揚聲器的振膜偏移量計算裝置、計算方法及其控制方法與流程

2024-03-09 19:55:15

本申請涉及揚聲器(loudspeaker)，尤其涉及揚聲器的振膜(diaphragm)的偏移量(excursion)的計算裝置與計算方法，以及揚聲器的控制方法。

背景技術：

在設計揚聲器系統時，應避免在揚聲器發出較大聲音時所導致的毀損，毀損的主要原因包括揚聲器的振膜振動過大或是音圈(voicecoil)的溫度過高。振膜振動過大的所以導致振膜損壞的原因可能為振膜的偏移量(相對於靜止位置的移動距離)超過振膜所能承受的範圍，或為偏移過大導致振膜與其他物體相碰撞；兩種情況皆會對振膜造成結構性的、不可回復的損壞。

傳統的揚聲器的振膜保護方法可大致分為兩類。一種是在量測振膜的偏移之前必須得到揚聲器的許多模型(model)參數，但這些模型參數涉及複雜的計算。再者，當揚聲器使用一段時間之後，材料的老化可能使模型改變，此時原本的模型參數便不再適用；繼續使用舊的模型參數會造成量測不準確，而無法達到預期的保護效果。

另一種振膜保護方法則是利用電壓和電流求出特定頻率的阻抗函數(impedancefunction)，然後利用阻隔阻抗(blockedelectricalimpedance)及揚聲器的驅動因子(forcefactor)求得與頻率相關的輸入電壓對振膜偏移量的轉移函數(input-voltage-to-excursiontransferfunction)。舉例來說，美國專利us8942381提出以基於音圈的電壓和電流所求得的導納(admittance)，結合δ函數(deltafunction)、驅動因子及阻隔阻抗來得到時域的輸入電壓對振膜偏移量的轉移函數的方法，雖然上述專利所提出的方法需要較少的揚聲器的模型參數，但是卻涉及龐大的計算量，其理由在於：(1)阻抗或導納與頻率相關，所以必須針對許多頻率成分計算阻抗或導納，且阻抗或導納會是多種(complexnumber)形式；(2)阻抗或導納的 計算方式複雜，涉及自適應濾波(adaptivefiltering)及(3)利用阻抗或導納計算振膜偏移量需折積運算(convolution)。如此繁雜的計算導致龐大的計算量，間接增加偏移量的計算時間及晶片的功耗。

技術實現要素：

鑑於現有技術的不足，本申請的一目的在於提供一種揚聲器的振膜偏移量的計算裝置、計算方法及揚聲器的控制方法，以保護揚聲器。

本申請公開一種計算揚聲器的振膜偏移量的裝置，應用於一揚聲器，該揚聲器包含一振膜並受一電壓信號驅動，該裝置包含：一檢測電路，檢測輸入至該揚聲器的該電壓信號及一電流信號；一儲存單元，儲存多個程序指令；一處理單元，用來執行該些程序指令以完成以下步驟：(a)低通濾波該電壓信號及該電流信號，以分別產生一低通濾波後的電壓信號及一低通濾波後的電流信號；(b)依據該低通濾波後的電壓信號及該低通濾波後的電流信號計算該揚聲器的一直流電阻值；(c)依據該電壓信號、該電流信號及該直流電阻值，計算該振膜的一振動速率；以及(d)依據該振動速率計算該揚聲器的一振膜偏移量。步驟(a)至步驟(d)是為一實數運算，該實數運算不須分析該電壓信號及該電流信號的頻率成分。

本申請另公開一種計算揚聲器的振膜偏移量的方法，應用於一揚聲器，該揚聲器包含一振膜並受一電壓信號驅動，該方法包含：(a)低通濾波輸入該揚聲器的該電壓信號及一電流信號，以分別產生一低通濾波後的電壓信號及一低通濾波後的電流信號；(b)依據該低通濾波後的電壓信號及該低通濾波後的電流信號計算該揚聲器的一直流電阻值；(c)依據該電壓信號、該電流信號及該直流電阻值，計算該振膜的一振動速率；以及(d)依據該振動速率計算該揚聲器的一振膜偏移量。步驟(a)至步驟(d)是為一實數運算，該實數運算不須分析該電壓信號及該電流信號的頻率成分。

本申請另公開一種揚聲器的控制方法，應用於一揚聲器，該揚聲器包含一振膜並受一電壓信號驅動，該方法包含：(a)低通濾波輸入該揚聲器的該電壓信號及一電流信號，以分別產生一低通濾波後的電壓信號及一低通濾波後的電流信號；(b)依據該低通濾波後的電壓信號及該低通濾波後的電流信號計算該揚聲器的一直流電阻值；(c)依據該電壓信號、該電流信號 及該直流電阻值，計算該振膜的一振動速率；(d)依據該振動速率計算該揚聲器的一振膜偏移量；以及(e)依據該振膜偏移量調整該電壓信號。步驟(a)至步驟(d)是為一實數運算，該實數運算不須分析該電壓信號及該電流信號的頻率成分。

本申請的揚聲器的振膜偏移量的計算裝置、計算方法及揚聲器的控制方法能夠以簡單的實數運算得到揚聲器的振膜的偏移量。相較於現有技術，本申請只包含頻率無關的實數運算，亦無須計算阻抗或是導納，因此本申請可以大幅減少計算量。

有關本申請的特徵、實作與技術效果，茲配合附圖作實施例詳細說明如下。

附圖說明

圖1為本申請的揚聲器的控制電路的功能方塊圖；

圖2為本申請揚聲器120的電路模型(circuitmodel)；

圖3為本申請的處理單元150的功能模塊的功能方塊圖；以及

圖4為本申請的揚聲器檢測與保護方法的流程圖。

附圖標記說明：

110驅動電路

120揚聲器

130檢測電路

140取樣電路

150處理單元

160儲存單元

152低通濾波模塊

154振膜振動速率計算模塊

156振膜偏移量及偏移量平均模塊

158比較模塊

s410～s460步驟

具體實施方式

以下說明內容的技術用語是參照本技術領域的習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語的解釋是以本說明書的說明或定義為準。

本申請的公開內容包含揚聲器的振膜偏移量的計算裝置、計算方法及揚聲器的控制方法。由於本申請的振膜偏移量的計算裝置所包含的部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明的充分公開及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以省略。此外，本申請的振膜偏移量的計算方法及揚聲器的控制方法可以是軟體及/或固件的形式，並且可通過本申請的揚聲器的控制電路或其等效裝置來執行，在不影響該方法發明的充分公開及可實施性的前提下，以下方法發明的說明將著重於步驟內容。

圖1是本申請的揚聲器控制電路的功能方塊圖。音頻信號s[n]經驅動電路110處理後，成為用來驅動揚聲器120的電壓信號v(t)。驅動電路110包含音頻解碼器(audiodecoder)、數字模擬轉換器(digital-to-analogconverter,dac)及放大器。音頻解碼器用於將音頻信號s[n]解碼，dac用於將音頻信號s[n]由數字格式轉換為模擬格式，放大器則依據一增益控制電壓信號v(t)的振幅。因應電壓信號v(t)的頻率及振幅的變化，通過揚聲器120的音圈(voicecoil)的電流也跟著改變。音圈上的電流變化與揚聲器120的永久性磁鐵的磁場產生交互作用，使音圈產生位移，進而帶動揚聲器120的振膜產生振動。

在一些實施例中，量測電壓信號v(t)不限於利用檢測電路130量測揚聲器120的輸入端電壓，亦可通過音頻信號s[n]和放大器的增益預估求得。

圖2是本申請揚聲器120的電路模型，包含電阻re、電感le及因振膜振動(即音圈位移)所產生的反電動勢(backemf)b·l·u(t)；其中，b為揚聲器120的永久磁鐵的磁通量、l為音圈長度、u(t)為振膜的振動速率。磁通量b與音圈長度l的乘積為揚聲器120的驅動因子，為一定值。v(t)為驅動揚聲器120的電壓信號，其對應的電流信號i(t)流經此三個元件。依據克希荷夫電壓定律(kirchhoff’svoltagelaw)可以得到下列方程式：

可以進一步由方程式(1)得到方程式(2)及方程式(3)：

方程式(2)為對應振膜振動所產生的反電動勢的表示式，方程式(3)為振膜的振動速率u(t)的表示式。因為基本上反電動勢b·l·u(t)與振膜的振動速率u(t)的比值為定值(即揚聲器120的驅動因子)，所以計算兩者的其中的一實質上等效於計算另一者。以下以計算振膜的振動速率u(t)為例來說明本申請計算揚聲器120的振膜偏移量的機制。

對小型的揚聲器而言，電感的阻抗jωle遠小於電阻re帶來的效應，因此，可以忽略電感效應，即忽略方程式(3)中的因此方程式(3)的振膜振動速率u(t)可以近似為：

振動速率u(t)對時間t積分即可得到振膜的偏移量x(t)：

以下說明本申請如何實作方程式(5)以得到揚聲器120的振膜的偏移量x(t)。回到圖1，本申請利用檢測電路130、取樣電路140、處理單元150及儲存單元160來實作上述的方程式(5)。檢測電路130耦接於驅動電路110與揚聲器120之間，用來檢測電壓信號v(t)及電流信號i(t)。舉例來說，對於電壓信號v(t)的檢測，檢測電路130可量測揚聲器120輸入端電壓即可得知電壓信號v(t)；對於電流信號的檢測，可以包含一電阻，根據電阻的跨壓及阻值即可得知電流信號i(t)。電壓信號v(t)及電流信號i(t)經取樣電路140取樣後(依據取樣時脈clk取樣，取樣時脈clk的時脈周期為t)，產生電壓信號v(t)及電流信號i(t)的離散時間信號(discrete-timesignal)v[n]及i[n](n為整數)，以方便處理單元150進行運算。

處理單元150是一種邏輯電路，具有執行程序碼、命令或程序指令的能力，例如微處理器(microprocessor)、微控制器(microcontrolunit,mcu)或中央處理單元(centralprocessingunit,cpu)等元件。程序碼、命令或程序指令儲存於儲存單元160中，該些程序碼、命令或程序指令實作本申請的運算法則及/或演算法，處理單元150執行該些程序碼、命令或程 序指令以實現本申請的機制。除了上述的程序碼、命令或程序指令的外，儲存單元160還儲存一些參數，例如前述的揚聲器120的驅動因子。

依據程序碼、命令或程序指令的功能，可以將其細分為多個功能模塊，處理單元150執行該些程序碼、命令或程序指令以實現各模塊的功能。如圖3所示，其是本申請的處理單元150的功能模塊的功能方塊圖，包含低通濾波模塊152、振膜振動速率計算模塊154、振膜偏移量及偏移量平均模塊156及比較模塊158。

在一些實施例中，低通濾波模塊152、振膜振動速率計算模塊154、振膜偏移量及偏移量平均模塊156及比較模塊158的其中至少一者亦可由特定應用集成電路集成電路(asic)來實現。

低通濾波模塊152對電壓信號v[n]及電流信號i[n]進行低通濾波，以產生低通濾波後的電壓信號vl[n]及低通濾波後的電流信號il[n]。振膜振動速率計算模塊154可以依據低通濾波後的電壓信號vl[n]及低通濾波後的電流信號il[n]計算出方程式(5)中的電阻re。事實上，電壓信號v(t)除了反應音頻信號s[n]的外，還包含一低頻信號。此低頻信號的頻率低於人耳所能聽到的頻率範圍的下限(20hz)，因此不會對使用者造成影響。再者，利用低於20hz信號量測的阻抗接近於直流電阻值re的特性，因此根據歐姆定律(ohm'slaw)，可以由低通濾波後的電壓信號vl[n]及低通濾波後的電流信號il[n]求得直流電阻值re。

振膜振動速率計算模塊154的主要目的在於實作方程式(4)以求得振膜的振動速率u(t)。以下是以離散時間域(discrete-timedomain)為例，首先，振膜振動速率計算模塊154依據低通濾波後的電壓信號vl[n]及低通濾波後的電流信號il[n]得到直流電阻值re。更詳細地說，振膜振動速率計算模塊154先求得低通濾波後的電壓信號vl[n]及低通濾波後的電流信號il[n]在時間上的平均值，例如算術平均值(arithmeticaverage)、幾何平均值(geometricaverage)、指數平均值(exponentialaverage)或方均根值(rootmeansquare,rms)。以計算方均根值為例(分別得到vl_rms[n]及il_rms[n])，再計算出電阻re，例如re＝vl_rms[n]/il_rms[n]。得到re後，振膜振動速率計算模塊154接著計算電阻re與電流信號i[n]的乘積，再將電壓信號v[n]減去該乘積後的差值除以驅動因子b·l，即可得到振膜的振動 速率u[n]。

由方程式(4)及以上說明可以知道，振膜振動速率計算模塊154所做的計算只包含實數，不涉及虛數(常數b·l及變數v[n]、i[n]、vl[n]、il[n]皆為實數)。再者，雖然電壓信號v[n]及電流信號i[n]包含許多頻率成分，但振膜振動速率計算模塊154無須對該些頻率成分進行分析(例如找出對應各頻率成分的阻抗或導納)。因此相較於現有技術，振膜振動速率計算模塊154不需要自適應濾波(adaptivefiltering)的運算，進而大幅減少計算量。

振膜偏移量及偏移量平均模塊156用來根據振膜的振動速率u[n]以計算出振膜的偏移量x[n]。根據方程式(5)，將振膜的振動速率u[n]乘上取樣時脈clk的周期t後累加，即可得到振膜的偏移量x[n]＝∑u[n]·t。再根據以下的方程式(6)，可以得到偏移量x[n]的平均值：

xavg[n]＝α·xavg[n-1]+(1-α)·x[n](6)

方程式(6)為指數平均(exponentialaverage)運算，目前的平均值xavg[n]等於先前的平均值xavg[n-1]乘上權重α(0＜α＜1)，再加上目前的偏移量x[n]乘上權重(1-α)。因為偏移量x[n]為實數，所以方程式(6)也是一個實數的計算，不涉及任何虛數，所以振膜偏移量及偏移量平均模塊156隻需執行簡單的計算即可快速得到振膜的偏移量的平均值xavg[n]。請注意，振膜偏移量及偏移量平均模塊156不限於方程式(6)的方法，其他的平均方法亦適用於本申請，例如算術平均、幾何平均及以下方程式(7)所示的方均根計算方法(0＜α＜1)。

比較模塊158將振膜的偏移量的平均值xavg[n]與臨界值eth(儲存於儲存單元160)做比較。當偏移量的平均值xavg[n]大於臨界值eth，表示振膜長時間處于振幅過大的情況，可能導致振膜機械疲勞或損壞，所以此時比較模塊158輸出控制信號ctrl，以控制驅動電路110調低放大器的增益。

上述的實施例是基于振膜的平均偏移量對振膜進行保護，在其他的實施例中，振膜偏移量及偏移量平均模塊156及比較模塊158也可以基于振膜的偏移量的瞬間極值(例如計算振膜的偏移量的峰值)對揚聲器120進行保護，以防止當振膜的偏移量過大時，振膜撞擊揚聲器120的殼體而造 成毀損。同樣地，當振膜偏移量的瞬間極值大於臨界值時，處理單元150可控制驅動電路110調低放大器的增益。

除前述的揚聲器的振膜偏移量的計算裝置外，本申請亦公開了一種揚聲器的控制方法。圖4為本方法其中一實施例的流程圖，包含下列步驟：

步驟s410：檢測輸入至揚聲器的電壓信號和電流信號。此電流信號與驅動揚聲器的電壓信號有關，實作上通過將電流檢測器耦接於揚聲器與其驅動電路之間，即可測得該電流信號；

步驟s420：低通濾波揚聲器的電壓信號及電流信號，以分別產生一低通濾波後的電壓信號及一低通濾波後的電流信號。為了得到揚聲器的電阻的直流電阻值，揚聲器的驅動電路會在電壓信號加入一個低頻的成分(其頻率低於人耳所能聽到的最低範圍)。此步驟的目的即是過濾出此低頻信號；

步驟s430：依據該低通濾波後的電壓信號及該低通濾波後的電流信號計算揚聲器的直流電阻值。低通濾波後的電壓信號與低通濾波後的電流信號的比值即為揚聲器的直流電阻值。此步驟在計算兩者的比值之前，亦可先求得該低通濾波後的電壓信號及該低通濾波後的電流信號對時間的平均值，例如方均根值，以得到更準確的直流電阻值。因為低通濾波後的電壓信號及低通濾波後的電流信號皆為實數，所以此步驟為實數運算，所得到的直流電阻值亦為實數；

步驟s440：依據該電壓信號、該電流信號及該直流電阻值，計算對應該振膜振動的反電動勢或振動速率。有了揚聲器的電壓信號、電流信號及直流電阻值後，可以根據方程式(4)計算揚聲器振膜的振動速率(等效計算揚聲器的反電動勢，兩者的倍率為定值)。因為電壓信號、電流信號及直流電阻值皆為實數，所以此步驟為實數運算，所得到的直流電阻值亦為實數；

步驟s450：依據反電動勢或振動速率計算揚聲器的振膜的偏移量。此步驟是根據方程式(5)計算揚聲器的振膜的偏移量，也就是將步驟s440所得的振動速率乘上電壓信號及電流信號的取樣周期並累加，即可得到振膜的偏移量；以及

步驟s460：依據該振膜偏移量調整該電壓信號。得到振膜的偏移量之 後，可以對其進行峰值測量(peakmeasurement)或是計算其平均值，例如指數平均值、方均根值等。之後，再依據峰值測量的結果及/或偏移量的平均值調整電壓信號(例如通過調整驅動電路的增益)以保護揚聲器。

上述步驟s410～s460的計算只包含實數的運算，不涉及虛數，再者，本申請無須分析電壓信號及電流信號的頻率成分，所以相較於現有技術中計算揚聲器的阻抗或導納的方法可以大大地減少計算量，增快計算速度。因此，對於同樣的硬體處理速度而言，因為本申請的計算量低，所以可以得到更及時的振膜偏移量的信息。

由於本技術領域技術人員可通過圖1至圖3的裝置發明的公開內容來了解圖4的方法發明的實施細節與變化，因此，為避免贅文，在不影響該方法發明的公開要求及可實施性的前提下，重複的說明在此予以省略。請注意，前揭附圖中，元件的形狀、尺寸、比例以及步驟的順序等僅為示意，是供本技術領域技術人員了解本申請的用，非用以限制本申請。

雖然本申請的實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本申請，本技術領域技術人員可依據本申請的明示或隱含的內容對本申請的技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本申請所尋求的專利保護範疇，換言的，本申請的專利保護範圍須視本說明書的權利要求所界定者為準。