KR20170140155A - 전류 제한을 이용하여 라우드 스피커를 제어하기 위한 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 재생될 오디오 신호를 위한 입력; 라우드 스피커용 여기(excitation) 신호를 공급하기 위한 공급 출력; 매 시간 순간(t)에서, 오디오 신호의 함수로서 상기 라우드 스피커용 여기 신호를 위해 적어도 하나의 예측된 전류((i_ref(t))을 계산하기 위한 계산 수단(26, 36, 38, 70, 71, 80, 90)을 구비하는, 라우드 스피커 엔클로저(enclosure) 내의 라우드 스피커(14)를 제어하기 위한 제어 디바이스에 관한 것이다.
디바이스는 예측된 전류의 함수인 감쇠 이득을 예측된 전류에 적용하여, 예측된 전류를 최대값보다 더 낮은 제한된 전류값으로 제한할 수 있는 감쇠기(71)를 구비한다.

Description

전류 제한을 이용하여 라우드 스피커를 제어하기 위한 디바이스

본 발명은, 라우드 스피커 엔클로저(enclosure) 내의 라우드 스피커를 제어하기 위한 제어 디바이스에 관한 것으로서, 재생될 오디오 신호를 위한 입력; 라우드 스피커용 여기(excitation) 신호를 공급하기 위한 공급 출력; 및 오디오 신호의 함수로서 라우드 스피커용 여기 신호를 위한 적어도 하나의 예측된 전류를 각각의 시간 수간(time instant)에 계산하기 위한 계산 수단을 구비한다.

아주 종종, 라우드 스피커들은 증폭기로부터 전압을 공급받는다. 방송될 사운드 신호에 기반하여, 전압 증폭기는 재생될 사운드 신호에 비례하는 라우드 스피커에 전압을 인가한다.

비례 이득은 사용자가 필요한 볼륨 이득 및 증폭기의 전압 이득에 의해 주어진다.

라우드 스피커를 통해 흐르는 전류는, 증폭기에 의해 배달되고, 라우드 스피커의 임피던스에 의존한다. 이러한 전류의 순간적인 진폭 제한은 증폭기 및/또는 라우드 스피커를 보호하기 위해 필요할 수 있다. 이러한 제한은 라우드 스피커에 의해 방송되는 사운드 신호의 가청 잡음(audible artifact)을 도입시키기 않고 달성되어야 한다.

업계에서 제안된 방법들은 아주 흔히 능동 및/또는 수동 전자 회로들의 조합에 기반한다. 수동 회로들은 조절 불가능하고, 디바이스의 정교한 조절과 제어가 허용되지 않고 작동 과정 동안의 변화들에 종속된다. 이들 능동 및/또는 수동 회로들의 작동 원리는, 아주 종종, 전류를 감소시키기 위해 라우드 스피커와 직렬로 연결된 저항 소자의 도입, 따라서 시스템 내의 부가적인 손실들의 도입으로 구성된다. 이러한 형태의 방법은 부가적인 전자 소자들을 대신하는 설비 내의 설정이 요구됨으로써, 더 비싸고, 더 용량이 많이 들고, 고장이 나기 쉽게 만든다.

방법들은, 라우드 스피커에 인가되는 전압에 기반하여 라우드 스피커의 전류를 추정한 후, 이러한 전류를 미리 결정된 임계값과 비교함으로써 전류가 이러한 임계값을 초과할 때 라우드 스피커에 인가되는 전압을 감소시키는 형태의, 라우드 스피커의 모델에 기반한다. 이러한 방법은 다음과 같은 2가지 문제점들에 봉착한다. 우선, 라우드 스피커는 복잡한 동적 전기기계적인 시스템이고 임계값의 정의는 복잡한 일이다. 그러면, 특정의 조건들하에서, 라우드 스피커에 인가되는 전압을 감소시키면 순간 전류를 감소시키는 것이 아니라 순간 전류를 증가시키는 효과를 가지게 될 것이다.

라우드 스피커에 인가되는 전압 또는 라우드 스피커의 멤브레인(다이어프램)의 변위를 제한하기 위한 제한 디바이스들은 문헌에 널리 개시되어 있다. 그것은 직접 진폭 제한용 압축기들(감쇠기들)로 알려진 디바이스들, 또는 간접 진폭 제한을 위해, 제한될 계량값(variable value)에 의해 제어되는 가변 주파수 필터들을 사용하는 디바이스들을 포함한다.

그러므로, 전류의 제한은 전류 센서, 또는 전압 및 라우드 스피커에 인가되는 전압의 제한을 위한 제한 디바이스들에 기반하여 전류의 추정을 위한 전류 추정 수단의 어느 하나를 도입한다. 이들 디바이스들은 상대적으로 복잡하고 라우드 스피커에 인가되는 전압의 수정에 의해, 사운드 재생의 품질에 악영향을 미친다.

본 발명은, 라우드 스피커를 위한 만족스러운 제어 수단을 제공하고, 작동상 구현이 간단하게 라우드 스피커에 인가되는 전류를 제한하는 것을 과제로 한다.

이를 위하여, 본 발명의 목적은 전술한 형태의 라우드 스피커를 제어하기 위한 제어 디바이스에 관한 것으로서, 예측된 전류의 함수인 감쇠 이득을 예측된 전류에 적용하여, 예측된 전류를 최대값보다 더 낮은 제한된 전류값으로 제한할 수 있는 감쇠기를 구비하는 점에 특징이 있다.

일부 특정의 실시예들에 따르면, 제어 디바이스는 하나 이상의 다음과 같은 특징적 특색들을 포함한다:

- 감쇠기는 제한된 전류의 값이 최대값보다 더 낮을 때 1의 값인 경향이 있는, 0 내지 1 사이의 감쇠 이득을 인가할 수 있다.

- 감쇠 이득은 다음 관계식을 만족한다:

만약, │i_ref(t)│ > i_max(t) 이면, g_att(t) = i_max(t)/│i_ref(t)│이다.

만약, │i_ref(t)│ ≤ i_max(t) 이면, g_att(t) = g_att(t-T_s)+k×(1-g_att(t-T_s))이다.

여기서, g_att(t-T_s)는 선행하는 계산 단계에서의 감쇠 이득의 값이고, T_s는 2개의 연속적인 계산들을 분리하는 시간이고;

k는 ]0, 1[에 포함된 상수이고;

i_max(t)는 전류를 위한 최대값이고;

i_ref(t)는 전류를 위한 예측된 값이다.

- 상기 디바이스는 인가될 전류에 기반하여 인가될 전압의 계산을 위한 계산 수단을 포함하고, 인가될 전압은 제한된 전류의 값에 의존한다.

- 상기 디바이스는, 예측된 전류를 계산하기 위한 계산 수단의 업스트림(upstream)에서, 주파수의 함수로서 모듈로부터 유래하는 입력 신호의 진폭에 대해 요구되는 신호의 진폭의 비율을 정의하는 필터링 함수를 적용할 수 있는 희망 모델을 포함하고, 상기 희망 모델은 예측된 전류의 필터링에 기반하여 함수를 수정할 수 있다.

- 필터링 함수는 차단 주파수보다 낮은 주파수들을 위하여, 주파수가 영(zero)인 경향일 때 진폭들의 비율이 영으로 수렴하는 함수이고 희망 모델이 예측된 전류의 함수로서 차단 주파수를 변경할 수 있는 그러한 것이다.

- 희망 모델은 희망 주파수 대역 내의 전류를 대략 미리결정된 주파수로 감소시킬 수 있는, 미리결정된 주파수에 초점을 맞춘 필터를 포함한다.

- 희망 모델은 예측된 전류의 함수로서 필터의 이득을 변경할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 예시적으로부터 제공된 이어지는 상세한 설명을 읽을 때 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 사운드 재생 장비의 개략도이다.
도 2는 설비를 위한 사운드 재생의 희망 모듈을 예시하는 곡선이다.
도 3은 라우드 스피커를 제어하기 위한 제어 유니트의 개략도이다.
도 4는 구조적 조절 유니트의 상세도이다.
도 5는 동적 참조 변수들의 계산을 위한 계산 유니트의 상세도이다.
도 6은 벤트가 설비된 라우드 스피커 엔클로저 내에서 그 제어에 영향을 줄 목적으로 라우드 스피커의 기계적 모델링을 나타내는 회로도이다.
도 7은 그 제어에 영향을 줄 목적으로 라우드 스피커의 전기적 모델링을 나타내는 회로도이다.
도 8은 라우드 스피커의 코일 내에서 흐르는 전류를 제한하기 위한 제한 알고리즘의 플로우챠트이다.
도 9는 라우드 스피커의 제지스터의 개방 루프 추정 유니트의 제1 실시예의 개략도이다.
도 10은 라우드 스피커의 역적 모델의 회로도이다.
도 11은 라우드 스피커의 레지스터의 폐쇄 루프 추정 유니트의 변형 실시예로서, 도 9의 그것과 동일한 개략도이다.
도 12는 수동 라디에이터가 설비된 라우드 스피커 엔클로저를 위한 다른 실시예의 도 6의 그것과 동일한 도면이다.
도 2의 방법의 구현에 의한 희망 증폭 볼륨에 따라 인가된 응용 볼륨을 예시하는 곡선이다.

도 1에 도시된 사운드 재생 장비(10)는, 그 자체로 알려진 바와 같이, 전압 증폭기(16)를 통해 엔클로저(enclosure)의 라우드 스피커(14)에 연결된 디지털 드라이드와 같이, 오디오 신호를 생성하기 위한 신호 생성 모듈(12)을 포함한다. 제어 유니트(18)는 오디오 소스(12)와 증폭기(16) 사이에 연속적으로 직렬로 배치되고, 라우드 스피커 엔클로저의 거동의 희망 모델에 상응하는 희망 모델(20), 및 제어 디바이스(22)를 포함한다. 이러한 희망 모델은 선형 또는 비선형이다.

하나의 특정의 실시예에 따르면, 라우드 스피커의 자기(magnetic) 회로의 온도 또는 라우드 스피커의 코일 내에서 순환하는 전류 세기(intensity)와 같은, 물리적 변수를 측정하기 위한 측정 루프(23)는 라우드 스피커(14)와 제어 디바이스(22) 사이에 마련된다.

희망 모델(20)은 장비 및 그 모델링 내에 사용되는 라우드 스피커와 독립된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 희망 모델(20)은 모듈(12)로부터 유래하는 입력 신호의 진폭(S_audio)에 대한 희망 신호의 진폭(S_{audio -ref})의 비율의 주파수의 함수로서 표현되는 함수이다.

유용하게, 차단 주파수(f_min) 보다 더 낮은 주파수들을 위하여, 이러한 비율은, 과도하게 낮은 주파수들의 재생을 제한하고 따라서 제조사에 의해 권고되는 범위들을 벗어나는 라우드 스피커의 멤브레인(다이어프램)의 이동을 방지하기 위하여, 주파수가 영(zero)인 경향이 있을 때 영으로 수렴하는 함수이다.

그것은, 신호의 주파수가 무한대(infinity)인 경향일 때 상기 비율이 주파수(f_max)를 넘어서 제로인 경향이 있는 높은 주파수들의 경우와 유사하다.

희망 모델은, 연속적인 방식으로 즉, 제어 디바이스의 각각의 계산 단계에서, 특히 도 8과 관련하여 후술하는 바와 같이, 링크(23B)를 통해 제어 디바이스(22)에 의해 제공되는 예측된 전류 세기(i_ref)의 함수로서, 최소 차단 주파수(f_min)를 변경할 수 있다.

그 상세 구조가 도 3에 예시된, 제어 디바이스(22)는, 증폭기(16)의 입력에 배치된다. 이러한 디바이스는 희망 모델(20)로부터 출력되는 것으로 정의될 때 재생될 입력 오디오 신호(S_{audio _ref})를 입력으로서 수신할 수 있고, 증폭을 위해 증폭기(16)로 제공되고 라우드 스피커를 여기시키기 위한 여기 신호를 형성하는 신호(U_ref)를 출력으로서 제공할 수 있다. 이러한 신호(U_ref)는 라우드 스피커(14)의 비-선형성을 고려하기 위해 조절된다.

제어 디바이스(22)는 동일한 시간 순간들에서 정의된 다른 변수들의 미분값 또는 적분값의 함수로서 다양한 상이한 변수들을 계산하기 위한 계산 수단을 포함한다.

계산의 목적들을 위하여, 시간 순간(n)에서 미지의 변수들의 값들은 시간 ㅅ순간(n-1)을 위한 상응하는 값들과 동일한 것으로 취급된다. 시간 순간(n-1)을 위한 값들은 시간 순간(n-1)에서 알려진 더 높은 차수의 미분계수들을 사용하여 그들 값들의 1차 또는 2차의 예측에 의해 수정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 제어 디바이스(22)는 충분히 스무스한 기준 궤적들에 기반하는 차동 평행(differentially flat) 시스템을 위해 기준 제어 신호를 정의할 수 있는 차동 평탄도(flatness)의 원리를 부분적으로 사용하여 작동시 제어를 설정한다.

도 3에 예시된 바와 같이, 제어 모듈(22)은 희망 모델(20)로부터 유래하고 재생될 오디오 신호(S_{auio _ref})를 입력으로서 수신한다. 증폭기(16)의 파고(crest) 전압에 의존하고, 사용자에 의해 제어되는 0 내지 1 사이의 감쇠 변수에 의존하는, 단위 변환 이득을 적용하기 위한 유니트(24)는, 기준 오디오 신호(S_{audio _ref})가 신호(γ₀)로 통과되도록 하고, 물리적 변수의 이미지가 재생되게 한다. 상기 신호(γ₀)는 예를 들어, 라우드 스피커 부근의 공기의 가속도, 또는 심지어 라우드 스피커(14)에 의해 이동될 공기의 속도이다. 다음의 설명들에서, 신호(γ₀)는 라우드 스피커 엔클로저에 의해 이동 중에 설정된 공기의 가속도로 상정된다.

증폭 유니트(24)의 출력에서, 제어 디바이스는 그 안에서 라우드 스피커가 사용되는 엔클로서의 구조에 기반하여 재생될 신호의 구조적 조절을 위한 구조적 조절 유니트(25)를 포함한다. 이러한 유니트는 라우드 스피커를 포함하는 라우드 스피커 엔클로저에 의한 이동 중에서 설정된 공기의 움직임을 위해, 상응하는 변수, 여기서는, 신호(γ₀)에 기반하는 라우드 스피커의 멤브레인을 위해 각각의 시간 순간에서 희망 기준 변수(A_ref)를 제공할 수 있다.

그러므로, 본 실시예에서, 재생될 공기의 가속도(γ₀)에 기반하여 계산된 기준 변수(A_ref)는, 라우드 스피커의 작동이 공기 중에 가속도(γ₀)를 부과할 수 있도록, 라우드 스피커의 멤브레인을 위해 재생될 가속도이다.

구조적 조절 유니트(25)의 상세도는 도 4에 도시되어 있다. 입력(γ₀)은 터미널-장착 적분 유니트(27)에 연결되고 유니트(27)의 출력 자체는 다른 터미널-장착 적분 유니트(28)에 연결된다.

그러므로, 유니트들(27, 28)의 출력에서 각각 가속도(γ₀)의 제1 적분계수(v₀) 및 제2 적분계수(x₀)가 얻어진다.

터미널-장착 적분 유니트들은 1차 저역 필터로서 형성되고 각각 차단 주파수(F_OBF)를 가지는 특징이 있다.

터미널-장착 적분 유니트의 사용은 제어 디바이스(22) 내에서 사용된 변수들이 유용한 대역폭 즉, 차단 주파수(F_OBF)보다 더 높은 주파수들을 위해서만, 서로의 미분계수들 또는 적분계수들이 되게 할 수 있다. 이것은 고려된 변수들의 낮은 주파수 변동(excursion)의 제어를 가능하게 한다.

정상 작동에서, 차단 주파수(F_OBF)는 유용한 대역폭의 낮은 주파수들 내의 신호에 영향을 미치지 않게 하는 방식으로 선택된다.

차단 주파수(F_OBF)는 희망 모델(20)의 주파수(f_min)의 1/10보다 더 작도록 취해진다.

라우드 스피커가 벤트(vent)에 의해 개방된 박스 내에 장착되는 벤팅된 라우드 스피커 엔클로저의 경우에, 유니트(25)는 다음과 같은 관계에 의해 멤브레인을 위한 희망 기준 가속도(A_ref)를 생성한다:

여기서,

R_m2 : 라우드 스피커 엔클로저의 음향 누설 계수;

M_m2 : 벤트 내의 공기 질량에 대한 인덕턴스;

K_m2 : 라우드 스피커 엔클로저 내의 공기의 스티프니스(stiffness);

x₀ : 멤브레인과 벤트에 의해 이동되는 총 공기의 위치;

v₀ = dx₀/dt : 멤브레인과 벤트에 의해 이동되는 총 공기의 속도;

γ₀ = dv₀/dt : 이동되는 총 공기의 가속도.

이 경우, 멤브레인을 위한 희망 기준 가속도(A_ref)는 라우드 스피커 엔클로저의 구조적 동적 변수들(x₀, v₀)을 위해 수정 또는 조절되고, 이들 변수들은 라우드 스피커의 멤브레인과 관련된 동적 변수들과 상이하게 되어 있다.

이러한 기준 변수(A_ref)는, 매 시간 순간에서, 기준 변수의 시간 미분값(dA_ref/dt)뿐만 아니라 이러한 기준 변수의 시간에 대한 제1 적분값(V_ref)과 제2 적분값(X_ref)을 제공할 수 있는 기준 변수들을 계산하기 위한 계산 유니트(26)에 도입된다.

모든 동적 기준 변수들은 다음 설명들에서 G_ref로 명명된다.

도 5에는 계산 유니트(26)가 상세히 도시된다. 입력(A_ref)은 한편으로 미분 유니트(30)에 연결되고 다른 하편으로 출력 그 자체가 다른 터미널-장착 적분 유니트(34)에 연결된 터미널-장착 적분 유니트(32)에 연결된다.

그러므로, 유니트들(30, 32, 34)로부터의 출력으로서, 가속도의 미분(dA_ref/dt), 가속도의 제1 적분(V_ref)과 제2 적분(X_ref)이 각각 얻어진다.

터미널-장착 적분 유니트들은 1차 저역 필터들에 의해 형성되고 차단 주파수(F_OBF)에 의해 특징지워 진다.

터미널-장착 입력 유니트의 사용은 제어 유니트(22) 내에서 사용된 변수들이, 유용한 대역폭 즉, 차단 주파수(F_OBF)보다 더 높은 주파수들을 위해서만, 서로 적분 또는 미분이 되게 할 수 있다. 이것은 고려된 변수들의 낮은 주파수 이동의 제어를 가능하게 한다.

정상 작동에서, 차단 주파수(F_OBF)는 유용한 대역폭의 낮은 주파수들 내에서 신호에 영향을 주지 않는 방식으로 선택된다.

차단 주파수(F_OBF)는 희망 모델(20)의 주파수(f_min)의 1/10보다 작게 취해진다.

제어 디바이스(22)는, 메모리 스토리지 내에서, 전자기계적 파라미터들의 테이블(36) 및/또는 일련의 다항식뿐만 아니라 전기적 파라미터들의 테이블(38) 및/또는 일련의 다항식들을 포함한다.

이들 테이블블(36, 38)은, 입력으로서 수신된 동적 기준 변수들(G_ref)의 함수로서, 전자기계적 파라미터들(P_meca)와 전기적 파라미터들(P_elec)을 각각 정의할 수 있다. 이들 파라미터들(P_meca, P_elec)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 벤팅된 라우드 스피커 엔클로저 내에 라우드 스피커가 설치되어 있는 것으로 간주되는 라우드 스피커의 기계적 모델링, 및 도 7에 도시된 바와 같이, 라우드 스피커의 전기적 모델링으로부터 각각 얻어진다.

전기기계적인 파라미터들(P_meca)은 라우드 스피커의 자기 회로에 의해 생성되고 코일에 의해 캡쳐되는 자속(BI), 라우드 스피커의 스티프니스(K_mt(x,_D)), 라우드 스피커의 기계적 점성 마찰(R_mt), 전체 라우드 스피커 조립체의 이동 가능한 질량(M_mt), 라우드 스피커 엔클로저 내의 공기의 스티프니스(K_m2), 라우드 스피커 엔클로저의 음향 누설(R_m2), 및 벤트 내의 공기의 질량(M_m2)을 포함한다.

도 6에 도시된 벤팅된 라우드 스피커 엔클로져 내에 배치된 라우드 스피커의 기계적-음향 부분의 모델링은, 단일 폐루프 회로 내에서, 라우드 스피커의 코일 내에서 흐르는 전류(i)에 의해 생성되는 모터 힘에 상응하고 자속(BI(x_D,i).i)을 가진 전압 발전기(40)를 포함한다. 자속(BI(x_D,i))은 멤브레인의 위치(x_D) 뿐만 아니라 코일 내에서 흐르는 전류 세기(i)에 의존한다.

이러한 모델은 멤브레인의 전체 이동 가능한 질량(M_mt)에 상응하는 코일(44)과 직렬인 레지스터(42)에 상응하는 멤브레인의 기계적 점성 마찰(R_mt)을 고려하고, 커패시터(46)의 커패시턴스(C_mt(x_D))에 상응하는 멤브레인의 스티프니스는 1/K_mt(x,_D)와 동일하다. 그러므로, 스티프니스는 멤브레인의 위치(x_D)에 의존한다.

벤트를 고려하기 위하여, 다음과 같은 파라미터들(R_m2, C_m2, Mm₂)이 사용된다.

R_m2 : 라우드 스피커 엔클로저의 음향 누설 계수;

Mm₂ : 벤트 내의 공기 질량과 동일한 인덕턴스;

C_m2 = 1/K_m2 : 라우드 스피커 엔클로저 내의 공기의 컴플라이언스(compliance).

이러한 모델 내에서, 자기 회로의 자기 저항으로부터 유래하는 힘은 무시된다.

사용되는 변수들은 다음과 같다.

v_D = dx_D/dt : 라우드 스피커의 멤브레인의 속도;

γ_D = dv_D/dt : 라우드 스피커의 멤브레인의 가속도;

v_L : 공기 누설의 공기 속도;

pV : 벤트(포트)로부터의 출력되는 공기의 속도

v₀ = dx₀/dt = v_D + v_L + v_P : 멤브레인과 벤트에 의해 이동하는 총 공기의 속도;

γ₀ = dv₀/dt : 이동되는 총 공기의 가속도.

1미터에서 총 음향 압력은 다음과 같이 주어진다.

여기서,

S_D : 라우드 스피커의 유효 단면,

n_str = 2 : 방출의 입체각.

도 10에 상응하는 기계적-음향 방정식은 다음과 같다:

다음과 같은 관계는 상이한 변수들에 링크된다.

라우드 스피커의 전기적 부분의 모델은 도 7에 도시된다.

전기적 파라미터들(P_elec)은 코일(Le)의 인덕턴스(L_e), 코일의 파라(para)-인덕턴스(L₂), 및 철손 등가물(iron-loss equivalents)(R₂)을 포함한다.

도 7에 도시된 라우드 스피커의 전기적 부분의 모델은 폐루프 회로에 의해 형성된다. 그것은 라우드 스피커의 코일의 저항(R_e)을 대표하는 레지스터(52)에 직렬로 연결된 기전력(u_e)을 가진 발전기(50)를 포함한다. 이러한 레지스터(52)는 라우드 스피커의 코일의 인덕턴스를 대표하는 인덕터(L_e(x_D, i))에 직렬로 연결된다. 이러한 인덕턴스는 코일 내를 흐르는 전류 세기(i) 및 멤브레인의 위치(x_D)에 의존한다.

에디(Eddy) 전류의 결과적인 효과로서 인덕턴스 내의 자기 손실과 변화들을 고려하기 위하여, 병렬 회로(RL)는 코일(54)의 출력에 직렬로 설치된다. 멤브레인의 위치(x_D) 및 코일 내에서 흐르는 전류 세기(i)에 의존하고 값(R₂(x_D,i)을 가진 저항(56)은 철손 등가물을 대표한다.

자석에 의해 생성되는 자기장 내의 모션에서 코일의 역-기전력을 대표하는 전압(BI(x_D,i).v)을 생성하는 전압 발전기(60) 및 위치를 가진 인덕턴스의 동적 변화의 효과를 대표하는 g(x_D,i) = idL_e(x_D,i)/dx_D와 함께 g(x_D,i)의 전압을 생성하는 제2 발전기는 모델 내에서 또한 직렬로 장착된다.

일반적인 방식에서, 이러한 모델 내에서, 코일에 의해 캡쳐되는 자속(BI), 스티프니스(K_mt) 및 코일의 인덕턴스(L_e)는 멤브레인의 위치(x_D)에 의존하고, 인덕턴스(L_e)와 자속(BI) 역시 코일 내에 흐르는 전류(i)에 의존함을 유의해야 한다.

바람직하게, 코일의 인덕턴스(L_e), 인덕턴스(L₂) 및 계수(term), g는 전류 세기(i)에 의존하고, 또한 멤브레인의 변위(x_D)에 의존한다.

도 6 및 도 7과 관련하여 설명된 모델들에 기반하여, 다음과 같은 방정식들이 정의된다:

부가적으로, 제어 모듈(22)은 기준 전류(i_ref)와 그 미분(di_ref/dt)의 계산을 위한 계산 유니트(70)를 역시 포함한다. 이러한 유니트는 으로서 동적 기준 변수들(G_ref), 기계적 파라미터들(P_meca), 및 변수들(x₀, v₀)을 입력으로서 수신한다. 기준 전류(i_ref) 및 그 미분(di_ref/dt)의 이러한 계산은 다음 방정식들을 만족한다.

그러므로, 전류(i_ref) 및 그 미분(di_ref/dt)은 정확한 분석적 계산에 의해 입력되는 벡터들의 값들 또는 필요한 경우 G1(x,i)의 복잡성에 기반하는 수치 해법에 기반하는 대수적 계산에 의해 얻어진다.

따라서, 전류의 미분(di_ref/dt)은 대수적 계산에 의해 그렇지 않으면 수치적 도출에 의해 얻어지는 것이 바람직하다.

과도하게 큰 전류의 순환에 의한 라우드 스피커(14)의 열화를 방지하기 위하여, 제어 유니트(18)는, 한편으로 연결(23B)을 통해 전송되는 제어 디바이스(22)에 의해 예측되는 전류(i_ref(t))의 함수로서 희망 모델(20)의 함수를 수정하기 위한 수정 수단, 다른 한편으로 최대 제한값(i_max(t))보다 더 작은 값((i_ref)_applied(t))에서 유니트(71)로부터 출력되는 전류(i_ref(t))를 유지하기 위해 조절되는 전류(i_ref)를 압축하기 위한 전류 압축 유니트(71)를 포함한다.

희망 모델의 함수를 수정하기 위한 수정 수단과 압축 유니트(71)는 그들의 조합에 의해 작동되게 구현되거나 그들 중 어느 하나만으로 효과적으로 구현될 수 있다.

압축 유니트(71)는 감쇠 이득(g_att(t))의 적용에 의해 감쇠기를 형성한다. 그것은 도 3에 도시된 바와 같이 전류의 순환을 위해 계산 유니트(70)의 출력에 제공된다.

전류(i_ref(t))의 제한 및 전류((i_ref)_applied(t))의 계산을 위하여, 도 8에 제시된 알고리즘은 제어 유니트(18)에 의해 효과적으로 수행된다.

단계 72 동안, 기준 전류 계산 유니트(70)에 의해 예측되는 전류(i_ref(t))는 희망 모델(20)과 압축 유니트(71)에 제공된다. 이러한 전류는 전술한 바와 같이 시간에 의존한다. 그것은 계산 유니트(70)의 각각의 계산 단계를 위해 제공된다.

단계 73에서, 전류(i_ref(t))는 라우드 스피커에 의해 최대 허용 전류(i_max(t))의 부분(g.i_max(t))과 비교된다. 계수, g는 유니트(18)의 설계 시점에서 수립된 0과 1 사이의 값이다.

기준 전류(i_ref(t))가 g.i_max(t) 보다 더 높으면, 특히, 도 2에 예시된 희망 모델의 최소 차단 주파수(f_min)를 점진적으로 증가시킴으로써, 희망 모델(20)이 수정된다. 희망 모델은 차단 주파수에서 변화들이 들리지 않도록(inaudible) 하기에 적합한 상대적으로 낮은 속도로 단계 74 동안 점진적으로 수정된다.

그러므로, 본 실시예에서, 최소 주파수(f_min)는 제어 유니트(22)에 의해 새로운 값(i_ref(t))을 계산하기 위해 매 계산 단계에서 값(△f)에 의해 증가된다.

변형예로서, 희망 모델(20)은 필요한 주파수 대역 내에서 전류를 대략 미리결정된 주파수 대역으로 감소시킬 수 있는 미리결정된 주파수(피크-노치(peak-notch)로도 알려짐)에 초점을 맞춘 필터를 포함한다.

이 경우, 필터의 이득은 기준 전류(i_ref(t))에 기반하는 필요한 주파수 대역 내에서 조정된다. 단계 74 동안, 필터의 이득은 필터의 이득 내의 변화들을 들을 수 없도록 하는 방식으로 결정된 비율의 증가로 감소된다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따르면, 최소 차단 주파수(f_min)의 변화 및 필터의 이득의 변화는 작동되게 구현되는 실시예에 따라 동시에 또는 서로 독립적으로 효과적으로 초래된다.

단계 75 동안, 기준 전류값(i_ref(t))은 최대 전류값(i_max(t))과 비교된다.

i_ref(t)가 i_max(t)보다 더 높으면, 감쇠 이득(g_att(t))이 단계 76에서 계산된다. 감쇠 이득(g_att(t))은 다음 공식에 의해 주어진다.

g_att(t) = i_max(t)/│i_ref(t)│

이어지는 단계 77 동안, 제한된 기준 전류값((i_ref)_applied(t))은 다음 공식을 이용하여 기준 전류(i_ref(t))에 의해 이미 계산된 감쇠 이득(g_att(t))의 곱으로서 계산된다.

(i_ref)_applied(t) = g_att(t) × i_ref(t)

기준 전류값((i_ref)_applied(t))은 라우드 스피커(14)의 터미널들에 증폭되고 인가될 기준 출력 전압(U_ref)의 계산을 위해 나중에 사용된다.

단계 77의 끝에서, 제어 디바이스(22)에 의해 이어지는 단계 동안 예측된 새로운 기준 전류(i_ref(t))를 사용하여 단계 72가 다시 한번 수행된다.

단계 73 동안, 기준 전류(i_ref(t))가 gi_max(t)보다 더 낮으면, 단계 78A에서 테스트가 수행되는 동안, 전류 차단 주파수(f_min)가 명목 주파수(f_nominal)보다 더 높으면, 희망 모델의 차단 주파수의 감소를 겨냥하는 단계 78이 수행된다. 최소 차단 주파수를 증가시키는 단계 74에 반대인, 단계 78은, 기준 전류가 최대 전류의 부분(gi_max(t))보다 더 낮게 유지되고 차단 주파수(f_min)가 그 명목값(f_nominal)에 도달하지 않는 한, 차단 주파수의 점진적인 감소를 보장하기에 적합한 증감(△f)을 전류 차단 주파수(f_min)로부터 공제된다.

단계 74 동안 필터의 이득이 수정되는 경우의 실시예에서, 필터의 이득은 단계 78 동안 일 피치(pitch) 만큼 증가된다.

단계 78의 결론에서 즉, 단계 78A의 테스트가 부정적이면, 단계 79에서, 파라미터 k에 의존하는 비율에서 이득의 점진적인 상승을 허용하기 위해 이전 단계 동안 계산된 사전 감쇠 이득(g_att(t-T_s))에 기반하여 새로운 감쇠 이득(g_att(t))이 계산된다. 감쇠 이득(g_att(t))은 다음 공식에 의해 계산된다:

g_att(t) = g_att(t-T_s) + k×(1-g_att(t-T_s))

여기서, g_att(t-T_s)는 이전 단계의 감쇠 이득의 값이고, T_s는 연속되는 2개의 계산들 사이의 시간이고;

k는 0과 1 사이에 포함되는 상수이고;

i_max(t)는 전류를 위한 최대값이고;

i_ref(t)는 전류를 위해 예측된 값이다.

동일한 단계 79는, 단계 75의 끝에서 기준 전류(i_ref(t))가 전류(i_max(t))보다 더 낮을 때, 효과적으로 수행된다.

새로운 감쇠 이득(g_att(t))의 계산 후에, 인가된 기준 전류(i_ref(t))의 새로운 계산은 새로운 감쇠 이득에 기반하여 단계 77에서 수행된다.

기준 전류(i_ref(t))의 예측 계산이, 희망 모델의 수정을 위해, 그리고 라우드 스피커(14) 내의 극도로 높은 전류의 계산을 방지하기 위해 제한된 인가된 제한된 기준 전류((i_ref)_applied(t))를 위해 고려할 수 있게 하는 것을 상정해 볼 수 있다.

기준 전류(i_ref)에 인가되는 압축을 위한 압축 유니트(71)의 존재는 전류 센서의 구현뿐만 아니라 부가적인 레지스터에 의한 라우드 스피커(14)의 전압을 감소시킬 수 있는 소자들의 구현을 방지한다.

또한, 제어 디바이스(22)는 라우드 스피커의 저항(R_e)의 추정을 위한 추정 유니트(80)를 포함한다. 추정 유니트(80)는, 동적 기준 변수들(G_ref), 기준 전류들((i_ref)_applied)의 세기와 그 미분(d(i_ref)_applique/dt), 및 고려되는 실시예들에 따라, 라우드 스피커의 자기 회로 상에서 측정된 온도(T_{m _measured}) 또는 코일을 통해 측정된 전류 세기(I_{_measured})를 입력으로서 수신한다.

순환 회로의 측정이 없는 경우, 추정 유니트(80)는 도 9에 예시된 형태이다. 그것은 입력에서 파워와 파라미터들 및 열적 모델(84)의 계산을 위한 계산 모듈(82)을 포함한다.

열적 모듈(84)은 계산된 파라미터들, 미리결정된 파워 및 측정된 온도(T_{m -measured})에 기반하여, 저항(R_e)의 계산을 보장한다.

도 10은 열적 모듈을 위해 사용된 일반적인 다이어그램을 도시한다.

이러한 모델에서, 기준 온도는 라우드 스피커 엔클로저의 내부 공기의 온도(T_e)이다.

고려된 온도들은 다음과 같다:

T_b[℃] : 코일 권선의 온도;

T_m[℃] : 자기 회로의 온도; 및

T_e[℃] : 일정하다고 간주되거나, 이상적으로 측정된 라우드 스피커 엔클로저의 내부 온도.

고려된 열적 파워는 다음과 같다:

P_Jb[W] : 쥴(Joule) 효과에 기인하여 코일 와인딩에 제공된 열적 파워;

도 9에 예시된 바와 같이, 열적 모델은 다음과 같은 파라미터들을 포함한다.

C_tbb[J/K] : 코일 권선의 열용량;

R_thbm[K/W] : 코일 권선과 라우드 스피커 엔클로저의 내부 온도 사이의 등가 열적 저항;

등가 열적 저항들은 전도와 대류에 의한 열의 소멸을 고려한다.

코일 권선 내에서 흐르는 전류에 의해 제공되는 열적 파워(P_Jb)는 다음 식으로 주어진다.

여기서, R_e(T_b)는 온도 T_b에서 전기 저항의 값이다:

여기서, R_e(20℃)는 20℃에서 전기 저항의 값이다.

그 해답은 각각의 시간 수간에서 저항(R_e)의 값을 얻을 수 있게 한다.

변형예로서, 도 11에 도시된 바와 같이, 코일을 통해 흐르는 전류(i)가 측정될 때, 폐루프 추정기에 의해 수행된 저항(R_e)의 추정은 예를 들어, 비례 적분 타입이다. 이것은 비례 적분 수정자(corrector)의 사용에 의해 신속한 수렴 시간을 얻게 한다.

최종적으로, 제어 디바이스(22)는 동적 기준 변수들(G_ref), 인가된 기준 전류((i_ref)_applied)와 그 미분(d(i_ref)_applied)/dt), 전기적 파라미터들(P_elec) 및 유니트(80)에 의해 계산된 저항(R_e)에 기반하여, 기준 출력 전압(U_ref)의 계산을 위한 계산 유니트(9)를 포함한다. 기준 출력 전압의 계산을 위한 이러한 계산 유니트는 다음 방정식들을 효과적으로 이용한다.

다음 식들에서 간편화의 이유로 상기 (i_ref)_applied는 간단히 i_ref로 명명된다.

증폭기(16)가 전류 증폭기이고 전술한 바와 같은 전압 증폭기가 아닌 경우에, 제어 디바이스의 유니트들(38, 80, 90)이 제거되고 증폭기를 지령하는 기준 출력 전류 세기(i_ref)는 유니트(70)의 출력으로서 취해진다.

라우드 스피커 엔클로저가 멤브레인에 의해 형성된 수동 라디에이터를 구비하는 경우에, 도 6의 기계적 모델은, 도 6의 그것들과 동일한 구성요소들이 동일한 참조부호들을 부여받은, 도 12에 제시된 실시예에 의해 대체된다. 이러한 모듈은, 직렬로, 수동 라디에이터의 멤브레인의 질량에 상응하는 코일(M_m2)(148), 수동 라디에이터의 기계적 손실들(R_m2) 및 수동 라디에이터의 멤브레인의 기계적 스티프니스(K_m3)에 각각 상응하는 커패시터(204)의 값(C_m3 = 1/K_m3)를 포함한다. 멤브레인의 기준 가속도(A_ref)는 다음과 같이 주어진다.

여기서, x_oR은 x₀의 고주파 필터를 통한 필터링에 의해 주어진다:

그러므로, 구조적 조절 유니트(25)는 γ₀에 기반하여 v₀ 및 x₀를 얻기 위해, 그래서 수동 라디에이터의 멤브레인을 구성하는 기계적 손실들의 저항과 기계적 스티프니스 상수를 각각 나타내는 부가적 파라미터들(R_m3, K_m3)을 가진 고주파 필터링에 의해 x₀로부터 x_0R의 계산을 위해 직렬로 연결된 2개의 터미널-장착 적분기들을 포함할 것이다.

10...사운드 재생 장비
12...오디오 소스
14...라우드 스피커
16...전압 증폭기
18...제어 유니트
20...희망 모델
22...제어 디바이스
23...측정 루프
24...증폭 유니트
25...구조적 조절 유니트
27, 28...적분 유니트
30...미분 유니트
32, 34...적분 유니트
36, 38...테이블
40...전압 발전기
42...레지스터
44, 54...코일
56...저항
70...계산 유니트
71...전류 압축 유니트
82...계산 모델
84...열적 모델

Claims (8)

1. 재생될 오디오 신호(S_audio)를 위한 입력; 라우드 스피커용 여기(excitation) 신호를 공급하기 위한 공급 출력; 매 시간 순간(t)에서, 상기 오디오 신호(S_audio)의 함수로서 상기 라우드 스피커용 여기 신호를 위해 적어도 하나의 예측된 전류((i_ref(t))을 계산하기 위한 계산 수단(26, 36, 38, 70, 71, 80, 90)을 구비하는, 라우드 스피커 엔클로저(enclosure) 내의 라우드 스피커(14)를 제어하기 위한 제어 디바이스에서,
   상기 예측된 전류(i_ref(t)의 함수인 감쇠 이득(g_att(t))을 상기 예측된 전류(i_ref(t))에 적용하여, 상기 예측된 전류(i_ref(t))를 최대값((I_max(t))보다 더 낮은 제한된 전류값((i_ref)_applied)으로 제한할 수 있는 감쇠기(71)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
   
2. 청구항 1에서,
   상기 감쇠기(71)는, 0과 1 사이를 포함하고, 제한된 전류값이 상기 최대값(I_max(t))보다 더 낮을 때 1인 경향이 있는, 감쇠 이득(g_att(t))을 인가할 수 있는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
   
3. 청구항 2에서,
   감쇠 이득(g_att(t))은 다음 관계식을 만족하고,
   만약, │i_ref(t)│ > i_max(t) 이면, g_att(t) = i_max(t)/│i_ref(t)│이고,
   만약, │i_ref(t)│ ≤ i_max(t) 이면, g_att(t) = g_att(t-T_s) + k×(1-g_att(t-T_s)),
   여기서, g_att(t-T_s)는 선행 계산 단계에서 감쇠 이득의 값이고, T_s는 연속적인 2개의 계산들을 분리하는 시간이고;
   k는 ]0, 1[에 포함된 상수이고;
   i_max(t)는 전류를 위한 최대값이고;
   i_ref(t)는 전류를 위한 예측된 값인, 디바이스.
   
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에서,
   인가될 전류(I_ref(t))에 기반하여 인가될 전압(U_ref)의 계산을 위한 계산 수단(80)을 구비하고, 인가될 전압은 제한된 전류의 값((I_ref)_applied(t))에 의존하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
   
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에서,
   상기 예측된 전류(i_ref(t)를 계산하기 위한 계산 수단(26, 36, 38, 70, 71, 80, 90)의 업스트림(upstream)에서, 주파수의 함수로서 모듈(12)로부터 유래하는 입력 신호의 진폭에 대해 요구되는 신호(_{Saudio _ref})의 진폭의 비율을 정의하는 필터링 함수를 적용할 수 있는 희망 모델(20)을 포함하고;
   상기 희망 모델(20)은 상기 예측된 전류(i_ref(t))의 필터링에 기반하여 함수를 수정할 수 있는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
   
6. 청구항 5에서,
   상기 필터링 함수는, 차단 주파수(f_min)보다 낮은 주파수들을 위하여, 주파수가 영(zero)인 경향일 때 진폭들의 비율이 영으로 수렴하는 함수이고,
   상기 희망 모델(20)은 상기 예측된 전류(i_ref(t))의 함수로서 상기 차단 주파수(f_min)를 변경할 수 있는 것을 특징으로 한느, 디바이스.
   
7. 청구항 5 또는 청구항 6에서,
   상기 희망 모델(20)은, 희망 주파수 대역 내의 전류를 대략 미리결정된 주파수로 감소시킬 수 있는, 미리결정된 주파수에 초점을 맞춘 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
   
8. 청구항 7에서,
   상기 희망 모델(20)은 상기 예측된 전류(i_ref(t))의 함수로서 상기 필터의 이득을 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
   

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