用于控制扬声器的设备的制作方法

本发明涉及一种用于控制壳体中的扬声器的设备，该设备包括:

-用于待重现的音频信号的输入端；

-用于提供来自扬声器的激励信号的输出端；

-用于基于音频信号在每一时刻计算扬声器的激励信号的装置。

背景技术：

扬声器是将电信号转换成声信号的电磁设备。扬声器引进了非线性失真，该非线性失真可以大大影响所获得的声信号。

已经提出了许多方案来对扬声器进行控制，以便于能够通过适当的命令消除扬声器的行为中的失真。

为了实现能够使扬声器的操作线性化的束缚(enslavement)，第一类型的方案使用了机械传感器、通常为麦克风，从而实现使得扬声器的操作能够线性化的约束。这种技术的主要缺陷在于：设备的机械体积大且并未标准化，以及成本高。

例如在文献EP1351543、US6684204、US2010/0172516和US5694476中描述了这种方案的示例。

为了避免使用不需要的机械传感器，已经考虑了开环类型的控制。开环类型的控制不需要高成本的传感器。开环类型的控制可选择地仅使用了对施加在扬声器的端子之间的电压和/或电流的测量。

例如在文献US6058195和US8023668中描述了这种方案。

然而这些方案存在以下缺陷：没有将在扬声器的一组非线性考虑在内，并且这些系统的安装比较复杂且不提供对于从等效的扬声器中获得的修正后的行为的选择的完全的自由。

文献US6058195使用了所谓的电流控制的“镜像滤波器”技术。该技术能够消除非线性，从而获得预定模型。所实现的估算器E产生测量电压和通过模型预测的电压之间的误差信号。通过具有参数U的更新电路来使用该误差信号。考虑到所估算的参数的数量，在正常工作条件下，参数向真值收敛是非常不可能的。

US8023668提出了一种开环控制模型，该开环控制模型抵消与期望行为有关的不希望的扬声器的行为。为此，施加到扬声器上的电压由额外电压修正，该额外电压取消与期望行为有关的不希望的扬声器的行为。通过将扬声器的模型进行离散时间离散化来完成控制算法。这使得能够预测膜片在随后的时间中的位置，并将该位置与期望位置进行比较。该算法因此在扬声器的期望模型和扬声器的模型之间执行了一种无限增益约束，以使扬声器遵循期望行为。

正如在之前的文献中，命令实现了在每一时刻所计算的并被添加到输入信号中的修正，尽管在文献US8023668中该修正并没有实现封闭反馈环。

当壳体不是封闭的壳体时，用于计算添加到输入信号中的修正的机制没有将壳体的结构考虑在内。

技术实现要素：

本发明旨在提出在非封闭的壳体中布置的扬声器的符合要求的操纵装置，该操纵装置将壳体的结构考虑在内。

为此，本发明涉及一种用于控制上述类型的扬声器的设备，其特征在于：包括在用于计算激励信号的装置上游，该设备包括用于基于待重现的音频信号和壳体的结构计算扬声器膜片的期望动态值的装置、用于计算扬声器的膜片的期望动态值的装置适于应用相同体的不同的修正，并将与仅采用的与扬声器的膜片有关的动态值不同的壳体的结构动态值考虑在内，并且，用于计算扬声器的激励信号的装置能够基于扬声器的膜片的期望动态值对计算激励信号的扬声器的激励信号。

根据具体的实施例，控制设备包括一个或多个以下特征：

-壳体包括通风孔，并且壳体的结构动态值包括被壳体移位的空气的位置的预定阶数的至少一个导数；

-壳体的结构动态值包括被壳体移位的空气的位置；

-壳体的结构动态值包括被壳体移位的空气的速度；

-壳体是通风壳体，并且壳体的结构动态值取决于以下参数中的至少一个：

-壳体的声学漏泄系数；

-与通风孔中的全部空气等效的电感；

-壳体中的空气的顺度；

-壳体是无源辐射器壳体，并且壳体的结构动态值取决于以下参数中的至少一个：

-壳体的声学漏泄系数；

-与无源辐射器的整个膜片等效的电感；

-壳体中的空气的顺度；

-无源辐射器的机械损耗；

-膜片的机械顺度。

附图说明

阅读以下仅作为示例提供并参照附图进行的描述将更好地理解本发明，在附图中：

-图1为声音重建设备的方框图；

-图2为示出用于该设备的期望的声音重建模型的曲线图；

-图3为扬声器控制单元的方框图；

-图4为结构适配单元的方框图；

-图5为用于计算动态参考值的单元的详细方框图；

-图6为表示对扬声器进行机械建模以使得可以在设置有通风孔的壳体中对扬声器进行控制的电路的图示；

-图7为表示对扬声器进行电气建模以使可以对扬声器进行控制的电路的图示；

-图8为用于扬声器的电阻的开环估算单元的第一实施例的方框图；

-图9为扬声器的热模型的电路的图示；

-图10为与图8等同的用于扬声器的电阻的闭环估算单元的可替换的实施例的方框图；

-图11为与图6等同的用于设置有无源辐射器的壳体的另一实施例的方框图。

具体实施方式

正如其本身所已知的，图1中所示的声音重建设备10包括：诸如数字光盘读取器之类的用于产生的音频信号的模块12，模块12经过电压放大器16连接到通风壳体的扬声器14上。在音频源12和放大器16之间，依次串联设置有与壳体的期望行为模型对应的期望模型20以及控制设备22。期望模型是线性的或者非线性的。

根据一个具体的实施例，在扬声器14和控制设备22之间提供用于测量诸如扬声器的磁路的温度和扬声器的线圈中环流的强度之类物理值的环23。

期望模型20独立于在设备及其模型中使用的扬声器。

如图2所示，期望模型20基于频率的期望信号的幅度(记为S_{audio_ref})与来自模型12的输入信号的幅度S_audio(S_音频)之比率的函数。

有利地，对于在频率f_min之下的频率，当频率趋向于0时，该比率为收敛于0的函数，从而限制连续低频的重现，并借此避免扬声器的膜片移动至制造商推荐的范围之外。

这同样适用于高频，在高频中，当信号的频率趋向于无穷大时，超过频率f_max的比率趋向于0。

根据另一实施例，期望模型没有被规定，并且期望模型被认为是独立的。

控制设备22被布置在放大器16的输入端，图3中示出了控制设备22的详细结构。控制设备22能够接收在期望模型20的输出端定义的待重现的音频信号S_{audio_ref}(S_{音频_ref})作为输入，并且提供信号U_ref作为输出，输出信号U_ref形成可供放大器16进行放大的扬声器的激励信号。该信号U_ref适用于将扬声器14的非线性考虑在内。

控制设备22包括用于基于在同一时刻定义的其它量的导数值或积分值计算不同的量的装置。

出于计算需要，认为在时刻n的未知的量的值等于在时刻n-1的对应值。优选地通过这些量的值的1阶或2阶预测使用更高阶导数来修正时刻n-1的值。

根据本发明，控制设备22在一定程度上使用微分平滑原理实现控制，微分平滑原理使得能够根据足够光滑的参考轨迹来定义微分平坦系统的参考控制信号。

如图3所示，控制设备22从期望模型20中接收待重现的音频信号作为输入。用于根据放大器16的峰值电压并根据用户控制的在0和1之间的衰减变量以应用单位转换增益的单元24确保了参考音频信号S_{audio_ref}转换到待重现的物理值的图像的信号γ₀。信号γ₀例如为与扬声器相对的空气的加速度或者被扬声器移动的空气的速度。在下文中，可以假定信号γ₀为由壳体导致运动的空气的加速度。

在放大单元24的输出端处，控制设备包括用于基于使用扬声器的壳体的结构对待重现的信号的进行结构适配的单元25。该单元能够在每一时刻根据对应的值(在此为信号γ₀)为扬声器的膜片提供期望参考值A_ref，信号γ₀为由扬声器的壳体导致运动的空气的移位。

因此，在考虑的示例中，根据待重现的空气的加速度γ₀计算的参考值A_ref是扬声器的膜片的待重现的加速度，以使得扬声器的操作对空气施加加速度γ₀。

图4示出了结构适配单元25的细节。将输入γ₀连接到有界积分单元27，将有界积分单元27的输出转而连接到另一有界积分单元28。

因此，在单元27和28的输出端获得加速度γ₀的第一积分v₀和第二积分x₀。

有界积分单元由一阶低通滤波器形成并且由截止频率F_OBF表征。

有界积分单元的使用使得，除了在有用带宽中，在控制设备中使用的值能够不是另一带宽(即，超过截止频率F_OBF的频率)中的导数或者积分。这使得能够控制问题值的低频偏移。

在正常操作时，选择截止频率F_OBF，以便于不影响处于有用带宽的低频下的信号。

将截止频率F_OBF取为低于期望模型20的频率f_min的十分之一。

在扬声器安装在由通风孔打开的外壳中的通风壳体的情况下，单元25经由以下关系式产生用于膜片的期望参考加速度A_ref：

$A_{ref}={\mathrm{\γ}}_D={\mathrm{\γ}}_0+\frac{K_{m2}}{R_{m2}}{v}_0+\frac{K_{m2}}{M_{m2}}{x}_0$

其中：

R_m2：壳体的声学漏泄系数；

M_m2：与通风孔中的全部空气等效的电感；

K_m2：在壳体中的空气的顺度；

x₀：被膜片和通风孔移位的全部空气的位置；

被膜片和通风孔移位的全部空气的速度；

移位的全部空气的加速度。

在这种情况下，针对壳体的结构动态值x₀、v₀来修正用于膜片A_ref的参考加速度，该结构动态值与有关于扬声器膜片的动态值不同。

将该参考值A_ref引入动态参考值计算单元26动态参考值，该计算单元能够在每一时刻提供与参考值的时间有关的导数(记为dA_ref/dt)的值，以及与参考值的时间有关的的第一积分和第二积分(分别记为V_ref和X_ref)。

在下文中将系列动态参考值的记为G_ref。

图5示出了计算单元26的细节。一方面将输入A_ref连接到求导单元30，另一方面将输入A_ref连接到有界积分单元32，有界积分单元32的输出转而连接到另一有界积分单元34。

因此，在单元30、32和34的输出端处分别获得加速度的导数dA_ref/dt、加速度的第一积分V_ref和第二积分X_ref。

有界积分单元由一阶低通滤波器形成并且由截止频率F_OBF表征。

对于在控制设备中使用的值，有界积分单元的使用使得，除了在游泳带宽中，在控制设备中使用的值能够不是另一带宽(即，超过截止频率F_OBF的频率)中的导数或者积分。这使得能够控制问题值的低频偏移。

在正常操作时，选择截止频率F_OBF，以便于不影响处于有用带宽的低频中的信号。

将截止频率F_OBF取为低于期望模型20的频率f_min的十分之一。

控制设备22在存储器中包括：机电参数的表和/或多项式集合26以及电参数的表和/或多项式集合38。

这些表36和38能够基于所接收的作为输入的动态参考值G_ref来分别定义机电气参数P_méca和电参数P_élect。根据如图6所示对扬声器进行机械建模和如图7所示的扬声器的电气建模分别获得这些参数P_méca和P_élect，在机械建模中，假定扬声器安装在通风的壳体中。

机电参数P_méca包括：通过线圈捕获的由扬声器的磁路产生的磁通量(记为BI)、扬声器的刚度(记为K_mt(x_D))、扬声器的粘性机械摩擦(记为R_mt)、整个扬声器的移动质量(记为M_mt)、壳体中的空气的刚度(K_m2)、壳体的声学漏泄(记为R_m2)及在通风孔中的空气的质量(记为M_m2)。

在图6所示的通风的壳体中放置的扬声器的机械-声学部分的模型在单个闭环回路中包括电压为BI(x_D,i)×i的生成器40，，电压BI(x_D,i)×i对应于在扬声器的线圈中环流的电流i产生的驱动力。磁通量BI(x_D,i)取决于膜片的位置x_D以及在线圈中环流的强度i。

该模型将对应于电阻器42的膜片的粘性机械摩擦R_mt考虑在内，该电阻器42与对应于膜片的整体移动质量M_mt的线圈42串联，膜片的刚度对应于具有电容C_mt(x_D)等于1/K_mt(x_D)的电容器46。因此，刚度取决于膜片的位置x_D。

为了解释通风孔，使用了以下参数R_m2、C_m2和M_m2：

R_m2：壳体的声学漏泄系数；

M_m2：与通风孔中的全部空气等效的电感；

壳体中的空气的顺度。

在图6的模型中，R_m2、C_m2和M_m2分别对应于并联安装的电阻47、线圈48和电容49。

在上述模型中，忽略了磁路的磁阻产生的力。

所使用的变量为：

扬声器的膜片的速度

扬声器的膜片的加速度

v_L：空气泄漏的空气速度

v_p：离开通风孔(端口)的空气的速度

被膜片和通风孔移位的全部空气的速度；

移位的全部空气的加速度。

在1米处的总的声学压强由以下关系式给出：

其中，S_D：扬声器的横截面，n_str＝2：发射立体角。

对应于图10的机械-声学方程式如下：

$Bl(x_D,i)i=M_{mt}\frac{{\mathrm{dv}}_D}{dt}+R_{mt}{v}_D+K_{mt}\left(x_D\right)x_D+K_{m2}{x}_0$

以下关系式将不同的量相关联：

图7示出了对扬声器的电气部分的建模。

电气参数P_élec包括线圈的电感L_e、线圈的寄生电感L₂和铁损等效电阻R₂。

图7中示出的对扬声器的电气部分的建模由闭环电路形成。该建模包括：用于生成串联连接到电阻器52上的电动势的生成器50，电阻器52表示扬声器的线圈的电阻R_e。电阻器52与电感L_e(x_D,i)串联连接，该电感表示扬声器线圈的电感L_e。该电感L_e(x_D,i)取决于在线圈中环流的强度i和膜片的位置x_D。

为了通过傅科(Foucault)电流效应解释磁损耗和电感变化，将并联电感R_L串连安装在线圈54的输出端。电阻器56表示铁损等效，该电阻器的值该R₂(x_D,i)取决于膜片x_D的位置和在线圈中环流的强度i。同样地，线圈58表示扬声器的寄生电感，该线圈的值L₂(x_D,i)也取决于膜片x_D的位置和在线圈中环流的强度i。

模型中还串联安装有产生电压BI(x_D,i)×v的电压生成器60和产生电压g(x_D,i)×v的第二生成器62，其中，电压BI(x_D,i)×v表示在由磁体产生的磁场中移动的线圈的反电动势，电压g(x_D,i)×v表示具电感随位置的动态变化的效应。

通常，值得注意的是，在该模型中，由线圈捕获的通量BI、刚度K_mt和线圈的电感L_e取决于膜片的位置x_D，电感L_e和通量BI还取决于在线圈中环流的电流i。

优选地，线圈的电感L_e、电感L₂和项g取决于强度i，此外还取决于膜片的移动x_D。

根据图6和图7所解释的模型，限定了以下方程式：

$L_2\frac{{\mathrm{di}}_2}{dt}=R_2(i-i_2)$

$Bl(x_D,i)i=R_{mt}{v}_D+M_{mt}\frac{{\mathrm{dv}}_D}{dt}+K_{mt}\left(x_D\right)x_D+K_{m2}{x}_0$

控制模块22进一步包括用于对参考电流i_ref及其导数di_ref/dt进行计算的单元70。该单元接收动态参考值G_ref、机械参数P_méca和值x₀和v₀作为输入。参考电流I_ref及其导数di_ref/dt的计算满足以下两个方程式：

G₁(x_ref,i_ref)i_ref＝R_mtv_ref+M_mtA_ref+K_mt(x_ref)x_ref+K_m2x₀

$\frac{d}{dt}\left(G_1\right(x_{ref},i_{ref}\left)i_{ref}\right)=R_{mt}{A}_{ref}+M_{mt}{\mathrm{dA}}_{ref}/dt+K_{mt}\left(x_{ref}\right)v_{ref}+K_{m2}{v}_0$

其中，

因此，根据根据复杂度G₁(x,i)通过精确的分析计算或必要时通过数字解析输入的矢量的值进行代数计算以获得电流i_ref及其导数di_ref/dt。

因此优选地通过代数计算、或者通过数值推导(dérivation numérique)获得电流的导数di_ref/dt。

为了避免扬声器的膜片的过度行程，在控制模块上施加移动X_max。这通过使用用于计算动态参考值的分离单元26和结构适配单元25而成为可能。

通过避免扬声器的膜片超过与X_max关联的特定界限的“虚拟墙”设备来实现对移动的限制。为此，当位置x_ref接近该位置的界限阈值时，该位置接近虚拟墙所需的能量不断增大(非线性行为)，在墙上所需的能量是无穷大，并且有可能施加非对称行为。为此，粘性机械摩擦R_mt42基于膜片的位置x_ref非线性地增加。

根据又一实施例，为了限制行程，使加速度A_ref动态保持在最小界限和最大界限之内，这保证膜片的位置x_ref不会超过X_max。

在根据实施例将膜片的行程X_ref限制为X_{ref_sat}并且将膜片的加速度A_Ref限制为A_{ref_sat}的情况下，在时刻n使用以下算法重新计算值x₀和v₀：

${\mathrm{\γ}}_{0sat}\left(R\right)=A_{refsat}\left(n\right)-\frac{K_{m2}}{R_{m2}}{v}_{0sat}(n-1)-\frac{K_{m2}}{M_{m2}}{x}_{0sat}(n-1)$

v_0sat(n)＝γ_0sat(n)的有界积分器(与32相同)

x_0sat(n)＝v_0sat(n)的有界积分器(与34相同)

v_{ref sat}(n)＝A_{ref sat}(n)的有界积分器(与32相同)

参考电流I_ref及其导数dI_ref/dt的计算则满足以下两个方程式：

G₁(x_{ref_sat},i_ref)i_ref＝R_mtv_{ref_sat}+M_mtA_{ref_sat}+K_mt(x_{ref_sat})x_{ref_sat}+K_m2x_{0_sat}

$\frac{d}{dt}\left(G_1\right(x_{ref\_sat},i_{ref}\left)i_{ref}\right)=R_{mt}{A}_{ref\_sat}+M_{mt}{\mathrm{dA}}_{ref\_sat}/dt+K_{mt}\left(x_{ref\_sat}\right)v_{ref\_sat}+K_{m2}{v}_{0\_sat}$

其中，

此外，控制设备22包括用于估算扬声器的电阻R_e的单元80。该单元80作为输入接收动态参考值G_ref、参考电流的强度i_ref及其导数di_ref/dt、以及根据所考虑到的实施例测量的在扬声器的磁路中温度(记为T_{m_mesurée})或测量的通过线圈强度(记为I_{_mesurée}(I_{_测量}))作为输入。

在没有测量环路电流的情况中，估算单元80具有图8中所示的形式。估算单元80包括用于计算功率和参数的模块802和热模型84作为输入。

热模型84根据所计算的参数、所确定的功率和所测量的温度T_{m_mesurée}(T_{m_测量})来计算电阻_Re。

图9提供了用于热模型的一般框图。

在该模型中，参考温度为壳体内部的空气的温度T_e。

所考虑的温度为：

T_b[℃]：绕组的温度；

T_m[℃]：磁路的温度；以及

T_e[℃]：壳体的内部温度，假定该温度为常数、或在理想情况下测量。

所考虑的热功率为：

P_Jb[W]：焦耳效应对绕组造成的热功率；

如图9中所示，热模型包括以下参数：

C_tbb[J/K]：绕组的热容；

R_thbm[K/W]：在绕组和磁路之间的等效热电阻；以及

R_thba[K/W]：在绕组和壳体的内部温度之间的等效热电阻。

等效热电阻考虑了通过传导和对流的热耗散。

由在绕组中环流的电流造成的热功率P_JB由下式给出：

P_Jb(t)＝R_e(T_b)i²(t)

其中，R_e(T_b)为电阻在温度T_b下的值：

R_e(T_b)＝R_e(20℃)×(1+4.10^-3(T_b-20℃))

其中，R_e(20℃)为电阻在20℃处的值。

由图9给出的热模型如下：

$C_{thb}\frac{{\mathrm{dT}}_b}{dt}=\frac{1}{R_{thbm}\left(X_{ref}\right)}(T_m-T_b)+\frac{1}{R_{thba}\left(V_{ref}\right)}(T_e-T_b)+P_{Jb}$

热模型的解决使得能够在每一时刻获得电阻R_e的值。

可替换地，如图10中所示，当测量在线圈中环流的电流i时，通过闭环估算器(例如比例积分类型)提供对电阻R_e的估算。由于比例积分修正器的使用，使得能够具有快速的收敛时间。

最后，控制设备22包括用于根据动态参考值G_ref、参考电流i_ref及其导数di_ref/dt、电气参数P_élec和由单元80计算的电阻R_e计算参考输出电压U_ref的模块90。该计算参考输出电压的单元实施以下两个方程式：

$u_2+\frac{L_2(x_{ref},i_{ref})}{R_2(x_{ref},i_{ref})}\frac{{\mathrm{du}}_2}{dt}=L_2(x_{ref},i_{ref})\frac{{\mathrm{di}}_{ref}}{dt}$

如果放大器16是电流放大器而不是之前所述的电压放大器，则消除控制设备的单元38、80和90，并且在单元70的输出端处得到对放大器进行控制的参考输出强度i_ref。

在客体包括由膜片形成的无源辐射器的情况下，图6的机械模型被图11的机械模型代替，在图11的机械模型中，与图6的那些元件相同的元件具有相同的附图标记。与无源辐射器的膜片对应地，该模块包括与线圈M_m2 48串联连接的电阻202和电容204，电阻202和电容204分别对应于无源辐射器的机械损耗R_m2和无源辐射器的膜片的机械刚度K_m3。膜片的参考加速度A_ref由下式给出：

$A_{ref}={\mathrm{\γ}}_0+\frac{K_{m2}}{R_{m2}}{v}_0+\frac{K_{m2}}{M_{m2}}{x}_{0R}$

其中，x_0R由高通滤波器对x₀进行滤波给出：

$x_{0R}=\frac{s^2}{s^2+\frac{R_{m3}}{M_{m2}}s+\frac{K_{m3}}{M_{m2}}}{x}_0$

因此，结构适配结构25包括串联连接的两个有界积分器以根据γ₀获得v₀和x₀，然后使用附加参数R_m3和K_m3对x₀进行高通滤波来计算x_0R，该附加参数R_m3和K_m3分别是无源辐射器的机械损耗电阻和无源辐射器的膜片的机械刚度常数。