专利名称：基于驱动点阻抗的扬声器诊断技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及音频设备领域，特别涉及音频设备扬声器和确定它们状况的诊断技术。
背景技术：
现代社会的特点是用于通信、娱乐，以及其它应用主机的多种类型音频设备的普遍深入和不断增长的使用。通常，音频设备为在人耳能感知的频率范围内能够产生、发送和/或再现信号的任意设备，所述频率范围通常是从大约15到20,000赫兹(周期每秒)。尽管现代音频设备主要为电子设备，但所有这些设备通常需要一个或多个扬声器，以用于将电信号转换为声波。扬声器为一种电声变换器，其将电信号转换为声波。部分音频设备产生了人能听到的实际的声音。声音通常由人造弹性锥体的振动产生，其响应于线圈引起的电压而振动。
因此，不出所料，扬声器的状况是音频设备发出的声音质量的很重要的决定性因素。确实，如果音频设备的扬声器由于各种损坏而无法操作，那么不论其它元件工作得多么好，音频设备也不能产生任何声音。很多时候，扬声器本身的声音能说明问题。其它时候，虽然只听来自扬声器的声音可以是目前具有或正在产生问题的很好的指示。声音质量基本上是主观确定，随不同的人而变化。
相应地，有时需要直接检查扬声器，而不是仅仅依靠听扬声器发出的声音。但是，传统的客观确定扬声器状况的技术是有限的。而且，传统扬声器缺乏有效和充分的自我诊断能力，作为常见的情况，如果扬声器密封在音频设备中的话，确定扬声器状况更加成问题。特别成问题的是，就算是紧急人员和第一反应者通常使用的高音频无线电设备，通常也缺乏有效和充分的执行扬声器诊断的技术。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了用于确定扬声器的状况的电路，所述扬声器具有一个音圈并包含在音频设备中。该电路可包括连接到音圈的信号源。信号源可给音圈提供测试信号。该电路还包括一个电连接到音圈的信号传感器。该信号传感器能感知音圈中响应于信号源提供的测试信号而产生的响应信号。该电路进一步可包括一个状况确定模块，其基于响应信号确定驱动点阻抗，并将驱动点阻抗与一预定阻抗进行比较，从而确定扬声器的状况。
根据本发明另一个实施例的扬声器具有自我诊断能力。该扬声器可包括一个弹性锥体以及一个连接到该弹性锥体的音圈，音圈用于驱动弹性锥体从而将电信号转换为声音以及音圈所处的磁场。该扬声器还可包括一个信号源，其连接到音圈，以给音圈提供测试信号，以及一个电连接到音圈的信号传感器，用于感知响应于测试信号而产生的响应信号。扬声器进一步可包括一个状况确定模块，用于基于响应信号确定驱动点阻抗，并将驱动点阻抗与一预定阻抗进行比较，从而确定扬声器的状况。
而本发明的另一个实施例是关于确定包含在音频设备内的扬声器状况的方法的。该方法可包括给音圈提供测试信号，所述音圈驱动扬声器。该方法还可包括基于测试信号确定音圈的驱动点阻抗。该方法进一步可包括将驱动点阻抗与一预定阻抗进行比较，从而基于比较而确定扬声器的状况。
附图中显示了本发明的多个实施例，但是需要理解的是，本发明不仅限于该精确配置和所示手段。
图1为根据本发明的一个实施例的具有自我诊断能力的扬声器的示意图。
图2为图1所示的扬声器等效电路的示意图。
图3和4分别为根据本发明实施例的正常工作的扬声器的表示阻抗值和相位曲线的半对数图。
图5和6分别为根据本发明实施例的故障扬声器的表示阻抗值和相位曲线的半对数图。
图7为根据本发明另一实施例的确定扬声器状况的方法流程图。
具体实施例方式
图1提供了根据本发明一个实施例的具有自我诊断能力的扬声器100的示意图。所示扬声器100包括框架102，由框架102支撑的弹性锥体104，以及连接到弹性锥体104的音圈106以及音圈所处的磁场B。扬声器100可连接到或包含在音频设备中(未显示)。音频设备可以为，如高音频无线电设备或类似设备，如伊利诺斯州绍姆堡(Schaumburg)，摩托罗拉公司生产的集成数字加强网络(iDEN)设备。
如图所示，音圈106位于永磁体108产生的磁场B中，所述永磁体与音圈106相邻。本领域技术人员可以理解，音圈106可传导根据信号波动而改变的电流，所述信号与声音，音乐，或要由扬声器广播的其它输入相关。电流感应出音圈106周围的磁场，线圈周围的磁场与永磁体108所产生的磁场B相互作用，并因此使音圈106在框架102内轴向地运动。音圈106的电磁引发的运动促使连接到音圈的弹性锥体104相应地振动。本领域技术人员可以理解，电流根据声音、音乐或其它输入而变化，并因此促使弹性锥体104的振动幅度和速度相应地变化，从而产生对应于输入的声音响应。
如图1所进一步显示的，扬声器100还可包括具有信号源110和信号传感器112的电路101。信号源110和信号传感器112都连接到音圈106。该电路还包括连接到信号传感器112的状况确定模块114。输出模块116连接到状况确定模块114。所示电路101由从扬声器100延伸出的按键或开关118来启动，并允许用户选择性地启动电路以实现本文所描述的扬声器诊断。但是可选地，电路101可作为连续或几乎连续运作的后台处理来操作，以自动执行相同的扬声器诊断。
信号源110给音圈106提供测试信号，然后，在音圈106中引起信号响应。如图所示，响应信号由信号传感器112感知，其给连接到信号传感器112的状况确定模块114提供相应的信号。信号传感器112可包括耦合到模数转换器113的电流传感器111。如下文所解释的，状况确定模块114基于所感知的响应信号而确定驱动点阻抗，并将驱动点阻抗与预定阻抗进行比较，从而确定扬声器100的状况。
根据一个实施例，信号源110提供的信号为电压e，其加在音圈106两端。作为该电压的结果，响应信号以电流i的形式产生，流过音圈106。与线圈中感应形成的电感L耦合的固定电阻RDC在扬声器100电路内产生两个不同的电压降，也就是iRDC和jωL。iRDC项对应于电阻引起的电压降，jωL项对应于线圈电感引起的电压降的复数值。
并且，扬声器的惯量和电力引起的位移产生机械声学因素，其电学等效称为扬声器的反电势(emf)，eemf。在扬声器电路中的电压降iRDC和jωL和机械声学因素eemf的电学等效的总和，服从下述等式e＝i(RDC+jωL)+eemf该等式是利用本文所述的驱动点阻抗的基础，且该等式基于图2所示的考虑因素。图2为表示部分扬声器100的等效电路图的示意图，扬声器100包括弹性锥体104，音圈106，以及永磁体108。因此另外参照图2，等效电路200包括扬声器的电子部分202，通过力或耦合因素耦合到电子部分的机械部分204，对于移动扬声器线圈，α＝BL，以及通过力或耦合因素，Sd1，耦合到机械部分的声学部分206。扬声器的电子部分202表示音圈106和永磁体108的电学方面，也就是电阻和电感。机械部分204基于影响扬声器操作的非电子因素，包括摩擦阻力和音圈的移动质量以及其机械柔量。声学部分的突出因素是与扬声器有关的声学阻抗。如下文所述，本领域普通技术人员可以了解，数学变换可用于将机械和声学部分转换为电学对应物，从而它们可以与扬声器的电学元件相关联地分析。
基于等效电路200，可获得扬声器100的驱动点阻抗公式。首先，反emf，eemf，可以用音圈106的移动速度以及线圈的磁通密度B来表示。具体地，反emf，eemf为eemf＝BLuvc其中L为线圈长度，uvc为前述的速度。其次，基于牛顿机械定律，移动音圈106的力f可以计算为f＝BLi该力可重写为下式f=uvc(Rm+jωMm+1jωCm+ZaSd2)]]>Rm对应于机械阻力。复数项jωMm基于机械质量。复数项 为Hook定律对柔量的应用。ZaSd2为声学阻抗乘以线圈表面积的平方。
使用电学等效项的一系列替代导出上述信号的下述等式
e=i(RDC+jωL)+BLuvc]]>=i(RDC+jωL)+BLfRM+jωMm+1jωCm+ZaSd2]]>=i(RDC+jωL)+BLBLiRM+jωMm+1jωCm+ZaSd2]]>=i(RDC+jωL+BL2RM+jωMm+1jωCm+ZaSd2),]]>然后，导出驱动点阻抗的下述等式Ze_in=e/i=RDC+jωL+BL2RM+jωMm+1jωCm+ZaSd2.]]>在最后一个等式中，前面描述过的电压e对应于信号源110提供给音圈106的测试信号。同样在前面描述过的电流i对应于信号传感器112感测到的响应信号。在e和i这两个值的比的基础上，状况确定模块114确定驱动点阻抗。如下文所述，扬声器100应用了上述等式系列的最后一个的潜在物理特性，从而执行自我诊断。更具体地，如果存在的话，扬声器的多种非正常状况会影响扬声器的机械和声学性能。如等效电路200所阐释的，扬声器的机械和声学性能确定最后一个等式的右侧第三项，其对应于反emf项，eemfBL2RM+jωMm+1jωCm+ZaSd2]]>相应地，多种非正常状况也会影响驱动点阻抗的值，如上文所阐释的，包括该最后一项。如下文所解释的，通过将驱动点阻抗与预定驱动点阻抗进行比较，扬声器100可实现自我诊断。
举例来说，如果扬声器100完全无效，由于弹性锥体104因某种原因而被阻碍，则结果是音圈106的速度uvc为0。从上面的等式中调用反emf，eemf，其可写成关于速度的函数，eemf＝BLuvc，在驱动点阻抗等式的右侧第三项为0时，该等式成立。由于扬声器的状况影响扬声器的机械声学性能，进而影响前述的驱动点阻抗等式中的反emf项，eemf，因此，接下来状况确定模块114可将驱动点阻抗与预定阻抗进行比较，以确定扬声器100的状况。
举例来说，根据基于频率的幅值的普通阻抗通常类似于图3所示的典型曲线。如图所示，幅值的普通曲线显示了在共振频率处的明显峰值。图4显示了对应的基于频率的相位曲线，其在共振频率处的过零点是很清楚明显的。
形成对比的是，图5提供了扬声器的基于频率的幅值的典型阻抗曲线，在所述扬声器中，弹性锥体104不能机械地运动，或因为短路而不能运动。这可被特征定义为音圈短路。在这个情况中，音圈106的速度uvc为0。正如早已解释的，这影响了驱动点阻抗等式的反emf项，eemf。这反映在基于频率的幅值曲线中，其与图3所示的曲线进行比较，明显缺乏显著的峰值。类似地，图6所示的不正常工作的扬声器的基于频率的相位曲线也与图4所示的相位曲线形成鲜明的对比。不正常工作的扬声器的基于频率的相位曲线缺少过零点。
其它可能发生在扬声器100中的非正常状况也类似地影响机械声学性能，并因此也会类似地反映在驱动点阻抗中。例如，即使弹性锥体被部分阻挡，这样的情况也会反映在前述驱动点阻抗等式的反emf项，eemf上。与响应于正常工作的扬声器100的信号源110提供的测试信号而获得的共振频率处的驱动点阻抗相比，在这种称为部分音圈短路的情况下，共振频率处的驱动点阻抗显著地减少了。
另一个典型的非正常状态为框架102中的弹性锥体104和/或音圈106的未对准。未对准不利地影响了锥体的弹性和/或音圈106的轴向运动，它们都影响了前述驱动点阻抗等式的反emf项，eemf。再一次地，结果是驱动点阻抗与扬声器正常工作时获得的驱动点阻抗不同。因此，由于该未对准，测试信号感应出的驱动点阻抗与预定阻抗的比较揭示了扬声器100的非正常工作。
通过比较揭示的另一个典型的非正常状况是关于称为音圈开路的，其产生一个无穷大阻抗。这种情况也可通过将驱动点阻抗与扬声器100正常工作时获得的阈值相比较而揭示。如该实施例和前述实施例所示，状况确定模块114可将驱动点阻抗与预定的阻抗进行比较，从而确定扬声器100的状况。
根据一个实施例，状况确定模块114执行的比较包括将共振频率处的驱动点阻抗与期望的、可用于比较的正常工作的扬声器的预定共振阻抗相比较。举例来说，预定共振频率可包括下限值，如果驱动点阻抗小于该下限值，则表示上文所述的非正常工作。另外，预定共振，或者代替下限值，可包括上限值，其对应于正常工作的扬声器响应于测试信号所期望表现的最大值。如果驱动点阻抗超过了该上限值，则表示上文所述的可能的音圈开路。
在另一个实施例中，状况确定模块114执行的比较是以所测量的驱动点阻抗的相位为基础的。正如上文所述，基于过零点的出现或未出现而作出判断。
根据另一个实施例，状况确定模块114执行的比较包括确定图3-6所示类型的驱动点阻抗曲线。状况确定模块114将该曲线与对应于正常工作的扬声器的预定曲线进行比较。在一次地，正如早已描述的，被比较的曲线都基于各自的所测相位角和/或阻抗的幅值。
根据一个实施例的信号源110提供一个测试信号，其感应出如下的响应，状况确定模块114通过该响应获得驱动点阻抗。根据可选实施例，信号源110提供多个测试信号，每个在频率上都不相同。对于多个频率的测试信号，更特别的是，信号源110能产生频率扫描。但是可选地，测试信号可以为宽带信号，如宽带噪声。宽带信号可有是低功率信号。低等级宽带信号，如宽带噪声，不需要是可听到的信号以完成预定的功能。可选地，所接收的语音可作为测试信号来使用，且不需要产生额外的信号(需要大量求平均)。
根据一个实施例，信号传感器112，可包括电流传感器111。在另一个实施例中，信号传感器112或电流传感器111可耦合到基于所感测的模拟信号而产生数字信号的模数转换器113。数字信号由信号传感器提供给状况确定模块114。
根据一个实施例，如果提供数字信号，那么状况确定模块114可设计为利用一种或多种数字信号处理技术来处理数字信号。举例来说，数字信号处理可包括基于所提供的数字信号来计算一个或多个快速傅立叶逆变换(IFFT)。状况确定模块114可通过软件来实现，所述软件设计为在包含于扬声器100和/或使用扬声器的音频设备内的处理元件上运行。可选地，状况确定模块114可在一个或多个硬线专用电路中实现。在另一个实施例中，状况确定模块114可被实现为基于软件的指令和一个或多个专用电路的组合。
根据一个实施例，输出模块116产生表示扬声器100状况的输出。如上文所提及的，电路可选择性地响应于用户指令而执行诊断功能，用户指令如用户按下外部按键118，或可选地，如部分连续或几乎连续运行的后台处理。举例来说，响应于用户启动，电路101执行其诊断功能，此外作为对此的响应，输出模块116产生用户可见信号，如预选频率的短哔哔声或唧唧声。可选地，如果电路110设计为运行后台程序，仅当扬声器100被诊断为很可能不正常时才会产生输出。但是，根据一个实施例，特定频率的可听到的输出可表示扬声器100的特定问题。因此根据该实施例，用户可基于输出模块116发出的特定声音来确定扬声器的状况。
图7显示了根据本发明另一个实施例的方法。该方法涉及确定音频设备中包含的扬声器状况。方法500包括，在步骤502，给驱动扬声器的音圈提供测试信号。所提供的测试信号包括，如多个测试信号，每个都具有从某个频率范围中选出的不同频率。可选地，测试信号可包括宽带信号，如低功率宽带噪声。
接下来，所示方法500在步骤503处基于测试信号确定音圈的驱动点阻抗。更具体的，测试信号可以是电压，其引发出流过音圈的电流。因此，阻抗可以是基于电压和电流比的复数值。
在步骤504，驱动点阻抗与预定阻抗进行比较，从而基于该比较确定扬声器的状况。预定阻抗可以是，如阻抗曲线。根据一个实施例，阻抗曲线在某一频率范围内分布。可选地，预定阻抗可包括一个或多个阈值。阈值可包括，如，共振阻抗相位过零点，共振阻抗幅值，或共振无穷大阻抗近似值。在步骤505，该比较可用于确定扬声器中是否存在音圈短路，部分音圈短路或音圈开路。最后，方法500在步骤506结束。
正如已提及的，本发明的实施例可通过硬件，软件，或硬件与软件的结合来实现。实施例可在一个计算机系统以集中方式实现，或以分布方式实现，其中不同元件分布在多个交互连接的计算机系统中。适于实施本文所述方法的任何种类的计算机系统或其它设备都是合适的。硬件和软件的典型组合可以是具有计算机程序的通用计算机系统，当载入和运行时，控制计算机系统以使它实施本文所述的方法。
根据本发明的方法也可植入到计算机程序产品中，其包括可实现本文所述方法的所有特征，且当其载入计算机系统时，可实施所述方法。本文中的计算机程序是指以任何语言、编码或符号的指令集合的表达，使系统具有信息处理能力以直接地或在下面两种情况之后执行特定功能a)转换为另一种语言、编码或符号；b)在不同的材料形式中再现。
但是，本文中的实施例可以不背离其精神和本质特征而以其它形式来实现。相应地，作为表达本发明的范围，需要参考权利要求书，而不是仅参考前述的说明书。
权利要求
1.一种用于确定音频设备中包含的扬声器的状况的方法，该方法包括向驱动扬声器的音圈提供测试信号；基于该测试信号确定音圈的驱动点阻抗；以及将驱动点阻抗与预定阻抗相比较从而基于该比较确定扬声器的状况。
2.权利要求1的方法，其中预定阻抗包括阻抗曲线。
3.权利要求1的方法，其中预定阻抗包括与驱动点阻抗进行比较的至少一个阈值。
4.权利要求3的方法，其中至少一个阈值包括共振阻抗相位过零点、共振阻抗幅度以及共振无穷大阻抗幅度近似值中的至少一个。
5.权利要求1的方法，其中提供测试信号包括提供多个测试信号，多个测试信号中的每一个具有选自一频率范围的不同频率。
6.权利要求1的方法，进一步包括基于该比较确定是否存在音圈开路、音圈短路以及音圈部分短路状况中的至少一个。
7.一种用于确定包含在音频设备中且具有音圈的扬声器的状况的电路，该电路包括连接到音圈的信号源，用于向音圈提供测试信号；电连接到音圈的信号传感器，用于感测响应于测试信号而产生的响应信号；以及状况确定模块，用于基于响应信号确定驱动点阻抗，并将驱动点阻抗与预定阻抗相比较从而确定扬声器的状况。
8.权利要求7的电路，其中预定阻抗包括与驱动点阻抗进行比较的至少一个阈值。
9.权利要求8的电路，其中至少一个阈值包括共振阻抗相位过零点、共振阻抗幅度以及共振无穷大阻抗幅度近似值中的至少一个。
10.权利要求7的电路，其中由信号源提供的测试信号包括多个测试信号，多个测试信号中的每一个具有选自一频率范围的不同频率。
11.权利要求7的电路，其中信号传感器包括耦合到模数转换器的电流传感器，所述模数转换器用于向状况确定模块提供数字信号，且其中状况确定模块被配置为处理数字信号。
全文摘要
提供具有诊断功能的扬声器(100)，以及电路(101)和相关方法(500)，用于基于驱动点阻抗执行扬声器诊断。扬声器包括一个弹性锥体(104)以及连接到弹性锥体的音圈(106)以驱动弹性锥体，以便将电信号转换为声音。扬声器还包括信号源(110)，其连接到音圈以给音圈提供测试信号。扬声器进一步包括信号传感器(112)，电连接到音圈以感测响应于测试信号而产生的响应信号。另外，扬声器包括状态确定模块(114)，用于基于响应信号而确定驱动点阻抗，并将驱动点阻抗与预定阻抗相比较从而确定扬声器的状况。
文档编号H04R3/00GK101080946SQ200580043074
公开日2007年11月28日 申请日期2005年11月22日 优先权日2004年12月15日
发明者彼得·M·帕夫洛夫, 贾森·D·麦克托什, 戴维·M·耶格尔 申请人:摩托罗拉公司