估計揚聲器的振膜偏移的方法
【專利說明】估計揚聲器的振膜偏移的方法
[0001]本發(fā)明涉及一種估計電動揚聲器的振膜偏移的方法，該方法包括:接收音頻輸入信號的步驟；和基于所述接收的音頻輸入信號產生音頻輸出信號的步驟。該方法包括如下步驟:通過輸出放大器施加音頻輸出信號到電動揚聲器的音圈以產生聲音；施加檢測到的音圈電流和確定的音圈電壓至包括多個自適應揚聲器參數(shù)的線性自適應數(shù)字揚聲器模型。該方法包括如下進一步的步驟:基于線性自適應數(shù)字揚聲器模型計算多個相應的自適應揚聲器參數(shù)的多個參數(shù)值；和施加多個參數(shù)值至電動揚聲器的非線性狀態(tài)空間模型。在非線性狀態(tài)空間模型中，將表示揚聲器參數(shù)與預定的揚聲器變量之間的非線性關系的預定的非線性函數(shù)施加至所述多個接收的參數(shù)值中的至少一個的步驟計算至少一個自適應揚聲器參數(shù)的至少一個非線性補償參數(shù)值。將非線性補償參數(shù)值和音頻輸入信號施加到電動揚聲器的非線性狀態(tài)空間模型，且基于音頻輸入信號和電動揚聲器的非線性狀態(tài)空間模型來確定振膜的瞬時偏移。
【背景技術】
[0002]本發(fā)明涉及一種估計電動揚聲器的振膜偏移的方法。電動揚聲器可以例如安裝在便攜式通信裝置的大致聲音密封的外殼或通風的外殼中。為了聲音再現(xiàn)目的，電動揚聲器可以被利用例如作為用于通過聲耦合到用戶的耳朵來產生聲音的接收器，或作為用于播放記錄的音樂或用于電信會議應用中的語音再現(xiàn)的揚聲器。
[0003]在若干聲音再現(xiàn)應用和裝置中，為了保護電動揚聲器免受機械損傷，精確地估計電動揚聲器的振膜偏移或位移是具有重大意義。必須精確地估計振膜偏移以允許對振膜偏移的相應精確的控制。對振膜偏移的精確控制或限制對于避免振膜或組件在其最大偏移限制以上被驅動(可能在低估振膜偏移的情況下發(fā)生)是重要的。如果超過最大偏移限制，則可能對揚聲器造成各種暫時或永久機械損傷，使得揚聲器臨時或永久不起作用。機械損傷可能由可移動揚聲器部件(諸如，音圈、振膜或音圈骨架)與揚聲器的固定部件(諸如，磁路)之間的碰撞引起。另一方面，如果高估振膜偏移并且因此瞬時偏移下被激活的偏移限制比討論中的揚聲器的最大偏移限制小得多，則揚聲器的最大聲壓受到不適當?shù)南拗啤?br>[0004]由于電動揚聲器一般更確切地說是非線性裝置(具體地，在高聲壓電平下，有大量復雜非線性關系)所以已經證明，通過各種基于預測模型的方法難以精確地估計振膜偏移。此外，電動揚聲器的線性揚聲器參數(shù)的參數(shù)值，諸如機械柔度和音圈電阻，也隨時間和溫度緩慢地但明顯地變化，這導致在維持電動揚聲器的準確模型上的進一步的挑戰(zhàn)。
[0005]因此，將一個或多個揚聲器參數(shù)的非線性屬性和揚聲器參數(shù)的緩慢時變屬性都考慮進去，為精確地估計電動揚聲器的振膜偏移提供相對簡單的方法是具有重大意義和價值的。在制造包括電動揚聲器的設備或裝置期間，補償一個或多個揚聲器參數(shù)的非線性屬性而無需電動揚聲器的非線性的耗時且昂貴的個別特征化將是有利的。估計振膜偏移的方法應優(yōu)選地避免復雜的計算以最小化實施振膜偏移估計方法的某些步驟的信號處理器的計算資源的費用。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的第一方面涉及一種估計電動揚聲器的振膜偏移的方法，該方法包括如下步驟:
[0007]接收音頻輸入信號并且基于所述接收的音頻輸入信號產生音頻輸出信號，
[0008]將所述音頻輸出信號通過輸出放大器施加到電動揚聲器的音圈以產生聲音，
[0009]確定所述音圈上的音圈電壓，
[0010]響應于所述音圈電壓，檢測音圈電流，
[0011]將所述檢測到的音圈電流和所述確定的音圈電壓施加至包括多個自適應揚聲器參數(shù)的線性自適應數(shù)字揚聲器模型，
[0012]基于線性自適應數(shù)字揚聲器模型，計算所述多個相應的自適應揚聲器參數(shù)的多個參數(shù)值，
[0013]施加所述多個參數(shù)值至所述電動揚聲器的非線性狀態(tài)空間模型，
[0014]在所述非線性狀態(tài)空間模型中，將表示揚聲器參數(shù)與預定的揚聲器變量之間的非線性關系的預定的非線性函數(shù)施加至所述多個接收的參數(shù)值中的至少一個以計算至少一個自適應揚聲器參數(shù)的至少一個非線性補償參數(shù)值，
[0015]將所述音頻輸入信號施加至所述電動揚聲器的非線性狀態(tài)空間模型，
[0016]基于所述音頻輸入信號和所述電動揚聲器的所述非線性狀態(tài)空間模型確定所述振膜的瞬時偏移。
[0017]在非線性狀態(tài)空間模型中使用表示揚聲器參數(shù)與預定的揚聲器變量之間的非線性關系的預定的非線性函數(shù)提高振膜偏移估計的精確度。因此，本方法允許對瞬時振膜偏移的精確控制或限制，避免對先前討論的與低估和高估振膜偏移相關聯(lián)的問題。
[0018]技術人員應理解，預定的非線性函數(shù)可以形成電動揚聲器的非線性狀態(tài)空間模型的不可或缺的部分或非線性函數(shù)在施加到揚聲器的線性狀態(tài)空間模型之前可以在獨立預處理塊或步驟中被計算。在第一實施方案中，預定的非線性函數(shù)可以被表達為非線性狀態(tài)空間模型的(一個或多個)非線性方程。在第二實施方案中，在獨立的預處理塊或步驟中，預定的非線性函數(shù)可以連同瞬時振膜位移信號一起施加到至少一個自適應揚聲器參數(shù)以計算至少一個非線性補償參數(shù)值的值。隨后可以將該至少一個非線性補償參數(shù)值輸入到電動揚聲器的線性狀態(tài)空間模型，如在下文中參照附圖以附加細節(jié)所解釋的。后一個實施方案減小與非線性狀態(tài)空間模型的計算相關聯(lián)的計算負載。
[0019]對音圈電壓的檢測可以通過直接測量例如通過耦接到音圈電壓的A/D轉換器或通過間接確定來完成，在間接確定的情況下，根據(jù)已知的例如數(shù)字表示的音頻信號電平和輸出放大器的已知DC供應電壓來確定或估計音圈電壓。
[0020]在正常運行期間施加到揚聲器的音頻輸出信號可以包括從諸如收音機、CD播放器、網絡播放器、MP3播放器的適當?shù)囊纛l源供應的語音和/或音樂。音頻源也可以包括響應于傳入的聲音產生實時麥克風信號的麥克風。技術人員應明白，音頻信號、音圈電壓和音圈電流中的每一個可以由模擬信號表示為例如電壓、電流、電荷等，或可替代地由數(shù)字信號表示，例如在適當?shù)牟蓸宇l率或速率和分辨率下以二進制格式編碼的采樣信號。輸出放大器優(yōu)選地包括開關或D類放大器，例如均具有大功率轉換效率的脈沖密度調制(PDM)或脈沖寬度調制(PWM)輸出放大器。這對于在電池供電的便攜式通信裝置中使用是特別有利的結構。在替代方案中，輸出放大器可以包括像A類或AB類的傳統(tǒng)非切換功率放大器拓撲結構。
[0021]本振膜偏移方法可以應用到各種應用中的寬范圍的電動揚聲器，諸如用于高保真度應用、汽車或公共地址應用的低頻或寬帶揚聲器以及用于便攜式通信裝置和/或音樂播放器的微型電動揚聲器。在后一種情況下，電動揚聲器可以集成在移動電話或智能手機中并且安裝在具有在0.5cm3與2.0cm 3之間(諸如約Icm 3)的容積的密封或通風外殼中。
[0022]根據(jù)估計振膜偏移的本方法的一個有利的實施方案，預定的非線性函數(shù)表示通過多個代表性的電動揚聲器上的非線性關系測量確定的、至少一個揚聲器參數(shù)與預定的揚聲器變量之間的平均非線性關系。本發(fā)明人已經認識到，盡管多個線性或小信號揚聲器參數(shù)的相應參數(shù)值隨時間和溫度的顯著變化以及多個線性揚聲器參數(shù)的相應參數(shù)值的大的樣本到樣本變化，但是至少一個揚聲器參數(shù)與預定的揚聲器變量之間的非線性關系是相對明確定義且時間不變關系。因此，通過使線性自適應數(shù)字揚聲器模型的多個線性或小信號揚聲器參數(shù)的相應的參數(shù)值自適應，跟蹤這些參數(shù)隨時間和溫度的變化。此外，通過將預定的非線性函數(shù)施加到至少一個自適應揚聲器參數(shù)的當前參數(shù)值，根據(jù)電動揚聲器的精確線性模型來計算對電動揚聲器的振膜偏移的非線性貢獻。按照該方法，根據(jù)預定的非線性函數(shù)，至少一個非線性補償參數(shù)值可以被計算為當前參數(shù)值的相對調整。
[0023]鑒于電動揚聲器的大量復雜的非線性，可以選擇各種揚聲器變量作為預定的非線性函數(shù)的預定揚聲器變量。自然地，預定的揚聲器變量優(yōu)選地包括為討論中的揚聲器參數(shù)的非線性行為做出重大貢獻的變量。因此，預定的揚聲器變量優(yōu)選地包括振膜偏移或位移，使得預定的非線性函數(shù)表示電動揚聲器的偏移依賴的非線性屬性，因為振膜的位移通常在揚聲器參數(shù)(諸如，力因子(B*l或BI乘積)、總機械柔度或剛度、音圈電感等)的非線性行為中起重要作用?？商娲?，或此外，預定的揚聲器變量可以包括音圈電流，因為該變量也是諸如力因子的某些揚聲器參數(shù)的顯著非線性的來源。
[0024]因此，根據(jù)估計振膜偏移的本方法的一個優(yōu)選實施方案，多個自適應揚聲器參數(shù)包括力因子并且預定的非線性函數(shù)表示力因子(B*l)的測定的偏移依賴性以便將非線性補償力因子值包括在電動揚聲器的非線性狀態(tài)空間模型中。
[0025]根據(jù)另一個實施方案，多個自適應揚聲器參數(shù)包括振膜的總機械柔度或剛度，并且預定的非線性函數(shù)表示總機械柔度或剛度的測定的偏移依賴性以便在電動揚聲器的非線性狀態(tài)空間模型中提供非線性補償振膜懸架柔度或剛度。技術人員應明白，多個自適應揚聲器參數(shù)可以包括力因子和總機械柔度或剛度兩者，其由表示它們的相應測定偏移依賴性的相應預定的非線性函數(shù)表示。
[0026]技術人員應理解本方法可以使用多個預定的非線性函數(shù)，各個表示多個自適應揚聲器參數(shù)的具體揚聲器參數(shù)和具體預定的揚聲器變量之間的具體非線性關系，以計算相應的自適應揚聲器參數(shù)的多個非線性補償參數(shù)值。用相應的非線性函數(shù)表示大量自適應揚聲器參數(shù)將總體提高非線性狀態(tài)空間模型中計算的揚聲器參數(shù)值的精確度并且因此提高振膜偏移估計的精確度。然而，該提高的精確度可能以增加計算負載的代價達到。因此，在非線性狀態(tài)空間模型中施加的非線性函數(shù)的數(shù)量可以有利地適于偏移預測或估計的精確度的施加相關要求。
[0027]線性自適應數(shù)字揚聲器模型優(yōu)選地包括二階或更高價自適應IIR濾波器，該二階或更高價自適應IIR濾波器包括多個可適應的模型參數(shù)，多個自適應揚聲器參數(shù)的多個參數(shù)值根據(jù)所述多個可適應的模型參數(shù)來推導。自適應IIR濾波器橫跨預定的音頻頻率范圍(例如，在1Hz與1kHz之間)模擬或跟蹤揚聲器的時