TW201733370A - 揚聲器之振膜偏移量的計算裝置、計算方法及揚聲器的控制方法 - Google Patents

揚聲器之振膜偏移量的計算裝置、計算方法及揚聲器的控制方法 Download PDF

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Abstract

一種計算揚聲器之振膜偏移量的方法，應用於一揚聲器，該揚聲器包含一振膜並受一電壓訊號驅動，該方法包含：(a)低通濾波輸入該揚聲器之該電壓訊號及一電流訊號，以分別產生一低通濾波後的電壓訊號及一低通濾波後的電流訊號；(b)依據該低通濾波後的電壓訊號及該低通濾波後的電流訊號計算該揚聲器之一直流電阻值；(c)依據該電壓訊號、該電流訊號及該直流電阻值，計算該振膜之一振動速率；以及(d)依據該振動速率計算該揚聲器之一振膜偏移量。步驟(a)至步驟(d)係為一實數運算，該實數運算不須分析該電壓訊號及該電流訊號之頻率成分。

Description

揚聲器之振膜偏移量的計算裝置、計算方法及揚聲器的控制方法
本案是關於揚聲器（loudspeaker），尤其是關於揚聲器之振膜（diaphragm）的偏移量（excursion）的計算裝置與計算方法，以及揚聲器的控制方法。
在設計揚聲器系統時，應避免在揚聲器發出較大聲音時所導致之毀損，毀損的主要原因包括揚聲器的振膜振動過大或是音圈（voice coil）的溫度過高。振膜振動過大之所以導致振膜損壞的原因可能為振膜的偏移量（相對於靜止位置的移動距離）超過振膜所能承受的範圍，或為偏移過大導致振膜與其他物體相碰撞；兩種情況皆會對振膜造成結構性的、不可回復的損壞。
傳統之揚聲器的振膜保護方法可大致分為兩類。一種是在量測振膜的偏移之前必須得到揚聲器的許多模型（model）參數，但這些模型參數涉及複雜的計算。再者，當揚聲器使用一段時間之後，材料的老化可能使模型改變，此時原本的模型參數便不再適用；繼續使用舊的模型參數會造成量測不準確，而無法達到預期的保護效果。
另一種振膜保護方法則是利用電壓和電流求出特定頻率的阻抗函數（impedance function），然後利用阻隔阻抗（blocked electrical impedance）及揚聲器的驅動因子（force factor）求得與頻率相關的輸入電壓對振膜偏移量的轉移函數（input-voltage-to-excursion transfer function）。舉例來說，美國專利US 8942381提出以基於音圈的電壓和電流所求得的導納（admittance），結合函數（delta function）、驅動因子及阻隔阻抗來得到時域的輸入電壓對振膜偏移量的轉移函數的方法，雖然上述專利所提出的方法需要較少的揚聲器的模型參數，但是卻涉及龐大的計算量，其理由在於：(1) 阻抗或導納與頻率相關，所以必須針對許多頻率成分計算阻抗或導納，且阻抗或導納會是複數（complex number）形式；(2)阻抗或導納的計算方式複雜，涉及自適應濾波（adaptive filtering）及(3)利用阻抗或導納計算振膜偏移量需摺積運算（convolution）。如此繁雜的計算導致龐大的計算量，間接增加偏移量的計算時間及晶片的功耗。
鑑於先前技術之不足，本案之一目的在於提供一種揚聲器之振膜偏移量的計算裝置、計算方法及揚聲器的控制方法，以保護揚聲器。
本案揭露一種計算揚聲器之振膜偏移量的裝置，應用於一揚聲器，該揚聲器包含一振膜並受一電壓訊號驅動，該裝置包含：一偵測電路，偵測輸入至該揚聲器之該電壓訊號及一電流訊號；一儲存單元，儲存多個程式指令；一處理單元，用來執行該些程式指令以完成以下步驟：(a)低通濾波該電壓訊號及該電流訊號，以分別產生一低通濾波後的電壓訊號及一低通濾波後的電流訊號；(b)依據該低通濾波後的電壓訊號及該低通濾波後的電流訊號計算該揚聲器之一直流電阻值；(c)依據該電壓訊號、該電流訊號及該直流電阻值，計算該振膜之一振動速率；以及(d)依據該振動速率計算該揚聲器之一振膜偏移量。步驟(a)至步驟(d)係為一實數運算，該實數運算不須分析該電壓訊號及該電流訊號之頻率成分。
本案另揭露一種計算揚聲器之振膜偏移量的方法，應用於一揚聲器，該揚聲器包含一振膜並受一電壓訊號驅動，該方法包含：(a)低通濾波輸入該揚聲器之該電壓訊號及一電流訊號，以分別產生一低通濾波後的電壓訊號及一低通濾波後的電流訊號；(b)依據該低通濾波後的電壓訊號及該低通濾波後的電流訊號計算該揚聲器之一直流電阻值；(c)依據該電壓訊號、該電流訊號及該直流電阻值，計算該振膜之一振動速率；以及(d)依據該振動速率計算該揚聲器之一振膜偏移量。步驟(a)至步驟(d)係為一實數運算，該實數運算不須分析該電壓訊號及該電流訊號之頻率成分。
本案另揭露一種揚聲器的控制方法，應用於一揚聲器，該揚聲器包含一振膜並受一電壓訊號驅動，該方法包含：(a)低通濾波輸入該揚聲器之該電壓訊號及一電流訊號，以分別產生一低通濾波後的電壓訊號及一低通濾波後的電流訊號；(b)依據該低通濾波後的電壓訊號及該低通濾波後的電流訊號計算該揚聲器之一直流電阻值；(c)依據該電壓訊號、該電流訊號及該直流電阻值，計算該振膜之一振動速率；(d)依據該振動速率計算該揚聲器之一振膜偏移量；以及(e)依據該振膜偏移量調整該電壓訊號。步驟(a)至步驟(d)係為一實數運算，該實數運算不須分析該電壓訊號及該電流訊號之頻率成分。
本案之揚聲器之振膜偏移量的計算裝置、計算方法及揚聲器的控制方法能夠以簡單的實數運算得到揚聲器的振膜的偏移量。相較於習知技術，本案只包含頻率無關的實數運算，亦無須計算阻抗或是導納，因此本案可以大幅減少計算量。
有關本案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。
以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。
本案之揭露內容包含揚聲器之振膜偏移量的計算裝置、計算方法及揚聲器的控制方法。由於本案之振膜偏移量的計算裝置所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。此外，本案之振膜偏移量的計算方法及揚聲器的控制方法可以是軟體及/或韌體之形式，並且可藉由本案之揚聲器的控制電路或其等效裝置來執行，在不影響該方法發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下方法發明之說明將著重於步驟內容。
圖1係本案之揚聲器控制電路的功能方塊圖。音訊訊號經驅動電路110處理後，成為用來驅動揚聲器120的電壓訊號。驅動電路110包含音訊解碼器（audio decoder）、數位類比轉換器（digital-to-analog converter, DAC）及放大器。音訊解碼器用於將音訊訊號解碼，DAC用於將音訊訊號由數位格式轉換為類比格式，放大器則依據一增益控制電壓訊號的振幅。因應電壓訊號的頻率及振幅的變化，通過揚聲器120的音圈（voice coil）的電流也跟著改變。音圈上的電流變化與揚聲器120之永久性磁鐵的磁場產生交互作用，使音圈產生位移，進而帶動揚聲器120的振膜產生振動。
在一些實施例中，量測電壓訊號不限於利用偵測電路130量測揚聲器120的輸入端電壓，亦可藉由音訊訊號和放大器的增益預估求得。
圖2係本案揚聲器120的電路模型，包含電阻Re 、電感Le 及因振膜振動（即音圈位移）所產生的反電動勢（back emf）；其中，B為揚聲器120之永久磁鐵的磁通量、L為音圈長度、為振膜的振動速率。磁通量B與音圈長度L的乘積為揚聲器120的驅動因子，為一定值。為驅動揚聲器120的電壓訊號，其對應的電流訊號流經此三個元件。依據克希荷夫電壓定律（Kirchhoff’s voltage law）可以得到下列方程式：(1) 可以進一步由方程式(1)得到方程式(2)及方程式(3)：(2)(3) 方程式(2)為對應振膜振動所產生之反電動勢的表示式，方程式(3)為振膜的振動速率的表示式。因為基本上反電動勢與振膜的振動速率的比值為定值（即揚聲器120的驅動因子），所以計算兩者的其中之一實質上等效於計算另一者。以下以計算振膜的振動速率為例來說明本案計算揚聲器120之振膜偏移量的機制。
對小型的揚聲器而言，電感的阻抗jωLe 遠小於電阻Re 帶來的效應，因此，可以忽略電感效應，即忽略方程式(3)中的，因此方程式(3)的振膜振動速率可以近似為：(4) 振動速率對時間t積分即可得到振膜的偏移量：(5)
以下說明本案如何實作方程式(5)以得到揚聲器120的振膜的偏移量。回到圖1，本案利用偵測電路130、取樣電路140、處理單元150及儲存單元160來實作上述的方程式(5)。偵測電路130耦接於驅動電路110與揚聲器120之間，用來偵測電壓訊號及電流訊號。舉例來說，對於電壓訊號的偵測，偵測電路130可量測揚聲器120輸入端電壓即可得知電壓訊號；對於電流訊號的偵測，可以包含一電阻，根據電阻的跨壓及阻值即可得知電流訊號。電壓訊號及電流訊號經取樣電路140取樣後（依據取樣時脈CLK取樣，取樣時脈CLK的時脈週期為），產生電壓訊號及電流訊號的離散時間訊號（discrete-time signal）及（n為整數），以方便處理單元150進行運算。
處理單元150係一種邏輯電路，具有執行程式碼、命令或程式指令的能力，例如微處理器（micro processor）、微控制器（micro control unit, MCU）或中央處理單元（central processing unit, CPU）等元件。程式碼、命令或程式指令儲存於儲存單元160中，該些程式碼、命令或程式指令實作本案的運算法則及/或演算法，處理單元150執行該些程式碼、命令或程式指令以實現本案的機制。除了上述的程式碼、命令或程式指令之外，儲存單元160還儲存一些參數，例如前述的揚聲器120的驅動因子。
依據程式碼、命令或程式指令的功能，可以將其細分為多個功能模組，處理單元150執行該些程式碼、命令或程式指令以實現各模組的功能。如圖3所示，其係本案之處理單元150的功能模組的功能方塊圖，包含低通濾波模組152、振膜振動速率計算模組154、振膜偏移量及偏移量平均模組156及比較模組158。
在一些實施例中，低通濾波模組152、振膜振動速率計算模組154、振膜偏移量及偏移量平均模組156及比較模組158之其中至少一者亦可由特定應用積體電路(ASIC)來實現。
低通濾波模組152對電壓訊號及電流訊號進行低通濾波，以產生低通濾波後的電壓訊號及低通濾波後的電流訊號。振膜振動速率計算模組154可以依據低通濾波後的電壓訊號及低通濾波後的電流訊號計算出方程式(5)中的電阻Re 。事實上，電壓訊號除了反應音訊訊號之外，更包含一低頻訊號。此低頻訊號的頻率低於人耳所能聽到的頻率範圍的下限（20Hz），因此不會對使用者造成影響。再者，利用低於20Hz訊號量測的阻抗接近於直流電阻值Re 的特性，因此根據歐姆定律（Ohm's law），可以由低通濾波後的電壓訊號及低通濾波後的電流訊號求得直流電阻值Re 。
振膜振動速率計算模組154的主要目的在於實作方程式(4)以求得振膜的振動速率。以下是以離散時間域（discrete-time domain）為例，首先，振膜振動速率計算模組154依據低通濾波後的電壓訊號及低通濾波後的電流訊號得到直流電阻值Re 。更詳細地說，振膜振動速率計算模組154先求得低通濾波後的電壓訊號及低通濾波後的電流訊號在時間上的平均值，例如算術平均值（arithmetic average）、幾何平均值(geometric average)、指數平均值（exponential average）或方均根值（root mean square, RMS）。以計算方均根值為例（分別得到及），再計算出電阻Re ，例如。得到Re 後，振膜振動速率計算模組154接著計算電阻Re 與電流訊號的乘積，再將電壓訊號減去該乘積後的差值除以驅動因子，即可得到振膜的振動速率。
由方程式(4)及以上說明可以知道，振膜振動速率計算模組154所做的計算只包含實數，不涉及虛數（常數及變數、、、皆為實數）。再者，雖然電壓訊號及電流訊號包含許多頻率成分，但振膜振動速率計算模組154無須對該些頻率成分進行分析（例如找出對應各頻率成分的阻抗或導納）。因此相較於先前技術，振膜振動速率計算模組154不需要自適應濾波（adaptive filtering）的運算，進而大幅減少計算量。
振膜偏移量及偏移量平均模組156用來根據振膜的振動速率以計算出振膜的偏移量。根據方程式(5)，將振膜的振動速率乘上取樣時脈CLK的週期後累加，即可得到振膜的偏移量。再根據以下的方程式(6)，可以得到偏移量的平均值：(6) 方程式(6)為指數平均（exponential average）運算，目前的平均值等於先前的平均值乘上權重（），再加上目前的偏移量乘上權重。因為偏移量為實數，所以方程式(6)也是一個實數的計算，不涉及任何虛數，所以振膜偏移量及偏移量平均模組156只需執行簡單的計算即可快速得到振膜的偏移量的平均值。請注意，振膜偏移量及偏移量平均模組156不限於方程式(6)的方法，其他的平均方法亦適用於本案，例如算術平均、幾何平均及以下方程式(7)所示的方均根計算方法（）。(7)
比較模組158將振膜的偏移量的平均值與臨界值Eth（儲存於儲存單元160）做比較。當偏移量的平均值大於臨界值Eth，表示振膜長時間處於振幅過大的情況，可能導致振膜機械疲勞或損壞，所以此時比較模組158輸出控制訊號，以控制驅動電路110調低放大器的增益。
上述的實施例係基於振膜的平均偏移量對振膜進行保護，在其他的實施例中，振膜偏移量及偏移量平均模組156及比較模組158也可以基於振膜的偏移量的瞬間極值（例如計算振膜的偏移量的峰值）對揚聲器120進行保護，以防止當振膜的偏移量過大時，振膜撞擊揚聲器120的殼體而造成毀損。同樣地，當振膜偏移量的瞬間極值大於臨界值時，處理單元150可控制驅動電路110調低放大器的增益。
除前述之揚聲器之振膜偏移量的計算裝置外，本案亦揭露了一種揚聲器的控制方法。圖4為本方法其中一實施例的流程圖，包含下列步驟： 步驟S410：偵測輸入至揚聲器的電壓訊號和電流訊號。此電流訊號與驅動揚聲器的電壓訊號有關，實作上藉由將電流偵測器耦接於揚聲器與其驅動電路之間，即可測得該電流訊號； 步驟S420：低通濾波揚聲器的電壓訊號及電流訊號，以分別產生一低通濾波後的電壓訊號及一低通濾波後的電流訊號。為了得到揚聲器的電阻的直流電阻值，揚聲器的驅動電路會在電壓訊號加入一個低頻的成分（其頻率低於人耳所能聽到的最低範圍）。此步驟的目的即是過濾出此低頻訊號； 步驟S430：依據該低通濾波後的電壓訊號及該低通濾波後的電流訊號計算揚聲器的直流電阻值。低通濾波後的電壓訊號與低通濾波後的電流訊號的比值即為揚聲器的直流電阻值。此步驟在計算兩者的比值之前，亦可先求得該低通濾波後的電壓訊號及該低通濾波後的電流訊號對時間的平均值，例如方均根值，以得到更準確的直流電阻值。因為低通濾波後的電壓訊號及低通濾波後的電流訊號皆為實數，所以此步驟為實數運算，所得到的直流電阻值亦為實數； 步驟S440：依據該電壓訊號、該電流訊號及該直流電阻值，計算對應該振膜振動之反電動勢或振動速率。有了揚聲器的電壓訊號、電流訊號及直流電阻值後，可以根據方程式(4)計算揚聲器振膜的振動速率（等效計算揚聲器的反電動勢，兩者的倍率為定值）。因為電壓訊號、電流訊號及直流電阻值皆為實數，所以此步驟為實數運算，所得到的直流電阻值亦為實數； 步驟S450：依據反電動勢或振動速率計算揚聲器的振膜的偏移量。此步驟係根據方程式(5)計算揚聲器的振膜的偏移量，也就是將步驟S440所得的振動速率乘上電壓訊號及電流訊號的取樣週期並累加，即可得到振膜的偏移量；以及 步驟S460：依據該振膜偏移量調整該電壓訊號。得到振膜的偏移量之後，可以對其進行峰值測量（peak measurement）或是計算其平均值，例如指數平均值、方均根值等。之後，再依據峰值測量的結果及/或偏移量的平均值調整電壓訊號（例如藉由調整驅動電路的增益）以保護揚聲器。
上述步驟S410~S460的計算只包含實數的運算，不涉及虛數，再者，本案無須分析電壓訊號及電流訊號的頻率成分，所以相較於習知中計算揚聲器之阻抗或導納的方法可以大大地減少計算量，增快計算速度。因此，對於同樣的硬體處理速度而言，因為本案的計算量低，所以可以得到更及時的振膜偏移量的資訊。
由於本技術領域具有通常知識者可藉由圖1至圖3之裝置發明的揭露內容來瞭解圖4之方法發明的實施細節與變化，因此，為避免贅文，在不影響該方法發明之揭露要求及可實施性的前提下，重複之說明在此予以節略。請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸、比例以及步驟之順序等僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本案之用，非用以限制本案。
雖然本案之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本案，本技術領域具有通常知識者可依據本案之明示或隱含之內容對本案之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本案所尋求之專利保護範疇，換言之，本案之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
110‧‧‧驅動電路
120‧‧‧揚聲器
130‧‧‧偵測電路
140‧‧‧取樣電路
150‧‧‧處理單元
160‧‧‧儲存單元
152‧‧‧低通濾波模組
154‧‧‧振膜振動速率計算模組
156‧‧‧振膜偏移量及偏移量平均模組
158‧‧‧比較模組
S410～S460‧‧‧步驟
［圖1］為本案之揚聲器的控制電路的功能方塊圖； ［圖2］為本案揚聲器120的電路模型（circuit model）； ［圖3］為本案之處理單元150的功能模組的功能方塊圖；以及 ［圖4］為本案之揚聲器偵測與保護方法的流程圖。
152‧‧‧低通濾波模組
154‧‧‧振膜振動速率計算模組
156‧‧‧振膜偏移量及偏移量平均模組
158‧‧‧比較模組

Claims (10)

  1. 一種計算揚聲器之振膜偏移量（excursion）的裝置，應用於一揚聲器，該揚聲器包含一振膜並受一電壓訊號驅動，該裝置包含： 一偵測電路，偵測輸入至該揚聲器之該電壓訊號及一電流訊號； 一儲存單元，儲存多個程式指令； 一處理單元，用來執行該些程式指令以完成以下步驟： (a) 低通濾波該電壓訊號及該電流訊號，以分別產生一低通濾波後的電壓訊號及一低通濾波後的電流訊號； (b) 依據該低通濾波後的電壓訊號及該低通濾波後的電流訊號計算該揚聲器之一直流電阻值； (c) 依據該電壓訊號、該電流訊號及該直流電阻值，計算該振膜之一振動速率；以及 (d) 依據該振動速率計算該揚聲器之一振膜偏移量； 其中，步驟(a)至步驟(d)係為一實數運算，該實數運算不須分析該電壓訊號及該電流訊號之頻率成分。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中步驟(c)包含以下步驟： (c1) 將該電流訊號乘上該直流電阻值以得到一乘積；以及 (c2) 將該電壓訊號減去該乘積後得一差值，並將該差值除以該揚聲器之一驅動因子（force factor）以得到該振動速率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，更包含： 一取樣電路，耦接該處理單元，用來依據一取樣時脈取樣該電壓訊號及該電流訊號； 其中，該處理單元係處理取樣後之該電壓訊號及該電流訊號，步驟(d)係將該振動速率乘上該取樣時脈之週期並累加以得到該振膜偏移量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該處理單元更執行該些程式指令以完成以下步驟： (e) 利用一平均運算以計算該振膜偏移量之一平均值。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該平均運算係計算一先前平均值與一第一權重相乘後之一第一乘積，以及計算該振膜偏移量與一第二權重相乘後之一第二乘積，該第一乘積與該第二乘積之和係為該平均值，該第一權重與該第二權重之和為1。
  6. 一種揚聲器的控制方法，應用於一揚聲器，該揚聲器包含一振膜並受一電壓訊號驅動，該方法包含：  (a) 低通濾波輸入該揚聲器之該電壓訊號及一電流訊號，以分別產生一低通濾波後的電壓訊號及一低通濾波後的電流訊號； (b) 依據該低通濾波後的電壓訊號及該低通濾波後的電流訊號計算該揚聲器之一直流電阻值； (c) 依據該電壓訊號、該電流訊號及該直流電阻值，計算該振膜之一振動速率； (d) 依據該振動速率計算該揚聲器之一振膜偏移量；以及 (e) 依據該振膜偏移量調整該電壓訊號； 其中，步驟(a)至步驟(d)係為一實數運算，該實數運算不須分析該電壓訊號及該電流訊號之頻率成分。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中步驟(c)包含以下步驟： (c1) 將該電流訊號乘上該直流電阻值以得到一乘積；以及 (c2) 將該電壓訊號減去該乘積後得一差值，並將該差值除以該揚聲器之一驅動因子（force factor）以得到該振動速率。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，更包含： (f) 依據一取樣時脈取樣該電壓訊號及該電流訊號； 其中，步驟(a)至步驟(e)係處理取樣後之該電壓訊號及該電流訊號，步驟(d)係將該振動速率乘上該取樣時脈之週期並累加以得到該振膜偏移量。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，更包含： (f) 利用一平均運算以計算該振膜偏移量之一平均值 。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中該振動速率與該揚聲器之一驅動因子（force factor）的乘積係等於該振膜振動所產生之一反電動勢。
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