基於驅動點阻抗的揚聲器診斷技術的製作方法
2023-06-14 23:12:36
專利名稱：基於驅動點阻抗的揚聲器診斷技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及音頻設備領域，特別涉及音頻設備揚聲器和確定它們狀況的診斷技術。
背景技術：
現代社會的特點是用於通信、娛樂，以及其它應用主機的多種類型音頻設備的普遍深入和不斷增長的使用。通常，音頻設備為在人耳能感知的頻率範圍內能夠產生、發送和/或再現信號的任意設備，所述頻率範圍通常是從大約15到20,000赫茲(周期每秒)。儘管現代音頻設備主要為電子設備，但所有這些設備通常需要一個或多個揚聲器，以用於將電信號轉換為聲波。揚聲器為一種電聲變換器，其將電信號轉換為聲波。部分音頻設備產生了人能聽到的實際的聲音。聲音通常由人造彈性錐體的振動產生，其響應於線圈引起的電壓而振動。
因此，不出所料，揚聲器的狀況是音頻設備發出的聲音質量的很重要的決定性因素。確實，如果音頻設備的揚聲器由於各種損壞而無法操作，那麼不論其它元件工作得多麼好，音頻設備也不能產生任何聲音。很多時候，揚聲器本身的聲音能說明問題。其它時候，雖然只聽來自揚聲器的聲音可以是目前具有或正在產生問題的很好的指示。聲音質量基本上是主觀確定，隨不同的人而變化。
相應地，有時需要直接檢查揚聲器，而不是僅僅依靠聽揚聲器發出的聲音。但是，傳統的客觀確定揚聲器狀況的技術是有限的。而且，傳統揚聲器缺乏有效和充分的自我診斷能力，作為常見的情況，如果揚聲器密封在音頻設備中的話，確定揚聲器狀況更加成問題。特別成問題的是，就算是緊急人員和第一反應者通常使用的高音頻無線電設備，通常也缺乏有效和充分的執行揚聲器診斷的技術。
發明內容
根據本發明的實施例，提供了用於確定揚聲器的狀況的電路，所述揚聲器具有一個音圈並包含在音頻設備中。該電路可包括連接到音圈的信號源。信號源可給音圈提供測試信號。該電路還包括一個電連接到音圈的信號傳感器。該信號傳感器能感知音圈中響應於信號源提供的測試信號而產生的響應信號。該電路進一步可包括一個狀況確定模塊，其基於響應信號確定驅動點阻抗，並將驅動點阻抗與一預定阻抗進行比較，從而確定揚聲器的狀況。
根據本發明另一個實施例的揚聲器具有自我診斷能力。該揚聲器可包括一個彈性錐體以及一個連接到該彈性錐體的音圈，音圈用於驅動彈性錐體從而將電信號轉換為聲音以及音圈所處的磁場。該揚聲器還可包括一個信號源，其連接到音圈，以給音圈提供測試信號，以及一個電連接到音圈的信號傳感器，用於感知響應於測試信號而產生的響應信號。揚聲器進一步可包括一個狀況確定模塊，用於基於響應信號確定驅動點阻抗，並將驅動點阻抗與一預定阻抗進行比較，從而確定揚聲器的狀況。
而本發明的另一個實施例是關於確定包含在音頻設備內的揚聲器狀況的方法的。該方法可包括給音圈提供測試信號，所述音圈驅動揚聲器。該方法還可包括基於測試信號確定音圈的驅動點阻抗。該方法進一步可包括將驅動點阻抗與一預定阻抗進行比較，從而基於比較而確定揚聲器的狀況。
附圖中顯示了本發明的多個實施例，但是需要理解的是，本發明不僅限於該精確配置和所示手段。
圖1為根據本發明的一個實施例的具有自我診斷能力的揚聲器的示意圖。
圖2為圖1所示的揚聲器等效電路的示意圖。
圖3和4分別為根據本發明實施例的正常工作的揚聲器的表示阻抗值和相位曲線的半對數圖。
圖5和6分別為根據本發明實施例的故障揚聲器的表示阻抗值和相位曲線的半對數圖。
圖7為根據本發明另一實施例的確定揚聲器狀況的方法流程圖。
具體實施例方式
圖1提供了根據本發明一個實施例的具有自我診斷能力的揚聲器100的示意圖。所示揚聲器100包括框架102，由框架102支撐的彈性錐體104，以及連接到彈性錐體104的音圈106以及音圈所處的磁場B。揚聲器100可連接到或包含在音頻設備中(未顯示)。音頻設備可以為，如高音頻無線電設備或類似設備，如伊利諾斯州紹姆堡(Schaumburg)，摩託羅拉公司生產的集成數字加強網絡(iDEN)設備。
如圖所示，音圈106位於永磁體108產生的磁場B中，所述永磁體與音圈106相鄰。本領域技術人員可以理解，音圈106可傳導根據信號波動而改變的電流，所述信號與聲音，音樂，或要由揚聲器廣播的其它輸入相關。電流感應出音圈106周圍的磁場，線圈周圍的磁場與永磁體108所產生的磁場B相互作用，並因此使音圈106在框架102內軸向地運動。音圈106的電磁引發的運動促使連接到音圈的彈性錐體104相應地振動。本領域技術人員可以理解，電流根據聲音、音樂或其它輸入而變化，並因此促使彈性錐體104的振動幅度和速度相應地變化，從而產生對應於輸入的聲音響應。
如圖1所進一步顯示的，揚聲器100還可包括具有信號源110和信號傳感器112的電路101。信號源110和信號傳感器112都連接到音圈106。該電路還包括連接到信號傳感器112的狀況確定模塊114。輸出模塊116連接到狀況確定模塊114。所示電路101由從揚聲器100延伸出的按鍵或開關118來啟動，並允許用戶選擇性地啟動電路以實現本文所描述的揚聲器診斷。但是可選地，電路101可作為連續或幾乎連續運作的後臺處理來操作，以自動執行相同的揚聲器診斷。
信號源110給音圈106提供測試信號，然後，在音圈106中引起信號響應。如圖所示，響應信號由信號傳感器112感知，其給連接到信號傳感器112的狀況確定模塊114提供相應的信號。信號傳感器112可包括耦合到模數轉換器113的電流傳感器111。如下文所解釋的，狀況確定模塊114基於所感知的響應信號而確定驅動點阻抗，並將驅動點阻抗與預定阻抗進行比較，從而確定揚聲器100的狀況。
根據一個實施例，信號源110提供的信號為電壓e，其加在音圈106兩端。作為該電壓的結果，響應信號以電流i的形式產生，流過音圈106。與線圈中感應形成的電感L耦合的固定電阻RDC在揚聲器100電路內產生兩個不同的電壓降，也就是iRDC和jωL。iRDC項對應於電阻引起的電壓降，jωL項對應於線圈電感引起的電壓降的複數值。
並且，揚聲器的慣量和電力引起的位移產生機械聲學因素，其電學等效稱為揚聲器的反電勢(emf)，eemf。在揚聲器電路中的電壓降iRDC和jωL和機械聲學因素eemf的電學等效的總和，服從下述等式e＝i(RDC+jωL)+eemf該等式是利用本文所述的驅動點阻抗的基礎，且該等式基於圖2所示的考慮因素。圖2為表示部分揚聲器100的等效電路圖的示意圖，揚聲器100包括彈性錐體104，音圈106，以及永磁體108。因此另外參照圖2，等效電路200包括揚聲器的電子部分202，通過力或耦合因素耦合到電子部分的機械部分204，對於移動揚聲器線圈，α＝BL，以及通過力或耦合因素，Sd1，耦合到機械部分的聲學部分206。揚聲器的電子部分202表示音圈106和永磁體108的電學方面，也就是電阻和電感。機械部分204基於影響揚聲器操作的非電子因素，包括摩擦阻力和音圈的移動質量以及其機械柔量。聲學部分的突出因素是與揚聲器有關的聲學阻抗。如下文所述，本領域普通技術人員可以了解，數學變換可用於將機械和聲學部分轉換為電學對應物，從而它們可以與揚聲器的電學元件相關聯地分析。
基於等效電路200，可獲得揚聲器100的驅動點阻抗公式。首先，反emf，eemf，可以用音圈106的移動速度以及線圈的磁通密度B來表示。具體地，反emf，eemf為eemf＝BLuvc其中L為線圈長度，uvc為前述的速度。其次，基於牛頓機械定律，移動音圈106的力f可以計算為f＝BLi該力可重寫為下式f=uvc(Rm+jMm+1jCm+ZaSd2)]]>Rm對應於機械阻力。複數項jωMm基於機械質量。複數項 為Hook定律對柔量的應用。ZaSd2為聲學阻抗乘以線圈表面積的平方。
使用電學等效項的一系列替代導出上述信號的下述等式
e=i(RDC+jL)+BLuvc]]>=i(RDC+jL)+BLfRM+jMm+1jCm+ZaSd2]]>=i(RDC+jL)+BLBLiRM+jMm+1jCm+ZaSd2]]>=i(RDC+jL+BL2RM+jMm+1jCm+ZaSd2),]]>然後，導出驅動點阻抗的下述等式Ze_in=e/i=RDC+jL+BL2RM+jMm+1jCm+ZaSd2.]]>在最後一個等式中，前面描述過的電壓e對應於信號源110提供給音圈106的測試信號。同樣在前面描述過的電流i對應於信號傳感器112感測到的響應信號。在e和i這兩個值的比的基礎上，狀況確定模塊114確定驅動點阻抗。如下文所述，揚聲器100應用了上述等式系列的最後一個的潛在物理特性，從而執行自我診斷。更具體地，如果存在的話，揚聲器的多種非正常狀況會影響揚聲器的機械和聲學性能。如等效電路200所闡釋的，揚聲器的機械和聲學性能確定最後一個等式的右側第三項，其對應於反emf項，eemfBL2RM+jMm+1jCm+ZaSd2]]>相應地，多種非正常狀況也會影響驅動點阻抗的值，如上文所闡釋的，包括該最後一項。如下文所解釋的，通過將驅動點阻抗與預定驅動點阻抗進行比較，揚聲器100可實現自我診斷。
舉例來說，如果揚聲器100完全無效，由於彈性錐體104因某種原因而被阻礙，則結果是音圈106的速度uvc為0。從上面的等式中調用反emf，eemf，其可寫成關於速度的函數，eemf＝BLuvc，在驅動點阻抗等式的右側第三項為0時，該等式成立。由於揚聲器的狀況影響揚聲器的機械聲學性能，進而影響前述的驅動點阻抗等式中的反emf項，eemf，因此，接下來狀況確定模塊114可將驅動點阻抗與預定阻抗進行比較，以確定揚聲器100的狀況。
舉例來說，根據基於頻率的幅值的普通阻抗通常類似於圖3所示的典型曲線。如圖所示，幅值的普通曲線顯示了在共振頻率處的明顯峰值。圖4顯示了對應的基於頻率的相位曲線，其在共振頻率處的過零點是很清楚明顯的。
形成對比的是，圖5提供了揚聲器的基於頻率的幅值的典型阻抗曲線，在所述揚聲器中，彈性錐體104不能機械地運動，或因為短路而不能運動。這可被特徵定義為音圈短路。在這個情況中，音圈106的速度uvc為0。正如早已解釋的，這影響了驅動點阻抗等式的反emf項，eemf。這反映在基於頻率的幅值曲線中，其與圖3所示的曲線進行比較，明顯缺乏顯著的峰值。類似地，圖6所示的不正常工作的揚聲器的基於頻率的相位曲線也與圖4所示的相位曲線形成鮮明的對比。不正常工作的揚聲器的基於頻率的相位曲線缺少過零點。
其它可能發生在揚聲器100中的非正常狀況也類似地影響機械聲學性能，並因此也會類似地反映在驅動點阻抗中。例如，即使彈性錐體被部分阻擋，這樣的情況也會反映在前述驅動點阻抗等式的反emf項，eemf上。與響應於正常工作的揚聲器100的信號源110提供的測試信號而獲得的共振頻率處的驅動點阻抗相比，在這種稱為部分音圈短路的情況下，共振頻率處的驅動點阻抗顯著地減少了。
另一個典型的非正常狀態為框架102中的彈性錐體104和/或音圈106的未對準。未對準不利地影響了錐體的彈性和/或音圈106的軸向運動，它們都影響了前述驅動點阻抗等式的反emf項，eemf。再一次地，結果是驅動點阻抗與揚聲器正常工作時獲得的驅動點阻抗不同。因此，由於該未對準，測試信號感應出的驅動點阻抗與預定阻抗的比較揭示了揚聲器100的非正常工作。
通過比較揭示的另一個典型的非正常狀況是關於稱為音圈開路的，其產生一個無窮大阻抗。這種情況也可通過將驅動點阻抗與揚聲器100正常工作時獲得的閾值相比較而揭示。如該實施例和前述實施例所示，狀況確定模塊114可將驅動點阻抗與預定的阻抗進行比較，從而確定揚聲器100的狀況。
根據一個實施例，狀況確定模塊114執行的比較包括將共振頻率處的驅動點阻抗與期望的、可用於比較的正常工作的揚聲器的預定共振阻抗相比較。舉例來說，預定共振頻率可包括下限值，如果驅動點阻抗小於該下限值，則表示上文所述的非正常工作。另外，預定共振，或者代替下限值，可包括上限值，其對應於正常工作的揚聲器響應於測試信號所期望表現的最大值。如果驅動點阻抗超過了該上限值，則表示上文所述的可能的音圈開路。
在另一個實施例中，狀況確定模塊114執行的比較是以所測量的驅動點阻抗的相位為基礎的。正如上文所述，基於過零點的出現或未出現而作出判斷。
根據另一個實施例，狀況確定模塊114執行的比較包括確定圖3-6所示類型的驅動點阻抗曲線。狀況確定模塊114將該曲線與對應於正常工作的揚聲器的預定曲線進行比較。在一次地，正如早已描述的，被比較的曲線都基於各自的所測相位角和/或阻抗的幅值。
根據一個實施例的信號源110提供一個測試信號，其感應出如下的響應，狀況確定模塊114通過該響應獲得驅動點阻抗。根據可選實施例，信號源110提供多個測試信號，每個在頻率上都不相同。對於多個頻率的測試信號，更特別的是，信號源110能產生頻率掃描。但是可選地，測試信號可以為寬帶信號，如寬帶噪聲。寬帶信號可有是低功率信號。低等級寬帶信號，如寬帶噪聲，不需要是可聽到的信號以完成預定的功能。可選地，所接收的語音可作為測試信號來使用，且不需要產生額外的信號(需要大量求平均)。
根據一個實施例，信號傳感器112，可包括電流傳感器111。在另一個實施例中，信號傳感器112或電流傳感器111可耦合到基於所感測的模擬信號而產生數位訊號的模數轉換器113。數位訊號由信號傳感器提供給狀況確定模塊114。
根據一個實施例，如果提供數位訊號，那麼狀況確定模塊114可設計為利用一種或多種數位訊號處理技術來處理數位訊號。舉例來說，數位訊號處理可包括基於所提供的數位訊號來計算一個或多個快速傅立葉逆變換(IFFT)。狀況確定模塊114可通過軟體來實現，所述軟體設計為在包含於揚聲器100和/或使用揚聲器的音頻設備內的處理元件上運行。可選地，狀況確定模塊114可在一個或多個硬線專用電路中實現。在另一個實施例中，狀況確定模塊114可被實現為基於軟體的指令和一個或多個專用電路的組合。
根據一個實施例，輸出模塊116產生表示揚聲器100狀況的輸出。如上文所提及的，電路可選擇性地響應於用戶指令而執行診斷功能，用戶指令如用戶按下外部按鍵118，或可選地，如部分連續或幾乎連續運行的後臺處理。舉例來說，響應於用戶啟動，電路101執行其診斷功能，此外作為對此的響應，輸出模塊116產生用戶可見信號，如預選頻率的短嗶嗶聲或唧唧聲。可選地，如果電路110設計為運行後臺程序，僅當揚聲器100被診斷為很可能不正常時才會產生輸出。但是，根據一個實施例，特定頻率的可聽到的輸出可表示揚聲器100的特定問題。因此根據該實施例，用戶可基於輸出模塊116發出的特定聲音來確定揚聲器的狀況。
圖7顯示了根據本發明另一個實施例的方法。該方法涉及確定音頻設備中包含的揚聲器狀況。方法500包括，在步驟502，給驅動揚聲器的音圈提供測試信號。所提供的測試信號包括，如多個測試信號，每個都具有從某個頻率範圍中選出的不同頻率。可選地，測試信號可包括寬帶信號，如低功率寬帶噪聲。
接下來，所示方法500在步驟503處基於測試信號確定音圈的驅動點阻抗。更具體的，測試信號可以是電壓，其引發出流過音圈的電流。因此，阻抗可以是基於電壓和電流比的複數值。
在步驟504，驅動點阻抗與預定阻抗進行比較，從而基於該比較確定揚聲器的狀況。預定阻抗可以是，如阻抗曲線。根據一個實施例，阻抗曲線在某一頻率範圍內分布。可選地，預定阻抗可包括一個或多個閾值。閾值可包括，如，共振阻抗相位過零點，共振阻抗幅值，或共振無窮大阻抗近似值。在步驟505，該比較可用於確定揚聲器中是否存在音圈短路，部分音圈短路或音圈開路。最後，方法500在步驟506結束。
正如已提及的，本發明的實施例可通過硬體，軟體，或硬體與軟體的結合來實現。實施例可在一個計算機系統以集中方式實現，或以分布方式實現，其中不同元件分布在多個交互連接的計算機系統中。適於實施本文所述方法的任何種類的計算機系統或其它設備都是合適的。硬體和軟體的典型組合可以是具有電腦程式的通用計算機系統，當載入和運行時，控制計算機系統以使它實施本文所述的方法。
根據本發明的方法也可植入到電腦程式產品中，其包括可實現本文所述方法的所有特徵，且當其載入計算機系統時，可實施所述方法。本文中的電腦程式是指以任何語言、編碼或符號的指令集合的表達，使系統具有信息處理能力以直接地或在下面兩種情況之後執行特定功能a)轉換為另一種語言、編碼或符號；b)在不同的材料形式中再現。
但是，本文中的實施例可以不背離其精神和本質特徵而以其它形式來實現。相應地，作為表達本發明的範圍，需要參考權利要求書，而不是僅參考前述的說明書。
權利要求
1.一種用於確定音頻設備中包含的揚聲器的狀況的方法，該方法包括向驅動揚聲器的音圈提供測試信號；基於該測試信號確定音圈的驅動點阻抗；以及將驅動點阻抗與預定阻抗相比較從而基於該比較確定揚聲器的狀況。
2.權利要求1的方法，其中預定阻抗包括阻抗曲線。
3.權利要求1的方法，其中預定阻抗包括與驅動點阻抗進行比較的至少一個閾值。
4.權利要求3的方法，其中至少一個閾值包括共振阻抗相位過零點、共振阻抗幅度以及共振無窮大阻抗幅度近似值中的至少一個。
5.權利要求1的方法，其中提供測試信號包括提供多個測試信號，多個測試信號中的每一個具有選自一頻率範圍的不同頻率。
6.權利要求1的方法，進一步包括基於該比較確定是否存在音圈開路、音圈短路以及音圈部分短路狀況中的至少一個。
7.一種用於確定包含在音頻設備中且具有音圈的揚聲器的狀況的電路，該電路包括連接到音圈的信號源，用於向音圈提供測試信號；電連接到音圈的信號傳感器，用於感測響應於測試信號而產生的響應信號；以及狀況確定模塊，用於基於響應信號確定驅動點阻抗，並將驅動點阻抗與預定阻抗相比較從而確定揚聲器的狀況。
8.權利要求7的電路，其中預定阻抗包括與驅動點阻抗進行比較的至少一個閾值。
9.權利要求8的電路，其中至少一個閾值包括共振阻抗相位過零點、共振阻抗幅度以及共振無窮大阻抗幅度近似值中的至少一個。
10.權利要求7的電路，其中由信號源提供的測試信號包括多個測試信號，多個測試信號中的每一個具有選自一頻率範圍的不同頻率。
11.權利要求7的電路，其中信號傳感器包括耦合到模數轉換器的電流傳感器，所述模數轉換器用於向狀況確定模塊提供數位訊號，且其中狀況確定模塊被配置為處理數位訊號。
全文摘要
提供具有診斷功能的揚聲器(100)，以及電路(101)和相關方法(500)，用於基於驅動點阻抗執行揚聲器診斷。揚聲器包括一個彈性錐體(104)以及連接到彈性錐體的音圈(106)以驅動彈性錐體，以便將電信號轉換為聲音。揚聲器還包括信號源(110)，其連接到音圈以給音圈提供測試信號。揚聲器進一步包括信號傳感器(112)，電連接到音圈以感測響應於測試信號而產生的響應信號。另外，揚聲器包括狀態確定模塊(114)，用於基於響應信號而確定驅動點阻抗，並將驅動點阻抗與預定阻抗相比較從而確定揚聲器的狀況。
文檔編號H04R3/00GK101080946SQ200580043074
公開日2007年11月28日 申請日期2005年11月22日 優先權日2004年12月15日
發明者彼得·M·帕夫洛夫, 賈森·D·麥克託什, 戴維·M·耶格爾 申請人:摩託羅拉公司