TW201737723A - 用於具有截斷的非因果性之揚聲器電子識別的系統及方法 - Google Patents

Abstract

根據本發明之實施例，一種方法可包含使用一自適應濾波器系統以基於一揚聲器之一第一電參數與該揚聲器之一第二電參數之間之一誤差來估計該揚聲器之一電特性之一回應，及在計算該誤差之前相對於該第二電參數將一非零延遲添加至該第一電參數使得該自適應濾波器系統擷取該電特性之一截斷的非因果性。

Description

用於具有截斷的非因果性之揚聲器電子識別的系統及方法

本發明大體上係關於音訊揚聲器，且更特定言之係關於一揚聲器系統之模型化以保護音訊揚聲器免受損壞及其他用途。

音訊揚聲器或揚聲器在由個人使用之許多裝置上係普遍存在的，該等裝置包含電視、立體聲系統、電腦、智慧型電話及許多其他消費者裝置。一般而言，一音訊揚聲器係回應於一電音訊信號輸入而產生聲音之一電聲換能器。 鑑於其作為一機械裝置之本質，一音訊揚聲器可能受到由揚聲器之操作引起的損壞，包含過熱及/或過偏離，其中揚聲器之實體組件經移位與一安置位置相距太遠。為了防止發生此損壞，揚聲器系統通常包含能夠控制待傳送至一音訊揚聲器之一音訊信號之音訊增益、音訊頻寬及/或其他分量之控制系統。 此等控制系統基於一揚聲器系統之各種經量測特性而操作。例如，一控制系統可感測與一揚聲器相關聯之一電流及電壓，且基於該電流及電壓判定揚聲器之一電阻抗或一電導納。接著可處理此電阻抗或一電導納以及與揚聲器系統相關聯之一或多個其他機械或電參數，以判定或估計一揚聲器之一位移，且控制揚聲器系統使得位移不超過可能發生揚聲器損壞之一最大位移。 現有揚聲器保護控制系統通常在經量測電壓與經量測電流之間採用一“因果架構”，因此僅允許控制系統擷取經量測電流與經量測電壓之間的關係之因果特性。因此，此一架構不能擷取電導納或阻抗回應之非因果部分，且因此可導致電系統識別不準確性、有限的工作頻率範圍及/或其他缺點。

根據本發明之教示，已經減少或消除了與揚聲器電識別相關聯之某些缺點及問題。 根據本發明之實施例，一種方法可包含使用一自適應濾波器系統以基於一揚聲器之一第一電參數與該揚聲器之一第二電參數之間之一誤差來估計該揚聲器之一電特性之一回應，及在計算該誤差之前相對於該第二電參數將一非零延遲添加至該第一電參數使得該自適應濾波器系統擷取該電特性之一截斷的非因果性。 根據本發明之此等及其他實施例，一種系統可包含一自適應濾波器系統，其經組態以基於一揚聲器之一第一電參數與該揚聲器之一第二電參數之間之一誤差來估計該揚聲器之一電特性之一回應；及一非零延遲，其經組態以在計算該誤差之前相對於該第二電參數提供該第一電參數之一延遲使得該自適應濾波器系統擷取該電特性之一截斷的非因果性，其比缺少該非零延遲將該電特性更準確地模型化。 根據本發明之此等及其他實施例，一種揚聲器保護方法可包含計算移動部分之一即時速度或一等效最大動能以模型化或監控一揚聲器；及添加一限制至該即時速度之峰值或該等效最大動能之峰值以設定一揚聲器保護等級。 根據本文中所包含的圖式、描述及申請專利範圍，本發明之技術優點對於所述領域一般技術者而言可能容易顯而易見。可至少藉由在申請專利範圍中特別指出之元件、特徵及組合實現及達成該等實施例之目的及優點。 應瞭解，前述[發明內容]及以下[實施方式]兩者皆為解釋性實例且不限制本發明中闡述之申請專利範圍。

相關申請案 本申請案主張2016年3月22日申請且名為「Loudspeaker Electrical Identification Capturing Non-Truncated Causality and a New Framework for Speaker Protection」之美國臨時專利申請案第62/311,739號及2016年7月26日申請且名為“Loudspeaker Electrical Identification Capturing Truncated Non-Causality and A New Framework for Speaker”之美國臨時專利申請案第62/366,865號之優先權，該等申請案皆係以引用方式併入本文中。 圖1圖解說明根據本發明之實施例之採用一控制器108來控制一音訊揚聲器102之操作之一例示性系統100之一方塊圖。音訊揚聲器102可包括回應於一電音訊信號輸入(例如，一電壓或電流信號)而產生聲音之任何合適的電聲換能器。如圖1中所示，控制器108可產生此一電音訊信號輸入，其可由一放大器110進一步放大。在一些實施例中，系統100之一或多個組件可與一單個積體電路(IC)成一體。 控制器108可包含經組態以解譯及/或執行程式指令及/或程序資料之任何系統、裝置或設備，且可包含(但不限於)一微處理器、微控制器、數位信號處理器(DSP)、專用積體電路(ASIC)或經組態以解譯及/或執行程式指令及/或程序資料之任何其他數位或類比電路。在一些實施例中，控制器108可解譯及/或執行儲存在通信地耦合至控制器108之一記憶體(未明確展示)中之程式指令及/或程序資料。如圖1中所示，控制器108可經組態以執行揚聲器模型化及追蹤112、揚聲器保護114及/或音訊處理116，如下文更詳細描述。 放大器110可為經組態以放大自控制器108接收之一信號並傳送經放大信號(例如，至揚聲器102)之任何系統、裝置或設備。在一些實施例中，放大器110可包括一數位放大器，其經組態以亦將自控制器108輸出之一數位信號轉換成一類比信號以傳送至揚聲器102。 傳送至揚聲器102之音訊信號可由一類比轉數位轉換器104及一類比轉數位轉換器106中之各者進行採樣，該等類比轉數位轉換器經組態以分別偵測與音訊信號相關聯之一類比電流及一類比電壓，且將此等類比電流及類比電壓量測值轉換成由控制器108處理之數位信號126及128。基於數位電流信號126、數位電壓信號128及音訊輸入信號x(t) ，控制器108可執行揚聲器模型化及追蹤112，以產生一模型化回應118。模型化回應118可包含自數位信號126及128推導之一或多個經模型化機械及/或電參數，包含(但不限於)揚聲器102之一預測位移、揚聲器102之一電導納及揚聲器102之一電阻抗。在一些實施例中，揚聲器模型化及追蹤112可提供一遞歸、自適應系統來產生此模型化回應118。 控制器108可基於音訊揚聲器之一或多個操作特性(包含但不限於模型化回應118)來執行揚聲器保護114。例如，揚聲器保護114可將模型化回應118 (例如，一預測位移y(t) )與一或多個對應的揚聲器保護臨限值(例如，一揚聲器保護臨限值位移)進行比較，且基於此比較，產生一或多個控制信號以傳送至音訊處理116。因此，藉由將一預測位移y(t) (包含在模型化回應118內)與相關聯的揚聲器保護臨限值位移進行比較，揚聲器保護114可產生用於修改音訊輸入信號x(t) 之一或多個特性之控制信號(例如，振幅、頻率、頻寬、相位等)，同時提供一心理聲學上令人滿意的聲音輸出(例如，控制一虛擬低音參數)。 基於一或多個控制信號120，控制器108可執行音訊處理116，由此其施加各種控制信號120來處理音訊輸入信號x(t) ，且產生作為音訊輸入信號x(t) 及各種揚聲器保護控制信號之一函數之電音訊信號輸入，控制器108將該電音訊信號輸入傳送至放大器110。 圖2圖解說明根據本發明之實施例之用於模型化及追蹤一音訊揚聲器(例如，揚聲器102)之電導納之一模型200。在一些實施例中，模型200可與圖1之揚聲器模型化及追蹤112成一體。如圖2中所示，模型200可包含一自適應濾波器202、延遲器204及一組合器206。 自適應濾波器202可包含基於由組合器206產生之一誤差信號e(t) 調適其回應a(t) 以最小化誤差信號e(t) 之任何合適濾波器(例如，一無限脈衝回應濾波器、一有限脈衝回應濾波器等)，該回應指示一音訊揚聲器(例如，揚聲器102)之一電導納。如圖2中所示，自適應濾波器202可將導納回應a(t) 施加於表示音訊揚聲器之一電壓之一電壓信號v(t) ，以產生一信號v(t) *a(t) (其中“*”指示一數學卷積之執行)，若導納回應a(t) 準確地追蹤音訊揚聲器之電導納，則該信號將近似等於表示音訊揚聲器之一電流之一電流信號i(t) 。 延遲器204可接收電流信號i(t) 且施加一延遲D，因此產生一經延遲信號d(t) =i(t-D) 。延遲D可為任何合適延遲，且可以任何合適方式(例如，經由產品開發及測試)判定。組合器206可自經延遲信號d(t) 中減去由自適應濾波器202產生之信號v(t) *a(t) ，以產生可由自適應濾波器202用於調適導納回應a(t) 之誤差信號e(t) 。可藉由揚聲器模型化及追蹤112單獨或結合音訊揚聲器之一或多個其他實際及/或模型化參數(例如，機械及/或電參數)使用導納回應a(t) ，以產生模型化回應118。 圖3圖解說明根據本發明之實施例之用於模型化及追蹤一音訊揚聲器(例如，揚聲器102)之電阻抗之一模型300。在一些實施例中，模型300可與圖1之揚聲器模型化及追蹤112成一體，且可由除圖2之模型200外或代替圖2之模型200之揚聲器模型化及追蹤112來使用。如圖3中所示，模型300可包含一自適應濾波器302、延遲304及一組合器306。 自適應濾波器302可包含基於由組合器306產生之一誤差信號e(t) 調適其回應z(t) 以最小化誤差信號e(t) 之任何合適濾波器(例如，一無限脈衝回應濾波器、一有限脈衝回應濾波器等)，該回應指示一音訊揚聲器(例如，揚聲器102)之一電阻抗。如圖3中所示，自適應濾波器302可將阻抗回應z(t) 施加於表示音訊揚聲器之一電流之一電流信號i(t) ，以產生一信號i(t) *z(t) ，若阻抗回應z(t) 準確地追蹤音訊揚聲器之電阻抗，則該信號將近似等於表示音訊揚聲器之一電壓之一電壓信號v(t) 。 延遲304可接收電壓信號v(t) 且施加一延遲D，因此產生一經延遲信號d(t) =v(t-D) 。延遲D可為任何合適延遲，且可以任何合適方式(例如，經由產品開發及測試)判定。組合器306可自經延遲信號d(t) 中減去由自適應濾波器302產生之信號i(t) *z(t) ，以產生可由自適應濾波器302用於調適阻抗回應z(t) 之誤差信號e(t) 。可藉由揚聲器模型化及追蹤112單獨或結合音訊揚聲器之一或多個其他實際及/或模型化參數(例如，機械及/或電參數)使用阻抗回應z(t) ，以產生模型化回應118。 由於電導納及電阻抗之間的關係(一個是另一個的倒數)，對於本發明之其餘部分及申請專利範圍，此等術語可互換且等效地使用。 模型200及模型300各可被視為係截斷的非因果性擷取架構。在模型200及模型300之架構中，一自適應濾波器(例如，自適應濾波器202、自適應濾波器302)可擷取一導納或阻抗回應之一經延遲及截斷的(延遲及截斷達延遲D之長度)非因果部分。 圖4圖解說明根據本發明之實施例之導納對一經延遲導納脈衝回應及一非延遲脈衝回應之時間之一波形，其中自適應濾波器202包括一有限脈衝回應濾波器。圖4之虛線波形描繪在諸如圖2中描繪之具有一特定延遲D(例如，1毫秒)之一架構中導納對一經延遲導納脈衝回應之時間，而圖4之實心波形描繪在諸如圖2中描繪之缺少延遲器204 (或延遲D等於零)之架構中導納對一經延遲導納脈衝回應之時間。在圖4中，峰值前面的虛線曲線之振盪前導樣本雖然被截斷，但是為非零，其描繪了非因果行為，如虛的曲線中所示。雖然峰值後面(且包含峰值)的因果部分在總體能量中占主導地位且主要表示較低頻率區域下的行為，但是前面的非因果部分具有足夠能量級，其係不可忽略的且需要經擷取用於揚聲器特性之一準確識別。預期在圖3中所示之架構中，電阻抗將發生一類似結果。 圖5圖解說明根據本發明之實施例之一經延遲導納脈衝回應及一非延遲脈衝回應之一導納頻率回應，其中自適應濾波器202包括一有限脈衝回應濾波器，而圖6圖解說明根據本發明之實施例之一經延遲阻抗脈衝回應及一非延遲脈衝回應之阻抗頻率回應，其中自適應濾波器302包括一有限脈衝回應濾波器。 如圖5及6中所示，用於電導納及阻抗之因果架構可能比截斷的非因果架構更不準確，且此不準確性可能不僅限於一高頻區域。在因果架構中，藉由忽略電脈衝回應之非因果性引入不準確性可能會在後續揚聲器參數提取及揚聲器保護或校正控制中引起更大誤差。例如，結果是，若一揚聲器音圈溫度估計或一揚聲器電阻估計係基於一因果架構之導納或阻抗曲線，則可能存在溫度低估之風險。然而，藉由使用經延遲非因果架構(例如，具有如圖2及3中所示之有限延遲D之架構)，可能會降低揚聲器保護及校正應用之此等不準確性及風險。 雖然上述實例描繪了使用自適應有限脈衝回應濾波器，但是對於使用自適應無限脈衝回應濾波器之架構，上文論述之概念亦可能是真實的。 雖然前述預期用於揚聲器模型化及保護系統之揚聲器電識別，但是應瞭解，用於上述揚聲器電識別之方法及系統亦可用於除揚聲器模型化及保護系統外之任何合適應用中。 用於上述揚聲器電識別之方法及系統或任何其他合適揚聲器電識別可用於基於音圈速度模型化及/或預測之揚聲器保護。傳統上，保護揚聲器免受過熱及過偏離係揚聲器保護系統之目標。通常，一揚聲器之移動之瞬時速度峰值接近揚聲器之音圈之一平衡位置，且此速度通常在揚聲器位移之峰值位置周圍達到一瞬時最小值，這可能導致表現為限制偏離在某個臨限值內可能足以保護揚聲器。然而，歸因於用於驅動揚聲器之一驅動器之非線性行為及自然壓縮機制，使用揚聲器位移及溫度限制之保護可能仍然不能為揚聲器提供足夠保護以防長期或短期有害因素。例如，驅動器懸架之剛度通常在大位移位準處非線性地增加，這可壓縮及限制揚聲器移動且可能迫使其速度在錐體偏移之最大值周圍為零，其中揚聲器移動之動能可變換成位能，隨後可以最大速度轉換回動力學移動。因此，將偏移限制在某個預定臨限值內不一定確保揚聲器安全，因為存在儲存沿揚聲器驅動器之機械部分(例如在懸架系統中)分佈之此位能之其他應力及張力。因此，在全動能及全位能之間的循環期間，若非線性分佈不均勻，則分佈式位能可能導致揚聲器之意外移動，這可能對揚聲器驅動器之安全振動構成威脅。例如，懸架之剛度之一異常不均勻分佈可能導致揚聲器隔膜之突然大幅搖擺或彎曲。因此，可能需要監控用於揚聲器驅動器之移動之一總瞬時機械能並將此能量限制在一安全範圍內且防止潛在有害移動。 移動隔膜與音圈一起的總瞬時機械能可藉由其最大動能大致描述：因此，施加一能量臨限值等效於施加一臨限值至速度之峰值(即，)以保證安全揚聲器移動。 速度臨限值或相當於最大動能臨限值之額外引入可結合任何現有揚聲器保護解決方案之位移限制及熱或溫度限制一起作用，以提高待保護揚聲器之安全性。 實施音圈速度監控之一實施例可包含透過一額外運動感測器推導速度預測，歸因於需要額外感測器硬體，這可能更昂貴。在另一實施例中，可使用簡單的數學推導關係自現有位移估計來預測或模型化此速度替代地，在另一實施例中，可使用已知數學關係自揚聲器之電側之一反電動勢(EMF)電壓()之估計來預測速度：其中Bl 是磁性子系統的力因子，且其中R_e 係一揚聲器之一DC電阻，L_e 係揚聲器系統之一音圈電感，且係流過揚聲器驅動器之電流之預測，其可自電壓之估計藉由使用以下者來預測：如圖2之自適應濾波器202中所示之導納濾波器，其可在上文提出之自適應識別架構中自適應地估計。在此一實施例中，藉由積分濾波可獲得位移估計作為速度估計之副產物：或在此一實施例中，或在上文提及之其他實施例中(該等實施例可將其等位移或熱模型化基於經自適應地識別之電導納或電阻抗)，可能有利的是，藉由使用上述非因果識別架構來提高導納或阻抗之識別精度。 本發明涵蓋所述領域一般技術者將理解之本文中的例示性實施例之所有改變、替換、變動、變更及修改。類似地，在適當情況下，所附申請專利範圍涵蓋所述領域一般技術者將理解之本文中的例示性實施例之所有改變、替換、變動、變更及修改。此外，在所附申請專利範圍中對適用於、經佈置以、能夠、經配置以、使得能夠、可操作以或操作中執行一特定功能之一設備或系統或一設備或系統之一組件之參考涵蓋該設備、系統或組件，而不論其或該特定功能是否被啟動、開啟或解鎖，只要該設備、系統或組件如此適應、佈置、能夠、經配置、使得能夠、可操作或操作中。 本文中陳述的所有實例及條件語言旨在用於教學目的以幫助閱讀者理解本發明及由發明者貢獻以增進此項技術之概念，且應被解釋為不限於此等特定陳述之實例及條件。雖然已經詳細描述了本發明之實施例，但是應瞭解，在不脫離本發明之精神及範疇之情況下，可進行各種改變、替換及變更。

100‧‧‧系統
102‧‧‧音訊揚聲器
104‧‧‧類比轉數位轉換器
106‧‧‧類比轉數位轉換器
108‧‧‧控制器
110‧‧‧放大器
112‧‧‧揚聲器模型化及追蹤
114‧‧‧揚聲器保護
116‧‧‧音訊處理
118‧‧‧模型化回應
120‧‧‧控制信號
126‧‧‧數位信號
128‧‧‧數位信號
200‧‧‧模型
202‧‧‧自適應濾波器
204‧‧‧延遲器
206‧‧‧組合器
300‧‧‧模型
302‧‧‧自適應濾波器
304‧‧‧延遲
306‧‧‧組合器
a(t)‧‧‧導納回應
d(t)‧‧‧經延遲信號
i(t)‧‧‧電流信號
e(t)‧‧‧誤差信號
v(t)‧‧‧電壓信號
x(t)‧‧‧音訊輸入信號
z(t)‧‧‧阻抗回應

可藉由參考結合附圖之[實施方式]而獲取對該等實施例及其等優點之一更完全理解，其中相同元件符號指示相同特徵，且其中： 圖1圖解說明根據本發明之實施例之使用揚聲器模型化及追蹤來控制一音訊揚聲器之操作之一例示性系統之一方塊圖； 圖2圖解說明根據本發明之實施例之用於模型化及追蹤一音訊揚聲器之電導納之一模型； 圖3圖解說明根據本發明之實施例之用於模型化及追蹤一音訊揚聲器之電阻抗之一模型； 圖4圖解說明根據本發明之實施例之導納對一經延遲導納脈衝回應及一非延遲脈衝回應之時間之一波形，其中一自適應濾波器包括一有限脈衝回應濾波器； 圖5圖解說明根據本發明之實施例之導納對一經延遲導納脈衝回應及一非延遲脈衝回應之頻率之一曲線圖，其中一自適應濾波器包括一有限脈衝回應濾波器；及 圖6圖解說明根據本發明之實施例之阻抗對一經延遲阻抗脈衝回應及一非延遲脈衝回應之頻率之一曲線圖，其中一自適應濾波器包括一有限脈衝回應濾波器。

100‧‧‧系統

102‧‧‧音訊揚聲器

104‧‧‧類比轉數位轉換器

106‧‧‧類比轉數位轉換器

108‧‧‧控制器

110‧‧‧放大器

112‧‧‧揚聲器模型化及追蹤

114‧‧‧揚聲器保護

116‧‧‧音訊處理

118‧‧‧模型化回應

120‧‧‧控制信號

126‧‧‧數位信號

128‧‧‧數位信號

i(t)‧‧‧電流信號

v(t)‧‧‧電壓信號

x(t)‧‧‧音訊輸入信號

Claims (15)

1. 一種方法，其包括： 使用一自適應濾波器系統以基於一揚聲器之一第一電參數與該揚聲器之一第二電參數之間之一誤差來估計該揚聲器之一電特性之一回應；及 在計算該誤差之前相對於該第二電參數將一非零延遲添加至該第一電參數使得該自適應濾波器系統擷取該電特性之一截斷的非因果性。
2. 如請求項1之方法，其中該第一電參數係該揚聲器之一電流，該第二電參數係該揚聲器之一電壓，且該電特性係該揚聲器之一電導納。
3. 如請求項2之方法，其中該方法進一步包括： 利用指示該電導納之該自適應濾波器系統之一濾波器回應將該第二電參數濾波； 產生該誤差，其依據如由該非零延遲而延遲之該第一電參數與由該濾波器回應濾波之該第二電參數之間之一差值；及 調適該濾波器回應以最小化該誤差。
4. 如請求項1之方法，其中該第一電參數係該揚聲器之一電壓，該第二電參數係該揚聲器之一電流，且該電特性係該揚聲器之一電阻抗。
5. 如請求項4之方法，其中該方法進一步包括： 利用指示該電阻抗之該自適應濾波器系統之一濾波器回應將該第二電參數濾波； 產生該誤差，其依據如由該非零延遲而延遲之該第一電參數與由該濾波器回應濾波之該第二電參數之間之一差值；及 調適該濾波器回應以最小化該誤差。
6. 如請求項1之方法，其進一步包括： 至少基於該電特性將該揚聲器模型化；及 基於該模型化設定該揚聲器之一保護等級。
7. 如請求項1之方法，其中該電特性之該截斷的非因果性比缺少該非零延遲將該電特性更準確地模型化。
8. 一種系統，其包括： 一自適應濾波器系統，其經組態以基於一揚聲器之一第一電參數與該揚聲器之一第二電參數之間之一誤差來估計該揚聲器之一電特性之一回應；及 一非零延遲，其經組態以在計算該誤差之前相對於該第二電參數提供該第一電參數之一延遲使得該自適應濾波器系統擷取該電特性之一截斷的非因果性，其比缺少該非零延遲將該電特性更準確地模型化。
9. 如請求項8之系統，其中該第一電參數係該揚聲器之一電流，該第二電參數係該揚聲器之一電壓，且該電特性係該揚聲器之一電導納。
10. 如請求項9之系統，其中該自適應濾波器系統進一步經組態以： 利用指示該電導納之該自適應濾波器系統之一濾波器回應將該第二電參數濾波； 調適該濾波器回應以最小化該誤差，其中該誤差係如由該非零延遲而延遲之該第一電參數與由該濾波器回應濾波之該第二電參數之間之一差值。
11. 如請求項8之系統，其中該第一電參數係該揚聲器之一電壓，該第二電參數係該揚聲器之一電流，且該電特性係該揚聲器之一電阻抗。
12. 如請求項11之系統，其中該自適應濾波器系統進一步經組態以： 利用指示該電阻抗之該自適應濾波器系統之一濾波器回應將該第二電參數濾波； 調適該濾波器回應以最小化該誤差，其中該誤差係如由該非零延遲而延遲之該第一電參數與由該濾波器回應濾波之該第二電參數之間之一差值。
13. 如請求項8之系統，進一步包括： 一揚聲器模型化區塊，其經組態以至少基於該電特性將該揚聲器模型化；及 一揚聲器保護區塊，其經組態以基於該模型化設定該揚聲器之一保護等級。
14. 如請求項8之系統，其中該電特性之該截斷的非因果性比缺少該非零延遲將該電特性更準確地模型化。
15. 一種揚聲器保護方法，其包括： 計算移動部分之一即時速度或一等效最大動能以模型化或監控一揚聲器；及 添加一限制至該即時速度之峰值或該等效最大動能之峰值以設定一揚聲器保護等級。