TWI535304B - 揚聲器的磁力強度參數的偵測裝置及方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種揚聲器的磁力強度參數的偵測裝置及方法，特別是一種可以應用於使用者端，並且更準確地偵測揚聲器的磁力強度參數的偵測裝置及方法。
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，進而產生人耳能夠感知的聲波。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、機械阻抗以及飽合電磁力的電路，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為磁力強度參數，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。而飽合電磁力則是當揚聲器100的振膜位移量接近極限或大於極限時，所感應的電磁力的部分，大小為M*v’，其中v’為位移速度v的一次微分。當振膜位移量不大時，係數M趨近於0。以上參數具有如下關係式：Φ．i=Zm．v+M．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。因此，藉由已知的驅動電壓u，並量測操作電流i，即可以得到反電動勢Φ*v的大小。然而，若想進一步得到振膜位移量，亦即位移速度v的積分值，則必須得知磁力強度參數Φ的大小。
當揚聲器100進行使用前的校正時，欲偵測磁力強度參數Φ的大小，則必須先將揚聲器100的振膜位移量v操作在其極限值，以進行反推算。在習知技術中，其一是利用分析電性訊號，例如驅動電壓u，或是操作電流i的總諧波失真度(total harmonic distortion，THD)，來判斷揚聲器100的振膜位移量v是否已接近其極限值，然而實際上當揚聲器100的振膜位移
量v已接近或大於其極限值時，電性訊號的總諧波失真度往往不具有很好的可識別性，這是因為揚聲器100的非線性行為有很大部分是發生在其共振頻率(resonant frequency)之上，而非電性訊號的諧波頻率上，因此此一特性增加了以總諧波失真度來判斷的困難度；其二是利用分析揚聲器所產生的聲音壓力位準(sound pressure level，SPL)的總諧波失真度，來判斷揚聲器的振膜位移量是否已接近其極限值。然而聲音壓力位準的量測只在受控制的環境中才具有可行性，因此通常是在實驗室中進行，再者量測聲音壓力位準需要特殊的儀器，因此並無法應用於使用者端。
鑒於以上的問題，本發明主要係提供一種揚聲器的磁力強度參數的偵測裝置及方法，特別是一種可以應用於使用者端，並且更準確地偵測揚聲器的磁力強度參數的偵測裝置及方法。
為了達到以上目的，本發明提供一種揚聲器的磁力強度參數的偵測方法，包含：輸出動態的一驅動電壓訊號予一揚聲器；連續量測流經該揚聲器之一操作電流訊號；觀察該操作電流訊號，若該操作電流訊號顯示該揚聲器的振膜的一位移量超過一上限值，則減小該驅動電壓訊號的大小並重新輸出予該揚聲器，直到該操作電流訊號顯示該位移量小於或等於該上限值；以及利用此時的該驅動電壓訊號、該操作電流訊號、該上限值以及該揚聲器的一電性阻抗，代入一函式，以得到該揚聲器的一磁力強度參數。
本發明一實施例中，其中觀察該操作電流訊號的步驟，更包括觀察該操作電流訊號的二次微分後的擺幅是否大於一判斷值，若大於一
判斷值，則判斷該揚聲器的振膜的該位移量超過該上限值，其中該判斷值正相關於該驅動電壓訊號的大小。
又，為了達到以上目的，本發明又提供一種揚聲器的磁力強度參數的偵測裝置，包含：一驅動電路，耦接於一揚聲器，以接收一控制訊號，並產生動態的一驅動電壓訊號；一電流感測單元，耦接於該揚聲器，以連續量測流經該揚聲器之一電流，並產生一操作電流量訊號；以及一訊號處理單元，耦接於該電流感測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，該訊號處理單元對該操作電流訊號進行一訊號處理程序，並用以判斷該揚聲器的振膜的一位移量是否超過一上限值，若該操作電流訊號顯示該位移量超過該上限值，則減小該驅動電壓訊號的大小，並重新輸出予該揚聲器，直到該操作電流訊號顯示該位移量小於或等於該上限值，並利用此時的該驅動電壓訊號、該操作電流訊號、該上限值以及該揚聲器的一電性阻抗，代入一函式，以得到該揚聲器的一磁力強度參數。
本發明一實施例中，其中該訊號處理程序係為觀察該操作電流訊號的二次微分後的擺幅是否大於一判斷值，若大於一判斷值，則判斷該揚聲器的振膜的該位移量超過該上限值，其中該判斷值正相關於該驅動電壓訊號的大小。
本發明一實施例中，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電流感測單元，並接收該音源訊號以及該操作電流訊號，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，該數位類比轉換器產生該控制訊號。
本發明一實施例中，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訊號處理單元，以輸出該操作電流量訊號。
本發明一實施例中，其中該驅動電壓係為一弦波，並具有一特定時間長度。
本發明一實施例中，其中該弦波之頻率介於1赫兹與該揚聲器的共振頻率之間，或者是在該揚聲器的共振頻率附近，或者為100赫玆。
本發明一實施例中，其中該特定時間長度係為該弦波之週期，或者為10毫秒。
本發明一實施例中，其中該函式為：
其中Φ為該磁力強度參數，U(w)為該驅動電壓訊號經拉普拉斯轉換後在頻域的表示式，Ze(w)為該電性阻抗經拉普拉斯轉換後在頻域的表示式，I(w)為該操作電流訊號經拉普拉斯轉換後在頻域的表示式，X(w)為該上限值經拉普拉斯轉換後在頻域的表示式。
本發明的功效在於，本發明所揭露的揚聲器的磁力強度參數的偵測裝置及方法，利用揚聲器在一般正常操作時即具備的電路和部件，就能夠更準確地偵測揚聲器的磁力強度參數，且能夠同時使用於工廠出場的量產測試以及使用者端的使用前之校正，因此具有應用上的彈性以及方便性。
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
M*v’‧‧‧飽合電磁力
100‧‧‧揚聲器
110‧‧‧輸入埠
200‧‧‧磁力強度參數的偵測裝置
210‧‧‧揚聲器
220‧‧‧驅動電路
230‧‧‧電流感測單元
231‧‧‧感測電路
232‧‧‧類比數位轉換器
250‧‧‧訊號處理單元
251‧‧‧數位訊號處理器
252‧‧‧數位類比轉換器
310~330‧‧‧波形
第1圖：習知揚聲器之等效電路圖。
第2圖：本發明所揭露第一實施例之揚聲器的磁力強度參數的偵測裝置的電路方塊圖。
第3圖：本發明如2圖所示實施例於操作電流訊號進行二次微分所得到的波形圖。
第4圖：本發明所揭露第二實施例之揚聲器的磁力強度參數的偵測方法的步驟流程圖。
第5圖：本發明所揭露第三實施例之揚聲器的磁力強度參數的偵測方法的步驟流程圖。
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2圖為本發明所揭露第一實施例之揚聲器的磁力強度參數的偵測裝置200的電路方塊圖。揚聲器210的等效電路可參考第1圖及其相關說明。磁力強度參數的偵測裝置200包括一驅動電路220、一電流感測單元230以及一訊號處理單元250。
驅動電路220耦接於揚聲器210，以接收來自於訊號處理單
元250的一控制訊號，並產生動態的一驅動電壓訊號以驅動揚聲器210。例如動態的驅動電壓訊號可以是一弦波的態樣，並具有一特定的時間長度。弦波的頻率可以介於1赫兹與揚聲器210的共振頻率之間，或者是在共振頻率附近。例如當偵測的動作不希望使用者察覺時，弦波的頻率可以選擇相對低頻的頻率，例如為100赫兹(Hertz)。舉例而言，當磁力強度參數的偵測裝置200應用於一般電子裝置中，電子裝置所附設的揚聲器的輸出聲音壓力位準對輸入驅動電壓訊號在頻域上的訊號增益曲線，可能在800赫兹以下便開始產生2階的衰減，因此利用100赫兹的弦波的驅動電壓訊號進行磁力強度參數的偵測，由於輸出聲音壓力位準受到較大的衰減，而不易讓使用者察覺，同時又能得到具有參考價值的量測結果。另外，此動態的驅動電壓訊號也可以同時具有一特定的時間長度，合適的時間長度可以根據上述弦波的週期來決定，例如弦波的頻率為100赫兹時，時間長度可以是10毫秒(millisecond，ms)，令一般使用者無法查覺做為測試用途的驅動電壓訊號所產生的聲波。
電流感測單元230耦接於揚聲器210，以連續量測流經揚聲器210之電流，並產生一操作電流量訊號。此處所謂連續量測，係指以一定時間間隔依序進行多次的取樣，以得到操作電流量訊號相對於時間軸的取樣資料。
訊號處理單元250耦接於電流感測單元230以及驅動電路220。訊號處理單元250接受一音源訊號，以產生該控制訊號。訊號處理單元250對操作電流訊號進行一訊號處理程序用，以判斷揚聲器210的振膜的一位移量是否超過一上限值。若操作電流訊號顯示位移量超過上限值，則
減小驅動電壓訊號的大小，並重新輸出予揚聲器210，直到操作電流訊號顯示位移量小於或等於上限值，並利用此時的驅動電壓訊號、操作電流訊號、上限值以及揚聲器210的一電性阻抗，代入一函式，以得到揚聲器210的磁力強度參數。
進一步說明磁力強度參數的偵測裝置200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參數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210的振膜的位移量。假設振膜的位移量為x，則可理解為第(2)式如下所示：Φ．x=ʃΦ．v．dt......(2)
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(3)式如下所示：Φ．x=ʃΦ．v．dt=ʃ(u-Z e ．i)．dt......(3)
將等式的兩邊作拉普拉斯轉換(Laplace Transformation)，再取絕對值並經過整理後，可以得到磁力強度參數Φ的表示函式，即如第(4)式所示：
其中U(w)為驅動電壓訊號經拉普拉斯轉換後在頻域的表示式，Ze(w)為電性
阻抗經拉普拉斯轉換後在頻域的表示式，I(w)為操作電流訊號經拉普拉斯轉換後在頻域的表示式，X(w)為振膜的上限值經拉普拉斯轉換後在頻域的表示式。
由於電性阻抗Ze為已知，例如藉由一低頻的驅動電壓訊號，在不使揚聲器的振膜產生太大的位移量的情形下，亦即反電動勢的量不大的情形下，量測操作電流訊號，並將驅動電壓訊號除以操作電流訊號以得到電性阻抗Ze。因此從第(4)式可知，若可以判斷揚聲器210的振膜的位移量處於所述上限值的情形，亦即第(4)式中的|X(w)|處於一個設定的大小，如此即可由當時所產生的驅動電壓訊號以及所量測的操作電流訊號代入第(4)式得到磁力強度參數Φ。
由揚聲器實際的物理現象可得知，當揚聲器210的振膜的位移量接近甚至超過其上限值之時，操作電流訊號在訊號峰值處傾向形成不連續的點，如果以第1圖的等效電路來說明，可解釋為當振膜的位移量愈大，飽合電磁力M*v’將以非線性的方式隨之增加的緣故。操作電流訊號在訊號峰值處傾向形成不連續的點，如此即可以利用將操作電流訊號進行二次微分而得到明顯的特徵。
第3圖即為當驅動電壓訊號為弦波時，將操作電流訊號進行二次微分所得到的波形圖。其中波形310、320、330分別為振膜的位移量小於上限值、約等於上限值以及大於上限值的情形。請注意波形310、320、330的擺幅已經過調整，所以看起來大小幾乎一致。可以發現波形320在波谷處有明顯的突出，而波形330於波峰處的突出則更為明顯，因此可以利用操作電流訊號在其時域訊號上的此一特徵，來判斷揚聲器的振膜的位移
情形。亦即，可藉由觀察該操作電流訊號的二次微分後的擺幅是否大於一判斷值，若大於一判斷值，則判斷揚聲器的振膜的位移量超過該上限值，其中該判斷值正相關於該驅動電壓訊號的大小。上述作法即可判斷波形320以及330在波峰及/或波谷處訊號明顯突出的情形，且相較於習知技術利用總諧波失真度來判斷位移量大小的情形，更具有可識別性。
另外，如第2圖中所示，訊號處理單元250可以進一步包括一數位訊號處理器251以及一數位類比轉換器252。數位訊號處理器251耦接於電流感測單元230，並接收音源訊號以及操作電流量訊號。數位類比轉換器252耦接於數位訊號處理器251以及驅動電路220，數位類比轉換器252並且產生控制訊號。數位訊號處理器251以及數位類比轉換器252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2圖中所示，電流感測單元230可以進一步包括一感測電路231以及一類比數位轉換器232。感測電路231耦接於揚聲器210，以量測流經揚聲器210之電流。類比數位轉換器232耦接於感測電路231以及訊號處理單元250，以輸出操作電流訊號。感測電路231以及類比數位轉換器232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4圖為本發明所揭露第二實施例之揚聲器的磁力強度參數的偵測方法的步驟流程圖，包括下列步驟：如步驟S410所示，輸出動態的驅動電壓訊號予一揚聲器。例如動態的驅動電壓訊號可以是一弦波的態樣，並具有一特定的時間長度。弦波的頻率可以介於1赫兹與揚聲器210的共振頻率之間，或者是在共
振頻率附近。例如當偵測的動作不希望使用者察覺時，弦波的頻率可以選擇相對低頻的頻率，例如為100赫兹(Hertz)。而合適的時間長度可以根據上述弦波的週期來決定，例如弦波的頻率為100赫兹時，時間長度可以是10毫秒，用以令一般使用者無法查覺可被用以做為測試用途的驅動電壓訊號所產生的聲波。
如步驟S430所示，連續量測流經該揚聲器之一操作電流訊號。
如步驟S450所示，觀察操作電流訊號，若操作電流訊號顯示揚聲器的振膜的位移量超過上限值，則減小驅動電壓訊號的大小，並重新輸出予揚聲器，直到操作電流訊號顯示位移量小於或等於上限值。
如步驟S470所示，利用此時的驅動電壓訊號、操作電流訊號、上限值以及揚聲器的電性阻抗，代入一函式，以得到揚聲器的磁力強度參數。函式可以參考第(4)式及其相關說明。
第5圖為本發明所揭露第三實施例之揚聲器的磁力強度參數的偵測方法的步驟流程圖，包括下列步驟：步驟S510、S530、S570之說明，請分別參考第4圖所揭露的第二實施例中，步驟S410、S430、S470之說明。
如步驟S550所示，觀察操作電流訊號的二次微分後的擺幅是否大於判斷值。若大於判斷值，則判斷揚聲器的振膜的位移量超過上限值，並減小驅動電壓訊號的大小並重新輸出予揚聲器，直到觀察操作電流訊號的二次微分後的擺幅，並判斷位移量小於或等於上限值，其中判斷值正相關於驅動電壓訊號的大小。
值得注意的是，本發明所揭露的所有實施例之揚聲器的磁力強度參數的偵測裝置及方法，不僅可應用於附有揚聲器的電子裝置在工廠進行量產測試時，偵測並校正磁力強度參數之用，也可以在一般使用者每次開啟電子裝置並啟動揚聲器時，先進行一次前景(fore-ground)偵測，並校正磁力強度參數，而又不致於令使用者感覺到有異音，因此具有應用上的彈性以及方便性。
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 (14)
- 一種揚聲器的磁力強度參數的偵測方法，包含：輸出動態的一驅動電壓訊號予一揚聲器；連續量測流經該揚聲器之一操作電流訊號；觀察該操作電流訊號，若該操作電流訊號顯示該揚聲器的振膜的一位移量超過一上限值，則減小該驅動電壓訊號的大小並重新輸出予該揚聲器，直到該操作電流訊號顯示該位移量小於或等於該上限值；以及利用此時的該驅動電壓訊號、該操作電流訊號、該上限值以及該揚聲器的一電性阻抗，代入一函式，以得到該揚聲器的一磁力強度參數。
- 如請求項第1項所述之磁力強度參數的偵測方法，其中觀察該操作電流訊號的步驟，更包括觀察該操作電流訊號的二次微分後的擺幅是否大於一判斷值，若大於一判斷值，則判斷該揚聲器的振膜的該位移量超過該上限值，其中該判斷值正相關於該驅動電壓訊號的大小。
- 如請求項第1或2項所述之磁力強度參數的偵測方法，其中該驅動電壓係為一弦波，並具有一特定時間長度。
- 如請求項第3項所述之磁力強度參數的偵測方法，其中該弦波之頻率介於1赫兹與該揚聲器的共振頻率之間，或者是在該揚聲器的共振頻率附近，或者為100赫玆。
- 如請求項第3項所述之磁力強度參數的偵測方法，其中該特定時間長度係為該弦波之週期，或者為10毫秒。
- 如請求項第1或2項所述之磁力強度參數的偵測方法，其中該函式為：
- 一種揚聲器的磁力強度參數的偵測裝置，包含：一驅動電路，耦接於一揚聲器，以接收一控制訊號，並產生動態的一驅動電壓訊號；一電流感測單元，耦接於該揚聲器，以連續量測流經該揚聲器之一電流，並產生一操作電流量訊號；以及一訊號處理單元，耦接於該電流感測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，該訊號處理單元對該操作電流訊號進行一訊號處理程序，並用以判斷該揚聲器的振膜的一位移量是否超過一上限值，若該操作電流訊號顯示該位移量超過該上限值，則減小該驅動電壓訊號的大小，並重新輸出予該揚聲器，直到該操作電流訊號顯示該位移量小於或等於該上限值，並利用此時的該驅動電壓訊號、該操作電流訊號、該上限值以及該揚聲器的一電性阻抗，代入一函式，以得到該揚聲器的一磁力強度參數。
- 如請求項第7項所述之磁力強度參數的偵測裝置，其中該訊號處理程序係為觀察該操作電流訊號的二次微分後的擺幅是否大於一判斷值，若大於一判斷值，則判斷該揚聲器的振膜的該位移量超過該上限值，其中該判斷值正相關於該驅動電壓訊號的大小。
- 如請求項第7項所述之磁力強度參數的偵測裝置，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電流感測單元，並接收該音源訊號以及該操作電流訊號，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，該數位類比轉換器產生該控制訊號。
- 如請求項第7項所述之磁力強度參數的偵測裝置，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訊號處理單元，以輸出該操作電流量訊號。
- 如請求項第7至10項中任一項所述之磁力強度參數的偵測裝置，其中該驅動電壓係為一弦波，並具有一特定時間長度。
- 如請求項第11項所述之磁力強度參數的偵測裝置，其中該弦波之頻率介於1赫兹與該揚聲器的共振頻率之間，或者是在該揚聲器的共振頻率附近，或者為100赫玆。
- 如請求項第11項所述之磁力強度參數的偵測裝置，其中該特定時間長度係為該弦波之週期，或者為10毫秒。
- 如請求項第7至10項中任一項所述之磁力強度參數的偵測裝置，其中該函式為：
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