估计扬声器的振膜偏移的方法
【专利说明】估计扬声器的振膜偏移的方法
[0001]本发明涉及一种估计电动扬声器的振膜偏移的方法，该方法包括:接收音频输入信号的步骤；和基于所述接收的音频输入信号产生音频输出信号的步骤。该方法包括如下步骤:通过输出放大器施加音频输出信号到电动扬声器的音圈以产生声音；施加检测到的音圈电流和确定的音圈电压至包括多个自适应扬声器参数的线性自适应数字扬声器模型。该方法包括如下进一步的步骤:基于线性自适应数字扬声器模型计算多个相应的自适应扬声器参数的多个参数值；和施加多个参数值至电动扬声器的非线性状态空间模型。在非线性状态空间模型中，将表示扬声器参数与预定的扬声器变量之间的非线性关系的预定的非线性函数施加至所述多个接收的参数值中的至少一个的步骤计算至少一个自适应扬声器参数的至少一个非线性补偿参数值。将非线性补偿参数值和音频输入信号施加到电动扬声器的非线性状态空间模型，且基于音频输入信号和电动扬声器的非线性状态空间模型来确定振膜的瞬时偏移。
【背景技术】
[0002]本发明涉及一种估计电动扬声器的振膜偏移的方法。电动扬声器可以例如安装在便携式通信装置的大致声音密封的外壳或通风的外壳中。为了声音再现目的，电动扬声器可以被利用例如作为用于通过声耦合到用户的耳朵来产生声音的接收器，或作为用于播放记录的音乐或用于电信会议应用中的语音再现的扬声器。
[0003]在若干声音再现应用和装置中，为了保护电动扬声器免受机械损伤，精确地估计电动扬声器的振膜偏移或位移是具有重大意义。必须精确地估计振膜偏移以允许对振膜偏移的相应精确的控制。对振膜偏移的精确控制或限制对于避免振膜或组件在其最大偏移限制以上被驱动(可能在低估振膜偏移的情况下发生)是重要的。如果超过最大偏移限制，则可能对扬声器造成各种暂时或永久机械损伤，使得扬声器临时或永久不起作用。机械损伤可能由可移动扬声器部件(诸如，音圈、振膜或音圈骨架)与扬声器的固定部件(诸如，磁路)之间的碰撞引起。另一方面，如果高估振膜偏移并且因此瞬时偏移下被激活的偏移限制比讨论中的扬声器的最大偏移限制小得多，则扬声器的最大声压受到不适当的限制。
[0004]由于电动扬声器一般更确切地说是非线性装置(具体地，在高声压电平下，有大量复杂非线性关系)所以已经证明，通过各种基于预测模型的方法难以精确地估计振膜偏移。此外，电动扬声器的线性扬声器参数的参数值，诸如机械柔度和音圈电阻，也随时间和温度缓慢地但明显地变化，这导致在维持电动扬声器的准确模型上的进一步的挑战。
[0005]因此，将一个或多个扬声器参数的非线性属性和扬声器参数的缓慢时变属性都考虑进去，为精确地估计电动扬声器的振膜偏移提供相对简单的方法是具有重大意义和价值的。在制造包括电动扬声器的设备或装置期间，补偿一个或多个扬声器参数的非线性属性而无需电动扬声器的非线性的耗时且昂贵的个别特征化将是有利的。估计振膜偏移的方法应优选地避免复杂的计算以最小化实施振膜偏移估计方法的某些步骤的信号处理器的计算资源的费用。
【发明内容】
[0006]本发明的第一方面涉及一种估计电动扬声器的振膜偏移的方法，该方法包括如下步骤:
[0007]接收音频输入信号并且基于所述接收的音频输入信号产生音频输出信号，
[0008]将所述音频输出信号通过输出放大器施加到电动扬声器的音圈以产生声音，
[0009]确定所述音圈上的音圈电压，
[0010]响应于所述音圈电压，检测音圈电流，
[0011]将所述检测到的音圈电流和所述确定的音圈电压施加至包括多个自适应扬声器参数的线性自适应数字扬声器模型，
[0012]基于线性自适应数字扬声器模型，计算所述多个相应的自适应扬声器参数的多个参数值，
[0013]施加所述多个参数值至所述电动扬声器的非线性状态空间模型，
[0014]在所述非线性状态空间模型中，将表示扬声器参数与预定的扬声器变量之间的非线性关系的预定的非线性函数施加至所述多个接收的参数值中的至少一个以计算至少一个自适应扬声器参数的至少一个非线性补偿参数值，
[0015]将所述音频输入信号施加至所述电动扬声器的非线性状态空间模型，
[0016]基于所述音频输入信号和所述电动扬声器的所述非线性状态空间模型确定所述振膜的瞬时偏移。
[0017]在非线性状态空间模型中使用表示扬声器参数与预定的扬声器变量之间的非线性关系的预定的非线性函数提高振膜偏移估计的精确度。因此，本方法允许对瞬时振膜偏移的精确控制或限制，避免对先前讨论的与低估和高估振膜偏移相关联的问题。
[0018]技术人员应理解，预定的非线性函数可以形成电动扬声器的非线性状态空间模型的不可或缺的部分或非线性函数在施加到扬声器的线性状态空间模型之前可以在独立预处理块或步骤中被计算。在第一实施方案中，预定的非线性函数可以被表达为非线性状态空间模型的(一个或多个)非线性方程。在第二实施方案中，在独立的预处理块或步骤中，预定的非线性函数可以连同瞬时振膜位移信号一起施加到至少一个自适应扬声器参数以计算至少一个非线性补偿参数值的值。随后可以将该至少一个非线性补偿参数值输入到电动扬声器的线性状态空间模型，如在下文中参照附图以附加细节所解释的。后一个实施方案减小与非线性状态空间模型的计算相关联的计算负载。
[0019]对音圈电压的检测可以通过直接测量例如通过耦接到音圈电压的A/D转换器或通过间接确定来完成，在间接确定的情况下，根据已知的例如数字表示的音频信号电平和输出放大器的已知DC供应电压来确定或估计音圈电压。
[0020]在正常运行期间施加到扬声器的音频输出信号可以包括从诸如收音机、CD播放器、网络播放器、MP3播放器的适当的音频源供应的语音和/或音乐。音频源也可以包括响应于传入的声音产生实时麦克风信号的麦克风。技术人员应明白，音频信号、音圈电压和音圈电流中的每一个可以由模拟信号表示为例如电压、电流、电荷等，或可替代地由数字信号表示，例如在适当的采样频率或速率和分辨率下以二进制格式编码的采样信号。输出放大器优选地包括开关或D类放大器，例如均具有大功率转换效率的脉冲密度调制(PDM)或脉冲宽度调制(PWM)输出放大器。这对于在电池供电的便携式通信装置中使用是特别有利的结构。在替代方案中，输出放大器可以包括像A类或AB类的传统非切换功率放大器拓扑结构。
[0021]本振膜偏移方法可以应用到各种应用中的宽范围的电动扬声器，诸如用于高保真度应用、汽车或公共地址应用的低频或宽带扬声器以及用于便携式通信装置和/或音乐播放器的微型电动扬声器。在后一种情况下，电动扬声器可以集成在移动电话或智能手机中并且安装在具有在0.5cm3与2.0cm 3之间(诸如约Icm 3)的容积的密封或通风外壳中。
[0022]根据估计振膜偏移的本方法的一个有利的实施方案，预定的非线性函数表示通过多个代表性的电动扬声器上的非线性关系测量确定的、至少一个扬声器参数与预定的扬声器变量之间的平均非线性关系。本发明人已经认识到，尽管多个线性或小信号扬声器参数的相应参数值随时间和温度的显著变化以及多个线性扬声器参数的相应参数值的大的样本到样本变化，但是至少一个扬声器参数与预定的扬声器变量之间的非线性关系是相对明确定义且时间不变关系。因此，通过使线性自适应数字扬声器模型的多个线性或小信号扬声器参数的相应的参数值自适应，跟踪这些参数随时间和温度的变化。此外，通过将预定的非线性函数施加到至少一个自适应扬声器参数的当前参数值，根据电动扬声器的精确线性模型来计算对电动扬声器的振膜偏移的非线性贡献。按照该方法，根据预定的非线性函数，至少一个非线性补偿参数值可以被计算为当前参数值的相对调整。
[0023]鉴于电动扬声器的大量复杂的非线性，可以选择各种扬声器变量作为预定的非线性函数的预定扬声器变量。自然地，预定的扬声器变量优选地包括为讨论中的扬声器参数的非线性行为做出重大贡献的变量。因此，预定的扬声器变量优选地包括振膜偏移或位移，使得预定的非线性函数表示电动扬声器的偏移依赖的非线性属性，因为振膜的位移通常在扬声器参数(诸如，力因子(B*l或BI乘积)、总机械柔度或刚度、音圈电感等)的非线性行为中起重要作用。可替代地，或此外，预定的扬声器变量可以包括音圈电流，因为该变量也是诸如力因子的某些扬声器参数的显著非线性的来源。
[0024]因此，根据估计振膜偏移的本方法的一个优选实施方案，多个自适应扬声器参数包括力因子并且预定的非线性函数表示力因子(B*l)的测定的偏移依赖性以便将非线性补偿力因子值包括在电动扬声器的非线性状态空间模型中。
[0025]根据另一个实施方案，多个自适应扬声器参数包括振膜的总机械柔度或刚度，并且预定的非线性函数表示总机械柔度或刚度的测定的偏移依赖性以便在电动扬声器的非线性状态空间模型中提供非线性补偿振膜悬架柔度或刚度。技术人员应明白，多个自适应扬声器参数可以包括力因子和总机械柔度或刚度两者，其由表示它们的相应测定偏移依赖性的相应预定的非线性函数表示。
[0026]技术人员应理解本方法可以使用多个预定的非线性函数，各个表示多个自适应扬声器参数的具体扬声器参数和具体预定的扬声器变量之间的具体非线性关系，以计算相应的自适应扬声器参数的多个非线性补偿参数值。用相应的非线性函数表示大量自适应扬声器参数将总体提高非线性状态空间模型中计算的扬声器参数值的精确度并且因此提高振膜偏移估计的精确度。然而，该提高的精确度可能以增加计算负载的代价达到。因此，在非线性状态空间模型中施加的非线性函数的数量可以有利地适于偏移预测或估计的精确度的施加相关要求。
[0027]线性自适应数字扬声器模型优选地包括二阶或更高价自适应IIR滤波器，该二阶或更高价自适应IIR滤波器包括多个可适应的模型参数，多个自适应扬声器参数的多个参数值根据所述多个可适应的模型参数来推导。自适应IIR滤波器横跨预定的音频频率范围(例如，在1Hz与1kHz之间)模拟或跟踪扬声器的时