TW201820893A - 揚聲器驅動裝置和揚聲器驅動方法 - Google Patents

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Abstract

公開了一種揚聲器驅動裝置和揚聲器驅動方法，透過根據揚聲器的輸入電流以及驅動電壓估計揚聲器的輸出聲壓，並將代表揚聲器聲壓的電信號反饋到音頻處理電路中，根據其對於輸入音頻信號進行補償，使得輸出聲壓與輸入音頻信號成線性關係，由此，可以精確地控制揚聲器輸出。

Description

揚聲器驅動裝置和揚聲器驅動方法
本發明涉及聲學領域，具體涉及一種揚聲器驅動裝置和揚聲器驅動方法。
隨著電子產品的體積不斷減小，揚聲器的體積也在不斷地減小，揚聲器的非線性特性越來越突出。為了保證輸出品質，在當前的音頻驅動電路中，通常將輸入到驅動端的輸入信號反饋到控制環路中，進行控制。但是，揚聲器本身並不是一個線性裝置，輸入到揚聲器的音頻信號和揚聲器輸出的聲壓是非線性的關係。因此，現有的音頻驅動電路基於輸入音頻信號與聲壓成線性關係這一基礎來設計，使得不能對於輸出聲壓進行精確控制。舉例來說，如果需要獲得例如聲壓為10的信號，而輸入音頻信號(其為一電信號)當前的幅值為1，則通常會透過放大電路將其放大十倍後輸出到揚聲器，而由於揚聲器的輸入電信號和輸出聲壓並非線性關係，最後獲得的輸出聲壓會偏離期望。
有鑒於此，本發明提供一種揚聲器驅動裝置和揚聲器驅動方法，以準確控制揚聲器的聲壓輸出。
第一方面，提供一種揚聲器驅動裝置，包括：聲壓反饋單元，用於獲取代表揚聲器聲壓的電信號；補償單元，用於根據所述代表揚聲器聲壓的電信號對輸入音頻信號進行補償以使得揚聲器聲壓與輸入音頻信號成線性關係；以及放大單元，用於放大經過補償的輸入音頻信號。
優選地，所述聲壓反饋單元根據放大單元輸出到所述揚聲器的輸入電流和驅動電壓獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
優選地，所述聲壓反饋單元估計揚聲器的直流阻抗並根據所述輸入電流和驅動電壓以及所述直流阻抗估計揚聲器的振膜速度或振膜位移，進而根據振膜速度或振膜位移獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
優選地，所述聲壓反饋單元包括：直流阻抗估計模組，用於估計揚聲器的直流阻抗；振膜狀態估計模組，用於根據所述揚聲器的直流阻抗、輸入電流和驅動電壓訓練獲得揚聲器的振膜位移模型，並基於所述振膜位移模型估計揚聲器振膜速度；以及轉換模組，用於根據揚聲器的振膜速度估計值或振膜位移估計值獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
優選地，所述轉換模組根據預測的下一時刻的振膜速度和前一時刻的振膜速度的差值獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
優選地，根據所述差值、預定計算參數以及反饋係數的乘積獲取所述代表揚聲器聲壓的電信號。
優選地，所述振膜狀態估計模組根據如下公式以最小化驅動電壓估計值和驅動電壓測量值為目標更新權重值訓練所述振膜位移模型：
其中，R為所述揚聲器直流阻抗，i(k)為時刻k的輸入電流，v(k)為時刻k的振膜相對速度估計值，u(k)為時刻k的驅動電壓估計值，s(k)為振膜相對位移估計值，a，b，c分別為i(k)、v(k)和s(k)對應的權重值。
第二方面，提供一種揚聲器驅動方法，包括：獲取代表揚聲器聲壓的電信號；根據所述代表揚聲器聲壓的電信號對輸入音頻信號進行補償以使得揚聲器聲壓與輸入音頻信號成線性關係；以及放大經過補償的輸入音頻信號輸出到揚聲器。
優選地，根據放大電路輸出到所述揚聲器的輸入電流和驅動電壓獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
優選地，根據放大電路輸出到所述揚聲器的輸入電流和驅動電壓獲取代表揚聲器聲壓的電信號包括： 估計揚聲器的直流阻抗；根據所述輸入電流和驅動電壓以及所述直流阻抗估計揚聲器的振膜速度；以及根據振膜速度獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
優選地，所述根據所述輸入電流和驅動電壓以及所述直流阻抗估計揚聲器的振膜速度包括：所述揚聲器的直流阻抗、輸入電流和驅動電壓訓練獲得揚聲器的振膜位移模型；以及基於所述振膜位移模型估計揚聲器振膜速度。
優選地，根據預測的下一時刻的振膜速度和前一時刻的振膜速度的差值獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
優選地，根據所述差值、預定計算參數以及反饋係數的乘積獲取所述代表揚聲器聲壓的電信號
優選地，根據如下公式以最小化驅動電壓估計值和驅動電壓測量值為目標更新權重值訓練所述振膜位移模型：
其中，R為所述揚聲器直流阻抗，i(k)為時刻k的輸入電流，v(k)為時刻k的振膜速度，u(k)為時刻k的驅動電壓估計值，s(k)為振膜相對位移，a，b，c分別為i(k)、v(k)和s(k)對應的權重值。
透過根據揚聲器的輸入電流以及驅動電壓估計揚聲器的輸出聲壓，並將代表揚聲器聲壓的電信號反饋到音頻處理電路中，根據其對於輸入音頻信號進行補償，使得輸出 聲壓與輸入音頻信號成線性關係，由此，可以精確地控制揚聲器輸出。
1‧‧‧揚聲器驅動裝置
2‧‧‧揚聲器
11‧‧‧聲壓反饋單元
11a‧‧‧直流阻抗估計模組
11b‧‧‧振膜狀態估計模組
11c‧‧‧轉換模組
12‧‧‧補償單元
13‧‧‧放大單元
透過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上述以及其它目的、特徵和優點將更為清楚，在附圖中：圖1是本發明實施例的揚聲器驅動裝置的示意圖；圖2是揚聲器的電磁和機械振動模型的示意圖；圖3是本發明實施例的揚聲器驅動方法的流程圖。
以下基於實施例對本發明進行描述，但是本發明並不僅僅限於這些實施例。在下文對本發明的細節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節部分的描述也可以完全理解本發明。為了避免混淆本發明的實質，公知的方法、過程、流程、元件和電路並沒有詳細敍述。
此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例繪製的。
除非上下文明確要求，否則整個說明書和權利要求書中的“包括”、“包含”等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限於”的含義。
圖1是本發明實施例的揚聲器驅動裝置的示意圖。如圖1所示，揚聲器驅動裝置1包括聲壓反饋單元11、補償單元12和放大單元13。其中，聲壓反饋單元11用於獲取代表揚聲器聲壓的電信號。具體地，聲壓反饋單元11不依賴於測量，而是根據放大單元13輸出到揚聲器的電流iin(也即，揚聲器的輸入電流)和驅動電壓uin來估計揚聲器的狀態，獲取代表揚聲器聲壓的電信號。補償單元12接收輸入音頻信號au以及反饋單元11反饋的代表揚聲器聲壓的電信號fb。補償單元12用於根據所述代表揚聲器聲壓的電信號fb對輸入音頻信號au進行補償，輸出經過補償的音頻信號(其為電信號)，以使得揚聲器聲壓與輸入音頻信號成線性關係。放大單元13用於對經過補償的輸入音頻信號au’進行放大，並輸出到揚聲器。由此，可以形成基於聲壓的閉環控制環路，從而使得對於輸出聲壓進行精確的控制。
由此，透過根據揚聲器的輸入電流以及驅動電壓估計揚聲器的輸出聲壓，並將代表揚聲器聲壓的電信號反饋到音頻處理電路中，根據其對於輸入音頻信號進行補償，使得輸出聲壓與輸入音頻信號成線性關係，由此，可以精確地控制揚聲器輸出。
在一個優選的實施方式中，聲壓反饋單元11可以基於較為優化的方式來獲取所述代表揚聲器聲壓的電信號。
圖2是揚聲器的電磁和機械振動模型的示意圖。如圖2所示，揚聲器的振膜受電磁線圈產生的磁場的驅動而振 動發聲。在圖3中，回路1為驅動線圈的等效電路。uin為驅動電壓，也即輸入到驅動線圈(或稱音圈)的輸入電壓；R為驅動線圈的電阻(也即，揚聲器的直流阻抗)；L為驅動線圈的電感，l為驅動線圈的總長度，B為驅動線圈的磁體與振膜磁體隙縫的磁感應強度，也即，在驅動線圈不通電時，設置於驅動線圈的永磁體和振膜的永磁體的磁極間隙中的磁感應強度，其為一基本不變的值。i為回路1中電流也即驅動線圈中的電流，被驅動側的耦合電壓。
在圖2中，回路2為與驅動線圈耦合的機械振動系統等效模型，其中，將機械力學系統中的不同參量等效為電路部件，以方便後續對於模型的進一步簡化。電磁感應力由感應電壓uin產生，可等效為回路2中電流。其中，機械振動系統的質量以及振膜的力順和機械振動系統的阻尼均對於施加的力具有不同的屬性，將其分別等效為並列的電容、電感和電阻。
由此，可以得到輸入電流i、驅動電壓uin、振膜速度v和振膜位移s之間的關係滿足：
其中，m為揚聲器的振膜質量，Rm為揚聲器的機械阻尼，k為振膜的彈力係數。
如果直接使用公式(1)的模型來進行振膜位移估計，需要獲取的參數太多，計算複雜。同時，Bl為非線性參數，其穩定性較差，同時，在計算時需要對揚聲器的電-機系統和機械-聲音系統進行建模，模型的權重值參數多，計算複雜。
由於電感主要對高頻交流電有響應，其對於驅動電壓uin的影響可以忽略，因此，可以在模型中省略電感相關成分。同時，非線性參數Bl標么化為1，忽略其非線性特性。對應地，在忽略模型中的非線性部分後，對應的位移被轉換為相對位移參量。由此，可以得到作為本發明實施例基礎的振膜位移模型：
其中，a、b、c為模型的權重值，s(k)表示時刻k振膜的相對位移。
由此，可以獲取到一個簡單易於訓練的揚聲器模型表達式。
在公式(2)中，揚聲器的直流阻抗R可以為預定值，也可以透過現有的方法計算或估計獲得。優選地，揚聲器的直流阻抗R可以根據中國專利申請CN104640053A中披露的方法和裝置估計獲取。因此，在模型中R是已知的，不需要透過模型的迭代獲取。將輸入電流、估計得到的揚聲器振膜速度和相對位移作為輸入，將揚聲器的驅動電壓作為輸出，透過自適應濾波方法來調整位移模型的三 個權重值，直到驅動電壓估計值ue與驅動電壓測量值ud的誤差e收斂(也即，小於預定的閾值)。此時，可以認為當前權重值對應的振膜位移模型能夠較為準確地模擬揚聲器的狀態。該模型可以適用於進行後續的振膜速度的估計。優選地，可以透過自適應濾波方法來調整上述模型的權重值a、b和c直至直到驅動電壓估計值ue與驅動電壓測量值ud的誤差e收斂。
模型訓練成功後，可以基於最終確定的權重值a、b和c以及公式(2)來預測下一時刻的振膜速度。基於獲取的振膜速度就可以進一步計算獲取揚聲器的聲壓獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
也就是說，聲壓反饋單元11先估計揚聲器的直流阻抗R，再根據所述輸入電流和驅動電壓以及所述直流阻抗估計揚聲器的振膜速度，進而根據振膜速度獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
具體地，聲壓反饋單元11可以包括直流阻抗估計模組11a、振膜狀態估計模組11b以及轉換模組11c。其中，直流阻抗估計模組11a用於估計揚聲器的直流阻抗。優選地，直流阻抗估計模組11a可以採用中國專利申請CN104640053A中披露的方法和裝置來獲取揚聲器的直流阻抗。當然，本領域技術人員也可以採用其它現有的揚聲器直流阻抗獲取方法(測量或計算)來獲取該參數。振膜狀態估計模組11b用於根據所述揚聲器的直流阻抗、輸入電流和驅動電壓訓練獲得揚聲器的振膜位移模型，並基於 所述振膜位移模型估計揚聲器振膜速度。優選地，振膜狀態估計模組11b基於如上所述的公式(2)以及對應的方法來訓練振膜位移模型並基於最終確定的模型估計振膜速度。採用本優選實施方式來進行振膜速度的預測，模型需要進行調整的參數較少，可以快速訓練獲得穩定的模型，從而快速、準確地進行振膜速度的在線預測。
轉換模組11c用於根據揚聲器的振膜速度估計值獲取代表揚聲器聲壓的電信號。具體地，轉換模組根據預測的下一時刻的振膜速度和前一時刻的振膜速度的差值獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
優選地，可以根據如下公式來進行“聲-電”轉換：p(k)=d．(v(k+1)-v(k-1))p in (k)=mp．p(k)u in (k)=mu．u(k) (3)
其中，p(k)為當前時刻的絕對聲壓估計值，v(k+1)為下一時刻的振膜速度估計值，v(k-1)為前一時刻的振膜速度，d為根據揚聲器面積、尺寸和採樣時間獲得的計算參數。而mp為將絕對聲壓轉換為相對聲壓的相對關係係數，mu為將絕對驅動電壓轉換為相對驅動電壓的相對關係係數，該係數可以根據揚聲器的相關參數以及放大單元的放大倍數獲得。同時，轉換模組在獲得pin(k)以後，還可以對其乘以反饋係數K以使得代表聲壓的電信號的幅度適於共補償單元12進行補償操作。
當然，也可以利用振膜位移的估計值來進行估算當前聲壓。
本領域技術人員可以理解，除了上述優選的方法外，也可以採用其它現有的揚聲器狀態估計方法來估計振膜速度或採用其它現有的聲壓獲取方式來獲取揚聲器的輸出聲壓。
在輸入音頻信號為電流信號時(也即，揚聲器需要電流驅動)，補償單元12根據代表聲壓的電信號(其可以為電壓信號也可以為電流信號)對電流形式的輸入音頻信號進行補償輸出可以使得聲壓與輸入音頻信號成比例的電流信號。該信號被放大單元13放大後輸出到揚聲器2。
在輸入音頻信號為電壓信號時(也即，揚聲器需要電壓驅動)，補償單元12根據代表聲壓的電信號對電壓形式的輸入音頻信號進行補償輸出可以使得聲壓與輸入音頻信號成比例的電壓信號。該信號被放大單元13放大後輸出到揚聲器2。
具體地，補償單元12可以計算反饋的電信號與輸入音頻信號之間的誤差值，進而根據誤差值進行補償，以使得反饋信號與輸入音頻信號保持比例關係或線性關係。
在本發明實施例中，聲壓反饋單元11以及補償單元12可以由數位電路或執行預定程序的通用處理器結合類比數位轉換器及數位類比轉換器來實現。放大單元13可以是模擬放大電路，也可以數位放大電路。
圖3是本發明實施例的揚聲器驅動方法的流程圖。如圖3所示，本發明實施例的方法包括：
步驟S100、獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
優選地，可以根據放大電路輸出到所述揚聲器的輸入電流和驅動電壓獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
更優選地，步驟S100包括：
步驟S110、估計揚聲器的直流阻抗。
步驟S120、根據所述輸入電流和驅動電壓以及所述直流阻抗估計揚聲器的振膜速度。
其中，步驟S120可以包括：根據所述揚聲器的直流阻抗、輸入電流和驅動電壓訓練獲得揚聲器的振膜位移模型；以及基於所述振膜位移模型估計揚聲器振膜速度。
具體地，步驟S120根據如下公式以最小化驅動電壓估計值和驅動電壓測量值為目標更新權重值訓練所述振膜位移模型：
其中，R為所述揚聲器直流阻抗，i(k)為時刻k的輸入電流，v(k)為時刻k的振膜相對速度估計值，u(k)為時刻k的驅動電壓估計值，s(k)為時刻k的振膜相對位移估計值，a，b，c分別為i(k)、v(k)和s(k)對應的權重值。
步驟S130、根據振膜速度獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
具體地，步驟S130根據預測的下一時刻的振膜速度和前一時刻的振膜速度的差值獲取代表揚聲器聲壓的電信號。更具體地，根據所述差值、預定計算參數以及反饋係 數的乘積獲取所述代表揚聲器聲壓的電信號。
步驟S200、根據所述代表揚聲器聲壓的電信號對輸入音頻信號進行補償以使得揚聲器聲壓與輸入音頻信號成線性關係。
步驟S300、放大經過補償的輸入音頻信號輸出到揚聲器。
本實施例的方法透過根據揚聲器的輸入電流以及驅動電壓估計揚聲器的輸出聲壓，並將代表揚聲器聲壓的電信號反饋到音頻處理電路中，根據其對於輸入音頻信號進行補償，使得輸出聲壓與輸入音頻信號成線性關係，由此，可以精確地控制揚聲器輸出。
以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，對於本領域技術人員而言，本發明可以有各種改動和變化。凡在本發明的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

Claims (14)

  1. 一種揚聲器驅動裝置，包括：聲壓反饋單元，用於獲取代表揚聲器聲壓的電信號；補償單元，用於根據該代表揚聲器聲壓的電信號對輸入音頻信號進行補償以使得揚聲器聲壓與輸入音頻信號成線性關係；以及放大單元，用於放大經過補償的輸入音頻信號。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的揚聲器驅動裝置，其中，該聲壓反饋單元根據放大單元輸出到該揚聲器的輸入電流和驅動電壓獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的揚聲器驅動裝置，其中，該聲壓反饋單元估計揚聲器的直流阻抗並根據該輸入電流和驅動電壓以及該直流阻抗估計揚聲器的振膜速度或振膜位移，進而根據振膜速度或振膜位移獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的揚聲器驅動裝置，其中，該聲壓反饋單元包括：直流阻抗估計模組，用於估計揚聲器的直流阻抗；振膜狀態估計模組，用於根據該揚聲器的直流阻抗、輸入電流和驅動電壓訓練獲得揚聲器的振膜位移模型，並基於該振膜位移模型估計揚聲器振膜速度；以及轉換模組，用於根據揚聲器的振膜速度估計值或振膜位移估計值獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
  5. 根據申請專利範圍第3或4項所述的揚聲器驅動 裝置，其特徵在於，該轉換模組根據預測的下一時刻的振膜速度和前一時刻的振膜速度的差值獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述的揚聲器驅動裝置，其中，根據該差值、預定計算參數以及反饋係數的乘積獲取該代表揚聲器聲壓的電信號。
  7. 根據申請專利範圍第4項所述的揚聲器驅動裝置，其中，該振膜狀態估計模組根據如下公式以最小化驅動電壓估計值和驅動電壓測量值為目標更新權重值訓練該振膜位移模型： 其中，R為該揚聲器直流阻抗，i(k)為時刻k的輸入電流，v(k)為時刻k的振膜速度，u(k)為時刻k的驅動電壓估計值，s(k)為振膜相對位移，a，b，c分別為i(k)、v(k)和s(k)對應的權重值。
  8. 一種揚聲器驅動方法，包括：獲取代表揚聲器聲壓的電信號；根據該代表揚聲器聲壓的電信號對輸入音頻信號進行補償以使得揚聲器聲壓與輸入音頻信號成線性關係；以及放大經過補償的輸入音頻信號輸出到揚聲器。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述的方法，其中，根據放大電路輸出到該揚聲器的輸入電流和驅動電壓獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述的方法，其中，根據放大電路輸出到該揚聲器的輸入電流和驅動電壓獲取代表揚聲器聲壓的電信號包括：估計揚聲器的直流阻抗；根據該輸入電流和驅動電壓以及該直流阻抗估計揚聲器的振膜速度；以及根據振膜速度獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述的方法，其中，該根據該輸入電流和驅動電壓以及該直流阻抗估計揚聲器的振膜速度包括：該揚聲器的直流阻抗、輸入電流和驅動電壓訓練獲得揚聲器的振膜位移模型；以及基於該振膜位移模型估計揚聲器振膜速度。
  12. 根據申請專利範圍第10或11項所述的方法，其中，根據預測的下一時刻的振膜速度和前一時刻的振膜速度的差值獲取代表揚聲器聲壓的電信號。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述的方法，其中，根據該差值、預定計算參數以及反饋係數的乘積獲取該代表揚聲器聲壓的電信號
  14. 根據申請專利範圍第11項所述的方法，其中，根據如下公式以最小化驅動電壓估計值和驅動電壓測量值為目標更新權重值訓練該振膜位移模型： 其中，R為該揚聲器直流阻抗，i(k)為時刻k的輸入電流，v(k)為時刻k的振膜相對速度估計值，u(k)為時刻k的驅動電壓估計值，s(k)為振膜相對位移估計值，a，b，c分別為i(k)、v(k)和s(k)對應的權重值。
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