用于扬声器驱动器的运动的非线性控制的方法和系统与流程
一个或多个实施例总体上涉及扩音器，具体涉及用于扬声器驱动器的运动的非线性控制的方法和系统。
背景技术：
扩音器在被连接到集成放大器、电视(tv)机、收音机、音乐播放器、电子声音产生设备(例如，智能电话、计算机)、视频播放器等时，产生声音。
技术实现要素：
问题的解决方案
一个实施例提供一种倒相式音箱扩音器系统，其包括扬声器驱动器，该扬声器驱动器包括振膜和控制器。控制器被配置为：接收经由扬声器驱动器进行再现的源信号；基于倒相式音箱扩音器系统的第一物理模型确定振膜的目标位移和倒相式音箱扩音器系统中的目标声压；以及，基于目标位移、目标声压和倒相式音箱扩音器系统的第二物理模型生成控制电压。在源信号的再现期间，振膜的实际位移是基于所生成的控制电压来控制的。
另一个实施例提供一种被动式辐射器扩音器系统，其包括主动式扬声器驱动器，该主动式扬声器驱动器包括振膜和控制器。控制器被配置为：接收经由主动式扬声器驱动器进行再现的源信号；基于被动式辐射器扩音器系统的第一物理模型，确定被动式辐射器扩音器系统的组件的目标位移；以及，基于目标位移和被动式辐射器扩音器系统的第二物理模型生成控制电压。在源信号的再现期间，主动式扬声器驱动器的振膜的实际位移是基于所生成的控制电压来控制的。
一个实施例提供一种方法，包括：接收用于经由扩音器设备的扬声器驱动器进行再现的源信号；基于扩音器设备的第一物理模型确定扩音器设备的组件的目标位移；以及，基于目标位移和扩音器设备的第二物理模型生成控制电压。在源信号的再现期间，扬声器驱动器的振膜的实际位移是基于所生成的控制电压来控制的。
参照以下描述、所附权利要求和附图，将理解一个或多个实施例的这些和其他特征、方面和优点。
附图说明
图1示出根据实施例的示例非线性控制系统；
图2a示出根据实施例的扩音器设备的示例主动式扬声器驱动器的截面；
图2b是示出根据实施例的用于主动式扬声器驱动器的不同机电参数的非线性动态特性的示例曲线图；
图3a示出根据实施例的倒相式音箱扩音器系统的声压；
图3b是示出根据实施例的用于倒相式音箱扩音器系统的不同扩音器参数的频率响应的示例曲线图；
图4示出根据实施例的用于倒相式音箱扩音器系统的示例控制器；
图5是根据实施例的对具有非线性控制的倒相式音箱扩音器系统和没有非线性控制的不同的倒相式音箱扩音器系统的频率响应进行比较的示例曲线图；
图6a示出根据实施例的被动式辐射器扩音器系统中的声压；
图6b是示出根据实施例的用于被动式辐射器扩音器系统的不同扩音器参数的频率响应的示例曲线图；
图7示出根据实施例的用于被动式辐射器扩音器系统的示例控制器；
图8是根据实施例的对具有非线性控制的被动式辐射器扩音器系统和没有非线性控制的不同被动式辐射器扩音器系统的频率响应进行比较的示例曲线图；
图9是根据实施例的用于实现用于倒相式音箱扩音器系统的非线性控制系统的处理的示例流程图；
图10是根据实施例的用于实现用于被动式辐射器扩音器系统的非线性控制系统的处理的示例流程图；以及
图11是示出包括用于实现各个所公开的实施例的计算机系统在内的信息处理系统的高层框图。
具体实施方式
出于说明一个或多个实施例的一般原理的目的而进行以下描述，但并不意味着限制本文要求保护的发明构思。此外，可以以各种可能的组合和排列中的每个组合和排列将本文描述的特定特征与其他描述的特征组合使用。除非本文另外明确定义，否则将给予所有术语其最宽泛的可能解释，包括说明书中暗示的含义以及本领域技术人员理解和/或字典、论文等中定义的含义。
一个或多个实施例总体上涉及扩音器，具体涉及用于扬声器驱动器的运动的非线性控制的方法和系统。一个实施例提供一种倒相式音箱扩音器系统，其包括扬声器驱动器，该扬声器驱动器包括振膜和控制器。控制器被配置为：接收经由扬声器驱动器进行再现的源信号；基于倒相式音箱扩音器系统的第一物理模型确定振膜的目标位移和倒相式音箱扩音器系统中的目标声压；以及，基于目标位移、目标声压和倒相式音箱扩音器系统的第二物理模型生成控制电压。在源信号的再现期间，振膜的实际位移是基于所生成的控制电压来控制的。
另一个实施例提供一种被动式辐射器扩音器系统，其包括主动式扬声器驱动器，该主动式扬声器驱动器包括振膜和控制器。控制器被配置为：接收经由主动式扬声器驱动器进行再现的源信号；基于被动式辐射器扩音器系统的第一物理模型，确定被动式辐射器扩音器系统的组件的目标位移；以及，基于目标位移和被动式辐射器扩音器系统的第二物理模型生成控制电压。在源信号的再现期间，主动式扬声器驱动器的振膜的实际位移是基于所生成的控制电压来控制的。
一个实施例提供一种方法，包括：接收用于经由扩音器设备的扬声器驱动器进行再现的源信号；基于扩音器设备的第一物理模型确定扩音器设备的组件的目标位移；以及，基于目标位移和扩音器设备的第二物理模型生成控制电压。在源信号的再现期间，扬声器驱动器的振膜的实际位移是基于所生成的控制电压来控制的。
出于说明目的，术语“扩音器”和“扩音器设备”可以在本说明书中互换使用。
出于说明目的，术语“倒相式音箱”和“倒相式音箱扩音器系统”可以在本说明书中互换使用。
出于说明目的，术语“位移”和“偏移”可以在本说明书中互换使用。
传统的扩音器在设计上是非线性的，会产生谐波分量、互调分量和调制噪声。非线性音频失真会损害扩音器产生的音频的声音质量(例如，音频质量和语音清晰度)。近年来，工业设计的限制通常要求扩音器系统的尺寸较小，以便于携带和紧凑。然而，这样的设计约束限制了交易规模和声音质量的可移植性，从而导致音频失真增加。因此，需要一种用于减小/消除音频失真的防失真系统，特别是用于从较小尺寸的扩音器系统获得更明显/更大的低音声音。
一个或多个实施例提供了一种用于包括主动式扬声器驱动器的扩音器设备的非线性控制系统。该非线性控制系统通过提供主动扬声器驱动器的一个或多个活动组件(例如，振膜和/或驱动音圈)的圆锥运动的非线性控制，来实现扩音器设备的线性化。在一些实施例中，扩音器设备是有开口的扩音器(例如，倒相式音箱扩音器系统)，其包括主动式扬声器驱动器和至少一个有开口的外壳(例如，开口/开孔)。在一些实施例中，扩音器设备是被动式辐射器扩音器系统，其包括主动式扬声器驱动器和至少一个被动式辐射器。
在一个实施例中，非线性控制系统被配置为，从接收到用于驱动扩音器设备的输入电压开始在每个时刻(例如，每个时刻或采样时间)确定以下内容：(1)基于目标(即，希望的)声压的一个或多个活动组件的对应目标位移(例如，目标圆锥位移)，以及(2)产生对应目标位移的对应控制电压。所接收到的输入电压指示目标声压，该目标声压适合于产生与输入电压相关联的输入音频信号。非线性控制系统在每个时刻根据针对该时刻所确定的对应控制电压来控制一个或多个活动组件的圆锥运动，从而产生具有目标声压的目标(即，希望的)声波。一个或多个活动组件在每个时刻的实际位移是基于针对该时刻所确定的对应目标位移，从而防止一个或多个活动组件的过度位移(即，偏移)。
非线性控制系统可有效补偿非线性音频失真。通过控制一个或活动组件的实际位移，非线性控制系统允许低音扩展，从而增强扩音器设备的低音输出。通过防止一个或多个活动组件的过度位移以及由于过度位移而导致扩音器设备过热，非线性控制系统提供了扩音器设备的机械保护。
在一个示例实现中，从接收到输入电压开始的每个时刻，该非线性控制系统还被配置为：(1)基于扩音器设备的物理模型(例如，倒相式音箱扩音器系统的物理模型或被动式辐射器扩音器系统的物理模型)来确定用于获得在该时刻所确定的对应目标位移所需的标称电压量，(2)监测由扩音器设备汲取的电流量，(3)基于汲取的电流量来确定一个或多个活动组件的估计(即，预测)位移，以及(4)基于估计位移和目标位移之间的差(如果存在的话)对接收到的输入电压执行电压校正。在一个实施例中，所执行的电压校正包括校正前馈控制电压。在一个实施例中，所执行的电压校正可以补偿与所使用的物理模型和/或音频漂移(例如，由于过度位移引起的扩音器设备过热而导致的漂移)相关联的一种或多种不准确性(例如，制造偏差)。
与常规扩音器相比，一个或多个实施例在非线性音频失真和功耗方面提供了改进的性能。此外，一个或多个实施例实现了对开口扩音器或被动式辐射器扩音器系统的非线性控制。
图1示出根据实施例的示例非线性控制系统100。非线性控制系统100包括扩音器设备50，该扩音器设备50包括用于再现声音的主动式扬声器驱动器55。在一个实施例中，如本文稍后所详细描述的，扩音器设备50是开口扩音器(例如，倒相式音箱扩音器系统)，其包括主动式扬声器驱动器55和至少一个有开口的外壳。在另一个实施例中，如本文稍后所详细描述的，扩音器设备50是被动式辐射器扩音器系统，其包括主动式扬声器驱动器55和至少一个被动式辐射器。
在一个实施例中，主动式扬声器驱动器55是面向前的扬声器驱动器。在另一个实施例中，主动式扬声器驱动器55是面向上的驱动器。在又一个实施例中，主动式扬声器驱动器55是面向下的驱动器。如本文稍后所详细描述的，主动式扬声器驱动器55包括一个或多个活动组件，例如振膜56(图2a)和驱动音圈57(图2a)。
用u总体表示在非线性控制系统100处接收的用于驱动主动式扬声器驱动器55的输入电压。如本文稍后所详细描述的，非线性控制系统100还包括控制器110，该控制器110被配置为从输入源10接收具有输入电压u的源信号(例如，输入音频信号)。控制器110还被配置为基于扩音器设备50的至少一个物理模型来确定以下中的一项或多项：(1)在采样时间t处的一个或多个活动组件(例如，振膜56和/或驱动音圈57)的目标位移x*，(2)在采样时间t处的扩音器设备50中的目标声压p*，以及(3)在采样时间t处产生目标位移x*的控制电压
在一个实施例中，非线性控制系统100还包括连接到扩音器设备50和控制器110的放大器60。在一个实施例中，放大器60是电压放大器，其被配置为基于控制电压
在一个实施例中，控制器110被配置为从不同类型的输入源10接收源信号。不同类型的输入源10的示例包括(但不限于)移动电子设备(例如，智能电话、膝上型电脑、平板电脑等)、内容回放设备(例如，电视、收音机、计算机、诸如cd播放器之类的音乐播放器、诸如dvd播放器之类的视频播放器、转盘等)或音频接收器等。
在一个实施例中，非线性控制系统100可以被集成在但不限于以下一项或多项中：计算机、智能设备(例如，智能电视)、低音音箱、无线和便携式扬声器、汽车扬声器等。
在一个实施例中，控制器110使用用于扩音器设备50的不同的物理模型。在一个示例实现中，如本文稍后所详细描述的，控制器110所使用的至少一个物理模型是线性模型(例如，线性状态空间模型)，而控制器110所使用的至少一个其他物理模型是非线性模型。扩音器设备50的物理模型可以基于扩音器设备50的一个或多个扩音器参数。
图2a示出根据实施例的扩音器设备50的示例主动式扬声器驱动器55的截面。主动式扬声器驱动器55包括一个或多个活动组件，例如振膜56(例如，锥形振膜)和驱动音圈57。主动式扬声器驱动器55还包括以下组件中的一项或多项：(1)环绕辊58(例如，悬边辊)，(2)篮状部59，(3)保护帽60(例如，圆顶形防尘帽)，(4)顶板61，(5)磁铁62，(6)底板63，(7)极片65，(8)成形器64，以及(9)弹波(spider)67。
扩音器设备50的示例扩音器参数包括但不限于主动式扬声器驱动器55的以下机电参数：(1)驱动音圈57的直流(dc)电阻r。，(2)主动式扬声器驱动器55总损耗的机械阻力rm(即，机械损耗)，(3)振膜56、驱动音圈57和空气载荷的机械质量mm(即，运动质量)，(4)环绕辊58的悬架刚度因数km，(5)驱动音圈57的力因数b1，(6)驱动音圈57的电感le，以及(7)振膜56的表面积sd。
使用以下中的每一项来描述扩音器设备50在每个时刻的状态：(1)主动式扬声器驱动器55的一个或多个活动组件(例如，振膜56和/或驱动音圈57)的估计(即，预测)位移x，(2)一个或多个活动组件的速度
图2b是示出根据实施例的扬声器驱动器55的不同机电参数的非线性动态特性的示例曲线图150。曲线图150的横轴表示以m为单位的一个或多个活动组件(例如，振膜56和/或驱动音圈57)的位移。曲线图150包括以下每一项：(1)表示以牛顿每安培(n/a)为单位的力因数bl的变化的第一曲线151，(2)表示以牛顿每米(n/m)为单位的悬架刚度因数km的变化的第二曲线152，以及(3)表示以毫亨(mh)为单位的电感le的变化的第三曲线153。
图3a示出根据实施例的倒相式音箱扩音器系统70中的声压。如上所述，在一个实施例中，扩音器设备50是倒相式音箱扩音器系统70，其包括主动式扬声器驱动器55和有开口的外壳75(例如，开口/开孔)。倒相式音箱扩音器系统70在低声音频率下具有更高的效率，从而倒相式音箱扩音器系统70与密闭式音箱扩音器相比可获得明显更多的低音输出。具体地，在低声音频率下，有开口的外壳75成为主要的声源，该声源对主动式扬声器驱动器55的一个或多个活动组件(例如，振膜56和/或驱动音圈57)进行补充，从而导致了被限制在狭窄声音频率范围内的更好的低音水平(即，增强的低音输出)。
用pvbd总体表示由一个或多个活动组件产生的声压，用pvbp总体表示有开口的外壳75中的声压，并且用pvb总体表示在倒相式音箱扩音器系统70附近的收听实体90(例如，收听者的耳朵、麦克风等)处接收到的总声压。声压pvbd、声压pvbp和总声压pvb可以根据下面提供的方程(1)-方程(3)确定：
pvb＝pprd-pvbp(3)，
其中，ρ是空气的密度，
除了用于主动式扬声器驱动器55的机电参数之外，用于倒相式音箱扩音器系统70的其他扩音器参数包括但不限于以下项：(1)有开口的外壳75的总损耗的声阻ra，(2)有开口的外壳75中的空气的声学质量(acousticmass)ma，(3)有开口的外壳75中的空气的声学刚度因数(acousticstiffnessfactor)kvbb，(4)开口中的体积速度q，以及(5)倒相式音箱扩音器系统70中的声压p。
图3b是示出根据实施例的用于倒相式音箱扩音器系统的不同扩音器参数的频率响应的示例曲线图160。曲线图160的横轴表示以hz为单位的频率。曲线图160包括以下每一项：(1)第一曲线161，其表示以米每伏特(m/v)为单位的倒相式音箱扩音器系统(例如，倒相式音箱扩音器系统70)的一个或多个活动组件(例如，振膜和/或驱动音圈)的估计位移x的频率响应，(2)第二曲线162，其表示以米每秒每伏(m/s/v)为单位的一个或多个活动组件的速度
图4示出根据实施例的用于倒相式音箱扩音器系统70的示例控制器200。在一个实施例中，非线性控制系统100的控制器110是控制器200。如本文稍后所详细描述的，控制器200包括：用于确定一个或多个线性值的轨迹规划单元210；以及，用于确定一个或多个非线性值的前馈控制单元220。
在一个实施例中，轨迹规划单元210被配置为：(1)基于从输入源10接收的输入电压u和倒相式音箱扩音器系统70的至少一个物理模型，确定在每个采样时间t处的倒相式音箱扩音器系统70的一个或多个活动组件(例如，振膜56和/或驱动音圈57)的目标位移x*，以及(2)基于输入电压u和倒相式音箱扩音器系统70的至少一个物理模型，确定在采样时间t处的倒相式音箱扩音器系统70中的目标声压p*。
在一个实施例中，轨迹规划单元210使用倒相式音箱扩音器系统70的线性状态空间模型来确定目标位移x*和目标声压p*。例如，在一个实施例中，可以根据下面提供的方程(4)-方程(7)来表示倒相式音箱扩音器系统70的线性动态特性。
用xvb(t)总体表示向量，该向量表示倒相式音箱扩音器系统70在采样时间t处的状态(“状态向量表示”)，其中，状态向量表示xvb(t)根据下面提供的方程(4)来定义：
其中，
在一个实施例中，与有开口的外壳75相关联的声阻rvb和声学质量ma可以是状态矢量表示xvb的一个或多个变量(例如，有开口的外壳75中的体积速度q)的函数。
用avb和bvb总体表示恒定参数矩阵。在一个实施例中，恒定参数矩阵avb和bvb根据下面提供的方程(5)-方程(6)来表示：
用
轨迹规划单元210被配置为基于上文提供的方程(7)来确定在每个采样时间t处的目标位移x*和目标声压p*。
在一个实施例中，前馈控制单元220被配置为：(1)基于从轨迹规划单元210接收的在采样时间t处的目标位移x*和目标声压p*以及倒相式音箱扩音器系统70的至少一个其他物理模型，确定可以产生目标位移x*的控制电压
在一个实施例中，前馈控制单元220使用用于倒相式音箱扩音器系统70的非线性模型来确定控制电压
其中，方程(8)表示主动式扬声器驱动器55的机械方程，
其中，方程(9)表示主动式扬声器驱动器55的电方程，
其中，方程(10)-方程(11)表示有开口的外壳75的开口方程。开口方程(10)-开口方程(11)定义具有输入的二阶线性状态空间系统，如下面提供的方程(12)所示：
在一个实施例中，前馈控制单元220实现前馈控制以确定每个采样时间t的控制电压
其中，方程(13)是从上面提供的方程(8)导出的，并且将从轨迹规划单元210接收的采样时间t的目标位移x*和目标声压p*用作输入(即，将方程(13)中的输入x和p替换为x*和p*)。
由前馈控制单元220执行的一组计算还包括基于下面提供的方程(14)确定采样时间t的控制电压
其中，方程(14)是从上面提供的方程(9)导出的，并且使用采样时间t的从轨迹规划单元210接收的目标位移x*和目标电流i*(根据上面提供的方程(13)所确定)用作输入(即，将方程(14)中的输入x和i替换为x*和i*)。
在一个实施例中，放大器60是电压放大器，其被配置为基于从前馈控制单元220接收的控制电压
在一个实施例中，控制器200被配置为：在每个采样时间t监测通过倒相式音箱扩音器系统70汲取的电流i，并且基于在采样时间t处的测量电流i和目标电流i*之间的比较来确定用于通过反馈控制单元220实现的对前馈控制进行校正的预测误差。例如，在一个实施例中，控制器200还包括用于实现反馈控制的以下可选组件中的一个或多个：(1)比较单元240，其被配置为确定表示采样时间t的电流i与目标电流i*之差的电流误差δi，以及(2)反馈控制单元230，其被配置为基于该电流误差δi，生成用于通过反馈控制单元220实现的对前馈控制进行校正的一个或多个模型扩音器参数调整。例如，在一个实施例中，基于预测误差来调整非线性模型的一个或多个扩音器参数。
在另一个实施例中(例如，放大器60是被配置为基于从前馈控制单元220接收的目标电流i*来放大源信号的电流放大器)，控制器200被配置为监测在每个采样时间t驱动主动式扬声器驱动器55的电压u*，并基于采样时间t的电压u*和控制电压
基于所生成的模型扩音器参数而执行的任何最终的校正都可以补偿与由控制器200使用的物理模型和/或音频漂移(例如，由于过度位移引起的扩音器设备过热而导致)相关联的一种或多种不准确性(例如，制造偏差)。
在一个实施例中，通过控制器200实现的反馈控制可以是自适应的(例如，在线系统辨识)。在另一个实施例中，通过控制器200实现的反馈控制可以是直接的(例如，比例-积分-微分)。
在另一个实施例中，如果主动式扬声器驱动器55具有公知且稳定的特性，则前馈控制单元220不需要考虑任何预测误差，从而消除了对反馈控制单元230和比较单元240的需要。
图5是根据实施例的对具有非线性控制的倒相式音箱扩音器系统和没有非线性控制的不同的倒相式音箱扩音器系统的频率响应进行比较的示例曲线图400。曲线图400的横轴表示以hz为单位的频率。曲线图400的纵轴表示以db为单位的声压级。曲线图400包括以下每一项：(1)第一曲线401，其表示具有非线性控制的第一倒相式音箱扩音器系统(例如，倒相式音箱扩音器系统70)的频率响应，以及(2)第二曲线402，其表示没有非线性控制的第二倒相式音箱扩音器系统的频率响应控制。如图5所示，没有非线性控制的第二倒相式音箱扩音器系统的频率响应比具有非线性控制的第一倒相式音箱扩音器系统的频率响应具有更陡峭的滚降。
如果第二倒相式音箱扩音器系统与非线性控制系统100(例如，控制器200)的一个或多个组件集成在一起，则非线性控制系统100可以在保持低音频失真和确保第二倒相式音箱扩音器系统的一个或多个活动组件(例如，振膜和/或驱动音圈)的位移在安全的操作范围之内的同时，将第二倒相式音箱扩音器系统的频率响应的滚降在低声音频率中扩展。非线性控制系统100提供实现由如图5所示的方向箭头所示的低音扩展的低音反射系统。
图6a示出根据实施例的被动式辐射器扩音器系统80中的声压。如上所述，在一个实施例中，扩音器设备50是被动式辐射器扩音器系统80，其包括主动式扬声器驱动器55和被动式辐射器85。被动式辐射器扩音器系统80在低声音频率下具有更高的效率，从而允许被动式辐射器扩音器系统80获得比封闭式音箱扬声器明显更多的低音输出。具体地，在低声音频率下，被动式辐射器85成为主要的声源，该声源对主动式扬声器驱动器55的一个或多个活动组件(例如，振膜56和/或驱动音圈57)进行补充，从而导致了被限制在狭窄声音频率范围内的更好的低音水平。被动式辐射器扩音器系统80产生与倒相式音箱扩音器系统70类似的低音响应，但是被动式辐射器扩音器系统80具有更少的尺寸限制，从而允许使用更小的外壳/箱体。
用pprd总体表示被动式辐射器扩音器系统80的主动式扬声器驱动器55的一个或多个活动组件的声压，用pprp总体表示被动式辐射器扩音器系统80的被动式辐射器85中的声压，并且用ppr总体表示在被动式辐射器扩音器系统80附近的收听实体90(例如，收听者的耳朵、麦克风等)处接收到的总声压。声压pprd、声压pprp和总声压ppr可以根据下面提供的方程(15)-方程(17)确定：
ppr＝pprd-pprp(17)，
其中，ρ表示空气密度，
除了用于主动式扬声器驱动器55的机电参数之外，用于被动式辐射器扩音器系统80的其他扩音器参数包括但不限于以下项：(1)被动式辐射器85(例如，被动式辐射器85的膜片/振膜)的估计(即，预测)位移y，(2)被动式辐射器85的速度w，(3)音箱80中的声压p，(4)音箱80中的空气的声学刚度因数kprb，(5)被动式辐射器85的机械质量mp，(6)被动式辐射器85的机械阻力rp，(7)被动式辐射器85的悬架刚度因数kp，以及(8)被动式辐射器的表面积sp。
图6b是示出根据实施例的用于被动式辐射器扩音器系统的不同扩音器参数的频率响应的示例曲线图170。曲线图170的横轴表示以hz为单位的频率。曲线图170包括以下每一项：(1)第一曲线171，其表示以m/v为单位的被动式辐射器扩音器系统(例如，被动式辐射器扩音器系统80)的一个或多个活动组件(例如，振膜和/或驱动音圈)的估计位移x的频率响应，(2)第二曲线172，其表示以欧姆为单位的被动式辐射器扩音器系统的扬声器驱动器阻抗z的频率响应，(3)第三曲线173，其表示以m/v为单位的被动式辐射器扩音器系统的被动式辐射器的估计位移y的频率响应，(4)第四曲线174，其表示以pa/v为单位的音箱中的声压p的频率响应，(5)第五曲线175，其表示以m/s/v为单位的被动式辐射器的速度w的频率响应。
图7示出根据实施例的用于被动式辐射器扩音器系统80的示例控制器300。在一个实施例中，非线性控制系统100的控制器110是控制器300。如本文稍后所详细描述的，控制器300包括：用于确定一个或多个线性值的轨迹规划单元310；以及，用于确定一个或多个非线性值的前馈控制单元320。
在一个实施例中，轨迹规划单元310被配置为使被动式辐射器85的位移线性化。具体地，轨迹规划单元310被配置为：基于从输入源10接收的输入电压u和被动式辐射器扩音器系统80的至少一个物理模型，确定在每个采样时间t处的被动式辐射器85(例如，被动式辐射器85的膜片/振膜)的目标位移y*。
在一个实施例中，轨迹规划单元310使用被动式辐射器扩音器系统80的线性状态空间模型来确定目标位移y*。例如，在一个实施例中，可以根据下面提供的方程(18)-方程(21)来表示被动式辐射器扩音器系统80的线性动态特性。
用xpr(t)总体表示向量，该向量表示被动式辐射器扩音器系统80在采样时间t处的状态(“状态向量表示”)，其中，状态向量表示xpr(t)根据下面提供的方程(18)来定义：
其中，p是被动式辐射器扩音器系统80中的声压。出于说明目的，项xpr(t)和项xpr在本说明书中可互换使用。
用apr和bpr总体表示恒定参数矩阵。在一个实施例中，恒定参数矩阵apr和bpr根据下面提供的方程(19)-方程(20)来表示：
用
轨迹规划单元310被配置为基于上文提供的方程(21)来确定每个采样时间t处的目标位移y*。
在一个实施例中，前馈控制单元320被配置为：(1)基于从轨迹规划单元310接收的在采样时间t处的目标位移y*和被动式辐射器扩音器系统80的至少一个其他物理模型，确定可以产生目标位移y*的控制电压
在一个实施例中，前馈控制单元320使用被动式辐射器扩音器系统80的非线性模型来确定控制电压
其中，方程(22)是主动式扬声器驱动器55的机械方程，
其中，方程(23)是主动式扬声器驱动器55的电方程，
其中，方程(24)是被动式辐射器85的方程，以及
其中，方程(25)是被动式辐射器扩音器系统80中的声压的方程。
在一个实施例中，前馈控制单元320实现前馈控制以确定每个采样时间t的控制电压
其中，方程(26)是从上面提供的方程(24)导出的，并且将从轨迹规划单元310接收的采样时间t的目标位移y*用作输入(即，将方程(26)中的输入y替换为y*)。
由前馈控制单元320执行的一组计算还包括基于下面提供的方程(27)确定采样时间t的主动式扬声器驱动器55的一个或多个活动组件(例如，振膜56和/或驱动音圈57)的估计位移x：
其中，方程(27)是从上面提供的方程(25)导出的，并且将声压p(根据上面提供的方程(26)确定)和被动式辐射器85的估计位移y用作输入(y＝y*)。
由前馈控制单元320执行的一组计算还包括基于下面提供的方程(28)，确定在采样时间t处通过主动式扬声器驱动器55汲取的电流i：
其中，方程(28)是从上面提供的方程(22)导出的，并且将采样时间t的声压p(根据上面提供的方程(26)确定)和估计位移x(根据上面提供的方程(27)确定)用作输入。
由前馈控制单元320执行的一组计算还包括基于下面提供的方程(29)确定采样时间t的控制电压
其中，方程(29)是从上面提供的方程(23)导出的，并且将采样时间t的估计位移x(根据上面提供的方程(27)确定)和电流量i(根据上面提供的方程(28)确定)用作输入。
在一个实施例中，放大器60是电压放大器，其被配置为基于从前馈控制单元320接收的控制电压
在一个实施例中，控制器300被配置为，在每个采样时间t监测通过被动式辐射器扩音器系统80汲取的电流i，并其基于在采样时间t处的电流i和目标电流i*之间的比较来确定用于通过反馈控制单元320实现的对前馈控制进行校正的预测误差。例如，在一个实施例中，控制器300还包括用于实现反馈控制的以下可选组件中的一个或多个：(1)比较单元340，其被配置为确定表示采样时间t的测量电流i和目标电流i*之差的电流误差δi，以及(2)反馈控制单元330，其被配置为基于该电流误差δi，生成用于通过反馈控制单元330实现的对前馈控制进行校正的包括预测误差的一个或多个模型扩音器参数。例如，在一个实施例中，基于预测误差来调整非线性模型的一个或多个扩音器参数。
在另一个实施例中(例如，放大器60是被配置为基于从前馈控制单元320接收的目标电流i*来放大源信号的电流放大器)，控制器300被配置为监测在每个采样时间t驱动主动式扬声器驱动器55的电压u*，并基于采样时间t的电压u*和控制电压
基于所生成的模型扩音器参数而执行的任何最终的校正都可以补偿与由控制器300使用的物理模型和/或音频漂移(例如，由于过度位移引起的扩音器设备过热而导致)相关联的一种或多种不准确性(例如，制造偏差)。
在一个实施例中，通过控制器300实现的反馈控制可以是自适应的(例如，在线系统辨识)。在另一个实施例中，通过控制器300实现的反馈控制可以是直接的(例如，比例-积分-微分控制)。
在另一个实施例中，如果主动式扬声器驱动器55具有公知且稳定的特性，则前馈控制单元320不需要考虑任何预测误差，从而消除了对反馈控制单元330和比较单元340的需要。
在另一个实施例中，代替对被动式辐射器85进行线性化，将轨迹规划单元310配置为，对主动式扬声器驱动器55的一个或多个活动组件(例如，振膜56和/或驱动音圈57)的位移进行线性化。具体地，将轨迹规划单元310配置为：基于从输入源10接收的输入电压u和被动式辐射器扩音器系统80的至少一个物理模型来确定在每个采样时间t处的一个或多个活动组件的目标位移x*。类似地，将前馈控制单元320配置为：基于从轨迹规划单元310接收的采样时间t的目标位移x*和被动式辐射器扩音器系统80的至少一个其他物理模型，确定可以产生目标位移x*的控制电压
图8是根据实施例的对具有非线性控制的被动式辐射器扩音器系统和没有非线性控制的不同被动式辐射器扩音器系统的频率响应进行比较的示例曲线图500。曲线图500的横轴表示以hz为单位的频率。曲线图500的纵轴表示以分贝(db)为单位的声压级。曲线图500包括以下中的每一项：(1)第一曲线501，其表示具有非线性控制的第一被动式辐射器扩音器系统(例如，被动式辐射器扩音器系统80)的频率响应，以及(2)第二曲线502，其表示没有非线性控制的第二被动式辐射器系统的频率响应。如图8所示，没有非线性控制的第二被动式辐射器扩音器系统的频率响应比具有非线性控制的第一被动式辐射器扩音器系统的频率响应具有更陡峭的滚降。
如果第二被动式辐射器扩音器系统与非线性控制系统100(例如，控制器300)的一个或多个组件集成在一起，则非线性控制系统100可以在保持低音频失真和确保第二被动式辐射器扩音器系统的一个或多个活动组件(例如，振膜和/或驱动音圈)的位移在安全的操作范围之内的同时，将第二非线性辐射器扩音器系统的频率响应的滚降在低声音频率中扩展。非线性控制系统100提供实现由如图8所示的方向箭头所示的低音扩展的低音反射系统。
图9是根据实施例的用于实现用于倒相式音箱扩音器系统的非线性控制系统的处理700的示例流程图。处理框701包括：接收经由倒相式音箱扩音器系统(例如，倒相式音箱扩音器系统70)的扬声器驱动器(例如，主动式扬声器驱动器55)进行再现的源信号。处理框702包括：基于倒相式音箱扩音器系统的第一物理模型来确定扬声器驱动器的一个或多个活动组件(例如，振膜56和/或驱动音圈57)的目标位移和倒相式音箱扩音器系统中的目标声压。处理框703包括：基于目标位移、目标声压、以及倒相式音箱扩音器系统的第二物理模型来生成控制电压，其中，在源信号的再现期间，一个或多个活动组件的实际位移是基于该控制电压来控制的。
在一个实施例中，非线性控制系统100的一个或多个组件(例如，控制器200)被配置为执行处理框701-处理框703。
图10是根据实施例的用于实现用于被动式辐射器扩音器系统的非线性控制系统的处理800的示例流程图。处理框801包括：接收经由被动式辐射器扩音器系统(例如，被动式辐射器扩音器系统80)的扬声器驱动器(例如，主动式扬声器驱动器55)进行再现的源信号。处理框802包括：基于被动式辐射器扩音器系统的第一物理模型来确定被动式辐射器扩音器系统的组件(例如，被动式辐射器85、或主动式扬声器驱动器55的一个或多个活动组件，例如振膜56和/或驱动音圈57)的目标位移。处理框803包括：基于目标位移和被动式辐射器扩音器系统的第二物理模型来生成控制电压，其中，在源信号的再现期间，主动式扬声器驱动器的一个或多个活动组件(例如，振膜56和/或驱动音圈57)的实际位移是基于该控制电压来控制的。
在一个实施例中，非线性控制系统100的一个或多个组件(例如，控制器300)被配置为执行处理框801-处理框803。
图11是示出包括用于实现各个公开的实施例的计算机系统600在内的信息处理系统的高层框图。计算机系统600包括一个或多个处理器601，并且还可以包括电子显示设备602(用于显示视频、图形、文本和其他数据)、主存储器603(例如，随机存取存储器(ram))、存储设备604(例如，硬盘驱动器)、可移动存储设备605(例如，可移动存储驱动器、可移动存储器模块、磁带驱动器、光盘驱动器、其中存储有计算机软件和/或数据的计算机可读介质)、用户接口设备606(例如，键盘、触摸屏、键区、指点设备)和通信接口607(例如，调制解调器、网络接口(例如，以太网卡)、通信端口或pcmcia插槽和卡)。
通信接口607允许软件和数据在计算机系统600和外部设备之间传输。非线性控制器600还包括通信基础架构608(例如，通信总线、交叉杆或网络)，上述设备/模块601至607连接到该通信基础架构608。
经由通信接口607传输的信息可以具有信号的形式，例如电子信号、电磁信号、光学信号或能够经由承载信号的通信链路由通信接口607接收的其他信号，并且可以使用电线或电缆、光纤光学器件、电话线、蜂窝电话链路、射频(rf)链路和/或其他通信信道来实现。表示本文的框图和/或流程图的计算机程序指令可以被加载到计算机、可编程数据处理装置或处理设备上，以使得在其上执行一系列操作以产生计算机实现的处理。在一个实施例中，用于处理700(图9)和处理800(图10)的处理指令可以作为程序指令存储在存储器603、存储设备604和/或可移动存储设备605上以供处理器601执行。
已经参考方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或框图来描述实施例。在一些情况下，这些图示/图的每个框或其组合可以由计算机程序指令来实现。当被提供给处理器时，计算机程序指令产生机器，使得经由处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图中指定的功能/操作的装置。流程图/框图中的每个框可以表示硬件和/或软件模块或逻辑。在备选实现中，框中记录的功能可能以附图中记录的顺序之外的顺序发生、并发地发生等。
术语“计算机程序介质”、“计算机可用介质”、“计算机可读介质”和“计算机程序产品”通常用于指代诸如主存储器、辅助存储器、可移动存储驱动器、安装在硬盘驱动器中的硬盘、和信号之类的介质。这些计算机程序产品是用于向计算机系统提供软件的装置。计算机可读介质允许计算机系统从计算机可读介质读取数据、指令、消息或消息分组以及其他计算机可读信息。计算机可读介质例如可以包括非易失性存储器，例如软盘、rom、闪存、盘驱动器存储器、cd-rom和其他永久存储器。例如，在计算机系统之间传输诸如数据和计算机指令之类的信息是有用的。计算机程序指令可以存储在计算机可读介质中，所述计算机可读介质可以指导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备按照具体的方式工作，使得在计算机可读介质中存储的指令产生制品，所述制品包括实现所述流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的指令。
如本领域技术人员所意识到的：实施例的各方面可以体现为系统、方法或计算机程序产品。从而，实施例的各方面可以采取全硬件实施例、全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)或组合了软件和硬件方面的实施例的形式，它们在本文中可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，实施例的各方面可以采取在一个或多个计算机可读介质中体现的计算机程序产品的形式，所述一个或多个计算机可读介质具有体现于其上的计算机可读程序代码。
可以使用一个或多个计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读存储介质(例如，非暂时性计算机可读存储介质)。计算机可读存储介质可以是例如(但不限于)电、磁、光、电磁、红外、或半导体系统、装置或设备、或者前述各项的任意适当的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例(非穷尽性列表)将包括以下各项：具有一个或多个电线的电连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式高密度盘只读存储器(cd-rom)、光学存储设备、磁存储设备、或前述各项的任何合适的组合。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是任何有形介质，其可以包含或存储由指令执行系统、装置或设备使用的程序或与指令执行系统、装置或设备相关联的程序。
用于执行一个或多个实施例的各方面的操作的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言的任何组合来编写，包括面向对象的编程语言(例如，java、smalltalk、c++等)以及传统的程序化编程语言(例如，“c”编程语言或类似编程语言)。程序代码可以完全在用户的计算机上执行，部分在用户的计算机上执行，作为独立软件包来执行，部分在用户计算机上且部分在远程计算机上执行，或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种场景下，远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(lan)或广域网(wan))连接到用户的计算机，或者可以连接外部计算机(例如，通过使用互联网服务提供商的互联网)。
在一些情况下，上文参考方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或框图描述了一个或多个实施例的各方面。在一些情况下，应当理解：流程图图示和/或框图中的每一个框、以及流程图图示和/或框图中的多个框的组合可以通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可被提供给专用计算机或用来生产机器的其他可编程数据处理装置，使得该指令(经由计算机的处理器或其他可编程数据处理装置执行)创建用来实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的装置。
这些计算机程序指令也可以存储在指导计算机或其他可编程数据处理装置或其它设备以特定方式工作的计算机可读介质中，使得计算机可读介质中存储的指令生产包括实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的指令在内的制品。
计算机程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以使得一系列操作步骤在计算机、其他可编程设备或其他设备上执行，以产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的过程。
附图中的各流程图和框图示出了根据各种实施例的各系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示模块、段或指令的一部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些备选实现中，框中记录的功能可能以附图中所记录的顺序之外的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可能是基本并发执行的，或者所述框在某些时候会以相反的顺序执行，这取决于所涉及到的功能。还将注意到，框图和/或流程图图示的每个框、以及框图和/或流程图图示中框的组合可以由基于专用硬件的系统来实现，该系统执行指定的功能或动作，或执行专用硬件和计算机指令的组合。
除非明确地阐述，否则权利要求中对单数形式的元素的引用不意图表示“一个且仅一个”，而是“一个或多个”。与上述示例性实施例的元素等价的、本领域的普通技术人员当前已知的或未来将知晓的所有结构和功能等价物旨在由本权利要求涵盖。除非使用短语“用于...的装置”或“用于...的步骤”来明确陈述元素，否则不应按照pre-aia35u.s.c.第112节第六款的规定来解释本文权利要求中的元素。
本文中所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例的目的，而不是意在限制本公开。如本文使用的，单数形式“一”，“一个”和“所述”意在还包括复数形式，除非上下文明确地给出相反的指示。还将理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，指定了存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，但是并没有排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其组合。
随附的权利要求书中的所有手段或步骤加功能元素的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括与特别要求保护的其它要求保护的元素相组合地执行该功能的任何结构、材料或动作。已经为了说明和描述的目的而呈现了对实施例的描述，但并不旨在以所公开的形式穷举或限于这些实施例。在不脱离本公开的范围的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员是显然的。
尽管已经参考实施例的某些版本描述了实施例；但其它版本是可能的。因此，所附权利要求的精神和范围不应限于对本文包含的优选版本的描述。
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