用于估计扬声器纸盆的位移的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本文中揭示的实施方案大体上涉及一种用于估计扬声器纸盆的位移的系统和方 法。
[0002] 发明背景
[0003] 扬声器可为响应于电子输入信号而发出声音的机电换能器。传统的扬声器可被收 容在框架中，并且可包括扬声器纸盆及位于其中心的音圈。当电压被施加到音圈的端部时， 可产生电流，电流继而可与磁场相互作用，以使扬声器纸盆移动。音频波形可应用到音圈， 从而致使换能器纸盆产生对应于电子输入信号的声压波。这种移动的程度可在纸盆与框架 之间产生位移。
【发明内容】
[0004] 一种用于估计扬声器的纸盆位移的位移估计系统可包括：包括至少一个非线性部 分的电路，其耦合到包括至少一个非线性部分的机械电路；以及控制器，其经编程以：通过 使用所述电路的所测得电流的离散域传递函数基于所述至少一个非线性部分来确定所述 扬声器的所述纸盆位移；以及将所述位移传输到校正器以校正因所述位移所致的音频信号 的失真。
[0005] -种音频系统可包括：扬声器，其包括纸盆和参数模型；以及控制器，其电耦合到 所述扬声器，且经编程以：使用扬声器模型的所测得电流的离散域传递函数基于所述扬声 器模型的至少一个非线性部分来确定所述纸盆的纸盆位移。
[0006] 一种用于估计扬声器的纸盆位移的位移估计系统可包括控制器，所述控制器经编 程以：通过使用扬声器模型的电路的所测得电流的离散域传递函数基于至少一个非线性部 分来确定所述扬声器的所述纸盆位移，其中所述位移被传输到校正器，以校正因所述位移 所致的音频信号的失真。
【附图说明】
[0007] 所附权利要求书中特别指出了本发明的实施方案。然而，各种实施方案的其它特 征将通过参考以下结合附图的详细描述而变得更加显而易见并得到最好的理解，在附图 中：
[0008] 图1为换能器的透视截面图；
[0009] 图2为图1的换能器的截面图；
[0010] 图3为图1和图2的换能器的集总参数模型；
[0011] 图4为位移估计系统的框图；以及
[0012] 图5为位移估计系统的音频系统。
【具体实施方式】
[0013] 根据需要，本文揭示了本发明的详细实施方案；然而，应理解，所揭示的实施方案 仅仅是可以各种替代形式体现的本发明的示例。附图未必按比例绘制；一些特征可夸示或 最小化，以示出特定部件的细节。因此，本文揭示的特定结构和功能细节将不解释为限制性 的，而是仅为教示所属领域的技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。
[0014] 在扬声器的操作期间，载流音圈可致使扬声器纸盆移动，并从纸盆的静止位置移 位。扬声器纸盆的移动可致使纸盆前面的空气移动，由此产生声波。扬声器的机电性质可随 纸盆的位移非线性地改变。因此，扬声器纸盆从纸盆静止位置的大位移可实质上变更扬声 器的机电性质，由此产生非线性音频失真。非线性音频失真可造成音质退化。对扬声器纸 盆位移的了解可用来开发减少非线性失真的非线性扬声器校正器。为了有效开发此类校正 器，可有必要估计纸盆位移。用于估计位移的机构可包括数字信号处理（DSP)。此类处理可 使用简单的线性模型。然而，对于大位移而言，扬声器中固有的非线性可能变得显著且因此 致使线性模型不准确。例如，通过使用激光器来测量纸盆的移动，也可测量出纸盆的位移。 然而，使用激光器来确定位移可能比较昂贵。本文描述一种被配置成经由但不限于换能器 的电流以及各种非线性变量来估计换能器纸盆的位移的系统和方法。这些变量可表示悬架 刚度、音圈电感、音圈寄生电感、音圈寄生电阻以及换能器的力因数。通过使用这些变量把 音圈电流归因于扬声器纸盆的位移，可实施一种用于估计纸盆位移的可靠系统和方法。所 估计的位移随后可用来开发自适应非线性校正器。
[0015] 图1和图2示出扬声器105。图1为扬声器105的透视截面图，而图2为音箱170 内的扬声器105的截面图。扬声器105可包括磁体110、背板185、顶板190、极片125以及 音圈组件115。可限定顶板190与极片125之间的磁隙165,并且磁隙165可收纳音圈组件 115。顶板190、背板185以及极片125可导引永磁体110的磁场，因而在磁隙165中产生径 向磁场。音圈组件115可由导线组成，例如，缠绕在线圈架115上的绝缘铜线130(即，音圈 或线圈），其中两端140形成音圈130的电引线。音圈130可位于磁隙165的中心。音圈导 线130的两端140可被配置成接收来自放大器（未示出）的信号。这个信号可在音圈130 内形成电流。磁隙165中的磁场可与载流音圈130相互作用，由此产生力。所得力可致使 音圈130来回移动，因此使得纸盆从其静止位置移位。扬声器纸盆150的运动使纸盆前方 的空气移动，形成声波，从而在声学上再现电信号。
[0016] 扬声器105包括扬声器纸盆（或膜片）150,所述扬声器纸盆从线圈130径向向外 延伸，从而形成圆锥或穹顶状的形状。纸盆150可由多种材料制成，所述材料包括但不限于 塑料、金属、纸张、复合材料及其任何组合。开口 135可限定在纸盆150的中心处，并且防尘 盖145可在开口 135处形成穹顶状盖子。纸盆150的外缘可通过环绕物160附接到框架 155。音圈130附近的纸盆150中心可由中心盘（spider) 175固定在适当位置，如图2中所 示。中心盘175和环绕物160合起来大体上只允许扬声器纸盆150轴向移动。框架155可 为圆锥形外壳，其将纸盆150维持在固定位置，如图1中所示。框架155可环绕纸盆150,并 且可由更坚固的材料制成，以帮助在操作期间维持纸盆150的形状和位置。
[0017] 在操作期间，并且在电流被驱动穿过线圈130的同时，线圈130可沿着极片125横 向移动。线圈130的这种移动继而可致使纸盆150移动（即，纸盆偏移）。一般来说，纸盆 偏移或位移X是纸盆150从静止位置移动的距离。距静止位置的距离随着供应到线圈130 的电信号的幅度改变而变化。例如，在线圈130接收到具有大电压的电信号之后，即刻可致 使线圈130移动离开磁隙165或进一步移动到磁隙165中，如图2中的X所指示。当线圈 130移动进入和离开磁隙165时，纸盆130可从纸盆的静止位置移位。因此，大电压可形成 大纸盆偏移，继而致使换能器105固有的非线性变得显著。因此类非线性所致，用于估计纸 盆位移X的典型线性模型可导致错误估计。
[0018] 随着纸盆的偏移或位移X增加，环绕物160和中心盘175可逐渐变得更具刚度。 因刚度增加所致，可能需要更多的力且因此更大的输入功率，以进一步增加纸盆的偏移。此 外，随着纸盆移动进入外壳，音箱170内部的空气可被压缩，并且可充当弹簧，由此增加中 心盘175和环绕物160的整体刚度K tot (X)。因此，扬声器105的位移相关整体刚度Ktot (X) 可由中心盘的刚度KspidCT(x)、环绕物的刚度Ksumiund(X)以及空气的刚度K allJ且成。空气的刚 度K_可包括空气在纸盆150处形成的阻力。
[0019] 另外或作为替代，线圈130的电感也可受电子信号的影响。例如，如果电子信号的 正电压如此之大以致于线圈130移动离开磁隙165,那么线圈130的电感可减少。另一方 面，如果电子信号的负电压如此之大以致于线圈130移动进入到磁隙165中，那么线圈130 的电感可增加。音圈130的电感变化表示电感的位移相关非线性行为LJx)。线圈130的 电感也可受被驱动穿过音圈130的电流影响。当大的负电流被驱动穿过线圈130时，线圈 130的电感可减少。
[0020] 扬声器的电部分与机械部分之间的耦合可由力因数Bl(X)执行，所述力因数由磁 隙165内的磁场强度B和磁隙165内的线圈130的长度I (X)确定。由于力因数取决于磁 隙165内的线圈130的长度，因此，力因数可随着线圈130移动进入和离开磁隙165而减少。 纸盆150的大偏移可减小力因数，由此需要更大的输入功率以在扬声器纸盆150上产生相 同的力。扬声器的力因数的这种位移相关行为促成扬声器105中的非线性。图3为用于闭 箱式直接辐射扬声器105的示例性集总参数模型或扬声器模型（"模型"）300。尽管本文 的示例被描述为涉及扬声器105,但模型300也可有益于其它换能器（例如，麦克风）。模 型300可包括电路305和机械电路310。机械电路310和电路305可经由回转器Hy连接在 一起。回转器被配置成将电路305中的电流交叉耦合到机械电路310中的力。电路305中 的电压可耦合到机械电路310中的速度。参数模型300中示出的各种线性和非线性部分可 用来确定纸盆的所估计纸盆位移X。每个部分由如下变量表示：
[0021] i 音圈电流。
[0022] u 输入到音圈的AC电压。
[0023] X 膜片/纸盆的位移。
[0024] V 移位期间的膜片速度，其中速度为位移的改变率V = dx/dt。
[0025] f 因穿过音圈的电流所致而在膜片上产生的力，其中f = BI (x)*i。
[0026] p 因纸盆运动所致而在膜片上产生的声压。
[0027] Rvc 音圈电阻。
[0028] Le 音圈电感。
[0029] L2 与U相关联的寄生电感（寄生电感）。
[0030] R2 与U相关联的寄生电阻（寄生电阻）。
[0031] Rns 模仿机械损失的电阻。
[0032] Fn 以牛顿为单位的所估计磁阻力。
[0033] Ktot(X)位移相关悬架刚度
[0034] Mtot 机械运动质量，包括膜片前面的空气质量以及音圈组件的质量。
[0035] Bl(X) 位移相关力因数。
[0036] i2 寄生电感中的电流。
[0037] i3 寄生电阻中的电流。
[0038] Rsense 电流感测电阻器。
[0039] Usense 在Rsense上测得的电压。
[0040] 另外，如电路305中所示，Rsense可作为电流感测电阻器而包括在模型300中。Rsense 可具有小的值（例如，约〇. 10欧姆），以便不修改音圈电流i的值。借助RsotiJ勺值，使用在 Rsf3nsf3上测得的电压u sraisf；，可通过欧姆定律来确定音圈电流i (即，Usf3nsfZRsf3nsf3= i)。
[0041] Lf3(X)、L2 (X)、R2 (X)、Fm (X，i, i2)、Ktot (X)以及 BI (X)的值可非线性地取决于以下各 者的值：纸盆130的位移X、音圈中的电流i以及寄生电感中的电流i2。电路305可包括各 种所估计的换能器值，例如，R v。、U(X)、L2(X)以及R2 (X)。寄生电感L2 (X)可取决于位移X 而变化。
[0042] 给定上述变量，下述等式可用