本发明大体上涉及扩音器，且更具体来说，涉及一种增强型扩音器。
背景技术
扩音器是将模拟电音频信号转换成对应声音的电声换能器。扩音器可包含音圈、磁体及振动膜。音频信号施加到音圈，这导致振动膜使锥体高速来回移动以产生声波。这些声波可调谐到共振频率以经由使用高质量材料为用户产生更愉悦的声音。举例来说，将扩音器安装在适当设计的扬声器箱中往往会为用户带来更愉悦的声音。此外，可选择高质量振动膜材料以最大化音质。也可通过使用调节音频信号内的频率分量的均衡器来调谐声波，以便为用户产生更愉悦的声音。用以最大化音质的又一技术是将预失真注入到音频信号中，以消除可能由扩音器产生失真的音频信号部分。
技术实现要素：
一个实例包含一种系统，其包括扬声器、放大器、电流传感器及补偿器电路。所述扬声器响应于扬声器输入处接收的经放大模拟输入信号而产生音频。所述放大器接收模拟音频输入信号且将所述经放大模拟音频输入信号提供到所述扬声器输入。所述电流传感器感测通过所述扬声器的电流且提供指示所述电流的电流传感器信号。所述补偿器电路将传递函数应用于所述电流传感器信号以将补偿信号作为反馈提供到所述模拟音频输入信号中，所述传递函数匹配所述扬声器的电阻及电感中的至少一者。
另一实例包含一种方法。所述方法包含响应于扬声器输入处接收的经放大模拟输入信号而使用扬声器产生音频。所述方法进一步包含放大模拟音频输入信号以将经放大模拟音频输入信号提供到所述扬声器输入。所述方法进一步包含感测通过所述扬声器的电流且提供指示所述电流的电流传感器信号。所述方法进一步包含将传递函数应用于所述电流传感器信号以提供补偿信号，所述补偿信号作为反馈注入到所述正放大的模拟音频输入信号中，所述传递函数匹配所述扬声器的电阻及电感中的至少一者。
另一实例包含另一系统，所述系统包括扬声器、缩放器、放大器、电流传感器及补偿器电路。所述扬声器响应于扬声器输入处接收的第二经放大模拟输入信号而产生音频。所述缩放器使模拟音频输入信号衰减且提供经衰减模拟音频输入信号。所述放大器接收所述经衰减模拟音频输入信号且将所述经放大模拟音频输入信号提供到所述扬声器输入。所述电流传感器感测通过所述扬声器的电流且提供指示所述电流的电流传感器信号。所述补偿器电路将传递函数应用于所述电流传感器信号以将补偿信号作为反馈提供到所述经衰减模拟音频输入信号中，所述传递函数匹配所述扬声器的电阻及电感中的至少一者。
附图说明
图1说明包含补偿器电路的实例扬声器系统。
图2说明包含补偿器电路的另一实例系统。
图3说明示出包含补偿器的扬声器系统的实例电路图。
图4说明示出包含补偿器电路的另一系统的实例电路图。
图5a到5d说明示出在实施及不实施补偿器电路时扬声器系统的性能的实例图表。
图6说明根据扬声器系统的频率而变化的失真的实例图表。
图7a到7h说明示出在实施及不实施补偿器电路时扬声器系统的性能的更多实例图表。
图8说明对扬声器提供补偿信号的实例方法。
具体实施方式
本发明涉及一种增强型扩音器。实例实施例包含一种系统，其包含扬声器、放大器、电流传感器及补偿器电路。所述扬声器响应于扬声器输入处接收的经放大模拟输入信号而产生音频。所述放大器接收模拟音频输入信号且将经放大模拟音频输入信号提供到所述扬声器输入。所述电流传感器感测通过所述扬声器的电流且提供指示所述电流的电流传感器信号。所述补偿器电路将传递函数应用于所述电流传感器信号以提供补偿信号，所述补偿信号(例如，作为反馈)馈入到所述模拟音频输入信号中。所述补偿器电路的所述传递函数经配置以匹配所述扬声器的电阻及/或电感。所述补偿器电路还可应用增益以调节注入到所述模拟音频输入信号中的所述补偿信号的振幅。经组合信号由放大器放大以驱动所述扬声器。
与倾向于利用较昂贵的高质量材料及扩音器箱以产生相当高质量声音的现有方法相比，以这种方式配置扩音器系统有助于以最小额外费用产生高质量声音。实例实施例帮助增大音量同时减少扬声器的振动膜的极端位移，扬声器的振动膜的极端位移可能导致损坏扬声器。举例来说，当系统实施为微型扬声器(例如耳塞型扬声器或移动电话扬声器)时，减小振动膜移动会减轻对振动膜的损坏。此外，本文中所揭示的实例实施例提供一种扩音器，其例如在低音扬声器及超低音扬声器中产生低音失真，同时在扬声器的有用频率范围内产生相等声级。举例来说，实例实施例提供适于不同扬声器类型的扬声器均衡，调节扬声器变化(其中扬声器线性度大于约10db)，对于给定线性度生成更多声音且将扬声器线性度一直提高到共振频率。
图1说明包含补偿器电路130以增强由扬声器120产生的可听声音的实例系统(例如，扩音器系统)100。系统100包含放大器110，所述放大器110接收包含模拟音频输入信号vin及补偿信号135两者的输入105。举例来说，音频输入vin及补偿信号135可经由导电线(例如，导线或迹线)来提供。放大器110放大这个组合模拟音频输入信号vin及补偿信号以在其输出(例如，对应于导线或迹线)115处产生经组合输入信号的放大版本。在实例实施例中，放大器110是线性d类放大器。
系统100进一步包含扬声器120。举例来说，扬声器120包含音圈、磁体及振动膜。扬声器120包含扬声器输入117，所述扬声器输入117用以经由输出115接收放大器110产生的经放大模拟输入信号。扬声器120响应于接收到经放大模拟输入信号而产生可听声音。举例来说，经放大模拟输入信号驱动音圈，这引起振动膜使相关联锥体来回移动以产生对应于可听声音的声波。扬声器120具有可包含电阻及/或电感的阻抗。在一些实例中，扬声器120具有4欧姆、6欧姆或8欧姆的阻抗。
系统100进一步包含电流传感器140，所述电流传感器140用以感测通过扬声器120的电流。电流传感器140与扬声器120串联耦合，例如连接到扬声器120的扬声器输出122。电流传感器140经连接以将经感测扬声器电流的指示提供到补偿器电路130。电流传感器140感测通过扬声器120的电流量且产生提供到补偿器电路130的电流传感器信号125。在一实例中，电流传感器140可为基于分流电阻器的电流传感器、磁通量闸门电流传感器或能够感测通过扬声器120的电流量的任何其它类型的电流传感器。
补偿器电路130增强由扬声器120产生的可听声音。在图1的实例中，补偿器电路130耦合在扬声器输出122与放大器输入105之间。在实例实施例中，补偿器电路130将电流传感器140并入到单个电路中。补偿器电路130响应于从电流传感器140接收的电流传感器信号125且基于补偿器电路130的传递函数132而产生补偿信号135。举例来说，补偿电路130将传递函数132应用于电流传感器信号125以产生补偿信号135，所述补偿信号135注入到提供到放大器110的音频输入中。传递函数132因此可经配置以基于扬声器120的阻抗z及预定增益因子(例如，小于单位增益)提供反馈。举例来说，扬声器的传递函数132可经配置以基于系统100中的扬声器120的阻抗特性实施电感补偿、电阻补偿或电感补偿与电阻补偿的组合。另外，补偿器电路可应用对应于例如本文中所揭示的放大系数α的增益因子。
补偿器电路130输出补偿信号135，其中所述补偿信号作为反馈注入到信号输入105上的模拟音频输入信号vin中。这个补偿信号135使扩音器120能够产生更大音量的可听声音，而扬声器120不会增大与模拟音频输入信号vin相关联的音量。因为模拟音频输入信号vin的音量并未对于由补偿器电路130提供的闭环系统造成的给定音量增大而增大，所以补偿信号减轻扬声器120的振动膜的极端位移，这会防止例如当使用微型扬声器实施时损坏振动膜。此外，所述补偿信号减轻由扬声器120(例如低音扬声器或超低音扬声器)例如在较低频率范围内实施时产生的可听声音中的低音失真。补偿器电路130使扬声器120能够产生更高质量音频，从而允许较低廉扬声器产生高质量声音。此高质量声音还允许使用较低廉扬声器箱，同时仍能够产生高质量声音。因此，补偿器电路130提供减小的振动膜位移及位移偏移，以对扬声器保护及响度提供额外余量。
图2说明包含补偿器电路130以增强由扬声器120产生的可听声音的另一实例系统200的实例。系统200可进一步包含缩放器210，所述缩放器210使输入105上的模拟音频输入信号vin衰减。由缩放器210产生的经衰减输入信号经由信号输入(例如，迹线或导线)225提供到放大器110。
在图2的实施例中，补偿器电路130将补偿信号235注入到由缩放器210产生的经衰减模拟音频输入信号225中以驱动放大器110。此后，放大器110接收对应于由缩放器210产生的经衰减模拟音频输入信号的组合输入信号及由补偿器电路130产生的补偿信号。放大器110放大由缩放器210产生的这个组合衰减模拟音频输入信号及补偿信号达振幅量a且输出提供到扬声器120的输入117的这个组合信号的放大版本。
图3说明示出例如对应于图2的系统200的扩音器系统的功能电路模型表示的实例。在这个实例中，缩放器210使电压是模拟音频输入信号的函数的vin(s)信号衰减达量1-α，其中α是增益放大系数。在一实例中，对于共振频率在从约500hz到约1khz的范围内的扬声器，α在从约0.7到0.8的范围内以产生最大平坦临界阻尼频率响应。可计算其它扬声器的系数α以提供临界阻尼声压级(spl)。放大器110在输入225上接收由缩放器210产生的经衰减模拟音频输入信号及由补偿器电路330产生的补偿信号。放大器110放大由缩放器210产生的这个组合衰减模拟音频输入信号及补偿信号达振幅量a且在输出115上输出这个组合信号的放大版本，且产生信号vsp(s)。平坦spl频率响应抑制由非线性扬声器机构生成的谐波功率。
作为一实例，声压级spl可大致在扬声器320的频域(根据s而变化)中，如下：
其中a是由放大器110提供的放大率，
α是放大系数，
m是应用于扬声器320的振动膜的测量质量，
b是扬声器320的音圈气隙中的磁通量密度，
k是锥形悬架的弹簧作用，例如，k＝k·(1+k1x+k2x2+k3x3+...)
re是扬声器320的等效电阻，
le是扬声器320的等效电感，
bl是扬声器320的电机强度的测量值，例如，bl＝bl·(1+b1x+b2x2+b3x3+...)，且
vin(s)是根据s而变化的模拟输入信号的电压。
扬声器320可表示为包含导纳传递函数324，所述导纳传递函数324在输入315上接收由放大器110产生的vsp(s)电压及由放大器321产生的vemf(s)两者。导纳传递函数324根据以下等式变换这个组合信号：
导纳传递函数324根据以下等式产生扬声器电流isp(s)：
扬声器320可表示为进一步包含放大器323，所述放大器323接受由导纳传递函数324产生的电流isp(s)且将这个电流放大达量b1，其中b1是扬声器320的电机强度的测量值(例如，以特斯拉米表达)。因此，bl是扬声器320的换能器的强度的函数，例如对应于扬声器如何对于给定输入信号使锥体移动。举例来说，将测量质量应用于扬声器320的振动膜，从而迫使振动膜返回，同时测量电机迫使质量返回所需的电流作为b1值。高b1值提供有权移动振动膜的强大传感器的指示。作为补偿器电路330提供包含放大系数α的反馈的结果(如图3中所示出)，根据以下等式提供扬声器系统300的新bl：
通过将α设置为小于1(例如，从约0.7到约0.8)，举例来说，给定扩音器系统300的blnew的强度是不实施由补偿器电路130/330/430提供的闭环反馈的系统的约两倍。
放大器323产生提供到另一信号变换器322的经放大信号。信号变换器322根据以下等式变换来自放大器323的经放大信号：
信号变换器322根据时域导函数dx/dt产生输出信号。放大器321产生信号vemf(s)，其是随应用于系统300的信号vin(s)的电压的电动势而变的电压。由放大器321产生的信号vemf(s)经由求和节点326与由放大器110产生的信号vsp(s)组合以将经组合信号提供到导纳传递函数324。
补偿器电路330可表示为包含反导纳传递函数(例如，基于阻抗的传递函数)332。举例来说，传递函数332根据扬声器320的电阻变换由电流传感器140产生的电流传感器信号。如图3的实例中所展示，传递函数332根据以下等式变换由电流传感器140产生的电流传感器信号：
y1bl(s)等式6，
其是等式2的反函数。
补偿器电路330可表示为还包含增益级331。增益级331耦合到传递函数332的输出且将由传递函数332产生的信号放大达被示出为α/a的增益量，以抑制传递函数332的输出。增益级331产生在信号导线335上输出的补偿器信号vfb(s)，信号vfb(s)在输入225上与由缩放器210产生的经衰减vin(s)组合。
图4说明包含补偿器电路430的另一实例的系统400的实例。在这个实例中，补偿器电路430经配置以提供匹配扬声器320的电阻的电阻传递函数。即，在图4的实例中，传递函数是纯电阻的。补偿器电路430提供vin(s)信号的均衡且提供大致等于图3的电感补偿器电路330的线性度，从而通过典型数字均衡方法实现进一步均衡提高。使用等效电阻re432(例如，使用电阻器)实施补偿器电路430而不补偿扬声器320的电感会降低与实施补偿器电路330中的电感器相关联的成本及空间要求，同时提供与补偿器电路330相当的性能。在另一实例中，使用等效电感le(例如，使用电感器)与等效电阻re432(例如，使用电阻器)实施补偿器电路430。
图5a到5d说明示出在实施及不实施补偿器电路130/330/430时扬声器系统(例如，扬声器系统100/200/300/400)的性能的实例图表。在图5a到5d的实例中，每一曲线图示出不同补偿反馈，即，具有基本优化的α且α＝0。如本文中所使用，术语“基本”作为修饰词是希望传达：当希望修饰特定术语时，所希望参数可例如归因于过程变化及/或制造公差而存在一定变化量(例如，约±5％)。
图5a说明包含曲线512及514的实例扬声器电流图表510，其中曲线512表示在不实施补偿器电路130/330/430(例如，α＝0)时扬声器系统100/200/300/400的性能，且曲线514表示在实施补偿器电路130/330/430(例如，基本优化的α)时扬声器系统100/200/300/400的性能。曲线512及514说明使用扬声器系统100/200/300/400产生、用以产生各种频率的电流量。曲线512跨越在约30hz到18,000hz之间的频率范围(以约1650hz为中心)，且跨越在约118ma到140ma之间的电流范围。曲线514跨越在约30hz到18,000hz之间的频率范围(以约1650hz为中心)，且跨越在约45ma到140ma之间的电流范围。因此，对于1650hz的实例频率，扬声器系统100/200/300/400在实施补偿器电路130/430时需要约73ma以下的电流来产生相同位移/spl。
图5b说明包含曲线522及524的实例扬声器阻抗图表520，其中曲线522表示在不实施补偿器电路130/430时扬声器系统100/200/300/400的性能，且曲线524表示在实施补偿器电路130/430时扬声器系统100/200/300/400的性能。曲线522及524说明在各种频率下使用扬声器系统100/200/300/400产生的扬声器阻抗量。曲线522跨越在约50hz到18,000hz之间的频率范围(以约1650hz为中心)，且跨越在约7欧姆到8欧姆之间的阻抗范围。曲线524跨越在约30hz到18,000hz之间的频率范围(以约1650hz为中心)，且跨越在约7欧姆到22欧姆之间的阻抗范围。因此，对于1650hz的实例频率，扬声器系统100/200/300/400的阻抗在实施补偿器电路130/430时增大达约14欧姆。
图5c以包含曲线532及534的分贝(db)量值图表530说明实例扬声器声压级，其中曲线532表示在不实施补偿器电路130/430时扬声器系统100/200/300/400的性能，且曲线534表示在实施补偿器电路130/430时系统100/200/300/400的性能。曲线532及534说明在各种频率下由扬声器系统100/200/300/400产生的db数目。曲线532跨越在约0hz到8,000hz之间的频率范围且跨越从约0db到82db的db范围，在约570hz下达到峰值82db。曲线534跨越在约0hz到8,000hz之间的频率范围且跨越从约0db到73db的db范围，在约700hz下达到峰值73db。此外，曲线534在达到其峰值之后保持大致平坦，这与达到峰值82db且平坦化大于约2000hz的频率的曲线532形成对比。因此，在实施补偿器电路130/330/430时，扬声器系统100/200/300/400的声压级在约400hz到2000hz之间的区536中较低。
图5d以包含曲线542及544的相位图表540说明实例扬声器声压级，其中曲线542表示在不实施补偿器电路130/430时扬声器系统100/200/300/400的性能，且曲线544表示在实施补偿器电路130/430时扬声器系统100/200/300/400的性能。曲线542及544说明在各种频率下使用扬声器系统100/200/300/400产生的声压级的相位。曲线542跨越在约0hz到8,000hz之间的频率范围且跨越从约-10度到175度的spl相位范围。曲线544跨越在约0hz到8,000hz之间的频率范围且跨越从约-12度到180度的spl相位范围。曲线542与544同相且在0hz、800hz及8000hz下大致相等，其中曲线544在0hz到800hz之间具有较小相位且在800hz到8000hz之间具有较大相位。因此，对于在800hz到8000hz之间的大部分频率范围，相位在实施补偿器电路130/330/430时较大。与不补偿时的这些频率相比，在实施补偿器电路130/330/430时，低音频率中的相位线性度更优。
图6说明扬声器系统100/200/300/400的实例失真图表610，其中曲线612表示在不实施补偿器电路130/430时扬声器系统100/200/300/400的性能，且曲线614表示在实施补偿器电路130/430时扬声器系统100/200/300/400的性能。曲线612及614说明在各种频率下使用扬声器系统100/200/300/400产生的失真。曲线612跨越在约0hz到8,000hz之间的频率范围且跨越从约-90度到-147度的失真范围。曲线614跨越在约0hz到8,000hz之间的频率范围且跨越从约-90度到-147度的失真范围。曲线612与614在0hz到100hz之间且在1600hz到8000hz之间重叠。然而，尤其在频率375hz到750hz之间的区616中，曲线612的失真比曲线614小约8。因此，对于频率区616，失真在实施补偿器电路120/320时较低。
图7a到7h说明示出在实施及不实施补偿器电路130/330/430时扬声器系统100/200/300/400的性能的更多实例图表。在图7a到7h的实例中，每一图表示出不同补偿反馈，即，具有基本优化的α且α＝0。图7a到7h中所说明的实例说明实施补偿器电路130/330/430允许vin的量加倍而不危及扬声器120/320。图7a到7h中所说明的实例说明实施补偿器电路130/330/430还提高扬声器系统100/200/300/400的线性度，其中扬声器系统100/200/300/400产生更清晰声音。
图7a说明在不实施补偿电路130/330/430(例如，α＝0)时扬声器120/320的锥体的位移的实例图表710。图7a中所说明的各种位移曲线跨越在约0khz到10khz之间的频率范围，且跨越在约0μm到475μm之间的锥形位移范围，在约800hz下达到峰值。如所说明，所展示的大部分位移曲线已超过300μm的扬声器保护极限，这可能导致扬声器120/320的位移损坏。
与图7a相比，图7e说明在实施补偿电路130/330/430时扬声器120/320的锥体的位移的实例图表720。图7e中所说明的各种位移曲线跨越在约0khz到10khz之间的频率范围，且跨越在约0μm到225μm之间的锥形位移范围，在约800hz下达到峰值。如所说明，所有位移曲线保持在300μm的扬声器保护极限以下，这导致用于扬声器120/320的位移保护的余量更多或vin的量更大。
图7b说明在不实施补偿电路130/330/430(例如，α＝0)时扬声器120/320的锥体的位移偏移的实例图表730。图7b中所说明的各种位移偏移曲线跨越在约0khz到10khz之间的频率范围，且跨越在约0μm到27μm之间的锥形位移偏移范围，在约800hz下达到峰值。
与图7b相比，图7f说明在实施补偿电路130/330/430时扬声器120/320的锥体的位移的实例图表740。图7f中所说明的各种位移曲线跨越在约0khz到10khz之间的频率范围，且跨越在约0μm到2μm之间的锥形位移范围，在约800hz下达到峰值。近零位移偏移导致用于扬声器120/320的位移偏移保护的余量更多或vin的量更大。
图7c说明在不实施补偿电路130/330/430(例如，α＝0)时由扬声器系统100/200/300/400产生的spl的实例图表750。图7c中所说明的各种spl曲线跨越在约0khz到10khz之间的频率范围，且跨越在约20db到85db之间的spl范围，在约800hz下达到峰值。在66db处发生曲线平坦区内的spl。
与图7c相比，图7g说明在实施补偿电路130/330/430时由扬声器系统100/200/300/400产生的spl的实例图表760。图7g中所说明的各种spl曲线跨越在约0khz到10khz之间的频率范围，且跨越在约20db到78db之间的spl范围，在约800hz下达到峰值。在70db处发生曲线平坦区内的spl。因此，在实施补偿电路130/330/430时由扬声器系统100/200/300/400产生的spl具有更平坦的频率响应。此外，在实施补偿电路130/330/430时由扬声器系统100/200/300/400产生的spl允许扬声器系统100/200/300/400在高频率下产生更高音量。
图7d说明在不实施补偿电路130/330/430(例如，α＝0)时由扬声器系统100/200/300/400产生的spl信噪比(sndr)的实例图表770。图7d中所说明的各种splsndr曲线跨越在约0khz到10khz之间的频率范围，且跨越在约-5db到-95db之间的splsndr范围，其中splsndr曲线在约500hz下在-5db处达到峰值。
与图7d相比，图7h说明在实施补偿电路130/330/430时由扬声器系统100/200/300/400产生的splsndr的实例图表780。图7h中所说明的各种曲线跨越在约0khz到10khz之间的频率范围，且跨越在约-20db到-100db之间的splsndr范围，其中splsndr曲线在约500hz下在-16db处达到峰值。因此，在实施补偿电路130/330/430时由扬声器系统100/200/300/400产生的splsndr在基础范围内提高信号失真比达10db以上。
鉴于上文所描述的前述结构及功能特征，参考图1将更好地明白根据本发明的各个方面的方法。虽然出于简化解释的目的，图8的方法被展示及描述为连续执行，但应理解及明白，本发明不受所说明顺序限制，因为根据本发明的一些方面可按不同顺序发生及/或与本文中所展示及描述的其它方面同时发生。此外，无需所有所说明特征来实施根据本发明的方面的方法。
图8说明提供补偿以增强扬声器系统(例如，扬声器系统100/200/300/400)的性能的实例方法800。在810处，产生音频。扬声器120/320响应于扬声器输入117处接收的经放大模拟输入信号而产生音频。在820处，放大模拟音频输入信号vin。放大器110放大模拟音频输入信号vin且将输出115提供到扬声器输入(例如，扬声器输入117)。
在830处，(例如，由电流传感器140)感测通过扬声器系统100/200/300/400的电流。举例来说，在830处感测到的电流产生指示通过扬声器120的电流的扬声器系统100/200/300/400的电流传感器信号125。
在840处，将传递函数应用于电流传感器信号。举例来说，补偿器电路130/330/430应用传递函数132以处理电流传感器信号且提供补偿信号。如本文中所揭示，传递函数经配置以匹配扬声器系统100/200/300/400的电阻及/或电感。传递函数还可包含增益级，所述增益级用以应用对应增益(例如，从约0.7设置到约0.8的α)以提供补偿信号135作为注入到模拟音频输入信号vin中的反馈。
在850处，将补偿信号135反馈给放大器110的输入。将由传递函数132在840处提供的补偿信号135反馈给放大器110的输入。将补偿信号135作为反馈注入到模拟音频输入信号vin中。
因此，扬声器系统100/200/300/400提供适应不同扬声器类型的扬声器均衡，同时调节扬声器变化。此外，扬声器系统100/200/300/400提高扬声器线性度(例如，大于10db的提高)，这导致在相同线性度下声音会更多。扬声器系统100/200/300/400的闭环补偿还产生减小的位移及位移偏移，以对额外扬声器保护及响度提供余量。
上文已描述本发明的实例。当然，不可能出于描述本发明的目的而描述组件或方法的每个可能组合，但所属领域的一般技术人员将认识到，本发明的许多进一步组合及置换是可能的。因此，本发明希望涵盖落入本申请案(包含所附权利要求书)的范围内的所有此些变更、修改及变化。