用于估計揚聲器紙盆的位移的系統和方法
【技術領域】
[0001] 本文中揭示的實施方案大體上涉及一種用于估計揚聲器紙盆的位移的系統和方 法。
[0002] 發明背景
[0003] 揚聲器可為響應于電子輸入信號而發出聲音的機電換能器。傳統的揚聲器可被收 容在框架中，并且可包括揚聲器紙盆及位于其中心的音圈。當電壓被施加到音圈的端部時， 可產生電流，電流繼而可與磁場相互作用，以使揚聲器紙盆移動。音頻波形可應用到音圈， 從而致使換能器紙盆產生對應于電子輸入信號的聲壓波。這種移動的程度可在紙盆與框架 之間產生位移。

【發明內容】

[0004] 一種用于估計揚聲器的紙盆位移的位移估計系統可包括：包括至少一個非線性部 分的電路，其耦合到包括至少一個非線性部分的機械電路；以及控制器，其經編程以：通過 使用所述電路的所測得電流的離散域傳遞函數基于所述至少一個非線性部分來確定所述 揚聲器的所述紙盆位移；以及將所述位移傳輸到校正器以校正因所述位移所致的音頻信號 的失真。
[0005] -種音頻系統可包括：揚聲器，其包括紙盆和參數模型；以及控制器，其電耦合到 所述揚聲器，且經編程以：使用揚聲器模型的所測得電流的離散域傳遞函數基于所述揚聲 器模型的至少一個非線性部分來確定所述紙盆的紙盆位移。
[0006] 一種用于估計揚聲器的紙盆位移的位移估計系統可包括控制器，所述控制器經編 程以：通過使用揚聲器模型的電路的所測得電流的離散域傳遞函數基于至少一個非線性部 分來確定所述揚聲器的所述紙盆位移，其中所述位移被傳輸到校正器，以校正因所述位移 所致的音頻信號的失真。
【附圖說明】
[0007] 所附權利要求書中特別指出了本發明的實施方案。然而，各種實施方案的其它特 征將通過參考以下結合附圖的詳細描述而變得更加顯而易見并得到最好的理解，在附圖 中：
[0008] 圖1為換能器的透視截面圖；
[0009] 圖2為圖1的換能器的截面圖；
[0010] 圖3為圖1和圖2的換能器的集總參數模型；
[0011] 圖4為位移估計系統的框圖；以及
[0012] 圖5為位移估計系統的音頻系統。
【具體實施方式】
[0013] 根據需要，本文揭示了本發明的詳細實施方案；然而，應理解，所揭示的實施方案 僅僅是可以各種替代形式體現的本發明的示例。附圖未必按比例繪制；一些特征可夸示或 最小化，以示出特定部件的細節。因此，本文揭示的特定結構和功能細節將不解釋為限制性 的，而是僅為教示所屬領域的技術人員以各種方式采用本發明的代表性基礎。
[0014] 在揚聲器的操作期間，載流音圈可致使揚聲器紙盆移動，并從紙盆的靜止位置移 位。揚聲器紙盆的移動可致使紙盆前面的空氣移動，由此產生聲波。揚聲器的機電性質可隨 紙盆的位移非線性地改變。因此，揚聲器紙盆從紙盆靜止位置的大位移可實質上變更揚聲 器的機電性質，由此產生非線性音頻失真。非線性音頻失真可造成音質退化。對揚聲器紙 盆位移的了解可用來開發減少非線性失真的非線性揚聲器校正器。為了有效開發此類校正 器，可有必要估計紙盆位移。用于估計位移的機構可包括數字信號處理（DSP)。此類處理可 使用簡單的線性模型。然而，對于大位移而言，揚聲器中固有的非線性可能變得顯著且因此 致使線性模型不準確。例如，通過使用激光器來測量紙盆的移動，也可測量出紙盆的位移。 然而，使用激光器來確定位移可能比較昂貴。本文描述一種被配置成經由但不限于換能器 的電流以及各種非線性變量來估計換能器紙盆的位移的系統和方法。這些變量可表示懸架 剛度、音圈電感、音圈寄生電感、音圈寄生電阻以及換能器的力因數。通過使用這些變量把 音圈電流歸因于揚聲器紙盆的位移，可實施一種用于估計紙盆位移的可靠系統和方法。所 估計的位移隨后可用來開發自適應非線性校正器。
[0015] 圖1和圖2示出揚聲器105。圖1為揚聲器105的透視截面圖，而圖2為音箱170 內的揚聲器105的截面圖。揚聲器105可包括磁體110、背板185、頂板190、極片125以及 音圈組件115。可限定頂板190與極片125之間的磁隙165,并且磁隙165可收納音圈組件 115。頂板190、背板185以及極片125可導引永磁體110的磁場，因而在磁隙165中產生徑 向磁場。音圈組件115可由導線組成，例如，纏繞在線圈架115上的絕緣銅線130(即，音圈 或線圈），其中兩端140形成音圈130的電引線。音圈130可位于磁隙165的中心。音圈導 線130的兩端140可被配置成接收來自放大器（未示出）的信號。這個信號可在音圈130 內形成電流。磁隙165中的磁場可與載流音圈130相互作用，由此產生力。所得力可致使 音圈130來回移動，因此使得紙盆從其靜止位置移位。揚聲器紙盆150的運動使紙盆前方 的空氣移動，形成聲波，從而在聲學上再現電信號。
[0016] 揚聲器105包括揚聲器紙盆（或膜片）150,所述揚聲器紙盆從線圈130徑向向外 延伸，從而形成圓錐或穹頂狀的形狀。紙盆150可由多種材料制成，所述材料包括但不限于 塑料、金屬、紙張、復合材料及其任何組合。開口 135可限定在紙盆150的中心處，并且防塵 蓋145可在開口 135處形成穹頂狀蓋子。紙盆150的外緣可通過環繞物160附接到框架 155。音圈130附近的紙盆150中心可由中心盤（spider) 175固定在適當位置，如圖2中所 示。中心盤175和環繞物160合起來大體上只允許揚聲器紙盆150軸向移動。框架155可 為圓錐形外殼，其將紙盆150維持在固定位置，如圖1中所示。框架155可環繞紙盆150,并 且可由更堅固的材料制成，以幫助在操作期間維持紙盆150的形狀和位置。
[0017] 在操作期間，并且在電流被驅動穿過線圈130的同時，線圈130可沿著極片125橫 向移動。線圈130的這種移動繼而可致使紙盆150移動（即，紙盆偏移）。一般來說，紙盆 偏移或位移X是紙盆150從靜止位置移動的距離。距靜止位置的距離隨著供應到線圈130 的電信號的幅度改變而變化。例如，在線圈130接收到具有大電壓的電信號之后，即刻可致 使線圈130移動離開磁隙165或進一步移動到磁隙165中，如圖2中的X所指示。當線圈 130移動進入和離開磁隙165時，紙盆130可從紙盆的靜止位置移位。因此，大電壓可形成 大紙盆偏移，繼而致使換能器105固有的非線性變得顯著。因此類非線性所致，用于估計紙 盆位移X的典型線性模型可導致錯誤估計。
[0018] 隨著紙盆的偏移或位移X增加，環繞物160和中心盤175可逐漸變得更具剛度。 因剛度增加所致，可能需要更多的力且因此更大的輸入功率，以進一步增加紙盆的偏移。此 外，隨著紙盆移動進入外殼，音箱170內部的空氣可被壓縮，并且可充當彈簧，由此增加中 心盤175和環繞物160的整體剛度K tot (X)。因此，揚聲器105的位移相關整體剛度Ktot (X) 可由中心盤的剛度KspidCT(x)、環繞物的剛度Ksumiund(X)以及空氣的剛度K allJ且成。空氣的剛 度K_可包括空氣在紙盆150處形成的阻力。
[0019] 另外或作為替代，線圈130的電感也可受電子信號的影響。例如，如果電子信號的 正電壓如此之大以致于線圈130移動離開磁隙165,那么線圈130的電感可減少。另一方 面，如果電子信號的負電壓如此之大以致于線圈130移動進入到磁隙165中，那么線圈130 的電感可增加。音圈130的電感變化表示電感的位移相關非線性行為LJx)。線圈130的 電感也可受被驅動穿過音圈130的電流影響。當大的負電流被驅動穿過線圈130時，線圈 130的電感可減少。
[0020] 揚聲器的電部分與機械部分之間的耦合可由力因數Bl(X)執行，所述力因數由磁 隙165內的磁場強度B和磁隙165內的線圈130的長度I (X)確定。由于力因數取決于磁 隙165內的線圈130的長度，因此，力因數可隨著線圈130移動進入和離開磁隙165而減少。 紙盆150的大偏移可減小力因數，由此需要更大的輸入功率以在揚聲器紙盆150上產生相 同的力。揚聲器的力因數的這種位移相關行為促成揚聲器105中的非線性。圖3為用于閉 箱式直接輻射揚聲器105的示例性集總參數模型或揚聲器模型（"模型"）300。盡管本文 的示例被描述為涉及揚聲器105,但模型300也可有益于其它換能器（例如，麥克風）。模 型300可包括電路305和機械電路310。機械電路310和電路305可經由回轉器Hy連接在 一起。回轉器被配置成將電路305中的電流交叉耦合到機械電路310中的力。電路305中 的電壓可耦合到機械電路310中的速度。參數模型300中示出的各種線性和非線性部分可 用來確定紙盆的所估計紙盆位移X。每個部分由如下變量表示：
[0021] i 音圈電流。
[0022] u 輸入到音圈的AC電壓。
[0023] X 膜片/紙盆的位移。
[0024] V 移位期間的膜片速度，其中速度為位移的改變率V = dx/dt。
[0025] f 因穿過音圈的電流所致而在膜片上產生的力，其中f = BI (x)*i。
[0026] p 因紙盆運動所致而在膜片上產生的聲壓。
[0027] Rvc 音圈電阻。
[0028] Le 音圈電感。
[0029] L2 與U相關聯的寄生電感（寄生電感）。
[0030] R2 與U相關聯的寄生電阻（寄生電阻）。
[0031] Rns 模仿機械損失的電阻。
[0032] Fn 以牛頓為單位的所估計磁阻力。
[0033] Ktot(X)位移相關懸架剛度
[0034] Mtot 機械運動質量，包括膜片前面的空氣質量以及音圈組件的質量。
[0035] Bl(X) 位移相關力因數。
[0036] i2 寄生電感中的電流。
[0037] i3 寄生電阻中的電流。
[0038] Rsense 電流感測電阻器。
[0039] Usense 在Rsense上測得的電壓。
[0040] 另外，如電路305中所示，Rsense可作為電流感測電阻器而包括在模型300中。Rsense 可具有小的值（例如，約〇. 10歐姆），以便不修改音圈電流i的值。借助RsotiJ勺值，使用在 Rsf3nsf3上測得的電壓u sraisf；，可通過歐姆定律來確定音圈電流i (即，Usf3nsfZRsf3nsf3= i)。
[0041] Lf3(X)、L2 (X)、R2 (X)、Fm (X，i, i2)、Ktot (X)以及 BI (X)的值可非線性地取決于以下各 者的值：紙盆130的位移X、音圈中的電流i以及寄生電感中的電流i2。電路305可包括各 種所估計的換能器值，例如，R v。、U(X)、L2(X)以及R2 (X)。寄生電感L2 (X)可取決于位移X 而變化。
[0042] 給定上述變量，下述等式可用