CN201114735Y - 频率自适应电子喇叭 - Google Patents

Abstract

一种涉及车辆用电子喇叭发声装置，尤指一种仿机械式的频率自适应电子喇叭。本实用新型主要由传感器、运算放大器、滤波器、跟随器及功率MOS管等部件组成，由集成运算放大器IC、传感器及功率MOS管组成上电起振信号产生、检测、跟踪喇叭膜片上下特征位置的电子喇叭核心控制模块，传感器靠近喇叭膜片，喇叭膜片的振动所产生的信号传送到传感器的输入端。主要解决如何使送话器的输出信号与喇叭膜片的上下两个极限运动位置具有对应关系等有关技术问题。本实用新型的优点是：该装置采用滤波整形和相位补偿电路，有较强的抗干扰能力，可以实时反映膜片振动的运动状态；设计简化，结构简单可靠；具有跟随性能好，使用寿命长等优点。

Description

频率自适应电子喇叭

技术领域

本实用新型涉及一种车辆用电子喇叭发声装置，尤指一种仿机械式的频率自适应电子喇叭。

背景技术

当前车辆用喇叭主要分为电子喇叭与机械喇叭。现有的电子喇叭通常的做法是利用振荡电路产生固定频率的信号驱动功率MOS管，取代了传统的机械触点。虽然这种电子喇叭有较长的工作寿命，但是，不能跟踪机械谐振频率。喇叭的工作频率在出厂之前通过人工调校达到其机械谐振频率附近，使得它能够产生较好的声音和较高的声级。然而喇叭谐振频率会随着环境条件的改变而改变，而电子喇叭内的电路模块未能做出调整，使得喇叭的声效达不到要求。

目前在汽车行业仍然大量使用机械喇叭。机械喇叭中的机械触点随着喇叭膜片的振动而改变它的通断状态。喇叭膜片的机械特性会因环境变化而改变，从而使得喇叭的机械触点通断状态产生变化。因此，机械喇叭具有一定的适应性，当环境发生改变时，振动膜片将自动调整振动频率，使得喇叭的声音仍能维持在较高声级。一般机械喇叭的通电率为70％，能产生悦耳的喇叭声音。但是机械喇叭存在着寿命短的缺点，由于机械触点导通时候的电流较大，导致其耐久性较差；长期工作会改变触点间隙，造成声级降低和音调改变。据统计通常机械喇叭的寿命只有几万次。

发明内容

为了克服上述不足之处，本实用新型的主要目的旨在提供一种无触点式频率自适应电子喇叭，通过集成运算放大器IC及功率MOS管等组成的上电起振信号产生、检测、跟踪喇叭膜片上下特征位置的电子喇叭核心控制模块，该装置既能克服现有机械喇叭寿命短和保持机械喇叭原有适应性与跟随性较好等特点，又能参照机械喇叭的工作特性，提供的一种频率自适应电子喇叭。

本实用新型要解决的技术问题是：主要解决如何使送话器作为喇叭膜片运动位置的传感器元件，送话器的输出信号经过后续电路的处理后，使其与喇叭膜片的运动位置的上下两个极限运动位置，简称“上止点”和“下止点”具有对应关系问题；要解决筒形喇叭和电子控制模块，包括检测电路、滤波整形电路、仿真电路、无触点驱动电路等有关技术问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置主要由传感器、运算放大器、滤波器、跟随器及功率MOS管等部件组成，由集成运算放大器IC、传感器、电阻、电容、三极管及功率MOS管组成上电起振信号产生、检测、跟踪喇叭膜片上下特征位置的电子喇叭核心控制模块，传感器靠近喇叭膜片，喇叭膜片的振动所产生的信号传送到传感器的输入端，传感器的一端与电源相连接，另一端与电阻R1、R2的一端相连接，传感器模块的输出信号传送到滤波整形电路模块，滤波整形电路模块的输出信号传送到跟随电路模块，跟随电路模块的输出信号传送到驱动电路的功率MOS管，其中：

一检测电路由传感器与电阻R1串接而成，电阻R1的一端与传感器相连接，另一端接地；

一滤波整形电路模块由电阻R2、电容C2以及集成运算放大器IC组成，电阻R2与电容C2组成一阶低通无源滤波器，滤波后的输出信号传送到集成运算放大器IC的引脚3，集成运算放大器IC芯片上的引脚1、2端分别与电阻R11、R3、R4相连接，为信号整形电路，该引脚1与电阻R11的一端相连接，该引脚2与电阻R3和R4的串接点相连接，电阻R4的另一端接地，电阻R3的另一端与电源相连接；

一跟随电路模块由集成运算放大器IC芯片上的引脚4、5、6端分别与电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11以及电容C3、C4组成，其中电阻R5、R6、R7、R8、R9组成参考电平电路，该引脚5端与电阻R7的一端相连接，该引脚6端同时与电阻R10和电容C3的一端相连接，电容C3的另一端同时与电容C4和电阻R11的一端相连接，该引脚4端分别与电容C1、C4及功率MOS管Q1的一端相连接后接地；

一无触点驱动电路由功率MOS管Q1与电容C1组成，功率MOS管Q1与电容C1相互串接后的一端与喇叭线圈相连接，电容C1另一端接地。

所述的频率自适应电子喇叭的传感器为驻极体式话筒，传感器的一端与电源相连接，另一端与电阻R1和R2的串接点相连接，传感器的输出信号与喇叭膜片振动位置有对应关系，喇叭工作时，膜片上下振动使传感器产生输出信号，该信号通过电阻R1串联分压后输出到后级的滤波整形电路模块。

所述的频率自适应电子喇叭的滤波整形电路模块与之后的跟随电路模块中的电阻R11与电容C4组成移相电路，电阻R11与电容C4相互串接后的一端与集成运算放大器IC芯片上的引脚1相连接，另一端通过电容C4的另一端接地。

所述的频率自适应电子喇叭的上电起振信号产生电路由电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10以及电容C3、C4和集成运算放大器IC组成，电阻R5和R6相互串接后的一端接地，另一端与集成运算放大器IC芯片上的引脚8相连接；电阻R7的一端与电阻R5和R6的串接点相连接，另一端同时与集成运算放大器IC芯片上的引脚5及电阻R9的一端相连接，并通过电阻R9和R8后与集成运算放大器IC芯片上的引脚8相连接，电阻R9和R8串接后与集成运算放大器IC芯片上的引脚7相连接，电阻R10的一端与集成运算放大器IC芯片上的引脚6相连接，另一端与集成运算放大器IC芯片上的引脚7相连接，电容C3的一端与集成运算放大器IC芯片上的引脚6相连接，另一端同时连接电容C4和电阻R11的串接点。

本实用新型的设计方案，采用送话器作为喇叭膜片运动位置的传感器元件，送话器的输出信号经过后续电路的处理后，使其与喇叭膜片的运动位置，特别是我们关注的上下两个极限运动位置，简称“上止点”和“下止点”具有对应关系。其工作过程是：当送话器检测到喇叭膜片运动到“下止点”位置时，喇叭模块切断线圈的供电，此时线圈对膜片的吸力消失，膜片在其自身弹力的作用下向上运动；经过一段时间的延迟膜片到达“上止点”后，喇叭模块接通线圈的供电，此时线圈产生电磁吸力使膜片克服其弹力作用向下运动；当送话器再次检测到喇叭膜片运动到“下止点”位置时，喇叭模块又切断线圈的供电，膜片又开始向上作恢复运动……..，上述过程周而复始，使喇叭膜片产生一定频率的上下振动，产生出所需的声响。

喇叭电子模块以集成运算放大器作为主控制元件，与送话器、电阻和电容、三极管等组成能够跟踪、检测喇叭膜片上下特征位置的核心模块。

本实用新型的有益效果是：该装置采用滤波整形电路，抑制膜片振动时所产生的噪声，具有较强的抗干扰能力；采用送话器作为膜片振动状态的检测原件时，送话器的输出信号相对于膜片的运动位置有一定的相位迟后。该滞后是下述几个因素的综合反映：膜片振动首先使膜片下腔的空气受到压缩与膨胀，从而使作用在送话器上的空气压力发生变化；空气压力的变化作用于送话器，使送话器中的电容数值发生变化。由于上述两个过程都是具有因果关系的物理过程，传感器的输出信号受灵敏度的限制也要在信号强度达到一定阈值后才能有输出，从而最终使得送话器的输出信号相对于膜片振动来说有一定的相位偏差。采用滤波整形电路对话筒输出波形进行补偿后，可以实时反映膜片振动的运动状态，从而使后级电路能够较精确地跟踪喇叭固有频率。经过数万次的实验，依然能跟随喇叭固有频率；采用一块集成运放IC芯片，设计简化，结构简单可靠；具有结构精简，跟随性能好，使用寿命长等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

附图1为本实用新型整体结构的逻辑框图；

附图2为本实用新型检测电路的电路原理图；

附图中标号说明：

1-传感器；

2-滤波整形电路模块；

3-跟随电路模块；

4-功率MOS管；

5-喇叭线圈；

10-集成运算放大器IC；

具体实施方式

请参阅附图1、2所示，本实用新型由传感器、运算放大器、滤波器、跟随器及功率MOS管等部件组成，由集成运算放大器IC(10)、传感器(1)、电阻、电容、三极管及功率MOS管组成上电起振信号产生、检测、跟踪喇叭膜片上下特征位置的电子喇叭核心控制模块，传感器(1)靠近喇叭膜片，喇叭膜片的振动所产生的信号传送到传感器(1)的输入端，传感器(1)的一端与电源相连接，另一端与电阻R1、R2的一端相连接，传感器(1)模块的输出信号传送到滤波整形电路模块(2)，滤波整形电路模块(2)的输出信号传送到跟随电路模块(3)，跟随电路模块(3)的输出信号传送到驱动电路的功率MOS管(4)，其中：

一检测电路由传感器(1)与电阻R1串接而成，电阻R1的一端与传感器(1)相连接，另一端接地；

一滤波整形电路模块(2)由电阻R2、电容C2以及集成运算放大器IC(10)组成，电阻R2与电容C2组成一阶低通无源滤波器，滤波后的输出信号传送到集成运算放大器IC(10)的引脚3，集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚1、2端分别与电阻R11、R3、R4相连接，为信号整形电路，该引脚1与电阻R11的一端相连接，该引脚2与电阻R3和R4的串接点相连接，电阻R4的另一端接地，电阻R3的另一端与电源相连接；

一跟随电路模块(3)由集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚4、5、6端分别与电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11以及电容C3、C4组成，其中电阻R5、R6、R7、R8、R9组成参考电平电路，该引脚5端与电阻R7的一端相连接，该引脚6端同时与电阻R10和电容C3的一端相连接，电容C3的另一端同时与电容C4和电阻R11的一端相连接，该引脚4端分别与电容C1、C4及功率MOS管(4)Q1的一端相连接后接地；

一无触点驱动电路由功率MOS管(4)Q1与电容C1组成，功率MOS管(4)Q1与电容C1相互串接后的一端与喇叭线圈(5)相连接，电容C1另一端接地。

所述的频率自适应电子喇叭的传感器(1)为驻极体式话筒，传感器(1)的一端与电源相连接，另一端与电阻R1和R2的串接点相连接，传感器(1)的输出信号与喇叭膜片振动位置有对应关系，喇叭工作时，膜片上下振动使传感器(1)产生输出信号，该信号通过电阻R1串联分压后输出到后级的滤波整形电路模块(2)。

所述的频率自适应电子喇叭的滤波整形电路模块(2)与之后的跟随电路模块(3)中的电阻R11与电容C4组成移相电路，电阻R11与电容C4相互串接后的一端与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚1相连接，另一端通过电容C4的另一端接地。

所述的频率自适应电子喇叭的上电起振信号产生电路由电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10以及电容C3、C4和集成运算放大器IC(10)组成，电阻R5和R6相互串接后的一端接地，另一端与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚8相连接；电阻R7的一端与电阻R5和R6的串接点相连接，另一端同时与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚5及电阻R9的一端相连接，并通过电阻R9和R8后与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚8相连接，电阻R9和R8串接后与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚7相连接，电阻R10的一端与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚6相连接，另一端与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚7相连接，电容C3的一端与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚6相连接，另一端同时连接电容C4和电阻R11的串接点。

本实用新型的具体结构特征如下：

本实用新型电子喇叭核心控制模块按功能主要分为信号采集、信号滤波整形和频率跟踪三部分。

信号采集部分：

膜片振动信号的采集：当有驱动信号使Mosfet开通与关断时，喇叭线圈产生的电磁力使得膜片产生上下的振动，造成膜片与底壳间的空气被压缩和膨胀。由于传感器(附图1中的模块1)放置在膜片下侧，空气压缩和膨胀就会使传感器内部的电容数值发生改变，驱动传感器内部放大电路，使其处于饱和与截止的交替变化过程之中，从而形成幅值为Vcc的方波。滤波整形电路为系统的另一处关键的设计。一方面，它通过R2与C2组成的低通滤波器能够有效地滤除从传感器引入的干扰信号(参见附图2)，当喇叭膜片振动时，传感器输出信号中常常会有干扰成分，如果不将其滤除，会造成系统工作不稳定。滤波之后的信号接运算放大器IC(作为比较器)的3端，该信号用来重建原始信号。当滤波之后的信号输入到运算放大器IC的3端后，利用电阻R3与R4串联分压设定的参考电压，这样IC的1端输出信号与输入信号从波形上大体一致，但是两者在相位上存在偏移，这个相位差正好能够弥补传感器输入信号相对于膜片振动产生的延迟。设膜片振动与传感器输入信号之间的延迟为_ΔT₁，而输入信号与比较器输出信号存在延迟为_ΔT₂。这样_ΔT_1+ΔT₂＝T(周期)整个延迟为一个周期，因为在相邻周期信号波形基本相同，所以从时间上看信号与膜片振动规律是“一致”的。如果没有这个相位差，就无法弥补传感器输入信号滞后所产生的不利影响，会造成系统最终所跟踪的频率出现偏差。

喇叭膜片特征位置跟踪(参考附图2)过程分为两个：上电自激振荡和实时跟踪。

上电“自起动”信号的产生：由于线圈的通、断电时刻控制依赖于送话器的输出信号，当膜片不振动时，送话器就没有信号输出。因此，喇叭在进入正常工作之前，需要一个“起动”信号：当按下喇叭开关接通电源时，系统中的模块3跟随电路(参见附图1)将会在上电之后自动产生一个初始的低频信号，用来使喇叭的膜片由静止逐渐开始振动起来，这就是所谓的“起动”信号。一旦在起动信号的控制下膜片产生了振动，送话器便有了输出信号，其后，喇叭模块的工作便会在该信号的“引导”下跟踪喇叭膜片的特征位置，保持与其同步工作。具体工作过程如下(参见附图2)：

1)系统上电之后，由于集成运算放大器2904(下面都以2904代替说明)的6端为0电平而5端电平为正，所以2904的7端输出为高电平。系统电源Vcc将经过电阻R8，R10向电容C3，C4充电，这样使得6端电平不断上升。由于此时7端输出为高电平，5端的滞回比较参考电平为VrefH(高阈值)。

2)当6端电平不断上升至VrefH时，2904的7端输出电平将会反转。这样使得电容C3，C4通过R10接地放电。同时，由于7端输出为低电平，这样使得5端的参考电平变为了VrefL(低阈值)。

3)6端电平将不断下降至VrefL，7端输出又将反转，重复上述过程，在7端就会产生高低电平不断交替的方波信号。

由于充电回路等效电阻为R8+R10；而放电回路等效电阻为R10，这就使得驱动信号的占空比超过70％。

当系统建立起自激振荡的“起动”信号后，该信号驱动Mosfet使线圈交替与电源接通和断开，膜片产生上下的振动，传感器采集到喇叭膜片的振动后输出电压波形，通过R2，C2滤波和2904整形之后，利用R11向C4进行充放电，这样电路将会耦合输入信号，打破原有R8，R10对C3，C4充电放电平衡。膜片的振动信号、继而传感器的输出信号将控制2904跟随膜片的振动产生同步的驱动信号。进入正常工作后，由于工作频率远远高于“起动”信号的频率，故受控于送话器输出信号的驱动信号将占主导地位，而上述“起动”信号则因为速度太慢而失去“引导”的机会。

在每一周期内，送话器的反馈信号经过前端电路调理将会使跟随电路产生下一个周期Mosfet的驱动信号。它是由反馈信号经过跟随电路处理，再与前面第1节所述的工作过程中的高、低参考电压进行比较后，输出一个占空比接近为70％的驱动波形。当膜片振动情况发生变化时，传感器的输出信号也会随即发生改变，跟随电路将会实时做出调整，适应膜片新的振动规律。

说明：R11大小的选取将会调整充放电电流，电流的大小将改变充放电速度，我们经过大量实验测试，获得了图中所示的最佳参数。R8，R10大小的选取将会影响初始“起动”信号的频率和占空比。在膜片振动频率跟踪阶段也将会影响C3，C4上的电压变化。

本实用新型的实施例之一如下：

检测电路由传感器(送话器)与电阻R1串联而成，传感器需靠近喇叭膜片；滤波整形电路由电阻R2、电容C2以及运算放大器IC组成。R2与C2组成一阶低通无源滤波器，滤波后的信号接到运算放大器IC。本方案中使用的运算放大器IC内部集成有两个放大器。其中一个放大器(IC芯片上的1、2、3端)与电阻R3、R4作为信号整形电路。而跟踪电路则由另一个放大器(IC芯片上的4、5、6端)与电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11以及电容C3、C4组成，产生通断率约为70％的信号。无触点驱动电路则由功率MOS管Q1与电容C1组成。当喇叭工作时，检测电路中传感器得到喇叭膜片振动的位置信号，在本发明中使用的传感器为驻极式话筒。喇叭振动产生的喇叭下腔空气压力的变化，将会改变送话器内部电容的参数从而使送话器的输出信号产生变化，通过R1串联分压就能得到反映膜片振动位置(规律)的电信号。当环境条件改变后，喇叭膜片的特性将会变化进而改变喇叭的振动规律，送话器输出信号能够实时反映这种变化，保证跟踪电路随时可以跟踪、产生与之对应的同步控制信号。送话器输出信号通过低通滤波和整形电路之后，可以滤除振动信号中的干扰成分，同时，整形电路与之后的电阻R11与电容C4组成移相电路，可调整Mosfet驱动信号的相位(送话器输出信号与喇叭膜片振动位置的对应关系)和占空比。而R5、R6、R7、R8构成参考电平接到运算放大器(运算放大器作为滞回比较器)的5端并与6端的信号做比较。当6端信号的电平低于5端的参考电平时，则放大器7端输出高电平；当6端信号的电平高于5端的参考电平时，则7端输出低电平(另外，7端高、低电平也对C3、C4进行充、放电的时间有一定的影响)，从而使得运算放大器7端输出波形近似于机喇叭工作时触点的通断波形。运算放大器7端输出的控制信号可以驱动功率MOS管的通断，它取代了机械喇叭的触点，控制喇叭线圈内电流的通断，改变喇叭膜片振动的运动状态。功率MOS管两端并联的电容C1能够吸收线圈在MOS管关断时的感应电动势，有效降低喇叭线圈中电流对MOS管的冲击，起到保护功率MOS管的作用，可大大地增加喇叭的使用寿命。

Claims (4)

1. 一种频率自适应电子喇叭，该装置有传感器、运算放大器、滤波器、跟随器及功率MOS管，其特征在于：由集成运算放大器IC(10)、传感器(1)、电阻、电容、三极管及功率MOS管组成上电起振信号产生、检测、跟踪喇叭膜片上下特征位置的电子喇叭核心控制模块，传感器(1)靠近喇叭膜片，喇叭膜片的振动所产生的信号传送到传感器(1)的输入端，传感器(1)的一端与电源相连接，另一端与电阻R1、R2的一端相连接，传感器(1)模块的输出信号传送到滤波整形电路模块(2)，滤波整形电路模块(2)的输出信号传送到跟随电路模块(3)，跟随电路模块(3)的输出信号传送到驱动电路的功率MOS管(4)，其中：

一检测电路由传感器(1)与电阻R1串接而成，电阻R1的一端与传感器(1)相连接，另一端接地；

一滤波整形电路模块(2)由电阻R2、电容C2以及集成运算放大器IC(10)组成，电阻R2与电容C2组成一阶低通无源滤波器，滤波后的输出信号传送到集成运算放大器IC(10)的引脚3，集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚1、2端分别与电阻R11、R3、R4相连接，为信号整形电路，该引脚1与电阻R11的一端相连接，该引脚2与电阻R3和R4的串接点相连接，电阻R4的另一端接地，电阻R3的另一端与电源相连接；

一跟随电路模块(3)由集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚4、5、6端分别与电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11以及电容C3、C4组成，其中电阻R5、R6、R7、R8、R9组成参考电平电路，该引脚5端与电阻R7的一端相连接，该引脚6端同时与电阻R10和电容C3的一端相连接，电容C3的另一端同时与电容C4和电阻R11的一端相连接，该引脚4端分别与电容C1、C4及功率MOS管(4)Q1的一端相连接后接地；

一无触点驱动电路由功率MOS管(4)Q1与电容C1组成，功率MOS管(4)Q1与电容C1相互串接后的一端与喇叭线圈(5)相连接，电容C1另一端接地。

2. 根据权利要求1所述的频率自适应电子喇叭，其特征在于：所述的传感器(1)为驻极体式话筒，传感器(1)的一端与电源相连接，另一端与电阻R1和R2的串接点相连接，传感器(1)的输出信号与喇叭膜片振动位置有对应关系，喇叭工作时，膜片上下振动使传感器(1)产生输出信号，该信号通过电阻R1串联分压后输出到后级的滤波整形电路模块(2)。

3. 根据权利要求1所述的频率自适应电子喇叭，其特征在于：所述的滤波整形电路模块(2)与之后的跟随电路模块(3)中的电阻R11与电容C4组成移相电路，电阻R11与电容C4相互串接后的一端与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚1相连接，另一端通过电容C4的另一端接地。

4. 根据权利要求1所述的频率自适应电子喇叭，其特征在于：所述的上电起振信号产生电路由电阻R5、R6、R7、R8、R9、R10以及电容C3、C4和集成运算放大器IC(10)组成，电阻R5和R6相互串接后的一端接地，另一端与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚8相连接；电阻R7的一端与电阻R5和R6的串接点相连接，另一端同时与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚5及电阻R9的一端相连接，并通过电阻R9和R8后与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚8相连接，电阻R9和R8串接后与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚7相连接，电阻R10的一端与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚6相连接，另一端与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚7相连接，电容C3的一端与集成运算放大器IC(10)芯片上的引脚6相连接，另一端同时连接电容C4和电阻R11的串接点。

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