包括本文所述的过程中的一个或多个。可使用多种计算机可读介质来存储和传输此类指令和其他数据。
虽然上文描述了示例性实施方案，但并不意图为这些实施方案描述本发明的所有可能形式。而是，本说明书中所使用的词语为描述性而非限制性词语，并且应理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。此外，可将各种实现实施方案的特征组合，以形成本发明的另外的实施方案。
Claims (19)
1.一种用于估计扬声器的非线性偏移的非线性偏移估计系统，包括：
扬声器，所述扬声器具有力传感器；和
控制器，所述控制器被编程为通过基于所述扬声器的安全工作区(SOA)非线性曲线之外的渐近线对至少一个约束非线性曲线建模来限制所述扬声器的偏移。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器被编程有对马达的马达分析，所述马达分析限定曲线函数的尾部特征，所述尾部特征被布置在所述SOA非线性曲线之外。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述控制器被进一步编程为基于所述马达分析和所述SOA非线性曲线来确定目标力因子函数。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述控制器被编程为将所述尾部特征布置在所述SOA非线性曲线的末端。
5.如权利要求2所述的系统，其中所述马达分析包括所述马达的有限元分析(FEA)。
6.如权利要求2所述的系统，其中所述马达分析包括所述马达的磁通密度的点测量。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器被进一步编程有多个静态电感，基于所述静态电感和所述安全工作区(SOA)非线性曲线生成目标电感函数，以及将S型函数曲线拟合到所述目标电感函数以生成电感函数。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器被进一步编程有目标刚度函数，所述目标刚度函数基于所述SOA非线性曲线和由布置在所述SOA非线性曲线的尾部的渐近线建立的约束。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述控制器被进一步编程有用于实现扬声器纸盆的最大强制位移的预定静力，以及基于所述静力生成所述渐近线。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述渐近线包括顶点，所述顶点被配置为与所述SOA非线性曲线对准。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述顶点限定预定义角度。
12.如权利要求9所述的系统，其中所述渐近线将所述目标刚度函数约束为非零尾部值。
13.一种用于估计扬声器的非线性偏移的非线性偏移估计系统，包括：
扬声器，所述扬声器具有力传感器；
控制器，所述控制器被编程为通过基于所述扬声器的安全工作区(SOA)非线性曲线之外的渐近线对力因子约束非线性曲线建模来限制所述扬声器的偏移。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述控制器被编程有对马达的马达分析，所述马达分析限定曲线函数的尾部特征，所述尾部特征被布置在所述SOA非线性曲线之外，以及基于所述马达分析和所述SOA非线性曲线的目标力因子函数。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述控制器被编程为将所述尾部特征布置在所述SOA非线性曲线的末端。
16.一种用于估计扬声器的非线性偏移的方法，包括：
确定用于实现扬声器纸盆的最大强制位移的静力；
确定所述扬声器的安全工作区(SOA)非线性曲线；
基于所述静力生成渐近线；
基于所述SOA非线性曲线和由所述渐近线建立的约束生成目标刚度函数；以及
曲线拟合所述目标刚度函数以生成刚度函数。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述渐近线包括顶点，所述顶点被配置为与所述SOA非线性曲线对准。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述顶点限定预定义角度。
19.如权利要求16所述的方法，其中所述渐近线将所述目标刚度函数约束为非零尾部值。
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