TWI760707B - 揚聲器振膜振動位移之計算方法、揚聲器保護裝置及電腦可讀取記錄媒體 - Google Patents

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Abstract

一種揚聲器振膜振動位移之計算方法，其包含：根據揚聲器的回饋信號計算直流電阻值；根據回饋信號及直流電阻值以計算阻抗值；根據直流電阻值、阻抗值及驅動因子以計算信號與揚聲器振膜速度之轉換函數；以及根據輸入信號及轉換函數以計算揚聲器振動位移。

Description

揚聲器振膜振動位移之計算方法、揚聲器保護裝置及電腦可讀取記錄媒體
本案係有關於一種電子裝置及計算方法，且特別是有關於一種揚聲器保護裝置、揚聲器振膜振動位移之計算方法及電腦可讀取記錄媒體。
隨著科技的進展並因應消費者的需求，電子產品逐漸輕薄短小化，電子產品中的揚聲器亦須隨之縮小體積與重量。然而，於播放較大的聲音時，微型化的揚聲器容易逼近其物理極限，使得揚聲器損壞。
發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本 揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本案實施例的重要/關鍵元件或界定本案的範圍。
一種揚聲器振膜振動位移之計算方法，其包含：根據揚聲器的回饋信號計算直流電阻值；根據回饋信號及直流電阻值以計算阻抗值；根據直流電阻值、阻抗值及驅動因子以計算信號與揚聲器振膜速度之轉換函數；以及根據輸入信號及轉換函數以計算揚聲器振膜振動位移。
一種揚聲器保護裝置，其包括偵測器及處理器。偵測器用以偵測揚聲器的回饋信號。處理器用以：根據回饋信號計算直流電阻值；根據回饋信號及直流電阻值以計算阻抗值；根據直流電阻值、阻抗值及驅動因子以計算信號與揚聲器振膜速度之轉換函數；以及根據輸入信號及轉換函數以計算揚聲器振膜振動位移。
一種電腦可讀取記錄媒體，儲存電腦程式，用以執行一種揚聲器振膜振動位移之計算方法，其中計算方法包括：根據揚聲器的回饋信號計算直流電阻值；根據回饋信號及直流電阻值以計算阻抗值；根據直流電阻值、阻抗值及驅動因子以計算信號與揚聲器振膜速度之轉換函數；以及根據輸入信號及轉換函數以計算揚聲器振膜振動位移。
在參閱下文實施方式後，本案所屬技術領域中具有通常知識者當可輕易瞭解本案之基本精神及其他發明目的，以及本案所採用之技術手段與實施態樣。
100:揚聲器保護裝置
110:偵測器
120:處理器
200:方法
210~240:步驟
500:揚聲器
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖係繪示依照本案一實施例的一種揚聲器及其保護裝置之電路方塊示意圖。
第2圖係繪示依照本案一實施例的一種揚聲器振膜振動位移之計算方法之流程圖。
為了使本揭示內容之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。
為保護電子產品中的揚聲器，使其不易損壞，本案提出一種揚聲器保護裝置及揚聲器振膜振動位移之計算方法，藉由預先計算出的信號與揚聲器振膜速度之轉換函數，以準確估測揚聲器振膜振動位移，俾利控制輸入至揚聲器之信號，使其不致使揚聲器損壞，詳細實施方式將於後文中說明。
第1圖係繪示依照本案一實施例的一種揚聲器及其保護裝置之電路方塊示意圖。如圖所示，揚聲器保護裝置100包含偵測器110及處理器120。
需先說明的是，在揚聲器500中，其驅動器(圖中未示)可模組化為三個元件的串聯裝置，上述元件分別為電阻、電感及揚聲器500之振膜位移時產生的反電動勢，依據克希何夫電流定理(Kirchhoff’s circuit law)可將上述元件之間的關係轉化為以下式子：
Figure 109107530-A0101-12-0004-1
於上述式1中，v(t)代表電壓，RE代表直流電阻值(DC resistance)，i(t)代表電流，LE代表電感值(inductance)，Bl．u(t)代表反電動勢(back emf)，Bl代表驅動因子，u(t)是揚聲器振膜振動速度。
請參閱第1圖，偵測器110耦接於揚聲器500，並可用以偵測揚聲器500的回饋信號。舉例而言，偵測器110偵測揚聲器500的回饋電壓(feedback voltage)和回饋電流(feedback current)。於取得揚聲器500的回饋信號後，處理器120根據回饋信號計算直流電阻值。舉例來說，於取得揚聲器500的回饋電壓和回饋電流後，即可根據回饋電壓和回饋電流之關係計算出直流電阻值RE。
在一實施例中，處理器120可對回饋信號進行低通濾波，例如對回饋電壓和回饋電流進行低通濾波，以 將回饋電壓和回饋電流之高頻部分濾除，進而取得低頻參數，例如17Hz之參數，以供後續計算。隨後，依據經過低通濾波的回饋電壓和回饋電流計算直流電阻值RE。
於本案的應用狀況下，式1中電感值會遠小於電阻值，因此，可將上述式1化為以下式子：
v(t)=R E ．i(t)+Bl．u(t)...式2
將式2整理後，可得揚聲器振膜振動速度u(t)之關係式如下：
Figure 109107530-A0101-12-0005-2
再者，為將式3轉到頻域，左右同除v(s)以得到電壓到揚聲器振膜振動速度之轉換式如下：
Figure 109107530-A0101-12-0005-4
於上述式4中，z(s)=v(s)/i(s)。此外，若假定Z M (s)=Z(s)-R E ，則可將式4化為：
Figure 109107530-A0101-12-0005-5
此外，可得阻抗Z M 之關係式：
Figure 109107530-A0101-12-0005-6
在一實施例中，處理器120可根據回饋信號及直流電阻值以計算阻抗值。舉例而言，請參閱上述式6，處理器120可根據回饋電壓v(s)、回饋電流i(s)及直流電阻值RE以計算阻抗值Z M 。
在另一實施例中，處理器120可根據直流電阻值、阻抗值及驅動因子以計算信號與揚聲器振膜速度之一轉換函數。舉例而言，請參閱上述式5，處理器120可根據直流電阻值RE、阻抗值Z M 及驅動因子Bl以計算信號與揚聲器振膜速度之一轉換函數H u (s)。
接著，依據電壓到揚聲器振膜振動速度之轉換式可預估揚聲器振動位移(excursion)，預估之方式如下：u pre (s)=H u (s)v pre (s)…式7
u pre (t)=L -1(u pre (s))…式8
x pre (t)=ʃu pre (t)dt…式9
於上述式子中，v pre (s)代表輸入電壓值，x pre (t)代表預估的揚聲器振膜振動位移，假定轉換式H u (s)短時間不變，將輸入電壓值v pre (s)帶入式7中，再經由式8進行反拉普拉斯轉換(inverse Laplace transform)，然後帶入式9即可得到預測的揚聲器振膜振動位移x pre (t)。
在一實施例中，處理器120可根據輸入信號及轉換函數以計算揚聲器振膜振動位移。舉例而言，請參閱上述式7~9，處理器120將輸入電壓值v pre (s)帶入式7中，再經由式8進行反拉式轉換，最後帶入式9即可得到預測的揚聲器振膜振動位移x pre (t)。
在另一實施例中，處理器120可比較揚聲器振膜振動位移與預設揚聲器振動位移範圍。一旦揚聲器振膜振動位移超過預設揚聲器振動位移範圍，則調整輸入信號。舉例而言，揚聲器振膜的振動位移有其極限，一旦 超過揚聲器500之振膜所能承受的最大振動位移，將會導致揚聲器500之振膜損壞，因此，可預設揚聲器500之振膜所能承受的極限振動位移之範圍為一預設揚聲器振動位移範圍。每當輸入電壓欲提供至揚聲器500時，透過本案之處理器120預先計算出揚聲器500之預估振膜振動位移，倘若超過預設揚聲器振動位移範圍，則可能導致揚聲器500之振膜損壞，此時，可藉由本案處理器120調整上述輸入電壓，如此，當可保護揚聲器500之振膜免於損壞。
在一實施例中，處理器120即時根據回饋信號計算直流電阻值RE。在另一實施例中，本案之處理器120非即時根據回饋信號及直流電阻值以計算阻抗值Z M 。舉例而言，請參閱上述式5，於計算轉換函數H u (s)時，需要直流電阻值RE及阻抗值Z M 兩個參數，對於上述阻抗值Z M ，由於其與揚聲器中的元件相關，而揚聲器中的元件的物理特性不容易快速地變化，是以可假定為緩慢變化的參數，因此，於式6中不須經常性地計算更新阻抗值Z M ，如此，可有效率地降低運算複雜度。
在另一實施例中，針對處理器120非即時計算阻抗值ZM的可行方法，舉例來說，是指每隔一段時間(例如說1秒)，更新部分頻帶的阻抗值，其餘頻帶維持不變，以達到降低運算量之需求。此外，部分頻帶是指回饋信號大的相對應頻帶，例如針對輸入信號是語音，回饋信號大於一預設值(譬如說-30dB)的相對應頻帶，頻帶的範圍會落在0到3000赫茲，因此，此預設值可依據實際需求設定。
在另一實施例中，處理器120對揚聲器振動位移進行平滑化處理，以產生平滑化揚聲器振膜振動位移，如此，取得之平滑化揚聲器振膜振動位移可進一步被利用來保護揚聲器500，例如可執行峰值計算(peak measurement)、方均根計算(Root Mean Square,RMS)...等，於取得上述參數後進一步加以利用來保護揚聲器500。
第2圖係繪示依照本案一實施例的一種揚聲器振膜振動位移之計算方法200之流程圖。為使揚聲器振膜振動位移之計算方法200易於理解，請一併參閱第1圖及第2圖。揚聲器振膜振動位移之計算方法200包含以下步驟：
步驟210：根據揚聲器的回饋信號計算直流電阻值；
步驟220：根據回饋信號及直流電阻值以計算阻抗值；
步驟230：根據直流電阻值、阻抗值及驅動因子以計算信號與揚聲器振膜速度之轉換函數；以及
步驟240：根據輸入信號及轉換函數以計算揚聲器振膜振動位移。
於步驟210中，可藉由處理器120根據揚聲器的回饋信號計算直流電阻值。舉例來說，於取得揚聲器500 的回饋電壓和回饋電流後，即可藉由處理器120根據回饋電壓和回饋電流之關係計算出直流電阻值RE。
於步驟220中，可藉由處理器120根據回饋信號及直流電阻值以計算阻抗值。舉例而言，請參閱上述式6，可藉由處理器120根據回饋電壓v(s)、回饋電流i(s)及直流電阻值RE以計算阻抗值Z M 。
於步驟230中，可藉由本案處理器120根據直流電阻值、阻抗值及驅動因子以計算信號與揚聲器振膜振膜速度之一轉換函數。舉例而言，請參閱上述式5，可藉由處理器120根據直流電阻值RE、阻抗值Z M 及驅動因子Bl以計算信號與揚聲器振膜振膜速度之一轉換函數H u (s)。
於步驟240中，可藉由處理器120根據輸入信號及轉換函數H u (s)以計算揚聲器振膜振動位移。舉例而言，請參閱上述式7~9，可藉由處理器120將輸入電壓值v pre (s)帶入式7中，再經由式8進行反拉式轉換，最後帶入式9即可得到預測的揚聲器振膜振動位移x pre (t)。
在一實施例中，揚聲器振膜振動位移之計算方法200更可藉由處理器120比較揚聲器振膜振動位移與預設揚聲器振動位移範圍。一旦揚聲器振膜振動位移超過預設揚聲器振動位移範圍，則藉由處理器120調整輸入信號。
在另一實施例中，步驟210更可藉由處理器120即時根據回饋信號計算直流電阻值RE。在一實施例中，步驟220更可藉由處理器120非即時根據回饋信號及直流電阻值以計算阻抗值Z M 。舉例而言，請參閱上述式5，於計算轉換函數H u (s)時，需要直流電阻值RE及阻抗值Z M 兩個參數，對於上述阻抗值Z M ，可假定為緩慢變化的參數，因此，於式6中不須經常性地計算更新阻抗值Z M ，如此，可有效率地降低運算複雜度。
在另一實施例中，針對步驟220藉由處理器120非即時計算阻抗值ZM的方法，舉例來說，是指每隔一段時間(例如說1秒)，更新部分頻帶的阻抗值，其餘頻帶維持不變，以達到降低運算量之需求。此外，部分頻帶是指回饋信號大的相對應頻帶，例如針對輸入信號是語音，回饋信號大於一預設值(譬如說-30dB)的相對應頻帶，頻帶的範圍會落在0到3000赫茲，因此，此預設值可依據實際需求設定。
在一實施例中，揚聲器振膜振動位移之計算方法200更可藉由處理器120對揚聲器振動位移進行平滑化處理，以產生平滑化揚聲器振膜振動位移，如此，取得之平滑化揚聲器振膜振動位移可進一步被利用來保護揚聲器500。
200:方法
210~240:步驟

Claims (6)

  1. 一種揚聲器振膜振動位移之計算方法，包括：根據一揚聲器的一回饋信號計算一直流電阻值；根據該回饋信號及該直流電阻值以計算一阻抗值，並每隔一段時間根據該回饋信號及該直流電阻值以更新部分頻帶的該阻抗值，其中該部分頻帶包含該回饋信號大於一預設值的一相對應頻帶；根據該直流電阻值、該阻抗值及一驅動因子以計算一信號與揚聲器振膜速度之一轉換函數；根據一輸入信號及該轉換函數以計算一揚聲器振膜振動位移；比較該揚聲器振膜振動位移與一預設揚聲器振膜振動位移範圍；以及當該揚聲器振膜振動位移超過該預設揚聲器振膜振動位移範圍，調整該輸入信號。
  2. 如請求項1所述之計算方法，進一步包括：對該回饋信號進行低通濾波；其中根據該回饋信號計算該直流電阻值包括：根據經低通濾波的該回饋信號計算該直流電阻值。
  3. 如請求項1所述之計算方法，其中根據該回饋信號計算該直流電阻值包括：即時根據該回饋信號計算該直流電阻值。
  4. 一種揚聲器保護裝置，包括： 一偵測器，用以偵測一揚聲器的一回饋信號；以及一處理器，用以：根據該回饋信號計算一直流電阻值；根據該回饋信號及該直流電阻值以計算一阻抗值，並每隔一段時間根據該回饋信號及該直流電阻值以更新部分頻帶的該阻抗值，其中該部分頻帶包含該回饋信號大於一預設值的一相對應頻帶；根據該直流電阻值、該阻抗值及一驅動因子以計算一信號與揚聲器振膜速度之一轉換函數；根據一輸入信號及該轉換函數以計算一揚聲器振膜振動位移；比較該揚聲器振膜振動位移與一預設揚聲器振膜振動位移範圍；以及當該揚聲器振膜振動位移超過該預設揚聲器振膜振動位移範圍，調整該輸入信號。
  5. 如請求項4所述之揚聲器保護裝置，其中該處理器進一步用以：即時根據該回饋信號計算該直流電阻值。
  6. 一種電腦可讀取記錄媒體，儲存一電腦程式，用以執行一種揚聲器振膜振動位移之計算方法，其中該計算方法包括：根據一揚聲器的一回饋信號計算一直流電阻值；根據該回饋信號及該直流電阻值以計算一阻抗值，並每隔一段時間根據該回饋信號及該直流電阻值以更新部 分頻帶的該阻抗值，其中該部分頻帶包含該回饋信號大於一預設值的一相對應頻帶；根據該直流電阻值、該阻抗值及一驅動因子以計算一信號與揚聲器振膜速度之一轉換函數；根據一輸入信號及該轉換函數以計算一揚聲器振膜振動位移；比較該揚聲器振膜振動位移與一預設揚聲器振膜振動位移範圍；以及當該揚聲器振膜振動位移超過該預設揚聲器振膜振動位移範圍，調整該輸入信號。
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