TW201526669A

TW201526669A - 揚聲器的驅動訊號的產生裝置及方法

Info

Publication number: TW201526669A
Application number: TW102149260A
Authority: TW
Inventors: Kuo-Shih Tasi
Original assignee: Richtek Technology Corp
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2015-07-01
Also published as: US20150189427A1

Abstract

一種揚聲器的驅動訊號的產生裝置及方法，其中該方法包括下列步驟：輸出驅動電壓予揚聲器；量測流經揚聲器之操作電流量；根據該操作電流量與該揚聲器電性阻抗值，運算取得對應於該操作電流量通過該揚聲器之電性阻抗之一對應電壓值，並根據該驅動電壓或其對應值和該對應電壓值，計算差值得到一反電動勢值；積分反電動勢值，得到一積分值，該積分值正相關於揚聲器的振膜的位移量；利用該積分值調控驅動電壓，以進行揚聲器的保護。

Description

揚聲器的驅動訊號的產生裝置及方法

本發明係關於一種揚聲器的驅動訊號的產生裝置及方法，特別是一種可以預測揚聲器的振膜位移量(diaphragm excursion)，以避免振膜遭受物理性傷害的揚聲器驅動訊號的產生裝置及方法。

為了保護揚聲器的物理結構，避免造成結構上的永久性傷害，揚聲器的驅動方式往往並非以音源訊號進行線性放大後直接驅動，以免當驅動訊號過大時，造成太大的振膜位移量，甚至超出其限制的範圍，而導致振膜在特性上的改變、使用壽命的縮短、或者甚至是結構上直接的破壞。然而，當使用者希望將揚聲器的輸出音量推展到極限，以獲得最佳的視聽效果時，揚聲器的振膜位移量勢必將非常接近其所能承受的上限。也因此，如何偵測或是預測揚聲器的振膜位移量，使能在揚聲器的輸出音量以及揚聲器的保護之間進行取捨，得到最佳化的結果，是揚聲器及其驅動電路進行設計時，不可避免的一個課題。

第1圖為習知之揚聲器100之等效電路圖。揚聲器100係為一雙端元件，藉由在其雙端的輸入埠110上施以驅動電壓u，以造成振膜的振動，進而產生人耳能夠覺知的聲波。在揚聲器100的等效電路中，電性阻抗以及反電動勢的電路，等效模擬了揚聲器100電性特性的部份，而電磁力以及機械阻抗的電路，則等效模擬了揚聲器100機械特性的部份。說明如下。

驅動電壓u在輸入埠110上形成一操作電流i，而在機械特性的部份，則由於感應了操作電流i而形成一電磁力，大小為Φ * i，其中Φ為磁力強度值，係為揚聲器的特性參數。該電磁力使得具有機械阻抗Zm的揚聲器的振膜，形成一位移速度v，且具有如下的關係式：Φ． i = Zm ． v ......(1)

由第(1)式可得到位移速度v的表示函式。又從第1圖的等效電路中，可知反電動勢的大小為Φ * v。因此從此一等效電路可以解釋，驅動電壓u並非完全作用於電性阻抗Ze上，這是因為揚聲器的機械部份，產生了一個大小為Φ * v的反電動勢的電壓，串接於電性阻抗Ze上，亦即，該電性阻抗Ze上的跨壓係為驅動電壓u減去反電動勢的大小Φ * v。

請參考歐洲專利EP2355542B1。在此一前案中，利用如第1圖的揚聲器的等效電路，得出了一個頻域上的「輸入電壓對位移量」的轉移函數Hvx：其中Zm為機械阻抗經拉普拉斯轉換(Laplace transformation)後在頻域的表示式，Z為輸入電壓除以操作電流後經拉普拉斯轉換後在頻域的表示式，jw表示頻域上的頻率變數，Φ為磁力強度值。此處的位移量係指揚聲器的振膜位移量。其中Zm可進一步表示如下：其中Ze為電性阻抗經拉普拉斯轉換後在頻域的表示式。

將輸入訊號經拉普拉斯轉換後在頻域的表示式，乘以第(3)式，即可得到位移量經普拉斯轉換後在頻域的表示式，再經過拉普拉斯逆轉換(inverse Laplace transformation)之後，即可得到位移量在時域的表示式。然而，此一前案的作法至少有以下兩項缺點：

第一，將訊號進行拉普拉斯轉換以及拉普拉斯逆轉換的處理，需要較多的計算資源，因而造成較大的電路尺寸以及功率消耗。

第二，在頻域的計算中，磁力強度值Φ只能以一常數的形式代入式中。例如第2圖為磁力強度值Φ相對於位移量的關係圖。其中實線曲線係指短音圈長磁隙(overhang)態樣的揚聲器，而虛線曲線則指等長結構(equal-length)的揚聲器。由此可知，在不同的位移量時，根據不同的揚聲器種類，磁力強度值Φ可能又有不一樣的變化情形。而在此一前案所揭露的發明中，並無法將磁力強度值Φ的變化相對於位移量的因素考慮進去。

鑒於以上的問題，本發明係提供一種揚聲器的驅動訊號的產生裝置及方法，特別是一種可以預測揚聲器的振膜位移量，以避免振膜遭受物理性傷害的揚聲器驅動訊號的產生裝置及方法。

本發明提出一種產生揚聲器的驅動訊號的方法，包括下列步驟。

首先，輸出驅動電壓予揚聲器。再者，量測流經揚聲器之操作電流量。接著，根據該操作電流量與一揚聲器電性阻抗值，運算取得對應於該操作電流量通過該揚聲器之電性阻抗之一對應電壓值，並根據該驅動電壓或其對應值和該對應電壓值，計算差值得到一反電動勢值。然後，積分反電動勢值，得到一積分值，該積分值正相關於揚聲器的振膜的位移量。最後，利用該積分值調控驅動電壓，以進行揚聲器的保護。

本發明更提出一種揚聲器的驅動訊號的產生裝置，係輸出驅動電壓以驅動揚聲器。驅動訊號的產生裝置包括驅動電路、電流感測單元、位移計算單元以及訊號處理單元。

驅動電路耦接於揚聲器，以接收來自於訊號處理單元的控制訊號並產生驅動電壓以驅動揚聲器。電流感測單元耦接於揚聲器，以量測流經揚聲器之電流並產生一操作電流量訊號。位移計算單元耦接於電流感測單元，利用驅動電壓、操作電流量訊號以及揚聲器的電性阻抗值進行計算，以得到一反電動勢值，並積分反電動勢值以得到一積分值。訊號處理單元耦接於位移計算單元以及驅動電路，訊號處理單元接受音源訊號以產生控制訊號，並參考積分值以調控控制訊號，以進行揚聲器的保護。

本發明的功效在於，本發明所揭露的揚聲器的驅動訊號的產生裝置及方法，能夠即時地預測揚聲器的振膜的位移量，更可以考慮磁力強度值係為位移量的一函式的關係，進行更為精準的位移量的預測，使得在對揚聲器進行保護性的操作以能避免揚聲器的振膜遭受物理性傷害的同時，能夠得到最佳化的最大輸出音量。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

u‧‧‧驅動電壓

Φ‧‧‧磁力強度值

i‧‧‧操作電流

v‧‧‧位移速度

Zm‧‧‧機械阻抗

Ze‧‧‧電性阻抗

x‧‧‧位移量

100‧‧‧揚聲器

110‧‧‧輸入埠

300‧‧‧驅動訊號的產生裝置

310‧‧‧揚聲器

320‧‧‧驅動電路

330‧‧‧電流感測單元

331‧‧‧感測電路

332‧‧‧類比數位轉換器

340‧‧‧位移計算單元

350‧‧‧訊號處理單元

351‧‧‧數位訊號處理器

352‧‧‧數位類比轉換器

第1圖為習知之揚聲器之等效電路圖。

第2圖為習知之揚聲器之磁力強度值相對於位移量的關係圖。

第3圖為本發明所揭露第一實施例之揚聲器的驅動訊號的產生裝置的電路方塊圖。

第4圖為利用查表方式，將積分值對應位移量的示意圖。

第5圖為本發明所揭露第二實施例之揚聲器的驅動訊號的產生方法的步驟流程圖。

第6圖為本發明所揭露第三實施例之揚聲器的驅動訊號的產生方法的步驟流程圖。

在說明書及後續的申請專利範圍當中，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表第一裝置可直接電氣連接於第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至第二裝置。

第3圖為本發明所揭露第一實施例之揚聲器的驅動訊號的產生裝置300的電路方塊圖。驅動訊號的產生裝置300用來輸出驅動電壓以驅動揚聲器310。揚聲器310的等效電路可參考第1圖及其相關說明。驅動訊號的產生裝置300包括驅動電路320、電流感測單元330、位移計算單元340以及訊號處理單元350。

驅動電路320耦接於揚聲器310，以接收來自於訊號處理單元350的控制訊號並產生驅動電壓以驅動揚聲器310。電流感測單元330耦接於揚聲器310，以量測流經揚聲器310之電流並產生一操作電流量訊號。位移計算單元340耦接於電流感測單元330，利用驅動電壓、操作電流量訊號以及揚聲器310的電性阻抗值進行計算，以得到一反電動勢值，並積分反電動勢值以得到一積分值。例如位移計算單元340係根據操作電流量訊號與揚聲器310的電性阻抗值，運算取得對應於操作電流量訊號通過揚聲器310之電性阻抗之一對應電壓值，並根據驅動電壓或其對應值和對應電壓值，計算差值得到反電動勢值，並積分反電動勢值以得到一積分值。

訊號處理單元350耦接於位移計算單元340以及驅動電路320，訊號處理單元350接受音源訊號以產生控制訊號，並參考積分值以調控控制訊號，以進行揚聲器310的保護，例如訊號處理單元350線性或非線性地控制驅動電壓的振幅，使振膜的位移量不大於一極限值，以避免揚聲器有特性上的改變、使用壽命的縮短、或者甚至是結構上直接的破壞的狀況。

其中，所謂線性地控制驅動電壓的振幅，可以是將音源訊號以單一增益值進行線性地放大或縮小後以形成驅動電壓。而所謂非線性地控制驅動電壓的振幅，可以是藉由非線性地調整增益，使音源訊號較小時有比較大的增益，而在音源訊號較大時有比較小的增益，以形成驅動電壓；或者甚至是設定驅動電壓的上限值，當音源訊號經放大後大於該上限值，則驅動電壓直接等於該上限值。至於其他線性或非線性地控制驅動電壓的振幅的方式，則為本領域具有通常知識者所習知，可依照其應用上的變化而有不同的實現方式，在此不另贅述。

進一步說明驅動訊號的產生裝置300的操作原理。由第1圖所示的揚聲器的等效電路可知，反電動勢的大小等於磁力強度值Φ乘以振膜的位移速度v，而振膜的位移量又等於位移速度v對時間的積分。因此可知反電動勢對時間的積分，係正相關於揚聲器310的振膜的位移量。假設振膜的位移量為x，則可理解為第(4)式如下所示：Φ． x =ʃ Φ． v ． dt ......(4)

再者，由第1圖中揚聲器電性特性的部份可知，反電動勢大小係為驅動電壓u減去電性阻抗Ze上的跨壓，而電性阻抗Ze上的跨壓係為操作電流i乘上電性阻抗Ze。因此，由於驅動電壓u為已知，若電性阻抗Ze亦為已知，則藉由量測操作電流i的大小，即可經計算得到反電動勢的大小。上述說明可理解為第(5)式如下所示：Φ． x =ʃ Φ． v ． dt =ʃ(u - Z _e．i )． dt ......(5)

值的注意的是，在第(5)式中利用驅動電壓u、操作電流i以及電性阻抗Ze來計算反電動勢的計算式，係作為一較佳實施例用以說明本發明的精神，並非用來限定本發明的範圍。例如驅動電壓u以及操作電流i也可以根據實際應用的情況，如揚聲器的等效電路及其參數的調整，分別乘以一百分比之值，來進行計算式的調整。本領域具有通常知識者，可以根據不同應用中，部件的選取以及訊號取得的方式，來進行上述計算式的調整，且對應的調整方式在了解本發明所揭露的實施方式之後，應能直接且無歧異地得知，故在此不另贅述。

將第(5)式中的積分值除以磁力強度值Φ，即求得振膜的位移量x。根據揚聲器的種類以及使用情形，磁力強度值Φ可以設定是一個常數，也可以是如第2圖所示，亦即磁力強度值Φ為位移量的函式。第2圖中所示的磁力強度值Φ可以近似為如第(6)式所示的函式：Φ(x)=Φ(0)．(1- c ₁．(x - c ₂ ) ² )......(6),其中c₁以及c₂為常數。

將第(6)式代入第(5)式中，配合積分的結果，即可得出位移量x的一元三次方程式，並求得確切的解。或者由於位移量x的合理範圍係為已知，因此可以利用查表的方式，預先建立數值對應表，並利用第(5)式中的積分結果，直接對應出位移量x的解。第4圖即為利用查表方式，將積分值對應位移量x的示意圖。以查表的方式取代一元三次方程式的求解計算，可以大大地節省數值運算上的資源，因此可以進一步減少所需晶片面積以及電路功耗。

值得注意的是，揚聲器的電性阻抗Ze可以依照揚聲器部件的規格所提供的額定值來進行設定。然而在本發明所揭露的實施例中，由於驅動訊號的產生裝置300具有量測操作電流i的功能，因此可以直接藉由量測的方式來得到電性阻抗Ze，例如給定一個頻率較低的驅動電壓u的訊號，使得反電動勢的大小可以忽略，並且量測操作電流i，最後將給定的驅動電壓u除以量測的操作電流i，即可得到電性阻抗Ze參數。

另外，如第3圖中所示，訊號處理單元350可以進一步包括數位訊號處理器351以及數位類比轉換器352。數位訊號處理器351耦接於位移計算單元340並接收音源訊號。數位類比轉換器352耦接於數位訊號處理器351以及驅動電路320，數位類比轉換器352並且產生控制訊號。數位訊號處理器351以及數位類比轉換器352的電路實現方式，係為本領域具有通常知識者所習知，在此不另贅述。

再者，如第3圖中所示，電流感測單元330可以進一步包括感測電路331以及類比數位轉換器332。感測電路331耦接於揚聲器310以量測流經揚聲器310之電流。類比數位轉換器332耦接於感測電路331以及位移計算單元340，以輸出操作電流量之訊號。感測電路331以及類比數位轉換器332的電路實現方式，係為本領域具有通常知識者所習知，在此不另贅述。

第5圖為本發明所揭露第二實施例之揚聲器的驅動訊號的產生方法的步驟流程圖，包括下列步驟：如步驟S510所示，輸出驅動電壓予揚聲器。

如步驟S530所示，量測流經揚聲器之操作電流量。

如步驟S550所示，根據操作電流量與揚聲器電性阻抗值，運算取得對應於操作電流量通過揚聲器之電性阻抗之一對應電壓值，並根據驅動電壓或其對應值和對應電壓值，計算差值得到反電動勢值。例如以操作電流量乘以揚聲器電性阻抗值得到一乘積，並計算驅動電壓減去乘積的差值以得到反電動勢值。

如步驟S570所示，積分反電動勢值，得到一積分值，該積分值正相關於揚聲器的振膜的位移量。

如步驟S590所示，利用該積分值調控驅動電壓，以進行揚聲器的保護。其中所謂進行揚聲器的保護，可以是線性或非線性地控制驅動電壓的振幅，使振膜的位移量不大於一極限值。

第6圖為本發明所揭露第三實施例之揚聲器的驅動訊號的產生方法的步驟流程圖，包括下列步驟：步驟S610、S630、S650、S670之說明，請分別參考第5圖所揭露的第二實施例中，步驟S510、S530、S550、S570之說明。

如步驟S690所示，將積分值除以揚聲器的磁力強度值，以得到振膜的位移量，並利用位移量調控驅動電壓，以進行揚聲器的保護。其中，磁力強度值可以是位移量的一函式，藉由代入該函式並求聯立方程式的解，可以得到位移量的確切值。或者可以如第4圖所示，利用查表的方式，在計算出積分值之後，再以數值對應表得出位移量的值。另外，所謂進行揚聲器的保護，可以是線性或非線性地控制驅動電壓的振幅，使振膜的位移量不大於一極限值。

雖然本發明之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及數量當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種揚聲器的驅動訊號的產生方法，包含：輸出一驅動電壓予一揚聲器；量測流經該揚聲器之一操作電流量；根據該操作電流量與一揚聲器電性阻抗值，運算取得對應於該操作電流量通過該揚聲器之電性阻抗之一對應電壓值，並根據該驅動電壓或其對應值和該對應電壓值，計算差值得到一反電動勢值；積分該反電動勢值，得到一積分值，該積分值正相關於該揚聲器的振膜的一位移量；以及利用該積分值調控該驅動電壓，以進行該揚聲器的保護。
如請求項第1項所述之驅動訊號的產生方法，其中計算該反電動勢值的步驟，更包括以該操作電流量乘以該揚聲器電性阻抗值得到一乘積，並計算該驅動電壓減去該乘積的差值以得到該反電動勢值。
如請求項第1項所述之驅動訊號的產生方法，其中更包含將該積分值除以該揚聲器的一磁力強度值，以得到該位移量，並利用該位移量調控該驅動電壓，以進行該揚聲器的保護。
如請求項第3項所述之驅動訊號的產生方法，其中該磁力強度值係為該位移量的一函式。
如請求項第1至4項中任一項所述之驅動訊號的產生方法，其中進行該揚聲器的保護，係指線性或非線性地控制該驅動電壓的振幅，使振膜的該位移量不大於一極限值。
一種揚聲器的驅動訊號的產生裝置，係輸出一驅動電壓以驅動一揚聲器，包含：一驅動電路，耦接於該揚聲器，以接收一控制訊號並產生該驅動電壓；一電流感測單元，耦接於該揚聲器，以量測流經該揚聲器之一電流並產生一操作電流量訊號；一位移計算單元，耦接於該電流感測單元，利用該驅動電壓、該操作電流量訊號以及一揚聲器電性阻抗值進行計算，以得到一反電動勢值，並積分該反電動勢值以得到一積分值；以及一訊號處理單元，耦接於該位移計算單元以及該驅動電路，該訊號處理單元接受一音源訊號以產生該控制訊號，並參考該積分值以調控該控制訊號，以進行該揚聲器的保護。
如請求項第6項所述之驅動訊號的產生裝置，其中該位移計算單元係根據該操作電流量訊號與該揚聲器電性阻抗值，運算取得對應於該操作電流量訊號通過該揚聲器之電性阻抗之一對應電壓值，並根據該驅動電壓或其對應值和該對應電壓值，計算差值得到一反電動勢值。
如請求項第6項所述之驅動訊號的產生裝置，其中該位移計算單元係根據該該操作電流量訊號乘以該揚聲器電性阻抗值得到一乘積，並計算該驅動電壓減去該乘積的差值以得到該反電動勢值。
如請求項第6項所述之驅動訊號的產生裝置，其中該訊號處理單元包含一數位訊號處理器以及一數位類比轉換器，該數位訊號處理器耦接於該位移計算單元並接收該音源訊號，該數位類比轉換器耦接於該數位訊號處理器以及該驅動電路，該數位類比轉換器將產生該控制訊號。
如請求項第6項所述之驅動訊號的產生裝置，其中該電流感測單元包含一感測電路以及一類比數位轉換器，該感測電路耦接於該揚聲器以量測流經該揚聲器之該電流，該類比數位轉換器耦接於該感測電路以及該位移計算單元，以輸出該操作電流量之訊號。
如請求項第6項所述之驅動訊號的產生裝置，其中該位移計算單元更將該積分值除以該揚聲器的一磁力強度值，以得到該位移量，且該訊號處理單元係參考該位移量以調控該控制訊號，以進行該揚聲器的保護。
如請求項第11項所述之驅動訊號的產生裝置，其中該磁力強度值係為該位移量的一函式。
如請求項第6至12項中任一項所述之驅動訊號的產生裝置，其中進行該揚聲器的保護，係指該訊號處理單元線性或非線性地控制該驅動電壓的振幅，使振膜的該位移量不大於一極限值。