CN111133503B - 声换能器和磁化电流控制器 - Google Patents

Abstract

一种声换能器包括控制器，所述控制器被配置用于接收输入音频信号并生成指示所述输入音频信号的包络的第一参考信号。所述控制器还被配置为基于第一参考信号，向声换能器的固定线圈提供固定线圈信号，并且在向固定线圈提供固定线圈信号之后，测量通过固定线圈的电流。所述控制器还被配置为生成指示通过固定线圈的电流的第一输出，并基于所述第一输出确定磁性材料的气隙中的磁通量。所述控制器还被配置为生成移动线圈的电压输出，所述电压输出与气隙中的磁通量成反比。所述电压输出提供对应于输入音频信号的无畸变输出。

Description

声换能器和磁化电流控制器

技术领域

本文所公开的方面总体上涉及声换能器布置和磁化电流控制器。这个方面和其他方面将在本文中做更详尽的讨论。

背景技术

授予French等人的编号8,139,816的美国专利(“‘816专利”)提供了具有固定线圈和移动线圈的声驱动器。将时变信号施加到固定线圈和移动线圈以控制隔膜的移动，所述隔膜产生可听声音。所述时变信号对应于输入音频信号，从而所述声音对应于所述输入音频信号。所描述的实施方案的一部分包括多个移动线圈、多个固定线圈或两者。一些实施方案包括反馈，以基于声驱动器的特性对所述信号中的一个或多个进行调整。

授予French等人的编号9,241,213的美国专利(“213专利”)提供了具有固定线圈和移动线圈的声换能器，以及用于运行所述声换能器的方法。将时变信号施加到移动线圈和固定线圈以控制隔膜的移动，所述隔膜产生声音。施加于移动线圈的时变信号对应于输入音频信号的至少经处理版本，并且至少基于施加于固定线圈的时变信号的版本而更新。一些实施方案包括响应于磁通量值而对输入音频信号的经处理版本进行更新，所述磁通量值对应于施加于固定线圈的时变信号。一些实施方案包括响应于反馈信号而对施加于移动线圈的时变信号进行更新。

发明内容

在至少一个实施方案中，一种声换能器布置包括用于接收输入音频信号的音频输入端子，以及声换能器。声换能器包括移动隔膜、包括气隙的磁性材料、固定线圈、移动线圈，以及控制器。固定线圈在磁性材料和气隙中感生磁通量。磁线圈耦合到隔膜，并至少部分地设置在气隙中。控制器被配置用于接收输入音频信号并生成指示输入音频信号的包络的第一参考信号。控制器还被配置为基于第一参考信号向固定线圈提供固定线圈信号，并且在向固定线圈提供固定线圈信号之后，测量通过固定线圈的电流。控制器还被配置为生成指示通过固定线圈的电流的第一输出以及基于第一输出确定气隙中的磁通量。控制器还被配置为生成移动线圈的电压输出，所述电压输出与气隙中的磁通量成反比。电压输出提供对应于输入音频信号的无畸变输出。

在至少另一个实施方案中，提供一种方法，所述方法包括接收输入音频信号并且使用控制器生成指示所述输入音频信号的包络的第一参考信号。所述方法还包括：基于第一参考信号向声换能器的固定线圈提供固定线圈信号，以及在向固定线圈提供固定线圈信号之后，测量通过固定线圈的电流。所述方法还包括：生成指示通过固定线圈的电流的第一输出，并基于所述第一输出确定声换能器的磁性材料的气隙中的磁通量。所述方法还包括：生成移动线圈的电压输出，所述电压输出与所述气隙中的磁通量成反比，所述电压输出提供对应于所述输入音频信号的无畸变输出。

在至少一个实施方案中，提供一种声换能器布置。所述声换能器包括控制器，所述控制器被配置用于接收输入音频信号并生成指示所述输入音频信号的包络的第一参考信号。所述控制器还被配置为基于第一参考信号向声换能器的固定线圈提供固定线圈信号，并且在向固定线圈提供固定线圈信号之后，测量通过固定线圈的电流。所述控制器还被配置为生成指示通过固定线圈的电流的第一输出，并基于所述第一输出确定磁性材料的气隙中的磁通量。所述控制器还被配置为生成移动线圈的电压输出，所述电压输出与气隙中的磁通量成反比。电压输出提供对应于输入音频信号的无畸变输出。

附图说明

在所附权利要求中详细地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说明，各个实施方案的其他特征将会变得更加明显并将被最好地理解，在这些附图中：

图1总体上示出了第一声换能器布置；

图2总体上示出了第二声换能器布置；

图3总体上示出了根据一个实施方案的声换能器布置的一种实现方式；

图4总体上示出了根据另一个实施方案的声换能器布置的另一个实现方式；

图5总体上示出了根据另一个实施方案的声换能器布置的另一个实现方式；

图6总体上示出了用于执行图3的声换能器布置的实现方式的至少一部分的方法；以及

图7总体上示出了用于执行图5的声换能器布置的实现方式的至少一部分的方法。

具体实施方式

如所要求的，在此公开了本发明的具体实施方案；然而应当理解，这些公开的实施方案仅是本发明的示例，所述示例可以以各种和替代形式体现。附图不一定是按比例绘制的；一些特征可能被放大或最小化，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理解为是限制性的，而是仅作为代表性基础用来教导本领域技术人员用不同方式实施本发明。

应当认识到，本文公开的控制器可以包括各种微处理器、集成电路、存储器装置(例如，闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、或这些装置的其他适合的变体)以及软件，上述所有彼此协作来执行本文公开的一个或多个操作。此外，所公开的这些控制器使用一个或多个微处理器来执行在非暂态计算机可读介质中体现的计算机程序，所述计算机程序被编程为执行任意数量的所公开的功能。此外，本文提供的一个或多个控制器包括壳体以及定位在所述壳体内的各种数量的微处理器、集成电路、存储器装置(例如，闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))。所公开的一个或多个控制器也包括基于硬件的输入和输出，所述基于硬件的输入和输出用于分别从本文所讨论的其他基于硬件的装置接收数据和向所述其他基于硬件的装置传输数据。

本文所公开的方面一般涉及电磁声换能器布置，除其他方面外，所述电磁声换能器布置控制定位在声换能器的驱动器内的磁线圈的磁化电流。和常规实现方式相比，控制磁线圈的磁化电流可以实现但不限于改进的瞬态响应、畸变和效率。此外，这个方面可以增加适合汽车应用的保护、检测和诊断。

一种常规的声换能器实现方式将通常用于磁化移动线圈换能器中的音圈气隙的永磁体替换为用于磁化所述气隙的线圈绕组和电流(即，经由磁线圈“或移动线圈”)。虽然和永磁体相比，磁线圈具有减小重量和尺寸的潜力，但和永磁体不同的是，磁线圈在磁化气隙时会消耗功率。用于降低功率的典型方法是增加磁线圈的尺寸，从而减小其电阻。然而，这个方面首先消除了使用磁线圈的潜在优势。因此，这类常规声换能器寻求在保持效率的同时降低磁线圈所使用的功率，从而使得能够使用小得多的磁线圈。功率节省通过以下方式实现：与音频输入信号的水平相关地改变磁线圈中的电流的水平，由此仅在音频信号为高时使用磁化电流。

然而，控制移动线圈或音圈(VC)以及固定线圈或磁线圈(或移动线圈)(MC)两者的方法要利用电流源。这种实现方式可能会受到成本和硬件的复杂性影响，并且不适合于典型地使用呈集成电路(IC)形式的电压源放大器来为音圈供电的汽车应用。

另一个常规方法使用向音圈和移动线圈提供电压的电压源，由此使得所述方法适合于汽车应用。然而，这种方法会产生更加复杂的算法、更慢的瞬态响应、增大的延迟、以及有限的精度。此外，上述两种常规方法都没有解决保护用于生成提供给移动线圈的电压或电流的与硬件相关的电子器件的问题。同样地，上述两种常规方法都没有提供汽车应用的故障诊断。此外，移动线圈的电压源阻抗特性可能对于畸变来说并不理想。

换能器使用大而重的陶瓷(或铁氧体)磁体或昂贵但重量轻的钕永磁体来产生恒定的强磁场，在所述磁场下，音圈中的电流产生力以移动锥体，从而产生声音。通过将永磁体替换为电磁体并且通过小心地控制电磁体和固定线圈中的电流，能够在无需钕的费用的情况下实现钕磁体般轻重量的优点。通常地，和永磁体相比，电磁体效率低下，原因在于电磁体要求电流始终流动以产生磁场并且所述电流在电磁体的磁化线圈(或固定线圈)的电阻中会耗散功率。使用本文陈述的声换能器，可以通过仅在音频信号较大时将高电流施加到电磁体上来解决效率问题。然而，这意味着换能器的声灵敏度和频率响应将被改变，这将导致畸变。

此外，如果电磁体的电流较低，则当在音频信号中出现瞬时或突然突发时，将没有足够的时间使电磁体完全磁化。因此，本文陈述的声换能器寻求以如下方式来控制固定线圈和移动线圈中的电流：在使因变化的电磁场强度引入的声畸变最小化的同时，优化效率和瞬态能力。声换能器调整移动线圈的电流幅值以补偿变化的灵敏度，并调整移动线圈电流的电流的频率响应以补偿变化的声频响应。声换能器调整固定线圈的电流幅值，使得固定线圈中的长期平均损失和移动线圈中的长期损失合理地相等和平衡。这确保了最佳效率。本文陈述的声换能器能超越控制这种长期平衡并迫使固定线圈中的电流快速升高，以在有较大的音频瞬态时完全磁化固定线圈。为了控制固定线圈的电流，声换能器采用电流测量装置、控制系统和具有输出滤波器的电压源。这些方面和其他方面将在下文中做更详尽的讨论。

图1总体上示出了第一声换能器布置100。声换能器布置100包括输入端子102、控制块103和声换能器106。输入音频信号(例如，Vi)被提供给控制块103的输入端子102。控制块103生成移动线圈控制信号(例如，I_m)以及固定线圈控制信号(例如，I_S)。声换能器106包括磁性材料112、隔膜114、线圈架(former)116、固定线圈118以及移动线圈120。移动线圈120附接到线圈架116上。

磁性材料112总体上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响应于固定线圈信号而磁化，从而在磁性材料112中产生磁通量。磁性材料112在磁路138中包括圆环形气隙136，并且磁通量流过且靠近气隙136。

磁性材料112可以由能够在磁场存在时被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的此类材料形成。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，使得复合磁性材料形成为在叠层之间没有气隙。

移动线圈120安装在线圈架116上，并接收来自控制块103的移动线圈信号。隔膜114安装到线圈架116上，使得隔膜114与线圈架116和移动线圈120一起移动。线圈架116和移动线圈120响应于移动线圈信号和气隙136中的通量在气隙136内移动。一般而言，声换能器106的随着线圈架116移动的各个部件可以称为移动部件。线圈架116运动时固定不动的部件可以称为固定部件。声换能器106的固定部件总体上包括磁性材料112和固定线圈118。

在各个实施方案中，声换能器106可以经调适使防尘帽132和磁性材料112之间的气室通风。例如，可以在磁性材料112中形成孔，或者在线圈架116中形成孔，使得气室能够通风，由此减小或防止气压影响隔膜114的移动。

控制块103总体上包括滤波器152(例如，2阶滤波器)、转换电路154、除法器电路156、第一电流源158、第二电流源160、平方根电路162以及峰值检测器电路164。总体上，换能器布置100使用第一电流源158和第二电流源160来替换电压源，所述电压源使得换能器布置100能够适用于汽车应用。然而，换能器布置100使用了复杂的算法，这会提供较慢的瞬态响应、增大的延迟以及有限的精度。此外，换能器布置100未解决关于电子电路保护的问题，所述电子电路通常与移动线圈120(或音圈)或汽车应用所要求的故障诊断相关联。此外，磁化线圈(或固定线圈118)的电压源阻抗特性可能对于畸变来说并不理想。

总体上存在对用于向固定线圈118和移动线圈120提供电流的控制方法的需求，所述控制方法需结合电压源和电流源两者的优点并且改进瞬态响应，并且提供改进的延迟、精度以及适合的保护和诊断。返回参考图1中示出的布置100，控制块103通过使用第一电流源158提供移动线圈信号(例如，I_m)(或音圈信号)而提供了简化的频率补偿。由于电流(即，移动线圈信号)并不依赖于移动线圈120的阻抗，因此第一电流源158消除了移动线圈120的电阻的阻尼效应。因此，声换能器106的频率响应不再依赖于移动线圈信号(即，电流)，而是固定的。这个方面使得单个固定的非时变2阶滤波器152能够被用于补偿频率响应。

当固定线圈118和移动线圈120的功率平衡(即，直至声换能器106的马达组件钢开始饱和的点，在所述点处，固定线圈118的电流的进一步增长不具有益处)时，实现声换能器106的最佳效率(包括固定线圈118和移动线圈120两者的功率)。通过换能器布置100，由于电阻中的功率与电流平方成比例，因此所述最佳效率可以经由平方根电路依由峰值检测器电路164检测到的音频信号水平峰值近似计算，以设定固定线圈118的电流。为了直接使用来自平方根电路162的输出104，使用比例电流源(即，第二电流源160)来驱动固定线圈118。

最后，为了补偿与固定线圈信号(或固定线圈118的电流)成正比的输出104的变化灵敏度，转换电路154能够用于通过函数B(i)计算移动线圈120的气隙136中的磁通量。由于声换能器106的灵敏度与移动线圈120的气隙136中的通量成正比，因此由滤波器提供的经频率补偿的音频信号可以被除法器电路156用B(i)做除法，从而实现恒定的总体灵敏度。

然而，如以上所述，这种方法可能有两个缺点。首先，第一电流源158和第二电流源160可能会难以实现，并且第一电流源158可能与汽车应用中使用的电压源IC放大器不兼容。此外，第二电流源160可能需要处理高电压，所述高电压由移动线圈120的以变压器方式耦合到固定线圈118上的电压乘以所述移动线圈120和固定线圈118的匝数比得到。这种实现方式可能会使实现第二电流源160花费巨大。

图2总体上示出了第二声换能器布置200。声换能器布置200总体上包括声换能器106和控制块202。控制块202总体上包括动态均衡块204、除法器电路206、第一电压源208、移动线圈功率估计块210、固定线圈功率估计块212、减法器电路214、第二电压源216、固定线圈建模块218以及转换电路220。总体上，第一电压源208和第二电压源216替换了结合图1大体示出的第一电流源158和第二电流源160。在这种情况下，由于第一电流源158不再使移动线圈120的阻抗无效，因此图1中的控制块103的滤波器152不再固定。通过布置200，动态均衡块204通过由转换电路220提供的函数B(i)提供表示移动线圈120的气隙136中的磁通量的传递函数。

除法器电路206将音频信号除以由转换电路220计算出的变化通量密度。然而，可见，现在第二电压源216替换了第二电流源160，因此目标输出电流205因固定线圈118的阻抗而不再与固定线圈118的实际电流成正比。为了补偿这个方面，固定线圈建模块218(例如，电感模型)假设固定线圈118的电阻是已知的。在实践中，不会因为温度的影响而使电阻改变50％或更多。在固定线圈118的电流变化时，这些误差导致了在稳态和瞬态状况两者中频率补偿和灵敏度补偿的误差。

认识到，在固定线圈118和移动线圈120的功率平衡时可以实现声换能器106的最佳效率。因此，布置200使用平方根近似方法。例如，移动线圈功率估计块210确定移动线圈120的平均功率，并且固定线圈功率估计块212确定固定线圈118的平均功率。减法器电路214将移动线圈120的功率与固定线圈118的功率进行比较。如果移动线圈120的平均功率比固定线圈118的平均功率大，则减法器电路(或差值块)214增大输出205，所述输出用作固定线圈118的目标电流(或固定线圈信号)。这种情况使得到移动线圈120的功率减小，并平衡了固定线圈118和移动线圈120之间的功率。

然而，应当预估在显著更长周期内的平均功率以避免畸变，所述周期可以在0.1秒至1秒之间。这造成在瞬态状况下，当音频信号水平快速增加时，固定线圈信号(或固定线圈118的电流)没有快速跟随。这样的结果是，在瞬态期间声换能器106的灵敏度在一长时间段内保持较低，并且因此需要显著更高的瞬态移动线圈120放大器峰值功率，否则在瞬态期间声换能器106的输出SPL可能受限。此外，由于当输入音频信号的水平具有高动态内容时可能无法维持功率平衡，因此固定线圈信号相对于输入音频信号的水平的较慢的跟随可能损害效率。

图3总体上示出了根据一个实施方案的声换能器布置300的一种实现方式。声换能器布置300包括声换能器106和声换能器控制器(或控制器)302。声换能器控制器302总体上包括至少一个数字处理器301和存储器303。数字处理器301通常执行由控制器302执行的功能。控制器302响应于在输入端子102处接收到输入音频信号，生成移动线圈信号和固定线圈信号并将所述移动线圈信号和固定线圈信号分别传输到移动线圈120和固定线圈118。

布置300总体上被配置用于：在实现快速瞬态响应的同时平衡固定线圈118和移动线圈120之间的功率，在固定线圈118存在变化的电流(即，变化的固定线圈信号)时改进频率和灵敏度补偿的精度，并且改进声换能器106的效率，而无需依赖电流源来生成未引入畸变的固定线圈信号以及移动线圈信号。此外，如将更详细描述的，布置300总体上被配置用于为与固定线圈118结合使用的电子器件提供保护和诊断。

控制器302包括动态均衡块304、除法器电路306、电压源308、复合源块310、转换电路312以及峰值设定块314。复合源块310被提供用于替换结合图1示出的第二电流源160以及替换结合图2示出的第二电压源216。总体上，复合源块310被配置用于控制或剪裁其阻抗，以生成用于传输到固定线圈118的固定线圈信号(Is)。

平均峰值设定块314采用输入音频信号的峰值并使用低通滤波器来去除与简单峰值检测器(与图1的峰值检测器电路164类似)关联的波动。在瞬态期间，通过将低通滤波器的值直接设定为输入音频信号的瞬时最大绝对值，迫使缓慢变化的低通滤波器立即对瞬态作出响应。以这种方式，可以生成具有输入音频信号的最小波动的干净的输入音频信号包络，所述包络能够对音频信号水平的瞬态增加作出响应，并作为参考信号305被提供给复合源块310。

通过这种布置300，由于固定线圈118的来源的输出电压是已知电压(其中功率与电压平方成比例)，因此能够在无需平方根电路162(或平方根功能)的情况下使用输入音频信号的水平。这意味着，由于固定线圈信号(或向固定线圈118提供的电流)经由参考信号305与输入音频信号成比例并且移动线圈120内的功率与固定线圈118的电流的平方成比例，因此移动线圈120内的功率与固定线圈118内的功率成比例。由于上述方法忽略了移动线圈120的频率相依阻抗的影响，因此这种方法可能并不像移动线圈功率估计块210和固定线圈估计块211执行的功率平衡那么精确。然而，对于音乐和噪声信号来说，可以选用平均缩放值以足够好地近似计算移动线圈120的阻抗关于音乐和噪声的效果。

复合源块310通过电流测量电路307测量向固定线圈118提供的电流(或固定线圈信号)。电流测量电路307可以是电阻器、电流互感器、霍尔效应传感器，等等。被测电流(即，测量的固定线圈信号)被作为反馈提供给补偿块320，以向加法器电路322提供误差信号。加法器电路322将参考信号305与误差信号进行比较(或从参考信号305中减去误差信号)并调整电压源324。认识到，电压源324可以与滤波器325一起实现为脉冲宽度调制的(“PWM”)(或其他调制方式)降压(或其他拓扑)调节器。滤波器325总体上包括电感器326以及电容器328，以过滤来自电压源324的电压输出。补偿块320和滤波器325总体上已经输出阻抗，使得复合源块310表现得像电流源、电压源或混合的频率相依源的期望情况。特别地，复合源块310在低频率下表现为电流源并且在高于声换能器106的机械共振的频率(例如，针对6英寸中低音驱动器为50Hz-100Hz)下表现为电压源可能是合意的。这个方面可以在提供对固定线圈的平均电流(或固定线圈信号的平均值)和瞬态水平的精确控制的同时，改善声换能器106的通带中的畸变。为了用复合源块310实现阻抗的行为，补偿块320可以被实现为例如比例-积分-微分(PID)控制器。例如，补偿块320可以在电流反馈路径中包括具有增益“Kp”的比例路径，在所述电流反馈路径中，固定线圈信号的电流由电流测量电路307测量。积分项和微分项(即，Ki和Kd)可以是例如零。使用比例电流反馈K(即，Ki和Kd＝0)对于滤波器325来说是足够的。积分项Ki和微分项Kd是稳定的，原因在于，由于通过电流测量电路307进行的电流测量和比例电流反馈Kp，由电感器326和电容器228产生的2阶系统降低为一阶系统。通过在反馈路径中使用比例电流反馈Kp，这种情况会产生有效的电流源。

在这个布置中，电感器326的电感被通过使用电流反馈产生的电流源有效地消除(在稳定性意义上)。通过为补偿块320在反馈路径中选择适合的增益Kp，可以剪裁电容器328的特性阻抗对输出阻抗具有影响的频率。增益Kp越高，频率将越高。在高频率下，由复合源块310提供的阻抗主要受电容器328的阻抗控制，因此所述复合源块表现得像是电压源。为了实现上述内容，电容器328的电容的大小应当足以使得在高于声换能器106的共振的期望频率下，电容器328的阻抗与声换能器106的阻抗相似或者小于声换能器的阻抗。在低频率下，其中电容器328的阻抗较高，输出电流将主要受通过使用电流反馈形成的有效电流源控制。因此，控制块103在低频率下可以提供电流源的阻抗特性并且在高频率下可以提供电压源的阻抗特性。其中较高的频率一般是声换能器106的机械共振的3至5倍，而低频率一般是低于高频率的任何频率。最后，认识到，通过其他控制方法也可以达到相同的效果，这些方法例如使用电压感测，和添加积分项Ki以及比例项Kp和可能地微分项Kd(为了稳定性)。上述内容可以在s域或z域中表示。

此外，在多于一个固定线圈118需要被馈送电流的系统中，有可能将固定线圈118的负载被彼此并联并且使用一个控制回路和电压源。然而，为了使所述布置在控制器302和固定线圈118之间的输入处具有故障保护，如上所述的在反馈路径中的电流测量电路307处的被测电流可以是固定线圈118在任何时刻的多个电流中较高者。以此方式，固定线圈118的电流被调节到固定线圈118的提供最高电流的负载。

总体上，固定线圈118的用于优化布置300的效率的电流水平大体上由峰值设定块314确定。例如，峰值设定块314接收输入音频信号或来自动态均衡块304的输出。优选地，峰值设定块314接收输入音频信号。这种布置有助于避免固定线圈118的期望电流在声换能器106的共振附近出现较大的变化。在近共振处，只需较少的功率就可以产生同样的声输出水平。出于此原因，布置100和200可以大体上使固定线圈118的电流在共振处降低，以平衡功率。然而，当固定线圈118的电流降低时，阻尼降低，从而需要移动线圈120的甚至更少的功率，这导致固定线圈118中的电流的进一步降低。这个结果可能导致在共振附近灵敏度和频率响应两者的误差，原因在于声换能器106可以被其机械损失几乎完全地阻尼。因此，通过在向动态均衡块304提供输入音频信号之前向峰值设定块314提供输入音频信号，这种情况避开了上述误差。虽然这可能造成在共振附近不能保持固定线圈118和移动线圈120之间的功率平衡，但这个方面可能并不重要，因为在共振附近固定线圈118和移动线圈120的功率水平较低。

转换电路312可以接收固定线圈118的被测电流(即，固定线圈信号)，以确定气隙136中的通量密度。气隙136中的所确定的通量密度用于确定随固定线圈118的电流而变的声换能器106的变化的声频响应以及声灵敏度。如果将固定线圈118的被测电流用于确定气隙136中的磁通量，则除法器电路306可以校正固定线圈118的灵敏度。然而，如果移动线圈120的被测电流被用于直接确定气隙136中的磁通量并且因此确定灵敏度和频率响应，则可能在某些频率和水平下发生畸变。

总体上，固定线圈118替换了通常用于在气隙136中生成磁通量的常规磁体，以使声换能器106输出音频。然而，当需要声换能器106输出高音频峰值(即，鼓声等)时，固定线圈118使用大量电流。因此，控制器302基于输入音频信号的包络来调整Is上的电流。在无必要输出高音频水平时，控制器302降低Is上的电流，并且在有必要输出高音频水平(即，提供电流的动态调整)时，控制器302增加Is上的电流。

控制块103向转换块312提供输出电流Is，所述转换块提供与气隙136中的磁通量相对应的值。动态均衡块304使用通量值来为输入音频信号提供相同的频率响应。控制块103具有电压源或电流源的阻抗特性。当音频输入信号具有较大水平时，控制块103迫使Is的电流快速并平稳地攀升。

固定线圈118和移动线圈120经由磁性材料112以变压器方式耦合。因此，移动线圈120中的电流将会在固定线圈118中产生变压器耦合电流或反射电流。在其中移动线圈120的反射电流与固定线圈118的电流的平均值相比较大的频率或信号水平下，这种畸变将会更加普遍和明显。参考图3，当用电流测量电路307测量固定线圈电流时，测量值可以包括从移动线圈120的电流反射来的电流。然而，控制器302可以使用被测电流来确定声换能器106的声灵敏度。当移动线圈120的电流相位关系正确时，可以将移动线圈120向固定线圈118反射的电流从固定线圈118的平均电流中减去，由此使得转换电路302计算气隙136中的更低的通量密度以及因而导致的更低的灵敏度。这可以在除法器电路306的分母中提供较小的信号，从而导致移动线圈120中的电流增加。这个方面可以反射固定线圈118中的更多电流，所述电流将被进一步从固定线圈118的平均电流中减去，使得转换电路302计算气隙136中更低的磁通密度并最终增加移动线圈120中的电流。因此，确立导致上述畸变的正反馈。

在相反的阶段，移动线圈120的电流能够加到固定线圈118的电流的平均值上，使得转换块302计算气隙136中的更高通量密度。这会提供相同的正反馈，所述正反馈之后导致畸变。结果是在某些频率下，所得的输出信号不对称地畸变，其中偶数阶的畸变分量较大。在一个方面，将移动线圈120的被反射到固定线圈118的电流的影响分离可能是有利的，所述电流用于确定灵敏度补偿和频率补偿。

图4总体上示出了根据另一个实施方案的声换能器布置400的另一个实现方式。声换能器布置400包括声换能器106和声换能器控制器(或控制器)402。声换能器控制器402总体上包括至少一个数字处理器401和存储器403。数字处理器401通常执行由控制器402执行的功能。声换能器控制器402响应于在输入端子102处接收到输入音频信号，生成移动线圈信号和固定线圈信号并将所述移动线圈信号和固定线圈信号分别传输到移动线圈端子120和固定线圈118。

控制器402通常包括动态均衡块304、除法器电路306、电压源308、复合源块310、转换电路312、峰值设定块314以及预处理块404。通过布置400，固定线圈118的被测电流不直接用于确定移动线圈120的气隙136的磁通量。而是，预处理块404对固定线圈118的被测电流进行预处理。例如，预处理块404使用在电流测量电路307处测量的固定线圈118的长期平均电压幅值来确定固定线圈118的平均电阻。将固定线圈118的平均电阻用于固定线圈118的L/R模型来预测固定线圈118的有效平均电流，这之后将会使来自移动线圈120的反射电流不存在。L/R模型类似于固定线圈建模块218的模型，但其中固定线圈的电阻R已被测量并且因此被更精确地包括在内。在这种情况下，移动线圈120的电阻和内部温度可以是精确地已知的，这有助于预测固定线圈118的有效平均电流。认识到，当固定线圈118中的电流较低时，移动线圈120的电阻可能难以计算，并且电感大体上是固定线圈118的实际电感的理想近似值，所述实际电感可以包括电感器的所有不理想的方面，例如剩磁、饱和以及钢中的其他效应。

预处理块404被配置用于使用峰值设定功能对被测电流快速求平均。预处理块404首先取固定线圈118的被测电流的峰值检测值，然后使用所述预处理块中的低通滤波器对峰值检测值求平均。滤波从固定线圈118的被测电流中除去了大部分来自移动线圈120的反射电流。为了响应固定线圈118的瞬态快速攀升电流，可以在快速攀升的固定线圈电流期间迫使通行滤波器的值达到峰值。除了在频率低于低通滤波器截止频率的纯正弦波(其中滤波器不再能够估算平均固定线圈电流)的情况下之外，这可能是消除上述畸变问题的最佳方式。

图5总体上示出了根据另一个实施方案的声换能器布置500的另一个实现方式。声换能器布置500包括声换能器106和声换能器控制器(或控制器)502。声换能器控制器502总体上包括至少一个数字处理器501和存储器503。数字处理器501通常执行由控制器502执行的功能。控制器502响应于在输入端子102处接收到输入音频信号，生成移动线圈信号和固定线圈信号并将所述移动线圈信号和固定线圈信号分别传输到移动线圈端子120和固定线圈118。

控制器502通常包括动态均衡块304、除法器电路306、电压源308、复合源块310、转换电路312、峰值设定块314、预处理块404、延迟块504、信号类型鉴别器块506以及信号缩放块508。反馈路径523和前馈路径524被示出为用于向预处理块404提供输入。例如，预处理块404包括峰值设定块314、切换器512以及快速平均峰值设定块516。信号类型鉴别器块506被提供用于选择切换器512，从而选择反馈路径523或前馈路径524来向转换电路312提供输入，所述输入来自于慢速平均峰值设定块514或快速平均峰值设定块516中的任一个。

信号类型鉴别器块506确定何时输入音频信号低于预处理块404的低通滤波器的截止频率或何时输入音频信号本质上主要是正弦波(例如，单音调或具有单个频率的测试信号)。如果这个条件为真(即，输入音频信号为正弦波)，则慢速平均峰值设定块514可以通过切换器512在前馈路径524中用作去往转换电路312的输入。如上所述，平均峰值设定块314会提供固定线圈118的目标电流。这种模式通过消除反馈路径523(因为所述反馈路径并未使用)而消除了移动线圈120的反射电流的影响。此外，慢速平均峰值设定块514以与平均峰值设定块314相同的方式包括快速峰值设定功能，从而允许快速瞬态以设定块514的输出，以消除与平均化滤波器关联的延迟。

信号缩放块508基于被信号类型鉴别器块506检测到的输入音频信号的性质来对固定线圈118的目标电流的水平进行缩放。通过这种方式，提供固定线圈118的最佳电流用于平衡正弦波的功率并且提供不同的最佳电流用于可更好地维持的噪声或音乐信号，正弦波具有与噪声或音乐相比更低的要平均的峰值。此外，延迟块504提供了额外的时间用于(特别在快速瞬态期间)使固定线圈信号的电流提升至固定线圈118的目标电流。总体上，延迟块504在除法器电路398之前接收来自动态均衡块304的输出，从而保证适合的操作。

延迟块504采用的延迟的大小可以取决于可用于驱动固定线圈118的电流的电压(如由所采用的电力电子器件确定，所述电力电子器件诸如电压源324的电源)、固定线圈118的电感或电阻、布置500的带宽以及因此正重现瞬态的摆率，以及次级因素，诸如放大器净空。在某些情况下，不要求延迟。

图6总体上示出了用于执行图3的声换能器布置300的实现方式的至少一部分的方法600。

在操作602中，声换能器控制器302接收输入音频信号，所述输入音频信号对应于要被声换能器106回放的目标音频信号。

在操作604中，平均峰值设定块314生成对应于输入音频信号的包络的参考信号305。所述包络总体上对应于平滑曲线，所述平滑曲线由输入音频信号的上限和输入音频信号的下限所限定。具体地，输入音频信号的包络总体上对应于输入音频信号的在输入音频信号的上限和下限之间的能量的绝对值。平均峰值设定块314以如下方式获得输入音频信号的包络：先使用峰值检测器，随后使用平均化低通滤波器来除去与简单的峰值检测器关联的波动。峰值检测器的衰变率应当与固定线圈的L/R时间常数相似，以实现最佳效率。低通滤波器的截止频率应当低于声换能器106的通带。在振幅高于此时低通滤波器中的电流水平的瞬态期间，通过将低通滤波器的值直接设定为输入音频信号的瞬时最大绝对值，迫使缓慢变化的低通滤波器立即对瞬态的高更水平作出响应。以这种方式，可以生成具有输入音频信号的最小波动的干净的输入音频信号包络，所述包络仍能够对音频信号水平的瞬态增加作出响应，并被作为参考信号305提供给复合源块310。

在操作606中，复合源块310基于参考信号305将固定线圈信号提供给固定线圈118。

在操作608中，电流测量电路307在将固定线圈信号提供给固定线圈118之后测量通过固定线圈118的电流。

在操作610中，复合源块310生成指示通过固定线圈118的被测电流的输出。

在操作612中，转换电路312基于所述输出存在于气隙136中的磁通量的量。

在操作614中，声换能器控制器302生成移动线圈120的电压输出，所述电压输出与磁通量成反比。例如，除法器电路306使用从转换电路312接收的磁通量的倒数并向电压源308提供输出，使得电压源308提供与来自转换电路312的磁通量值成反比的电压。由于电压输出与磁通量β和电流I的乘积(即，β×I)成比例，由此电流与电压成比例。因此，如果磁通量降低，则成比例地增加电压输出以避免畸变。

图7总体上示出了用于执行图5的声换能器布置500的实现方式的至少一部分的方法700。

在操作702中，声换能器控制器502接收输入音频信号。

在操作704中，信号类型鉴别器块506确定输入音频信号是纯音调(或测试)信号还是包括多个频率的音频信号。例如，信号类型鉴别器块506确定输入音频信号是否包括如上所述的正弦波(或包括单个频率)。如果此条件为真，则方法700移向操作706。如果此条件为假，则信号类型鉴别器块506确定输入音频信号包括多个频率并且输入音频信号对应于期望回放以供用户娱乐消费的音频输入。例如，信号类型鉴别器块506监测输入音频信号的峰值/平均值(或p/a)。纯正弦波具有1/0.63或1.45的p/a，而音乐或噪声具有2至10的p/a。因此，如果信号类型鉴别器块506确定p/a为大约1.5，则信号类型鉴别器块506确定输入音频信号为纯音调(或测试信号)。如果信号类型鉴别器块506确定输入音频信号的p/a在2至10之内，则信号类型鉴别器块506确定输入音频信号为音频信号。

在操作706中，信号类型鉴别器块506控制切换器512，以使前馈路径524中的慢速平均峰值设定块514能够将来自平均峰值设定314的输出提供给去往转换电路312的输入。总体上，慢速平均峰值设定块514在操作上类似于平均峰值设定块314，但与在314中使用的滤波器相比，具有慢速平均化低通滤波器。例如，0.1Hz至1Hz。这个操作提供了输入正弦波的无波动包络。转换电路312将固定线圈118的电流转换为磁通量密度。动态均衡块304和除法器电路306将磁通量密度用作从转换电路312到输入音频信号的输出，以针对通量密度的变化对固定线圈信号进行补偿。

在操作708中，信号类型鉴别器块506激活切换器512，以使电流测量电路307的输出能够向快速平均峰值设定块516、然后向转换电路514提供对应于通过固定线圈118的被测电流的输出。快速平均峰值设定块516与平均峰值设定块314类似地起作用，然而快速平均峰值设定块516的平均化低通滤波器的截止频率与声换能器106的共振相当。这复制了预处理块404对输入音频信号的操作。当通过固定线圈118的电流的包络对应于被测电流的快速变化时，快速平均峰值设定块516提供所述包络。

在操作710中，声换能器控制器502执行与以上结合操作610和612所述类似的操作。

尽管在上文对示例性实施方案进行了说明，但这些实施方案并非意图描述本发明的所有可能的形式。而是，说明书中所使用的词仅为描述词而非限制词，并且应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。此外，各个实施方案的特征可以被组合以形成本发明的其他实施方案。

Claims (14)

1.一种声换能器布置，其包括：

音频输入端子，所述音频输入端子用于接收输入音频信号；

声换能器，所述声换能器包括：

移动隔膜，

磁性材料，所述磁性材料包括气隙，

固定线圈，所述固定线圈用于在所述磁性材料和所述气隙中感生磁通量，以及

移动线圈，所述移动线圈耦合到所述隔膜并至少部分地设置在所述气隙中；以及

控制器，包括数字处理器，所述数字处理器被配置用于：

接收所述输入音频信号，

生成指示所述输入音频信号的包络的第一参考信号，

基于所述第一参考信号，向所述固定线圈提供固定线圈信号；

在向所述固定线圈提供所述固定线圈信号之后，测量通过所述固定线圈的电流；

生成指示通过所述固定线圈的所述电流的第一输出；

基于所述第一输出确定所述气隙中的磁通量；以及

生成所述移动线圈的电压输出，所述电压输出与所述气隙中的所述磁通量成反比，所述电压输出提供与所述输入音频信号对应的无畸变输出；

其中，所述控制器还被配置用于确定所述输入音频信号是否对应于正弦波；并且其中所述控制器包括切换器，所述切换器响应于所述输入音频信号包括所述正弦波来提供所述正弦波的包络的振幅，

其中，当输入音频信号是正弦波信号时，激活所述切换器，以提供正弦波的包络的振幅，当输入音频信号不是正弦波信号时，激活所述切换器，电流测量电路在将固定线圈信号提供给固定线圈之后测量通过固定线圈的电流，生成指示通过固定线圈的被测电流的第一输出。

2.如权利要求1所述的声换能器布置，其中所述正弦波对应于单频率音调。

3.如权利要求2所述的声换能器布置，其中所述切换器将所述第一输出提供给转换电路。

4.如权利要求3所述的声换能器布置，其中所述转换电路基于所述第一输出来确定所述气隙中的所述磁通量。

5.如权利要求4所述的声换能器布置，其中所述控制器还包括电压源，所述电压源生成所述移动线圈的所述电压输出，所述电压输出与所述气隙中的所述磁通量成反比。

6.如权利要求3所述的声换能器布置，其中如果所述输入音频信号是非正弦波信号，则所述输入音频信号对应于多个频率。

7.一种用于控制声换能器的方法，所述声换能器包括：

移动隔膜，

磁性材料，所述磁性材料包括气隙，

固定线圈，所述固定线圈用于在所述磁性材料和所述气隙中感生磁通量，

移动线圈，所述移动线圈耦合到所述隔膜并至少部分地设置在所述气隙中，以及

控制器，包括数字处理器；

所述方法包括：

接收输入音频信号；

使用控制器生成指示所述输入音频信号的包络的第一参考信号：

基于所述第一参考信号，向声换能器的固定线圈提供固定线圈信号；

在向所述固定线圈提供所述固定线圈信号之后，测量通过所述固定线圈的电流；

生成指示通过所述固定线圈的所述电流的第一输出；

基于所述第一输出来确定所述声换能器的磁性材料的气隙中的磁通量；以及

生成移动线圈的电压输出，所述电压输出与所述气隙中的所述磁通量成反比，所述电压输出提供对应于所述输入音频信号的无畸变输出；

其中，所述方法还包括：确定所述输入音频信号是否对应于正弦波；以及

响应于所述输入音频信号包括所述正弦波，经由切换器提供所述正弦波的包络的振幅，

其中，当输入音频信号是正弦波信号时，激活所述切换器，以提供正弦波的包络的振幅，当输入音频信号不是正弦波信号时，激活所述切换器，电流测量电路在将固定线圈信号提供给固定线圈之后测量通过固定线圈的电流，生成指示通过固定线圈的被测电流的第一输出。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述正弦波对应于单频率音调。

9.如权利要求7所述的方法，其还包括使用所述切换器向转换电路提供所述第一输出。

10.如权利要求9所述的方法，其还包括基于所述第一输出，使用所述转换电路确定所述气隙中的所述磁通量。

11.如权利要求10所述的方法，其中生成所述电压输出包括生成所述声换能器的移动线圈的所述电压输出，所述电压输出与所述气隙中的所述磁通量成反比。

12.如权利要求9所述的方法，其中如果所述输入音频信号是非正弦波信号，则所述输入音频信号对应于多个频率。

13.一种声换能器布置，其包括：

控制器，包括数字处理器，所述数字处理器被配置用于：

接收输入音频信号，

生成指示所述输入音频信号的包络的第一参考信号，

基于所述第一参考信号，向声换能器的固定线圈提供固定线圈信号；

在向所述固定线圈提供所述固定线圈信号之后，测量通过所述固定线圈的电流；

生成指示通过所述固定线圈的所述电流的第一输出；

基于所述第一输出来确定磁性材料的气隙中的磁通量；以及

生成移动线圈的电压输出，所述电压输出与所述气隙中的所述磁通量成反比，所述电压输出提供对应于所述输入音频信号的无畸变输出；

其中，所述控制器还被配置用于确定所述输入音频信号是否对应于正弦波；并且

其中，所述控制器包括切换器，所述切换器响应于所述输入音频信号包括所述正弦波来提供所述正弦波的包络的振幅，

其中，当输入音频信号是正弦波信号时，激活所述切换器，以提供正弦波的包络的振幅，当输入音频信号不是正弦波信号时，激活所述切换器，电流测量电路在将固定线圈信号提供给固定线圈之后测量通过固定线圈的电流，生成指示通过固定线圈的被测电流的第一输出。

14.如权利要求13所述的声换能器布置，其中所述正弦波对应于单频率音调。