DE102014115719A1

DE102014115719A1 - Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines Lautsprechers

Info

Publication number: DE102014115719A1
Application number: DE201410115719
Authority: DE
Inventors: Kim Spetzler Berthelsen; Kaspar Strange
Original assignee: Analog Devices AS
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: CN104640051A; CN104640051B; US9980068B2; DE102014115719B4; US20150124982A1

Abstract

Ein Verfahren zur Schätzung eines Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers kann unter Verwendung von Audiosignalen ausgeführt werden. Ein Audioausgangssignal kann einer Schwingspule des elektrodynamischen Lautsprechers zugeführt werden, durch einen Endverstärker, zur Erzeugung von Schall. Ein erfasster Schwingspulenstrom und eine bestimmte Schwingspulenspannung können auf ein lineares adaptives digitales Lautsprechermodell angewendet werden, das mehrere adaptive Lautsprecherparameter aufweist. Die Parameterwerte der adaptiven Lautsprecherparameter können anhand des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells berechnet und auf ein nichtlineares Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers angewendet werden. Für das nichtlineare Zustandsraummodell kann eine vorbestimmte nichtlineare Funktion auf zumindest einen der mehreren empfangenen Parameterwerte angewendet werden, um zumindest einen nichtlinearitätskompensierten Parameterwert des adaptiven Lautsprecherparameters zu berechnen, um einen momentanen Hub der Membran zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung eines Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers, mit den Schritten eines Empfangens eines Audioeingangssignals und Erzeugens eines auf diesem basierenden Audioausgangssignals. Das Verfahren umfasst Schritte eines Zuführens des Audioausgangssignals an eine Schwingspule des elektrodynamischen Lautsprechers durch einen Endverstärker, um Schall zu erzeugen, eines Zuführens eines erfassten Schwingspulenstroms und einer bestimmten Schwingspulenspannung an ein lineares adaptives digitales Lautsprechermodell, das mehrere adaptive Lautsprecherparameter umfasst. Das Verfahren umfasst ferner Schritte eines Berechnens mehrerer Parameterwerte der mehreren jeweiligen adaptiven Lautsprecherparameter anhand des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells und Zuführen der mehreren Parameterwerte an ein nichtlineares Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers. Durch einen Schritt des Anwendens, im nichtlinearen Zustandsraummodell, einer vorbestimmen nichtlinearen Funktion, die eine nichtlineare Beziehung zwischen einem Lautsprecherparameter und einer vorbestimmten Lautsprechervariablen darstellt, auf zumindest einen der mehreren erhaltenen Parameterwerte, wird zumindest ein nichtlinearitätskompensierter Parameterwert zumindest eines adaptiven Lautsprecherparameters berechnet. Der nichtlinearitätskompensierte Parameterwert und das Audioeingangssignal werden einem nichtlinearen Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers zugeführt und anhand des Audioausgangssignals und des nichtlinearen Zustandsraummodels des elektrodynamischen Lautsprechers wird ein momentaner Hub der Membran bestimmt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers. Der elektrodynamische Lautsprecher kann zum Beispiel in einem im Wesentlichen akustisch abgedichteten Gehäuse oder belüfteten Gehäuse einer tragbaren Kommunikationsvorrichtung montiert sein. Der elektrodynamische Lautsprecher kann zu Tonwiedergabezwecken eingesetzt werden, zum Beispiel als Empfänger zur Schallerzeugung durch akustische Kopplung mit dem Ohr des Benutzers, oder als Lautsprecher zum Abspielen aufgenommener Musik oder zur Sprachwiedergabe bei Telekonferenzanwendungen.
Es ist zum Zweck des Schutzes des elektrodynamischen Lautsprechers vor mechanischen Schäden von großem Interesse, bei zahlreichen Tonwiedergabeanwendungen den Membranhub oder die Membranauslenkung eines elektrodynamischen Lautsprechers genau zu schätzen. Der Membranhub muss genau geschätzt werden, um eine entsprechend genaue Steuerung des Membranhubs zu ermöglichen. Die genaue Steuerung oder Begrenzung des Membranhubs ist wichtig, um zu vermeiden, dass die Membran oder die Membrananordnung über ihre obere Hubgrenze hinaus getrieben wird, was passieren kann, wenn der Membranhub unterschätzt wird. Wenn die maximale Hubgrenze überschritten wird, kann der Lautsprecher verschiedenen Arten von transitorischen oder permanenten mechanischen Schäden ausgesetzt werden, durch die dieser vorübergehend oder auf Dauer funktionsuntüchtig wird. Die mechanischen Schäden können durch eine Kollision zwischen beweglichen Lautsprecherkomponenten, wie etwa der Schwingspule, Membran oder des Schwingspulenkörpers, und einer stationären Komponente des Lautsprechers, wie etwa dem magnetischen Schaltkreis, verursacht werden. Auf der anderen Seite wird, wenn der Membranhub überschätzt wird und die Hubbegrenzung somit bei einem momentanen Hub weit unterhalb der maximalen Hubgrenze des betreffenden Lautsprechers aktiviert wird, der maximale Schalldruck des Lautsprechers unnötig eingeschränkt.
Da elektrodynamische Lautsprecher im Allgemeinen, insbesondere bei hohen Schalldruckpegeln, eher nichtlineare Vorrichtungen sind, mit einer hohen Anzahl von komplexen Nichtlinearitäten, hat es sich als schwierig erwiesen, den Membranhub mithilfe verschiedener auf Prädiktionsmodellen basierter Lösungsansätze zu schätzen. Des Weiteren variieren Parameterwerte linearer Lautsprecherparameter des elektrodynamischen Lautsprechers, wie etwa mechanische Nachgiebigkeit und Schwingspulenwiderstand, auch langsam aber deutlich mit der Zeit und Temperatur, was zu weiteren Herausforderungen bei der Aufrechterhaltung eines genauen Modells des elektrodynamischen Lautsprechers führt.
Es ist somit von großem Interesse und Wert, eine relativ einfache Methodik für eine genaue Schätzung des Membranhubs des elektrodynamischen Lautsprechers bereitzustellen, die sowohl die nichtlineare Eigenschaft eines oder mehrerer Lautsprecherparameter als auch die langsam zeitveränderliche Eigenschaft der Lautsprecherparameter berücksichtigt. Es wäre vorteilhaft, die nichtlineare Eigenschaft des einen oder mehreren Lautsprecherparameters auszugleichen, ohne zeitraubende und teure individuelle Charakterisierung der Nichtlinearität des elektrodynamischen Lautsprechers während der Herstellung von Geräten oder Vorrichtungen, die den elektrodynamischen Lautsprecher enthalten. Die Methodik der Schätzung des Membranhubs sollte vorzugsweise komplexe Berechnungen vermeiden, um die Belastung von Rechenressourcen eines Signalprozessors, der bestimmte Schritte der Membranhubschätzungsmethodik umsetzt, zu minimieren.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers, mit den Schritten:
Empfangen eines Audioeingangssignals und Erzeugen eines auf diesem basierenden Audioausgangssignals,
Zuführen des Audioausgangssignals an eine Schwingspule des elektrodynamischen Lautsprechers durch einen Endverstärker, um Schall zu erzeugen,
Bestimmen einer Schwingspulenspannung an der Schwingspule,
Erfassen eines Schwingspulenstroms, in Reaktion auf die Schwingspulenspannung,
Zuführen des erfassten Schwingspulenstroms und der bestimmten Schwingspulenspannung an ein lineares adaptives digitales Lautsprechermodell, das mehrere adaptive Lautsprecherparameter umfasst,
Berechnen mehrerer Parameterwerte der mehreren jeweiligen adaptiven Lautsprecherparameter anhand des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells,
Zuführen der mehreren Parameterwerte an ein nichtlineares Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers,
Anwenden, im nichtlinearen Zustandsraummodell, einer vorbestimmen nichtlinearen Funktion, die eine nichtlineare Beziehung zwischen einem Lautsprecherparameter und einer vorbestimmten Lautsprechervariablen darstellt, auf zumindest einen der mehreren empfangenen Parameterwerte, um zumindest einen nichtlinearitätskompensierten Parameterwert zumindest eines adaptiven Lautsprecherparameters zu berechnen,
Zuführen des Audioeingangssignals an das nichtlineare Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers,
Bestimmen eines momentanen Hubs der Membran anhand des Audioeingangssignals und des nichtlinearen Zustandsraummodells des elektrodynamischen Lautsprechers.
Durch die Verwendung der vorbestimmten nichtlinearen Funktion, die die nichtlineare Beziehung zwischen dem Lautsprecherparameter und der vorbestimmten Lautsprechervariablen im nichtlinearen Zustandsraummodell darstellt, wird die Genauigkeit der Membranhubschätzung verbessert. Die vorliegende Methodik ermöglicht somit eine genaue Steuerung oder Begrenzung des momentanen Membranhubs, mit der die vorstehend besprochene Problematik der Unterschätzung und Überschätzung des Membranhubs umgangen wird.
Dem Fachmann wird sich erschließen, dass die vorbestimmte lineare Funktion einen integralen Bestandteil des nichtlinearen Zustandsraummodells des elektrodynamischen Lautsprechers bilden kann, oder dass die nichtlineare Funktion vor Zuführung an ein lineares Zustandsraummodell des Lautsprechers in einem separaten Vorbearbeitungsblock oder -schritt berechnet werden kann. In der ersten Ausführungsform kann die vorbestimmte nichtlineare Funktion als nichtlineare Gleichung(en) des nichtlinearen Zustandsraummodells ausgedrückt werden. In der zweiten Ausführungsform kann die vorbestimmte nichtlineare Funktion auf den zumindest einen adaptiven Lautsprecherparameter zusammen mit einem momentanen Membranauslenkungssignal in einem separaten Vorverarbeitungsblock oder -schritt zur Berechnung des Werts des zumindest einen nichtlinearitätskompensierten Parameterwerts angewendet werden. Der zumindest eine nichtlinearitätskompensierte Parameterwert kann anschließend in ein lineares Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers eingegeben werden, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen noch ausführlicher erläutert wird. Die letztgenannte Ausführungsform reduziert die mit der Berechnung des nichtlinearen Zustandsraummodells verbundene Rechenlast.
Die Erfassung der Schwingspulenspannung kann durch direkte Messung, zum Beispiel durch einen mit der Schwingspulenspannung gekoppelten A/D-Wandler, erfolgen, oder durch indirekte Bestimmung, wobei die Schwingspulenspannung aus einem, zum Beispiel digital dargestellten, bekannten Pegel des Audiosignals und einer bekannten Gleichstromversorgungsspannung des Endverstärkers bestimmt oder geschätzt wird.
Das dem Lautsprecher während des normalen Betriebs zugeführte Audioausgangssignal kann aus einer geeigneten Audioquelle, wie etwa Radio, CD-Player, Netzwerk-Player, MP3-Player, eingespeiste Sprache und/oder Musik umfassen. Die Audioquelle kann auch ein Mikrofon umfassen, das in Reaktion auf eintreffenden Schall ein Mikrofonsignal in Echtzeit erzeugt. Dem Fachmann ist klar, dass das Audiosignal, die Schwingspulenspannung und der Schwingspulenstrom jeweils durch ein analoges Signal, zum Beispiel als Spannung, Strom, Ladung usw., dargestellt werden können, oder alternativ dazu durch ein digitales Signal, zum Beispiel ein abgetastetes Signal, das mit einer geeigneten Abtastfrequenz oder -rate und -auflösung binär kodiert ist. Der Endverstärker umfasst vorzugsweise einen Schaltverstärker oder Klasse-D-Verstärker, zum Beispiel einen Pulsdichtenmodulations(pulse density modulation, PDM)- oder Pulsbreitenmodulations(pulse width modulation, PDM)-Endverstärker, die beide einen hohen Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung besitzen. Dies ist ein besonders vorteilhaftes Merkmal für die Verwendung in batteriebetriebenen tragbaren Kommunikationsvorrichtungen. Alternativ dazu kann der Endverstärker traditionelle nicht-geschaltete Leistungsverstärkertopologien wie Klasse A oder Klasse AB umfassen.
Die vorliegende Membranhubmethodik kann auf einen breiten Bereich elektrodynamischer Lautsprecher in unterschiedlichen Anwendungen wie Niederfrequenz-Lautsprecher oder Breitbandlautsprecher für Anwendungen mit hoher Klangtreue, Kfz-Anwendungen oder Anwendungen in öffentlichen Lautsprecheranlagen, wie auch auf elektrodynamische Miniaturlautsprecher für tragbare Kommunikationsvorrichtungen und/oder Musikabspielgeräte angewendet werden. In letzterem Fall kann der elektrodynamische Lautsprecher in einem Mobiltelefon oder Smartphone integriert sein und in einem abgedichteten oder belüfteten Gehäuse mit einem Volumen zwischen 0,5 und 2,0 cm³, wie etwa 1cm³, montiert sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Methodik zur Schätzung des Membranhubs stellt die vorbestimmte nichtlineare Funktion eine durchschnittliche nichtlineare Beziehung zwischen dem zumindest einen Lautsprecherparameter und der durch nichtlineare Beziehungsmessungen an mehreren repräsentativen elektrodynamischen Lautsprechern gemessenen vorbestimmten Lautsprechervariablen dar. Die Erfinder haben erkannt, dass der nichtlineare Zusammenhang zwischen dem zumindest einen Lautsprecherparameter und der vorbestimmten Lautsprechervariablen trotz der ausgeprägten Veränderung der jeweiligen Parameterwerte der mehreren linearen oder Kleinsignal-Lautsprecherparameter mit der Zeit und Temperatur und der großen Variationen der jeweiligen Parameterwerte der mehreren linearen Lautsprecherparameter von Exemplar zu Exemplar eine relativ gut definierte und zeitlich unveränderliche Beziehung ist. Daher werden diese Parametervariationen durch Adaption der jeweiligen Parameterwerte der mehreren linearen oder Kleinsignal-Lautsprecherparameter des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells über die Zeit und Temperatur nachgeführt. Des Weiteren wird durch Anwenden der vorbestimmten nichtlinearen Funktion auf einen aktuellen Parameterwert des zumindest einen adaptiven Lautsprecherparameters der nichtlineare Beitrag zum Membranhub des elektrodynamischen Lautsprechers aus einem genauen linearen Modell des elektrodynamischen Lautsprechers berechnet. Mit dieser Methodik kann der zumindest eine nichtlinearitätskompensierte Parameterwert als relative Anpassung des aktuellen Parameterwerts gemäß der vorbestimmten nichtlinearen Funktion berechnet werden.
Als vorbestimmte Lautsprechervariable der vorbestimmten nichtlinearen Funktion können im Hinblick auf die Vielzahl von komplexen Nichtlinearitäten elektrodynamischer Lautsprecher diverse Lautsprechervariablen gewählt werden. Die vorbestimmte Lautsprechervariable umfasst natürlich vorzugsweise eine Variable, die einen signifikanten Beitrag zum nichtlinearen Verhalten des betreffenden Lautsprecherparameters leistet. Die vorbestimmte Lautsprechervariable umfasst daher vorzugsweise den Membranhub oder die Membranauslenkung derart, dass die vorbestimmte nichtlineare Funktion eine hubabhängige nichtlineare Eigenschaft des elektrodynamischen Lautsprechers darstellt, da die Auslenkung der Membran typischerweise eine bedeutende Rolle im nichtlinearen Verhalten von Lautsprecherparametern wie dem Kraftfaktor (B*l oder BI-Produkt), der mechanischen Gesamtnachgiebigkeit oder -steifigkeit, der Schwingspuleninduktivität usw. spielt. Alternativ oder zusätzlich kann die vorbestimmte Lautsprechervariable einen Schwingspulenstrom umfassen, da auch diese Variable Quelle einer maßgeblichen Nichtlinearität bestimmter Lautsprecherparameter, wie etwa des Kraftfaktors ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens zur Schätzung des Membranhubs umfassen daher die mehreren adaptiven Lautsprecherparameter einen Kraftfaktor (B*l) und die vorbestimmte nichtlineare Funktion stellt eine gemessene Hubabhängigkeit des Kraftfaktors (B*l) dar, um einen nichtlinearitätskompensierten Kraftfaktorwert in das nichtlineare Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers einzubeziehen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfassen die mehreren adaptiven Lautsprecherparameter eine mechanische Gesamtnachgiebigkeit oder -steifigkeit der Membran und die vorbestimmte nichtlineare Funktion stellt eine gemessene Hubabhängigkeit der mechanischen Gesamtnachgiebigkeit oder -steifigkeit dar, um eine nichtlinearitätskompensierte Membranaufhängungsnachgiebigkeit oder -steifigkeit in dem nichtlinearen Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers bereitzustellen. Dem Fachmann ist klar, dass die mehreren adaptiven Lautsprecherparameter sowohl den Kraftfaktor als auch die mechanische Gesamtnachgiebigkeit oder -steifigkeit umfassen können, die durch jeweilige vorbestimmte nichtlineare Funktionen, die deren jeweilige gemessenen Hubabhängigkeiten darstellen, dargestellt werden.
Dem Fachmann ist klar, dass die vorliegende Methodik mehrere vorbestimmte nichtlineare Funktionen verwenden kann, von denen jede eine bestimmte nichtlineare Beziehung zwischen einem bestimmten Lautsprecherparameter der mehreren adaptiven Lautsprecherparameter und einer bestimmten vorbestimmten Lautsprechervariablen darstellen kann, um mehrere nichtlinearitätskompensierte Parameterwerte der jeweiligen adaptiven Lautsprecherparameter zu berechnen. Die Darstellung einer großen Zahl von adaptiven Lautsprecherparametern durch jeweilige nichtlineare Funktionen verbessert im Allgemeinen die Genauigkeit der berechneten Lautsprecherparameterwerte im nichtlinearen Zustandsraummodell und verbessert somit die Genauigkeit der Membranauslenkungsschätzung. Diese verbesserte Genauigkeit kann jedoch auf Kosten einer erhöhten rechnerischen Last gehen. Die Zahl der im nichtlinearen Zustandsraummodell angewendeten nichtlinearen Funktionen kann infolgedessen vorzugsweise an die anwendungsrelevanten Genauigkeitsanforderungen der Hubprädiktion oder Hubschätzung adaptiert werden.
Das lineare adaptive digitale Lautsprechermodell umfasst vorzugsweise ein adaptives IIR-Filter zweiter Ordnung oder höherer Ordnung, mit mehreren adaptiven Modellparametern von welchen die mehreren Parameterwerte der mehreren adaptiven Lautsprecherparameter abgeleitet sind. Das adaptive IIR-Filter modelliert oder führt eine zeitlich veränderliche und frequenzabhängige Impedanz des Lautsprechers über einen vorbestimmten Audiofrequenzbereich, zum Beispiel zwischen 10 Hz und 10 kHz, nach. Der erfasste Schwingspulenstrom und die erfasste Schwingspulenspannung werden vorzugsweise jeweils durch ein Schwingspulenstromsignal und eine digitale Schwingspulenspannung dargestellt, wie weiter unten mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen noch genauer ausgeführt wird. Zwecks Unterstützung einer zweckmäßigen Adaption des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells umfasst letzteres vorzugsweise zusätzlich zu dem einen oder mehreren adaptiven oder freien Modellparameter zumindest einen fixen Lautsprecherparameter, wie etwa eine gesamte bewegte Masse des Lautsprechers.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Methodik zur Schätzung des Membranhubs umfasst einen weiteren Schritt des Steuerns oder der Begrenzung des Membranhubs wenn der momentane Membranhub eine bestimmte Hubgrenze überschreitet. Diese Ausführungsform umfasst Schritte von:
Vergleichen eines momentanen Membranhubs mit einem vorbestimmten Grenzkriterium und Begrenzen des Membranhubs gemäß einem Ergebnis des Vergleichs. Das vorbestimmte Grenzkriterium kann zum Beispiel eine(n) maximalen Membranhub, oder -auslenkung, definieren, zum Beispiel einen vom Lautsprecherhersteller empfohlenen Membranhub, um mechanische Schäden am Lautsprecher zu vermeiden. Der Schritt der Begrenzung des Membranhubs kann zum Beispiel einen Schritt der Abschwächung eines Pegels des Audiosignals in einem Subband des Audiosignals oder eine breitbandige Abschwächung des Audiosignals umfassen. Das Abschwächen des Audiosignalpegels kann durch Abschwächen eines Pegels des Audioausgangssignals an der Schwingspule oder Abschwächen des Schwingspulenstroms erreicht werden. Das Subband ist vorzugsweise ein Niederfrequenzband des Audiosignals, zum Beispiel ein Frequenzband unterhalb von 800 Hz oder 500 Hz. Dies ist oft sehr wirkungsvoll für mechanische Schutzzwecke, da niederfrequente Audiosignalkomponenten die größte Tendenz haben, die Lautsprechermembran über ihre maximale Hubbegrenzung hinaus zu treiben. Das Niederfrequenzband kann alle Frequenzen unterhalb einer bestimmten Schwellenfrequenz, wie etwa 800 Hz oder 500 Hz, oder nur ein isoliertes Frequenzband, wie etwa ein auf einer gewählten Frequenz innerhalb des Niederfrequenzbands, zum Beispiel 400 Hz oder 300 Hz usw., zentriertes Drittel-Oktavband umfassen.
Noch eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst einen Schritt des Verzögerns, vor dem Vergleichsschritt zwischen dem momentanen Membranhub und dem vorbestimmten Grenzkriterium, des Audioeingangssignals mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit, wie etwa einer Verzögerungszeit von weniger als 8 ms oder vorzugsweise einer Verzögerungszeit von weniger als 4 ms.
Das Verfahren zur Schätzung des Membranhubs kann Schritte umfassen von:
Vergleichen des Audioeingangssignals mit einem von einem vorbestimmten Pegelkriterium und einem vorbestimmten Spektralkriterium,
Unterbrechen der Adaption der mehreren adaptiven Lautsprecherparameter des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells anhand eines Ergebnisses des Vergleichs. Diese Ausführungsform ist hilfreich um sicherzustellen, dass die Adaption der mehreren adaptiven Lautsprecherparameter unterbrochen wird, wenn es sich bei dem digitalen Audioeingangssignal im Wesentlichen um ein Reinton- oder anderes schmalbandiges Audiosignal handelt, das dazu tendiert, adaptive Filteralgorithmen wie den Least-Mean-Squares-Algorithmus zum Entgleisen zu bringen. Der letztgenannte Typ von adaptivem Filteralgorithmus kann vom adaptiven linearen digitalen Lautsprechermodell angewendet werden.
Die Schwingspulenspannung und der Schwingspulenstrom sind in der Tonwiedergabeanordnung vorzugsweise jeweils in Digitalformaten dargestellt, um eine nahtlose Schnittstelle zum adaptiven Lautsprechermodell zu schaffen. Die vorliegende Methodik umfasst daher vorzugsweise Schritte von:
Abtasten und Digitalisieren des Schwingspulenstroms, um ein digitales Schwingspulenstromsignal mit einer ersten Abtastfrequenz zu erzeugen,
Abtasten und Digitalisieren der Schwingspulenspannung, um ein digitales Schwingspulenspannungssignal mit der ersten Abtastfrequenz zu erzeugen.
Das Audioeingangssignal wird in der vorliegenden Methodik vorzugsweise in digitalem Format verwendet. Somit kann das Audioeingangssignal in einigen Ausführungsformen als digitales Audioeingangssignal bereitgestellt werden und in anderen Ausführungsformen als analoges Audioeingangssignal das nach dem Empfang abgetastet und digitalisiert wird. Die vorliegende Methodik kann daher auch die Schritte umfassen:
Empfangen des Audioeingangssignals als digitaler Audioeingang mit einer zweiten Abtastfrequenz, oder Empfangen, Abtasten und Digitalisieren des Audioeingangssignals um das digitale Audioeingangssignal mit der zweiten Abtastfrequenz zu erzeugen. Die zweite Abtastfrequenz kann eine standardisierte digitale Audioabtastfrequenz, zum Beispiel eine Abtastfrequenz zwischen 6 kHz und 96 kHz, wie etwa 32, 44,1 oder 48 kHz, sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Methodik wird die erste Abtastfrequenz mit einer niedrigeren Frequenz gewählt als die zweite Abtastfrequenz. Die erste Abtastfrequenz kann zum Beispiel weniger als die Hälfte oder ein Viertel der zweiten Abtastfrequenz sein. Der niedrigere Wert der ersten Abtastfrequenz verringert die durch das adaptive lineare digitale Lautsprechermodell und das Zustandsraummodell anfallende rechnerische Last, um so den Stromverbrauch des Signalprozessors zu reduzieren.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Tonwiedergabeanordnung für einen elektrodynamischen Lautsprecher. Die Tonwiedergabeanordnung umfasst einen Audiosignaleingang zum Empfangen eines von einer Audiosignalquelle gelieferten Audioeingangssignals. Ein Endverstärker ist ausgestaltet, das Audioeingangssignal zu empfangen und ein entsprechendes Audioausgangssignal als Schwingspulenspannung an einem mit einer Schwingspule eines elektrodynamischen Lautsprechers verbindbaren Paar von Ausgangsanschlüssen zu erzeugen. Die Anordnung umfasst ferner einen Stromerfasser, der ausgestaltet ist, einen in Reaktion auf das Zuführen der Schwingspulenspannung in den elektrodynamischen Lautsprecher fließenden Schwingspulenstrom zu erfassen. Ein Signalprozessor der Anordnung ist ausgestaltet zum:
Zuführen des erfassten Schwingspulenstroms und der bestimmten Schwingspulenspannung an ein lineares adaptives digitales Modell des elektrodynamischen Lautsprechers,
Berechnen mehrerer Parameterwerte der mehreren jeweiligen adaptiven Lautsprecherparameter anhand des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells,
Zuführen der mehreren Parameterwerte an ein nichtlineares Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers,
Anwenden, im nichtlinearen Zustandsraummodell, einer vorbestimmten nichtlinearen Funktion, die eine nichtlineare Beziehung zwischen einem Lautsprecherparameter und einer vorbestimmten Lautsprechervariablen darstellt, auf zumindest einen der mehreren empfangenen Parameterwerte, um zumindest einen nichtlinearitätskompensierten Parameterwert zu berechnen,
Zuführen des Audioeingangssignals an das nichtlineare Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers,
Bestimmen eines momentanen Hubs der Membran anhand des Audioeingangssignals und des nichtlinearen Zustandsraummodells des elektrodynamischen Lautsprechers.
Die Eigenschaften des Endverstärkers wurden oben in Zusammenhang mit der entsprechenden Huberfassungsmethodik ausführlich offengelegt. Der Klasse-D-Endverstärker kann eine Halbbrückentreiberstufe mit einem Einzelausgang, der mit dem elektrodynamischen Lautsprecher gekoppelt ist, oder eine Vollbrücken-/H-Brückentreiberstufe mit dem Paar von Ausgangsanschlüssen, die mit den jeweiligen Seiten oder Anschlüssen des elektrodynamischen Lautsprechers gekoppelt sind, umfassen. Das Audioeingangssignal kann ein von einer externen digitalen Audioquelle, wie etwa einem digitalen Mikrofon, geliefertes digitales Echtzeitaudiosignal umfassen. Das digitale Echtzeitaudiosignal kann gemäß einem genormten Protokoll für serielle Datenkommunikation wie I²C oder SPI formatiert sein, oder gemäß einem digitalen Audioprotokoll wie I²S, SPDIF usw.
Dem Fachmann ist klar, dass der Signalprozessor vorzugsweise einen programmierbaren Mikroprozessor umfasst, der von einem Anwendungsprogramm steuerbar ist, das einen Satz ausführbarer Programmbefehle umfasst, die in einem Programmspeicher gespeichert sind. Der programmierbare Mikroprozessor kann einen softwareprogrammierbaren DSP umfassen, der auf der Tonwiedergabenanordnung integriert ist oder in Wirkverbindung mit dieser gekoppelt ist. Das Anwendungsprogramm kann einen ersten Satz ausführbarer Programmbefehle umfassen die, wenn sie ausgeführt werden, die mehreren Parameterwerte der mehreren jeweiligen adaptiven Lautsprecherparameter des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells berechnen. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Signalprozessor einen integralen Bestandteil eines Anwendungsprozessors der tragbaren Kommunikationsvorrichtung bilden, während der Signalprozessor bei anderen Ausführungsformen der Erfindung ein dedizierter Mikroprozessor oder DSP der Anordnung sein kann.
Dem Fachmann ist klar dass der vorliegende Detektor verschiedene Typen von Stromerfassern umfassen kann, zum Beispiel einen mit einem Ausgangstransistor des Endverstärkers verbundenen Stromspiegel oder einen mit der Lautsprecherschwingspule in Reihe gekoppelten kleinen Sense-Widerstand. Der Schwingspulenstrom kann entsprechend durch eine proportionale/maßstäbliche Sense-Spannung dargestellt werden. Die Schwingspulenspannung und der Schwingspulenstrom sind in der Tonwiedergabeanordnung vorzugsweise jeweils in Digitalformaten dargestellt, um eine nahtlose Schnittstelle zum adaptiven Lautsprechermodell zu schaffen. Der Stromerfasser umfasst daher vorzugsweise einen ersten A/D-Wandler, der ausgestaltet ist, den Schwingspulenstrom abzutasten und zu digitalisieren, um ein digitales Schwingspulenstromsignal auf einer ersten Abtastfrequenz zu liefern und der Schwingspulenspannungsdetektor umfasst einen zweiten A/D-Wandler, der ausgestaltet ist, die Schwingspulenspannung auf der ersten Abtastfrequenz abzutasten und zu digitalisieren, um ein digitales Schwingspulenspannungssignal zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Tonwiedergabeanordnung ist der Signalprozessor außerdem ausgestaltet, den momentanen Membranhub mit einem vorbestimmten Grenzkriterium zu vergleichen und den Hub der Membran anhand eines Ergebnisses des Vergleichs zu begrenzen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Halbleitersubstrat oder einen Chip auf dem eine Tonwiedergabeanordnung gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen integriert ist. Das Halbleitersubstrat kann in einem geeigneten CMOS- oder DMOS-Halbleiterprozess hergestellt sein.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine tragbare Kommunikationsvorrichtung mit einem Tonwiedergabesystem gemäß einem seiner vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
Ein fünfter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer nichtlinearen Durchschnittsfunktion zwischen einem Lautsprecherparameter und einer Lautsprechervariablen eines elektrodynamischen Lautsprechers, mit den Schritten:

a) Zuführen eines Testsignals an jeden Lautsprecher von mehreren elektrodynamischen Lautsprechern desselben Typs, wobei das Testsignal ausgestaltet ist, eine bestimmte Beziehung zwischen der Lautsprechervariablen und dem Lautsprecherparameter über einen vorbestimmten Bereich der Lautsprechervariablen anzuregen,
b) Aufzeichnen von mehreren Parameterwerten der Lautsprecherparameter über den vorbestimmten Bereich der Lautsprechervariablen für jeden der mehreren Lautsprecher,
c) Normalisieren der mehreren aufgezeichneten Parameterwerte des Lautsprecherparameters für jeden Lautsprecher auf einen gemeinsamen Referenzwert der Lautsprechervariablen,
d) Berechnen eines Durchschnittswerts der mehreren normalisierten Parameterwerte der Lautsprechervariablen für die mehreren elektrodynamischen Lautsprecher desselben Typs über den vorbestimmten Bereich der Lautsprechervariablen zur Darstellung der nichtlinearen Durchschnittsfunktion zwischen dem Lautsprecherparameter und der Lautsprechervariablen.

Der Lautsprecherparameter kann eines umfassen von einem Kraftfaktor (B*l) und einer Aufhängungsnachgiebigkeit oder -steifigkeit der mehreren elektrodynamischen Lautsprecher desselben Typs. Des Weiteren kann die Lautsprechervariable einen Membranhub bzw. eine Membranauslenkung der mehreren elektrodynamischen Lautsprecher desselben Typs umfassen.
Die Normalisierung der mehreren aufgezeichneten Parameterwerte gemäß Schritt c) umfasst vorzugsweise ein Erhöhen oder Reduzieren jedes der mehreren aufgezeichneten Parameterwerte für jeden Lautsprecher auf den gemeinsamen Referenzwert der Lautsprechervariablen, so dass alle Parameterwerte des Lautsprecherparameters im Wesentlichen auf dem gemeinsamen Referenzwert gleich sind. Der gemeinsame Referenzwert der Lautsprechervariablen kann zum Beispiel Null Membranhub sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlicher erläutert. Es zeigt:
1A) eine schematische Querschnittsansicht eines beispielhaften elektrodynamischen Miniaturlautsprechers für verschiedene tragbare Tonwiedergabeanwendungen zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung,
1B) eine schematische Querschnittsansicht des, in einem Gehäuse mit akustischer Leckage montierten, beispielhaften elektrodynamischen Miniaturlautsprechers,
2 ein schematisches Blockschaltbild einer mit einem elektrischen Lautsprecher gekoppelten Tonwiedergabeanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
3 ein detailliertes schematisches Blockdiagramm ausgewählter Signalverarbeitungsfunktionen und -block der in 2 dargestellten Tonwiedergabeanordnung,
4 ein auf einem adaptiven IIR-Filter basiertes Impedanzmodell des elektrodynamischen Lautsprechers, zur Bestimmung von mehreren adaptiven Modellparametern,
5 einen Graphen eines experimentell gemessenen durchschnittlichen nichtlinearen Verhaltens eines Kraftfaktors (B*l) gegen die Membranauslenkung und berechnete entsprechende Polynomkoeffizienten, die eine zwischen den Kraftfaktor (B*l) und die Membranauslenkung angepasste Polynomkurve darstellen,
6 einen Graphen eines experimentell gemessenen durchschnittlichen nichtlinearen Verhaltens einer mechanischen Gesamtnachgiebigkeit (C_MS) gegen die Membranauslenkung und berechnete entsprechende Polynomkoeffizienten, die eine zwischen die mechanische Gesamtnachgiebigkeit und die Membranauslenkung angepasste Polynomkurve darstellen,
7 Graphen von individuell gemessenen nichtlinearen Beziehungen zwischen dem Kraftfaktor (B*l) und der Membranauslenkung für mehrere repräsentative elektrodynamische Lautsprecher in einer nicht normalisierten und einer normalisierten Darstellung; und
8 einen Graphen der berechneten entsprechenden durchschnittlichen nichtlinearen Beziehung zwischen dem Kraftfaktor (B*l) und der Membranauslenkung in einer normalisierten Darstellung für die in 7 gezeigten mehreren repräsentativen elektrodynamischen Lautsprecher.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1A ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines typischen elektrodynamischen Miniaturlautsprechers 1 zur Montage in einer abgedichteten Box und Verwendung in tragbaren Audioanwendungen wie Mobiltelefonen und Smartphones bei denen der Lausprecher 1 Tonwiedergabe für verschiedene Anwendungstypen wie Freisprecheinrichtung und Musikwiedergabe bereitstellt. Dem Fachmann ist klar, dass elektrodynamische Lautsprecher in zahlreichen, von der vorgesehenen Anwendung abhängigen Formen und Größen existieren. Der in der nachfolgend beschriebenen Methodik zur Schätzung des Membranhubs und den entsprechenden Anordnungen zur Schätzung des Membranhubs verwendete elektrodynamische Lautsprecher 1 weist eine rechteckige Form mit einem maximalen Außenmaß, D, von etwa 15 mm auf und einem Außenmaß in Querrichtung von etwa 11 mm. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass die vorliegenden Methoden zur Schätzung des Membranhubs von elektrodynamischen Lautsprechern auf nahezu jeden elektrodynamischen Lautsprechertyp anwendbar sind.
Der elektrodynamische Miniaturlautsprecher 1 umfasst eine an einer oberen Randfläche einer Schwingspule befestigte Membran 10. Die Membran 10 ist auch mechanisch durch eine flexible Rand- oder äußere Aufhängung 12 mit einem Lautsprecherrahmen 22 gekoppelt. Eine ringförmige Permanentmagnetkonstruktion 18 erzeugt einen Magnetfluss, der durch eine magnetisch durchlässige Konstruktion 16 mit einem darin angeordneten kreisförmigen Luftspalt 24 geleitet wird. Ein kreisförmiger Belüftungskanal 19 kann in der Rahmenkonstruktion 22 bereitgestellt sein und kann dazu verwendet werden, Wärme von einer unterhalb der Membran 10 ausgebildeten, ansonsten abgedichteten Kammerkonstruktion abzuleiten. Die elastische Randaufhängung 12 stellt eine relativ gut definierte Nachgiebigkeit der beweglichen Membrananordnung (Schwingspule 20 und Membran 10) bereit. Die Nachgiebigkeit der elastischen Randaufhängung 12 und einer bewegten Masse der Membran 10 bestimmt die Freiluft-Grundresonanzfrequenz des Miniaturlautsprechers. Die elastische Randaufhängung 12 kann so konstruiert sein, dass sie einen maximalen Hub oder eine maximale Auslenkung der beweglichen Membrananordnung begrenzt.
Im Betrieb des Miniaturlautsprechers 1 wird der Schwingspule 20 des Lautsprechers 100 durch ein Paar (nicht gezeigte) elektrisch mit einem geeigneten Endverstärker oder Leistungsverstärker verbundene Lautsprecheranschlüsse eine Schwingspulenspannung oder Ansteuerspannung zugeführt. In Reaktion darauf fließt ein entsprechender Schwingspulenstrom durch die Schwingspule 20, was, in einem Kolbenbereich des Lautsprechers, zu einer im Wesentlichen gleichförmigen Vibrationsbewegung der Membrananordnung in der durch den Geschwindigkeitspfeil V angegebenen Richtung führt. Damit wird vom Lautsprecher 1 ein entsprechender Schalldruck erzeugt. Die Vibrationsbewegung der Schwingspule 20 und der Membran 10 in Reaktion auf den Fluss des Schwingspulenstroms wird durch ein im Luftspalt 24 vorhandenes, radial gerichtetes Magnetfeld bewirkt. Der zugeführte Schwingspulenstrom und die zugeführte Schwingspulenspannung führen zu einer Leistungsabführung in der Schwingspule 20, wodurch sich die Schwingspule 20 im Betrieb aufheizt. Ein länger währendes Anliegen einer zu hohen Ansteuerspannung und eines zu hohen Ansteuerstroms kann daher zu Überhitzung der Schwingspule 20 führen, was eine weitere häufige Versagensursache von elektrodynamischen Lautsprechern ist.
Das Zuführen von übermäßigen Schwingspulenspannungen, durch die die bewegliche Membrananordnung über ihre maximal zulässige Hubgrenze hinaus gezwungen wird, ist ein weiterer häufiger Versagensmechanismus bei elektrodynamischen Lautsprechern, der zu verschiedenartigen irreversiblen mechanischen Schäden führt. Ein Typ von mechanischem Schaden kann, zum Beispiel, durch Kollision zwischen dem untersten Rand der Schwingspule 20 und einem dieser zugewandten ringförmigen Teil 17 der magnetisch durchlässigen Konstruktion 16 entstehen. Der maximale Hub eines jeweiligen Typs von elektrodynamischem Lautsprecher hängt von dessen Maßen und baulichen Details ab. Für den oben besprochenen Miniaturlautsprecher 1 mit Außenmaßen von ungefähr 11 m × 15 mm beträgt der maximal zulässige Membranhub typischerweise etwa +/–0,45 mm.
1B) ist eine schematische Querschnittsdarstellung des in einem Gehäuse, einer Box oder einer Kammer 31 mit vorbestimmtem Innenvolumen 30 montierten Miniaturlautsprechers 1. Das Gehäuse bzw. die Kammer 31 ist unterhalb der Membran 10 des Lautsprechers 1 angeordnet. Eine äußere Umfangswand der Rahmenstruktur 22 des Lautsprechers 1 ist fest an einer Berührungswandfläche der abgedichteten Box 31 befestigt, um eine im Wesentlichen luftdichte Kopplung zu bilden, durch die die im Volumen 30 eingeschlossene Luft von der Umgebung isoliert wird. Das eingeschlossene Volumen 30 kann zwischen 0,5 und 2,0 cm³ betragen, wie etwa 1 cm³ für typische Anwendungen in tragbaren Kommunikationsvorrichtungen oder Endgeräten wie etwa Mobiltelefonen und Smartphones. Dem Fachmann ist klar, dass die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden kann, den Membranhub von Lautsprechern zu steuern, die im gezeigten Typ von im Wesentlichen akustisch abgedichteten Gehäusen montiert sind; die vorliegende Erfindung kann auch dazu genutzt werden, den Membranhub von Lautsprechern in anderen Typen von akustischen Montageanordnungen zu steuern.
Die Montage des Lautsprechers 1 im abgedichteten Gehäuse 30 führt wegen einer Nachgiebigkeit der in der Kammer 30 eingeschlossenen Luft zu einer höheren Grundresonanzfrequenz des Miniaturlautsprechers als seiner oben besprochenen Freiluftgrundresonanzfrequenz. Die Nachgiebigkeit der in der Kammer 30 eingeschlossenen Luft wirkt parallel mit der Nachgiebigkeit der elastischen Randaufhängung 12, dahingehend, die auf die bewegte Masse des Lautsprechers wirkende Gesamtnachgiebigkeit zu reduzieren (d.h. die Steifigkeit zu erhöhen). Die Grundresonanzfrequenz des gehäusemontierten Lautsprechers 1 ist deshalb höher als die Freiluftresonanz. Der Betrag der Erhöhung der Grundresonanzfrequenz ist vom Volumen des Gehäuses 30 abhängig. Die das abgedichtete Gehäuse 31 umgebende Wandstruktur 31 kann durch eine elastomere Masse mit begrenzter Schlagfestigkeit ausgebildet sein. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann das abgedichtete Gehäuse versehentlich zum Beispiel durch ein kleines Loch oder einen Riss 35 in der Wandstruktur 31 des Gehäuses 30 durchbrochen werden. Dieser Typ von Gehäuseloch oder -riss führt zu unerwünschter akustischer Leckage des Gehäuseschalldrucks an die Umgebung, wie dies durch den Pfeil 37 schematisch dargestellt ist. Akustische Leckage ist allgemein unerwünscht und reduziert tendenziell die Grundresonanzfrequenz des Lautsprechers 1, wie oben ausgeführt. Diese Veränderung der Grundresonanzfrequenz kann fakultativ durch Überwachung der damit einhergehenden Veränderung einer elektrischen Impedanz des Lautsprechers 1 erfasst werden, wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben wird.
2 ist ein vereinfachtes schematisches Blockschaltbild einer Tonwiedergabeanordnung 200 für eine Membranhubschätzung, und vorzugsweise auch Hubbegrenzung, von elektrodynamischen Lautsprechern tragbarer Kommunikationsvorrichtungen und anderer Typen von audio-aktivierten tragbaren Recheneinrichtungen. Die Tonwiedergabeanordnung kann zum Beispiel dazu verwendet werden, die Tonwiedergabe des in 1A oder 1B) dargestellten Miniaturlautsprechers 1 zu steuern. Die Tonwiedergabeanordnung 200 ist durch ein Paar extern zugänglicher Lautsprecheranschlüsse 211a, 211b mit dem elektrodynamischen Miniaturlautsprecher 1 gekoppelt. Ein impulsmodulierter Klasse-D-Endverstärker 206 kann eine H-Brückenendstufe umfassen, die das Audioausgangssignal impulsmoduliert über eine Schwingspule des Lautsprechers durch das Paar von Lautsprecheranschlüssen 211a, 211b liefert. Der Klasse-D-Endverstärker empfängt am Verstärkereingang 203 ein verarbeitetes digitales Audiosignal, das von einem am digitalen Audiosignaleingang 201 der Anordnung 200 gelieferten Audioeingangssignal abgeleitet ist. Das digitale Audioeingangssignal am Eingangsanschluss oder der Eingangskontaktstelle 201 kann von einer externen digitalen Audiosignalquelle auf einer ersten Abtastfrequenz, zum Beispiel einer Abtastfrequenz zwischen 16 kHz und 96 kHz, geliefert werden. Die externe digitale Audiosignalquelle kann einen digitalen Audioanschluss oder eine digitale Audioschnittstelle eines Anwendungsprozessors einer tragbaren Kommunikationsvorrichtung umfassen, in welcher die vorliegende Tonwiedergabeanordnung 200 integriert ist. Das extern erzeugte digitale Audiosignal kann gemäß einem genormten Protokoll für serielle Datenkommunikation, wie etwa I²C oder SPI, formatiert sein, oder gemäß einem digitalen Audioprotokoll, wie etwa I²S, SPDIF usw.
Die Tonwiedergabeanordnung 200 umfasst eine Verzögerungsschaltung oder Verzögerungsfunktion 202, die das digitale Audioeingangssignal mit einer vorbestimmten Zeitverzögerung, zum Beispiel kleiner als 8 ms und vorzugsweise kleiner als 4 ms, verzögert. Das verzögerte digitale Audioeingangssignal wird an eine Audiopegelbegrenzungsschaltung oder -funktion 202 übertragen, die ausgestaltet ist, den Hub der Lautsprechermembran durch Abschwächung oder Pegelbegrenzung des verarbeiteten digitalen Audiosignals am Verstärkereingang 203 gemäß dem durch ein nichtlineares Zustandsraumlautsprechermodell 214 berechneten erfassten momentanen Membranhub, x, zu reduzieren. Die Verzögerungszeit ermöglicht es der Pegelbegrenzung des verarbeiteten Audiosignals im Wesentlichen augenblicklich zu reagieren wenn der geschätzte momentane Membranhub, x, die maximale Hubgrenze des Lautsprechers überschreitet, und verbessert damit die Wirksamkeit des Schutzes. Eine zu große Verzögerungszeit kann jedoch bei Echtzeitanwendungen der Tonwiedergabeanordnung wie etwa der Sprachkommunikation in Mobiltelefon-/Smartphoneanwendungen problematisch werden.
Die Tonwiedergabeanordnung 200 umfasst ferner ein lineares adaptives digitales Modell 210 des elektrodynamischen Lautsprechers 200 mit mehreren adaptierbaren oder adaptiven Modellparametern, die in Reaktion auf ein digitales Schwingspulenstromsignal Im[n] und eine digitale Schwingspulenspannung Vm[n] eingestellt werden. Das adaptive lineare digitale Modell 210 des Lautsprechers umfasst vorzugsweise einen adaptiven Filter, der eine frequenzabhängige Impedanz des Lautsprechers 220 über einen vorbestimmten Audiofrequenzbereich, zum Beispiel zwischen 10 Hz und 10 KHz, anhand des/der durch das digitale Schwingspulenstromsignal Im[n] und die digitale Schwingspulenspannung Vm[n] dargestellten, erfassten oder gemessenen Schwingspulenstroms und Schwingspulenspannung modelliert. Das lineare adaptive digitale Lautsprechermodell 210 umfasst mehrere adaptive Lautsprecherparameter. Das adaptive lineare digitale Lautsprechermodell 210 ist ausgestaltet, mehrere jeweilige Parameterwerte der linearen Lautsprecherparameter zu berechnen. Die Details der Funktion des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells 210 werden nachfolgend mit Bezug auf 3 ausführlicher beschrieben. Das adaptive lineare digitale Lautsprechermodell 210 kann zum Beispiel ausgestaltet sein, eine zeitveränderliche Impedanz gegen eine Frequenzfunktion des elektrodynamischen Lautsprechers 220 zu berechnen oder nachzuführen. Die jeweiligen Parameterwerte von verschiedenen wichtigen linearen Lautsprecherparametern können von den Werten der zeitveränderlichen Modellparameter abgeleitet werden, die die Impedanzfunktion oder -kurve des Lautsprechers 220 nachführen. Der Ausgang des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells 210 umfasst mehrere Parameterwerte der jeweiligen linearen, wenngleich zeitveränderlichen, adaptiven Lautsprecherparameter, zum Beispiel einen Kraftfaktor oder eine Aufhängungsnachgiebigkeit des gehäusemontierten Miniaturlautsprechers, die einem nichtlinearen Funktionsblock 212 zugeführt werden, der Bestandteil eines nichtlinearen Zustandsraummodells 214 des elektrodynamischen Lautsprechers ist. Die Parameterwerte der adaptiven Lautsprecherparameter stellen also jeweilige aktuelle Parameterwerte des jeweiligen adaptiven Lautsprecherparameters dar, bzw. schätzen diese, so dass ihre vorstehend erläuternden zeit- und temperaturveränderlichen Eigenschaften jeweils zweckdienlich nachgeführt werden.
Um das digitale Schwingspulenstromsignal Im[m] und ein digitales Schwingspulenspannungssignal VM[n] an das adaptive lineare digitale Modell 210 zu liefern, umfasst die Tonwiedergabeanordnung 200 zumindest einen A/D-Wandler 208, der das digitale Schwingspulenstromsignal Im[n] und ein digitales Schwingspulenspannungssignal Vm[n] durch Abtasten und Digitalisieren der momentanen Schwingspulenspannung an den Lautsprecheranschlüssen 211a, 211b erzeugt. Der A/D-Wandler 208 umfasst ferner einen zweiten Eingang, der ausgestaltet ist, einen an einen zweiten Eingang gelieferten analogen Schwingspulenstrom, Icoil, des Wandlers 208 abzutasten und zu digitalisieren. Das digitale Schwingspulenstromsignal Im[n] und das digitale Schwingspulenspannungssignal Vm[n] werden vorzugsweise mit derselben Abtastfrequenz abgetastet, die mit der ersten Abtastfrequenz des vorstehend erläuterten digitalen Audioeingangssignals identisch sein kann. Die Abtastfrequenz des digitalen Schwingspulenstromsignals Im[n] und des digitalen Schwingspulenspannungssignals Vm[n] kann alternativ niedriger sein als die erste Abtastfrequenz, zum Beispiel weniger als die Hälfte davon, um die Rechenlast eines digitalen Signalprozessors zu reduzieren, der das adaptive lineare digitale Modell 210 in der vorliegenden Tonwiedergabeanordnung 200 umsetzt. Dem Fachmann ist klar, dass der zumindest eine A/D-Wandler 208 einen Multiplexwandlertyp umfassen kann, der die Schwingspulenspannung und das analoge Schwingspulenstromsignal abwechselnd abtastet. Alternativ dazu kann der zumindest eine A/D-Wandler 208 zwei getrennte A/D-Wandler umfassen, die jeweils fest mit der Schwingspulenspannung und dem Schwingspulenstromsignal gekoppelt sind. Dem Fachmann ist klar, dass das Schwingspulenstromsignal von verschiedenen Stromsensortypen erzeugt werden kann, die ein Spannungs-, Strom- oder Ladungssignal erzeugen, das zu dem momentanen durch die Schwingspule fließenden Schwingspulenstrom proportional ist.
Im nichtlinearen Parameterblock 212 werden jeweilige nichtlineare Funktionen vorzugsweise auf einen oder mehrere der ankommenden Parameterwerte der adaptiven Lautsprecherparameter angewendet, um einen oder mehrere entsprechende nichtlinearitätskompensierte Parameterwerte zu berechnen. Der/die nichtlinearitätskompensierten Parameterwert(e) berücksichtigt das nichtlineare Verhalten bzw. die nichtlineare Eigenschaft des/der betreffenden Lautsprecherparameter(s) bezogen auf eine bestimmte Lautsprechervariable. Dies könnte zum Beispiel die nichtlineare Abhängigkeit des Kraftfaktors (B*l) des elektrodynamischen Lautsprechers von der Membranauslenkung oder eine nichtlineare Abhängigkeit des Kraftfaktors (B*l) des elektrodynamischen Lautsprechers vom Schwingspulenstrom sein.
Sicherlich werden ein paar wenige oder ein einzelner der durch das adaptive lineare digitale Lautsprechermodell 210 gelieferten ankommenden Parameterwerte der adaptiven Lautsprecherparameter der Wirkung der nicht-linearen Funktion(en) und des/der jeweiligen berechneten nichtlinearitätskompensierten Parameterwerte(s) unterworfen werden. Verbleibende ankommende Parameterwerte der verbleibenden adaptiven Lautsprecherparameter können ohne nichtlineare Kompensation belassen werden und im nichtlinearen Zustandsraummodell 214 direkt verwendet werden, also faktisch den nichtlinearen Parameterblock 212 umgehen. Dem Fachmann ist klar, dass die Verwendung einer großen Anzahl von nichtlinearen Funktionen im nichtlinearen Parameterblock 212 die Genauigkeit der berechneten Lautsprecherparameterwerte im nichtlinearen Zustandsraummodell generell verbessert. Diese verbesserte Genauigkeit kann jedoch auf Kosten einer erhöhten rechnerischen Last gehen. Infolgedessen variieren die Genauigkeitsanforderungen für die Auslenkungsvorhersage oder -schätzung bei verschiedenen Anwendungstypen und Benutzeranforderungen, so dass die Anzahl von nichtlinearen Funktionen, die in dem nichtlinearen Parameterblock 212 angewendet werden, an die anwendungsrelevanten Anforderungen angepasst wird. Der berechnete momentane Hub der Lautsprechermembran, x, wird an einen zweiten Eingang des nichtlinearen Parameterblocks 212 rückgeführt, um es letzterem zu ermöglichen, anhand eines vorhergehenden Wertes von x einen aktualisierten nichtlinearitätskompensierten Parameterwert bzw. -werte zu berechnen.
Die Eigenschaften der jeweiligen vorbestimmten nichtlinearen Funktionen wurden vorzugsweise in Zusammenhang mit bestimmten experimentellen Maßnahmen in einem geeigneten Satz oder einer geeigneten Sammlung repräsentativer elektrodynamischer Lautsprecher desselben Fabrikats und Modells wie der aktive elektrodynamische Lautsprecher 220 bestimmt. Die individuell bestimmte nichtlineare Beziehung zwischen der gewählten Lautsprechervariablen und dem jeweiligen Lautsprecherparameter wurde für jedes Lautsprecherexemplar während der Kalibriermessungen gemessen. Die durchschnittliche nichtlineare Funktionsbeziehung über das Los der repräsentativen elektrodynamischen Lautsprecher wurde bestimmt wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben wird. Diese durchschnittliche nichtlineare Funktionsbeziehung kann durch verschiedene Mechanismen definiert werden, wie etwa einen oder mehrere Polynomkoeffizienten, der eine zwischen die gewählte Lautsprechervariable und den betreffenden Lautsprecherparameter angepasste Polynomkurve darstellt. In einer anderen Ausführungsform kann die durchschnittliche nichtlineare Funktionsbeziehung durch eine Verweistabelle definiert werden, die die Lautsprechervariable in entsprechende nichtlinearitätskompensierte Werte des Lautsprecherparameters abbildet. Somit können mehrere Verweistabellen dazu verwendet werden, durchschnittliche nichtlineare Funktionsbeziehungen zwischen der Lautsprechervariablen und den jeweiligen nichtlinearitätskompensierten Parameterwerten der Lautsprecherparameter abzubilden. Die Verweistabelle(n) kann/können in einem geeigneten nichtflüchtigen Speicheradressraum der Tonwiedergabeanordnung oder zumindest einem nichtflüchtigen, zum Auslesen durch den DSP der Tonwiedergabeanordnung zugänglichen Speicheradressraum gespeichert sein. Dem Fachmann ist klar, dass sich in der letztgenannten Situation der nichtflüchtige Speicheradressraum in einer Datenspeichereinrichtung eines Anwendungsprozessors der tragbaren Kommunikationsvorrichtung befinden kann. In beiden Fällen wird der Inhalt der Verweistabelle bzw. -tabellen vorzugsweise aus dem zweckentsprechenden nichtflüchtigen Speicheradressraum in den nichtlinearen Parameterblock 212 eingelesen, zum Beispiel in Verbindung mit der Initialisierung der Tonwiedergabeanordnung 200.
Die Messung und anschließende Verwendung dieser durchschnittlichen nichtlinearen Beziehungen zwischen der gewählten Lautsprechervariablen und dem betreffenden Lautsprecherparameter im nichtlinearen Parameterblock 212 ist vorteilhaft, da dadurch die Notwendigkeit entfällt, komplexe Kalibriermessungen durchführen zu müssen, um das nichtlineare Verhalten des/der Lautsprecherparameter(s) während der Herstellung der tragbaren Kommunikationsvorrichtung oder im aktiven oder Online-Betrieb der Anordnung während der Wiedergabe von Sprach- und Musiksignalen zu bestimmen.
Die Wirkung der adaptiven oder Nachführungseigenschaft der Parameterwerte der mehreren durch das lineare adaptive digitale Lautsprechermodell 210 berechneten linearen Lautsprecherparameter besteht darin, dass das lineare, wenngleich zeitveränderliche, Lautsprechermodell über die Zeit genau bleibt, trotz Veränderungen der Umweltbedingungen, wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur, Materialalterung und Veränderungen der akustischen Betriebsbedingungen des Lautsprechers (zum Beispiel Gehäuseleckage). Das lineare adaptive digitale Modell 210 ist in der Lage, solche durch diese Faktoren verursachte relativ langsam variierenden Veränderungen der Parameterwerte der adaptiven Lautsprecherparameter nachzuführen. Andererseits bleibt es, um eine genaue Bestimmung des momentanen Hubs der Lautsprechermembran vorzunehmen, und dadurch die oben beschriebenen mechanischen Schäden verhindern zu können, äußerst vorteilhaft, ein nichtlineares Modell des Lautsprechers zu verwenden, so dass große signalinduzierte nichtlineare Auswirkungen der Parameterwerte der Lautsprecherparameter angemessen berücksichtigt werden. Das letztgenannte Merkmal ermöglicht es, den momentanen Hub der Lautsprechermembran, x, trotz ausgeprägter Nichtlinearitäten der relevanten Lautsprecherparameter genau zu bestimmen oder schätzen. Wichtige Lautsprecherparameter, wie der Kraftfaktor (B*l) und die Aufhängungsnachgiebigkeit oder -steifigkeit beeinflussen den Membranhub und zeigen ein hubabhängiges Verhalten bzw. eine hubabhängige Eigenschaft dahingehend, dass der Wert des Kraftfaktors mit zunehmendem Membranhub bzw. -auslenkung abnimmt. Ebenso nimmt der Wert der Aufhängungsnachgiebigkeit mit zunehmendem Membranhub für typische Lautsprecherkonstruktionen ab.
Ein dritter Eingang des nichtlinearen Zustandsraummodells 214 empfängt das digitale Audioeingangssignal vom Eingangsanschluss 201, und das nichtlineare Zustandsraummodell 214 schätzt anhand des digitalen Audioeingangssignals, der Parameterwerte und des nichtlinearitätskompensierten Parameterwerts oder Parameterwerten des adaptiven Lautsprecherparameters den momentanen Membranhub, x, und führt diese Größe der oben erörterten Amplituden- oder Pegelbegrenzerfunktion zu. Die Pegelbegrenzerfunktion 204 vergleicht den geschätzten momentanen Membranhub, x, mit einer vorbestimmten Hubgrenze oder -schwelle. Die vorbestimmte Hubgrenze oder -schwelle gibt typischerweise die/den maximal zulässige(n) oder empfohlene(n) Membranauslenkung oder Membranhub für den jeweiligen Typ von Lautsprecher 220 an. Die maximal zulässige oder empfohlene Membranauslenkung kann also gemäß den Empfehlungen des Lausprecherherstellers eingestellt werden.
Wenn der momentane Membranhub, x, kleiner ist als die vorbestimmte Hubgrenze, dann kann die Pegelbegrenzerfunktion 204 das verzögerte digitale Audioeingangssignal ohne Abschwächung oder Pegelbegrenzung an den Eingang des Endverstärkers 206 übermitteln. Andererseits ist die Pegelbegrenzerfunktion 204 dazu eingerichtet, das verzögerte Audioeingangssignal vor der Übermittlung an den Endverstärker 206 abzuschwächen oder zu begrenzen wenn der momentane Membranhub, x, die vorbestimmte Hubgrenze überschreitet. Die Abschwächung wird vorzugsweise durch selektives Abschwächen eines niederfrequenten Subbands des verzögerten digitalen Audioeingangssignals, wie etwa einem Niederfrequenzband unterhalb 800 Hz oder 500 Hz, bewirkt, während höhere Frequenzen unabgeschwächt bleiben. Dies ist oft zu Schutzzwecken sehr wirkungsvoll, da niederfrequente Audiosignalkomponenten am ehesten dazu tendieren die Lautsprechermembran außerhalb ihre maximale Hubbegrenzung treiben. Das Niederfrequenzband kann alle Frequenzen unterhalb einer bestimmten Schwellenfrequenz, wie etwa 800 Hz oder 500 Hz, oder nur ein einzelnes Niederfrequenzband, wie etwa das Drittel-Oktavband, um eine Mittenfrequenz wie etwa 400 Hz oder 300 Hz im Niederfrequenzbereich umfassen. In einer anderen Ausführungsform gibt es keine Kleinsignal-Abschwächung des Niedrigfrequenzbands, sondern es wird stattdessen ein nichtlinearer Amplitudenpegelbegrenzer auf das verzögerte digitale Audioeingangssignal angewendet, um den Spitzenpegel zum Beispiel durch automatische Verstärkungssteuerung oder möglicherweise einen Spitzenbegrenzer zu begrenzen.
Dem Fachmann ist klar, dass jede der oben ausgeführten Signalverarbeitungsschaltungen, -funktionen oder -modelle 202, 204, 210, 212, 214 und 216 als Satz von ausführbaren Programmbefehlen oder Programmroutinen umgesetzt werden kann, die auf einem durch Software programmierbaren Mikroprozessorkern oder DSP-Kern ausgeführt werden. In den letztgenannten Ausführungsformen kann das adaptive lineare digitale Lautsprechermodell 210 durch einen dedizierten Satz von ausführbaren Programmbefehlen und eine Mehrzahl von Datenspeicherstellen, die die mehreren adaptierbaren Modellparameter des Modells 210 gespeichert halten umgesetzt werden. Dem Fachmann wird sich erschließen, dass der programmierbare DSP-Kern zusammen mit dem zuvor erörterten Anwendungsprozessor des tragbaren Kommunikationsendgerät integriert werden kann, oder als separater programmierbarer oder festverdrahteter DSP-Kern umgesetzt werden kann, der ausgestaltet ist, die oben beschriebenen Signalverarbeitungsschaltungen, -funktionen oder -modelle 202, 204, 210, 212, 214 und 216 auszuführen. Dem Fachmann wird sich erschließen, dass einige der Signalverarbeitungsschaltungen, -funktionen oder -modelle 202, 204, 210, 212, 214 und 216 als jeweilige Sätze von ausführbaren Programmbefehlen umgesetzt werden können, während verbleibende Signalverarbeitungsschaltungen, -funktionen oder -modelle als separate fest verdrahtete digitale Logikschaltungen mit zweckmäßig ausgestalteter digitaler sequentieller und Kombinationslogik umgesetzt werden können. Die festverdrahtete digitale Logikschaltung kann auf einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) integriert sein, oder durch programmierbare Logik oder eine Kombination davon ausgestaltet sein.
Die Tonwiedergabeanordnung 200 umfasst eine(n) fakultative(n) Signaladaptionssteuerungs-Prozessfunktion oder Block 216, der ausgestaltet ist, die zuvor erörterte Adaption der adaptiven Lautsprecherparameter des adaptiven linearen digitalen Lautsprechermodells 210 unter bestimmten ungünstigen Bedingungen des digitalen Audioeingangssignals zu unterbrechen oder anzuhalten. Der Signaladaptionssteuerblock 216 vergleicht vorzugsweise das Audioeingangssignal mit einem vorbestimmten Signalpegelkriterium und/oder einem vorbestimmten Spektralkriterium und unterbricht die Adaption der mehreren adaptiven Lautsprecherparameter anhand eines Ergebnisses des Vergleichs. Der Signaladaptionssteuerblock 216 kann zum Beispiel aufeinanderfolgende Signalspektren des digitalen Audioeingangssignals berechnen und die berechneten Signalspektren jeweils mit dem Spektralkriterium vergleichen. Wenn das Signalspektrum des digitalen Audioeingangssignals eine kleinere Bandbreite aufweist als die durch das vorbestimmte Spektralkriterium voreingestellte Signalbandbreite, dann wird die Adaption unterbrochen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Adaption der mehreren adaptiven Lautsprecherparameter unterbrochen wird, wenn es sich bei dem digitalen Audioeingangssignal um ein Reinton- oder anderes schmalbandiges Audiosignal handelt, das dazu tendiert, adaptive Filteralgorithmen wie den Least-Mean-Squares-Algorithmus zum Entgleisen zu bringen. Dieser Typ von adaptiven Filteralgorithmen kann von dem adaptiven linearen digitalen Lautsprechermodell 210 angewendet werden, wie nachstehend ausführlicher ausgeführt wird.
Die Tonwiedergabeanordnung 200 wird von einer positiven Versorgungsspannung V_DD mit Betriebsleistung versorgt. Eine negative Versorgungsspannung für den Lautsprecherhubdetektor 200 kann durch Masse (nicht gezeigt) oder eine negative Gleichspannung ausgebildet sein. Die Gleichspannung von V_DD kann, je nach der jeweiligen Anwendung der Tonwiedergabeanordnung 200 beträchtlich variieren und kann typischerweise auf eine Spannung zwischen 1,5 Volt und 100 Volt eingestellt werden. Ein Taktsignaleingang, f:clk, stellt eine Taktfrequenz des A/D-Wandlers 208 ein.
3 zeigt ein detailliertes schematisches Blockschaltbild der in dem in 2 gezeigten adaptiven linearen digitalen Lautsprechermodell 210 angewendeten bevorzugten Signalverarbeitungsfunktionen. Gleiche Merkmale in 2 und 3 wurden zum besseren Vergleich mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie oben ausgeführt, werden das digitale Schwingspulenstromsignal Im[n] und das digitale Schwingspulenspannungssignal Vm[n] jeweiligen Eingängen des adaptiven digitalen Lautsprechermodells 210 zugeführt. Die Im[n]- und VM[n]-Signale werden jeweils durch ein digitales Tiefpassfilter 301 tiefpassgefiltert und einem Eingang eines Dezimierers 303 zugeführt, der die Abtastfrequenz der Im[n]- und VM[n]-Signale jeweils von der ersten Abtastfrequenz des digitalen Audioeingangssignals auf eine wesentlich niedrigere Abtastfrequenz, wie etwa weniger als 0,5mal, 0,25mal oder 0,125mal die erste Abtastfrequenz, reduziert. Durch diese kombinierte Tiefpassfilterung und Abtastratenverringerung wird die Abtastrate der Signale im adaptiven linearen digitalen Lautsprechermodell 210 und anderen Signalverarbeitungsfunktionen der Anordnung reduziert, was zu einer Verringerung der Rechenlast und reduziertem Stromverbrauch führt.
Die tiefpassgefilterten und dezimierten Im[n]- und VM[n]-Signale werden an einen internen Signalberechnungsblock 305 geliefert, der ein Kraftsignal F und ein Schwingspulenspannungssignal V ableitet oder berechnet, die einem adaptiven digitalen Impedanz- oder Admittanzmodell 307 des elektrodynamischen Lautsprechers zugeführt werden. Der adaptive Betrieb des adaptiven digitalen Impedanzmodells 307 wird nachfolgend mit Bezug auf 4 noch ausführlicher erläutert. Das adaptive digitale Impedanzmodell 307 ist ausgestaltet, die dargestellten vier adaptiven Modellparameter, R_DC (Gleichstromwiderstand der Schwingspule); B*l (Kraftfaktor) und a1 und a2, bei denen es sich um im Folgenden beschriebe Z-Domänen-Impedanzmodellparameter handelt, adaptiv zu berechnen und auszugeben. Jeder Parameterwert der vier adaptiven Modellparameter wird in Verarbeitungsblock 309 fakultativ mit bestimmten vorbestimmten Parametergrenzen verglichen, um zu verifizieren, dass das adaptive digitale Impedanzmodell 307 richtig zu arbeiten scheint, zum Beispiel, dass das Impedanzmodell nicht divergiert und sinnvolle Parameterwerte ausgibt. Der Verarbeitungsblock 309 kann bestimmte lautsprecherspezifische Daten enthalten, die die Adaptionsgeschwindigkeit des adaptiven digitalen Impedanzmodells 307 verbessern.
Die berechneten Werte der vier adaptiven Modellparameter werden anschließend an ein Lautsprechermodell 311 übermittelt, das die vier adaptiven Modellparameter in zuvor erörterte mehrere Parameterwerte der mehreren vom linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodell 210 ausgegebenen adaptiven Lautsprecherparameter umwandelt. In der vorliegenden Ausführungsform wurde das Lautsprechermodell 311 ausgestaltet, die folgenden fünf in der Figur dargestellten adaptiven Lautsprecherparameter zu berechnen: R_DC (elektrischer Gleichstromwiderstand der Schwingspule); B*l (Kraftfaktor); R_MS (mechanische Gesamtdämpfung): K_MS (mechanische Gesamtsteifigkeit) und Q_TS (gesamter Dämpfungsfaktor). Dem Fachmann ist klar, dass in anderen Ausführungsformen der Erfindung andere adaptive Lautsprecherparameter gewählt werden können, vorausgesetzt, die Parameterwahl gibt dem nichtlinearen Zustandsraummodell 214 ausreichend detaillierte Lautsprecherinformationen.
Ein Schutzsystemblock oder eine Schutzsystemfunktion 313 umfasst die zuvor erörterte Amplituden- oder Pegelbegrenzerfunktion 204, die gemäß dem berechneten oder geschätzten Wert des vom nichtlinearen Zustandsraummodell 214 berechneten momentanen Hubs arbeitet. Dem Fachmann wird sich erschließen, dass der Schutzsystemblock 313 vorzugsweise weitere Schutzmechanismen für den elektrodynamischen Lautsprecher umfasst, wie etwa Wärmeschutz, was jedoch außerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung liegt.
4 ist eine detaillierte Ansicht von internen Signalverarbeitungskomponenten oder Rechenblöcken des zuvor erörterten adaptiven digitalen Impedanz- oder Admittanzmodells 307 des elektrodynamischen Lautsprechers. Das adaptive digitale Impedanz- oder Admittanzmodell 307 des elektrodynamischen Lautsprechers umfasst ein adaptives IIR-Filter 401 zweiter Ordnung, das eine zeitveränderliche Impedanz, die unter anderem eine Grundresonanzfrequenz des Lautsprechers reflektiert, der Schwingspule des elektrodynamischen Miniaturlautsprechers adaptiv nachführt oder modelliert. Das zuvor erörterte digitale Schwingspulenstromsignal Im[n] wird einem ersten Eingang des adaptiven digitalen Lautsprechermodells 210 zugeführt und das digitale Schwingspulenspannungssignal Vm[n] wird einem zweiten Eingang des adaptiven digitalen Impedanzmodells 307 zugeführt. Die (nicht gezeigten) Parameterausgänge des adaptiven digitalen Impedanz- oder Admittanzmodells 307 sind die zuvor erörterten vier adaptiven Modellparameter R_DC (Gleichstromwiderstand der Schwingspule); B*l (Kraftfaktor) und a1 und a2. Diese vier adaptiven Modellparameter sind in den inneren Rechenblocks 401, 403 und 405 dargestellt.
Das adaptive Impedanzmodell 307 umfasst die folgenden Modellparameter des elektrodynamischen Lautsprechers:

Ve[n]:: Schätzung der Schwingspulenspannung oder Ansteuerspannung;
R_DC:: elektrischer Gleichstromwiderstand der Schwingspule;
Bl:: Kraftfaktor des Lautsprechers (B·l Produkt);
M_MS:: gesamte mechanische bewegte Masse (einschließlich akustischer Belastung);
K_MS:: mechanische Gesamtsteifigkeit;
R_MS:: mechanische Gesamtdämpfung;

Das adaptive IIR-Filter 401 ist ein Filter zweiter Ordnung und wird der Einfachheit halber vorzugsweise durch seine mechanische Beweglichkeitsübertragungsfunktion Y_m(z) in der Z-Domäne ausgedrückt, wie durch die untere Beweglichkeitsgleichung dargestellt. Die Gesamtwirkungsweise des adaptiven digitalen Impedanzmodells 307 liegt darin, dass mit einem Parameternachführungs-Algorithmus angestrebt wird, die Schwingspulenspannung V_e[n] anhand einer Messung des Schwingspulenstroms Im[n] und eines vorgewählten Impedanzmodells des Lautsprechers vorherzusagen. Dem Fachmann ist klar, dass das vorliegende adaptive digitale Impedanzmodell 307 auf einen in einem abgedichteten Gehäuse montierten elektrodynamischen Lautsprecher anwendbar ist. Aus einer Differenz zwischen dem gemessenen, tatsächlichen Schwingspulenspannungssignal Vm[n] und einer durch das Modell generierten Schätzung desselben, V_e[n], wird ein Fehlersignal V_ERR[n] erhalten. Dem Fachmann wird sich erschließen, dass verschiedene adaptive Filterverfahren, wie LMS verwendet werden können, um freie Modellparameter im gewählten Lautsprecherimpedanzmodell zu adaptieren, um das Fehlersignal V_ERR[n] zu minimieren. Die freien Modellparameter werden vorzugsweise kontinuierlich an den DSP übertragen, und wenn das Fehlersignal ausreichend klein wird, zum Beispiel ein vorbestimmtes Fehlerkriterium erfüllt, wird angenommen, dass die adaptierten Modellparameter richtig sind. Dadurch dass einer der in Block 401 von 4 dargestellten vier Parameter Bl, M_MS, K_MS und R_MS fix gehalten wird, können die verbleibenden drei Parameter dadurch bestimmt werden, dass die Beziehung zwischen Im[n] und Vm[n] ermittelt wird. Aus mathematischer Sicht ist es unwichtig, welcher dieser drei Parameter fix ist, aber die gesamte bewegte Masse M_MS ist typischerweise eine gute Wahl, da sie hinsichtlich herstellungsbedingter Streuung und Veränderung über Zeit und Temperatur oft der stabilste dieser Parameter ist.
5 umfasst einen Graphen 501 eines experimentell gemessenen durchschnittlichen nichtlinearen Verhaltens eines Kraftfaktors (B*l) gegen die durch die Kurve 511 angegebene Membranauslenkung. Die gespiegelte Kurve 513 ist lediglich eine Hilfskurve, die vom Messsystem berechnet und dargestellt wird, um eine optische Bewertung des Symmetriegrads der abgebildeten nichtlinearen Beziehung zu ermöglichen. Dasselbe gilt für die gespiegelte Kurve 613 von 6. Die Durchschnittskurve 501 wurde durch Messung und Mitteln des individuellen Kraftfaktors gegen die Membranauslenkungscharakteristiken für 5 repräsentative Lautsprecherexemplare desselben Fabrikats und Modells wie des in 1 dargestellten elektrodynamischen Lautsprechers 1 erhalten. Die fünf Lautsprecherexemplare wurden aus verschiedenen Produktionsserien oder -losen ausgewählt, um Variationen der Lautsprecherparameter im Verlauf der Fertigung mit einzubeziehen. Die individuellen Kraftfaktor-gegen-Membranauslenkung-Charakteristiken für die 5 repräsentativen Lautsprecherexemplare wurden jeweils mit einem Laser-Auslenkungssensor gemessen, der Bestandteil des eingesetzten KLIPPEL R&D SYSTEMs für die Charakterisierung von Lautsprechern ist. Die Ergebnisse dieser individuellen Kraftfaktor-gegen-Membranauslenkung-Charakteristiken wurden in ein von den Erfindern entwickeltes proprietäres Softwareanalyseprogramm exportiert, zum Beispiel auf der Basis von MATLAB. Das Softwareanalyseprogramm berechnete einen durchschnittlichen gemessenen Kraftfaktor für die 5 repräsentativen Lautsprecherexemplare und stellte die grafische Anzeige des im Graphen 501 abgebildeten Ergebnisses bereit. Die Y-Achse zeigt den gemessenen durchschnittlichen Kraftfaktor auf einer dimensionslosen relativen Skala und die X-Achse zeigt den Membranhub oder die Membranauslenkung, x, in mm in Richtung nach außen und nach innen. Der Kraftfaktor (B*l) wurde entsprechend für einen Bereich von +/–0,45 mm Membranauslenkung gemessen. Wie durch die durchschnittliche Kraftfaktor-gegen-Membranauslenkung-Kurve 511 gezeigt ist, besteht eine erhebliche Variation, in einer Größenordnung von 40%, des gemessenen durchschnittlichen Kraftfaktors über den gezeigten Auslenkungsbereich. Eine Polynomkurven-Anpassung der durchschnittlichen Kraftfaktor-gegen-Membranauslenkung-Kurve 511 wurde errechnet und das Ergebnis in Box 503 dargestellt. Die berechneten entsprechenden Polynomkoeffizienten von Grad Null bis Grad vier wurden jeweils als Bl0, Bl1, Bl2, Bl3 bzw. Bl4 dargestellt. BI0 entspricht einem normalisierten Kraftfaktor für Null Auslenkung der Lautsprechermembran und dieser Wert wird, wie nachfolgend erörtert, adaptiv bestimmt. Die Kraftfaktor-gegen-Membranauslenkung-Kurve 511 zeigt um Null Auslenkung (x = 0) herum eine ausgeprägte Asymmetrie, die durch magnetische und mechanische Konstruktionsdetails der betreffenden Lautsprecher verursacht wird.
6 zeigt einen Graphen 601, in dem ein experimentell gemessenes durchschnittliches nichtlineares Verhalten einer mechanischen Gesamtnachgiebigkeit (C_MS) gegen die durch Kurve 611 angegebene Membranauslenkung dargestellt ist. Die mechanische Gesamtnachgiebigkeit (C_MS) des Lautsprechers ist der reziproke Betrag des zuvor erörterten Lautsprecherparameters der mechanischen Gesamtsteifigkeit K_MS. Die Durchschnittskurve 601 wurde durch eine zweistufige Vorgehensweise erhalten, die umfasst, zunächst mittels des KLIPPEL R&D SYSTEMs für die Charakterisierung von Lautsprechern für jedes der oben erörterten 5 repräsentativen Lautsprecherexemplare die Charakteristiken der individuellen mechanischen Gesamtnachgiebigkeit gegen die Membranauslenkung zu messen. In einem nächsten Schritt wurden diese individuellen Charakteristiken der mechanischen Gesamtnachgiebigkeit gegen die Membranauslenkung in das obengenannte proprietäre Softwareanalyseprogramm exportiert und die im Graphen 601 dargestellte durchschnittliche mechanische Gesamtnachgiebigkeit gegen die Membranauslenkung errechnet. Die Y-Achse des Graphen 601 zeigt die gemessene durchschnittliche mechanische Gesamtnachgiebigkeit in mm/N, und die X-Achse zeigt den Membranhub oder die Membranauslenkung, x, in mm in Richtung nach außen und nach innen. Die mechanische Gesamtnachgiebigkeit wurde demnach über einen Bereich von +/–0,45 mm Membranauslenkung gemessen. Wie durch die Kurve 611 gezeigt ist, besteht eine erhebliche Variation, in einer Größenordnung von 20%, der gemessenen mechanischen Gesamtnachgiebigkeit über den gezeigten Auslenkungsbereich. Eine Polynomkurven-Anpassung der durchschnittlichen mechanischen Gesamtnachgiebigkeit-gegen-Membranauslenkung-Kurve 611 kann in ähnlicher Weise wie der zuvor beschrieben berechnet werden.
Der Graph 701 von 7 zeigt mehrere individuell gemessene Kurven des Kraftfaktors (B*l) gegen die Membranauslenkung für mehrere repräsentative elektrodynamische Lautsprecher in nicht normalisierter Darstellung. Die Y-Achse zeigt den gemessenen durchschnittlichen Kraftfaktor auf einer dimensionslosen relativen Skala und die X-Achse zeigt den Membranhub oder die Membranauslenkung, x, in mm in Richtung nach außen und nach innen. Bei diesem Beispiel beträgt die Anzahl der repräsentativen elektrodynamischen Lautsprecher etwa 20, es können aber, wie durch das obige Beispiel mit nur 5 repräsentativen elektrischen Lautsprechern angegeben, weniger oder mehr Lautsprecher verwendet werden, um das gewünschte durchschnittliche nichtlineare Verhalten des Kraftfaktors abzuleiten. Die individuellen Kraftfaktor-gegen-Membranauslenkung-Kurven oder -Charakteristiken wurden mit dem zuvor erörterten Laser-Auslenkungssensor für die Charakterisierung von Lautsprechern gemessen. Die nichtlineare Beziehung oder Funktion zwischen Kraftfaktor und Membranauslenkung für jeden der getesteten repräsentativen elektrodynamischen Lautsprecher ist aus der Krümmung der gezeigten Kurven auf dem Graphen 701 ersichtlich. Der Kraftfaktor (B*l) wurde demnach über einen Bereich von +/–0,20 mm Membranauslenkung gemessen. Um die gewünschte durchschnittliche nichtlineare Funktion zwischen dem Kraftfaktor und der Membranauslenkung abzuleiten oder zu bestimmen, werden folgende Schritte ausgeführt: für jeden der repräsentativen Lautsprecher werden die graphisch durch die abgebildeten Kraftfaktorkurven des Graphen 701 dargestellten mehreren Kraftfaktorwerte gegen Membranauslenkungswerte in einer geeigneten Recheneinrichtung aufgezeichnet. Die für jeden der repräsentativen Lautsprecher gemessene Kraftfaktorkurve wird dann durch vertikales Versetzen oder Ziehen des Kurvenfaktors, d. h. entlang der Kraftfaktorachse nach oben oder unten, auf einen beliebigen Referenzwert der Membranauslenkung (d h. in dieser Ausführungsform die gewählte Lautsprechervariable), wie etwa eine Membranauslenkung von Null wie im Graphen 703 gezeigt, normalisiert. Jede der gemessenen Kraftfaktorkurven wird wie nötig nach oben oder unten gezogen, bis der Wert bei Null Membranauslenkung den beliebig gewählten Referenzwert erreicht, wodurch alle verschobenen Kraftfaktorkurven 707 denselben beliebig gewählten Kraftfaktorwert bei Null Membranauslenkung schneiden, wie durch Bezugszahl 705 auf dem Graphen 703 angegeben. In einem darauffolgenden Schritt wird der durch die Kraftfaktorkurven von Graph 703 dargestellte und abgebildete Durchschnittswert der normalisierten Kraftfaktorwerte berechnet und kann durch eine einzelne Durchschnittskraftfaktorkurve 803, die auf dem Graphen 801 von 8 gezeigt ist, grafisch dargestellt werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Durchschnittswert der normalisierten Kraftfaktorwerte für jeden Membranauslenkungswert berechnet, mit Summierung der normalisierten Kraftfaktorwerte aller repräsentativer Lautsprecher und Teilen durch die Anzahl der repräsentativen Lautsprecher, d.h. im Wesentlichen Berechnen eines arithmetischen Mittelwerts des Kraftfaktors. Dem Fachmann ist aber klar, dass andere Berechnungsmethoden angewendet werden können, um den Durchschnittswert der normalisierten Kraftfaktoren zu berechnen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann für die Darstellung des Durchschnittswerts der Mittelwert der normalisierten Kraftfaktorwerte bei jedem Membranauslenkungswert verwendet werden.
Schließlich kann eine Polynomfunktion, wie oben in Zusammenhang mit 5 erörtert, auf die durch Kurve 803 auf dem Graphen 801 dargestellten normalisierten Durchschnittkraftfaktorwerte angewendet werden, um die durchschnittliche nichtlineare Beziehung zwischen Kraftfaktor und Membranauslenkung der repräsentativen Sammlung von Lautsprechern darzustellen. Die entsprechenden Polynom-Koeffizienten können durch eine geeignete Polynomkurven-Anpassung bestimmt werden, wie oben erörtert. Der adaptive Wert des von dem oben erörterten linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodell ausgegebenen BI-Produkt wird somit auf die bestimmte Polynomfunktion des nichtlinearen Zustandsraummodells angewendet, um eine Berechnung des entsprechenden nichtlinearitätskompensierten Werts des BI-Produkts zu erstellen. Dieser nichtlinearitätskompensierte Wert des BI-Produkts wird im nichtlinearen Zustandsraummodell verwendet, um die Genauigkeit der berechneten Membranauslenkung x zu verbessern, die der Audiopegelbegrenzungsschaltung oder -funktion 204 von 2 eingegeben wird.
Die in Zusammenhang mit der Bestimmung der nichtlinearen Durchschnittsfunktion durchgeführte Normalisierung ist ein Vorteil der vorliegenden Methodik zur Schätzung des Membranhubs, da sie sich die in Zusammenhang mit 2 beschriebene adaptive Natur des linearen adaptiven digitalen Modells 210 des elektrodynamischen Lautsprechers zunutze macht. Das lineare adaptive digitale Modell 210 berechnet eine genaue Schätzung des Werts des Kraftfaktors, oder jedes anderen gewählten Lautsprecherparameters, bei Null Membranhub über die Zeit, so dass der letztgenannte Wert trotz der zuvor erörterten langsamen zeitlichen Veränderungen dieses Lautsprecherparameters genau bleibt. Die nichtlineare Funktion kann somit dazu verwendet werden, den nichtlinearitätskompensierten Wert des BI-Produkts zu bestimmen, indem der durch das lineare adaptive digitale Modell bereitgestellte aktuelle Wert des BI-Produkts als Konstantenteil, BI = 0, der Polynomfunktion 503 von 5 eingesetzt wird. Der gewünschte nichtlinearitätskompensierte Wert des BI-Produkts als absoluter Wert kann in dem nichtlinearen Zustandsraummodell direkt berechnet werden, indem die bereits bestimmten Polynomkoeffizienten und der vorige Wert des Membranhubs x verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Schätzung eines Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers, mit den Schritten: Empfangen eines Audioeingangssignals und Erzeugen eines darauf basierenden Audioausgangssignals, Zuführen des Audioausgangssignals an die Schwingspule des elektrodynamischen Lautsprechers durch einen Endverstärker, zur Erzeugung von Schall, Bestimmen einer Schwingspulenspannung an der Schwingspule, Erfassen eines Schwingspulenstroms in Reaktion auf die Schwingspulenspannung, Zuführen des erfassten Schwingspulenstroms und der bestimmten Schwingspulenspannung an ein lineares adaptives digitales Lautsprechermodell, das mehrere adaptive Lautsprecherparameter umfasst, Berechnen mehrerer Parameterwerte der mehreren jeweiligen adaptiven Lautsprecherparameter anhand des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells, Zuführen der mehreren Parameterwerte an ein nichtlineares Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers, Anwenden, im nichtlinearen Zustandsraummodell, einer vorbestimmen nichtlinearen Funktion, die eine nichtlineare Beziehung zwischen einem Lautsprecherparameter und einer vorbestimmten Lautsprechervariablen darstellt, auf zumindest einen der mehreren empfangenen Parameterwerte, um zumindest einen nichtlinearitätskompensierten Parameterwert zumindest eines adaptiven Lautsprecherparameters zu berechnen, Zuführen des Audioeingangssignals an das nichtlineare Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers, Bestimmen eines momentanen Hubs der Membran anhand des Audioeingangssignals und des nichtlinearen Zustandsraummodells des elektrodynamischen Lautsprechers.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte nichtlineare Funktion eine durchschnittliche nichtlineare Beziehung zwischen dem zumindest einen Lautsprecherparameter und der durch nichtlineare Beziehungsmessungen an mehreren repräsentativen elektrodynamischen Lautsprechern gemessenen vorbestimmten Lautsprechervariablen darstellt.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach Anspruch 1 oder 2, wobei das lineare adaptive digitale Lautsprechermodell eines umfasst von: einem adaptiven IIR-Filter zweiter Ordnung oder höherer Ordnung, das mehrere adaptive Modellparameter umfasst, von denen die mehreren Parameterwerte der mehreren adaptiven Lautsprecherparameter abgeleitet sind; und einem adaptiven Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filter) von welchem die mehreren Parameterwerte der mehreren adaptiven Lautsprecherparameter abgeleitet sind.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das lineare adaptive digitale Lautsprechermodell zumindest einen fixen Parameter, wie etwa die gesamte bewegte Masse des elektrodynamischen Lautsprechers, umfasst.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren adaptiven Lautsprecherparameter zumindest einen Lautsprecherparameter umfassen, der gewählt ist aus: einem Kraftfaktor (B*l); einer Aufhängungsnachgiebigkeit oder -steifigkeit; einem Schwingspulenwiderstand; einer mechanischen Gesamtdämpfung; einer gesamten bewegten Masse, und einer Schwingspuleninduktanz.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die vorbestimmte Lautsprechervariable in der vorbestimmten nichtlinearen Funktion ein Membranhub oder eine Membranauslenkung ist, so dass die vorbestimmte nichtlineare Funktion eine hubabhängige nichtlineare Eigenschaft des elektrodynamischen Lautsprechers darstellt.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach Anspruch 6, wobei die mehreren adaptiven Lautsprecherparameter einen Kraftfaktor (B*l) umfassen; und die vorbestimmte nichtlineare Funktion eine gemessene Hubabhängigkeit des Kraftfaktors (B*l) darstellt, um einen nichtlinearitätskompensierten Kraftfaktorwert in das nichtlineare Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers einzubeziehen.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach Anspruch 6 oder 7, wobei die mehreren adaptiven Lautsprecherparameter eine mechanische Gesamtnachgiebigkeit oder -steifigkeit der Membran umfassen; und die vorbestimmte nichtlineare Funktion eine gemessene Hubabhängigkeit der mechanischen Gesamtnachgiebigkeit oder -steifigkeit darstellt, um eine nichtlinearitätskompensierte Membranaufhängungsnachgiebigkeit oder -steifigkeit in das nichtlineare Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers einzubeziehen.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach Anspruch 2, oder einem der Ansprüche 3 bis 8 wenn von Anspruch 2 abhängig, wobei die Anwendung der vorbestimmten nichtlinearen Funktion Schritte umfasst von: Bestimmen eines aktuellen Parameterwerts des zumindest einen von dem linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodell erhaltenen linearen adaptiven Lautsprecherparameters, Berechnen des zumindest einen nichtlinearitätskompensierten Parameterwerts als relative Anpassung des aktuellen Parameterwerts gemäß der vorbestimmten nichtlinearen Funktion.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach Anspruch 9, wobei die vorbestimmte nichtlineare Funktion einen oder mehrere Polynomkoeffiziente(n) umfasst, der eine zwischen den zumindest einen Lautsprecherparameter und die vorbestimmte Lautsprechervariable angepasste Polynomkurve darstellt.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach Anspruch 9 oder 10, wobei die vorbestimmte nichtlineare Funktion eine Verweistabelle umfasst, die mehrere Werte der vorbestimmten Lautsprechervariablen in entsprechende nichtlinearitätskompensierte Parameterwerte des zumindest einen Lautsprecherparameters abbildet.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs nach einem vorhergehenden Anspruch, mit den Schritten: Vergleichen des Audioeingangssignals mit einem von, einem vorbestimmten Pegelkriterium und einem vorbestimmten Spektralkriterium, Unterbrechen der Adaption der mehreren adaptiven Lautsprecherparameter des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells anhand eines Ergebnisses des Vergleichs.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach einem vorhergehenden Anspruch, mit den Schritten: Abtasten und Digitalisieren des Schwingspulenstroms, um ein digitales Schwingspulenstromsignal mit einer ersten Abtastfrequenz zu erzeugen, Abtasten und Digitalisieren der Schwingspulenspannung, um ein digitales Schwingspulenspannungssignal mit der ersten Abtastfrequenz zu erzeugen.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach einem vorhergehenden Anspruch, mit den Schritten: Empfangen des Audioeingangssignals als digitaler Audioeingang mit einer zweiten Abtastfrequenz, oder Empfangen, Abtasten und Digitalisieren des Audioeingangssignals um das digitale Audioeingangssignal mit der zweiten Abtastfrequenz zu erzeugen.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach Anspruch 14, wobei die erste Abtastfrequenz niedriger ist als die zweite Abtastfrequenz.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs eines elektrodynamischen Lautsprechers nach Anspruch 14 oder 15, mit den Schritten: vor Zuführen des digitalen Schwingspulenstromsignals und des digitalen Schwingspulenspannungssignals an das lineare adaptive digitale Lautsprechermodell: Tiefpassfiltern des digitalen Schwingspulenstromsignals, Tiefpassfiltern des digitalen Schwingspulenspannungssignals, Reduzieren der Abtastfrequenz des digitalen Schwingspulenstromsignals und des Schwingspulenspannungssignals jeweils von der ersten Abtastfrequenz auf eine zweite und niedrigere Abtastfrequenz.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs nach einem vorhergehenden Anspruch, mit einem weiteren Schritt eines Steuerns des Membranhubs durch: Vergleichen eines momentanen Membranhubs mit einem vorbestimmten Grenzkriterium und Begrenzen des Membranhubs gemäß einem Ergebnis des Vergleichs.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs nach Anspruch 17, wobei das vorbestimmte Grenzkriterium eine(n) maximalen Membranhub oder -auslenkung umfasst.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Schritt der Begrenzung des Membranhubs einen Schritt umfasst von: Abschwächen eines Pegels des Audiosignals in einem Subband des Audiosignals oder breitbandiges Abschwächen des Audiosignals.
Verfahren zur Schätzung des Membranhubs nach Anspruch 19, mit einem Schritt, vor dem Vergleichsschritt, eines Verzögerns des Audioeingangssignals mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit, wie etwa weniger als 8 ms.
Tonwiedergabeanordnung für einen elektrodynamischen Lautsprecher, mit: einem Audiosignaleingang zum Empfangen eines von einer Audiosignalquelle gelieferten Audioeingangssignals, einem Endverstärker, der ausgestaltet ist, das Audioeingangssignal zu empfangen und ein entsprechendes Audioausgangssignal als Schwingspulenspannung an einem mit einer Schwingspule eines elektrodynamischen Lautsprechers verbindbaren Paar von Ausgangsanschlüssen zu erzeugen, einem Stromerfasser, der ausgestaltet ist, einen in Reaktion auf das Zuführen der Schwingspulenspannung in den elektrodynamischen Lautsprecher fließenden Schwingspulenstrom zu erfassen; und einem Signalprozessor, der ausgestaltet ist zum: Zuführen des erfassten Schwingspulenstroms und der bestimmten Schwingspulenspannung an ein lineares adaptives digitales Lautsprechermodell, Berechnen mehrerer Parameterwerte der mehreren jeweiligen adaptiven Lautsprecherparameter anhand des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells, Zuführen der mehreren Parameterwerte an ein nichtlineares Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers, Anwenden, im nichtlinearen Zustandsraummodell, einer vorbestimmten nichtlinearen Funktion, die eine nichtlineare Beziehung zwischen einem Lautsprecherparameter und einer vorbestimmten Lautsprechervariablen darstellt, auf zumindest einen der mehreren empfangenen Parameterwerte, um zumindest einen nichtlinearitätskompensierten Parameterwert zu berechnen, Zuführen des Audioeingangssignals an das nichtlineare Zustandsraummodell des elektrodynamischen Lautsprechers, Bestimmen eines momentanen Hubs der Membran anhand des Audioeingangssignals und des nichtlinearen Zustandsraummodells des elektrodynamischen Lautsprechers.
Tonwiedergabeanordnung nach Anspruch 21, wobei der Signalprozessor zusätzlich ausgestaltet ist zum: Vergleichen des momentanen Membranhubs mit einem vorbestimmten Grenzkriterium und Begrenzen des Membranhubs anhand eines Ergebnisses des Vergleichs.
Tonwiedergabeanordnung nach Anspruch 21 oder 22, wobei der Stromerfasser einen ersten A/D-Wandler umfasst, der ausgestaltet ist, den Schwingspulenstrom abzutasten und zu digitalisieren, um ein digitales Schwingspulenstromsignal mit einer ersten Abtastfrequenz zu liefern.
Tonwiedergabeanordnung nach Anspruch 21, 22 oder 23, mit einem Schwingspulenspannungsdetektor, der einen zweiten A/D-Wandler umfasst, der ausgestaltet ist, die Schwingspulenspannung mit der ersten Abtastfrequenz abzutasten und zu digitalisieren, um ein digitales Schwingspulenspannungssignal zu erzeugen.
Tonwiedergabevorrichtung nach Anspruch 21, 22, 23 oder 24, wobei der Signalprozessor einen programmierbaren Mikroprozessor umfasst, der von einem Anwendungsprogramm steuerbar ist, das einen Satz ausführbarer Programmbefehle, die in einem Programmspeicher gespeichert sind, umfasst.
Tonwiedergabeanordnung nach Anspruch 25, wobei das Anwendungsprogramm umfasst: einen ersten Satz ausführbarer Programmbefehle die, wenn sie ausgeführt werden, die mehreren Parameterwerte der mehreren jeweiligen adaptiven Lautsprecherparameter des linearen adaptiven digitalen Lautsprechermodells berechnen.
Tonwiedergabeanordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, mit einem nichtflüchtigen Speicheradressraum, in dem eine Verweistabelle abgelegt ist, die die Lautsprechervariable in entsprechende nichtlinearitätskompensierte Parameterwerte des Lautsprecherparameters abbildet.
Tonwiedergabeanordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, wobei der Endverstärker eine Klasse-D-Leistungsstufe umfasst, die ausgestaltet ist, ein impulsmoduliertes Ausgangssignal zu erzeugen, zum Zuführen an die Schwingspulenspannung des elektrodynamischen Lautsprechers.
Halbleitersubstrat mit einer darauf integrierten Tonwiedergabeanordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 28.
Tonwiedergabeanordnungssystem mit: einem gehäusemontierten elektrodynamischen Lautsprecher mit einer beweglichen Membrananordnung zur Erzeugung von hörbarem Schall, in Reaktion auf eine Aktivierung der Membrananordnung, Tonwiedergabeanordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, die elektrisch mit der bewegten Membrananordnung gekoppelt ist, einer in Wirkverbindung mit dem Audiosignaleingang der Tonwiedergabeanordnung gekoppelten Audiosignalquelle.
Tragbare Kommunikationsvorrichtung mit einem Tonwiedergabesystem nach Anspruch 30.
Verfahren zum Bestimmen einer nichtlinearen Durchschnittsfunktion zwischen einem Lautsprecherparameter und einer Lautsprechervariablen eines elektrodynamischen Lautsprechers, mit den Schritten: a) Zuführen eines Testsignals an jeden Lautsprecher von mehreren elektrodynamischen Lautsprechern desselben Typs, wobei das Testsignal ausgestaltet ist, eine bestimmte Beziehung zwischen der Lautsprechervariablen und dem Lautsprecherparameter über einen vorbestimmten Bereich der Lautsprechervariablen anzuregen, b) Aufzeichnen von mehreren Parameterwerten der Lautsprecherparameter über den vorbestimmten Bereich der Lautsprechervariablen für jeden der mehreren Lautsprecher, c) Normalisieren der mehreren aufgezeichneten Parameterwerte des Lautsprecherparameters für jeden Lautsprecher auf einen gemeinsamen Referenzwert der Lautsprechervariablen, d) Berechnen eines Durchschnittswerts der mehreren normalisierten Parameterwerte der Lautsprechervariablen für die mehreren elektrodynamischen Lautsprecher desselben Typs über den vorbestimmten Bereich der Lautsprechervariablen zur Darstellung der nichtlinearen Durchschnittsfunktion zwischen dem Lautsprecherparameter und der Lautsprechervariablen.
Verfahren zum Bestimmen einer nichtlinearen Durchschnittsfunktion zwischen einem Lautsprecherparameter und einer Lautsprechervariablen gemäß Anspruch 32, wobei der Lautsprecherparameter eines umfasst von einem Kraftfaktor (B*l) und einer Aufhängungsnachgiebigkeit oder -steifigkeit der mehreren elektrodynamischen Lautsprecher desselben Typs; und die Lautsprechervariable umfasst eine(n) Membranhub oder -auslenkung der mehreren elektrodynamischen Lautsprecher desselben Typs.
Verfahren zum Bestimmen einer nichtlinearen Durchschnittsfunktion zwischen einem Lautsprecherparameter und einer Lautsprechervariablen nach Anspruch 32 oder 33, wobei Normalisieren der mehreren aufgezeichneten Parameterwerte nach Schritt c) umfasst: Erhöhen oder Reduzieren jedes der mehreren aufgezeichneten Parameterwerte für jeden Lautsprecher auf den gemeinsamen Referenzwert der Lautsprechervariablen, so dass alle Parameterwerte des Lautsprecherparameters im Wesentlichen auf dem gemeinsamen Referenzwert gleich sind.
Verfahren zum Bestimmen einer nichtlinearen Durchschnittsfunktion zwischen einem Lautsprecherparameter und einer Lautsprechervariablen nach Anspruch 34, wobei der Referenzwert der Lautsprechervariablen Null Membranhub ist.