本發(fā)明涉及聲學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種揚聲器振膜狀態(tài)估計方法及應(yīng)用其的揚聲器驅(qū)動電路。

背景技術(shù)：

揚聲器基于電磁線圈產(chǎn)生電磁場驅(qū)動振膜振動發(fā)聲。揚聲器的額定功率受到其最大振膜偏移量的限制。如果振膜偏移量超過其最大安全偏移量，則可能會導(dǎo)致?lián)P聲器不可恢復(fù)的損壞。某些特殊情況下，可以使揚聲器的輸出功率大于額定功率，同時振膜偏移小于最大安全偏移量，從而在保證器件安全的前提下輸出大于額定功率的聲音，提高揚聲器的利用率。特別是在便攜式設(shè)備中，對揚聲器體積要求較高，揚聲器的額定功率受限，能夠產(chǎn)生的最大聲壓也受到限制，因此，對保證揚聲器振膜在安全工作范圍內(nèi)，同時擴(kuò)大其輸出功率，增大輸出聲壓的需求越來越高。

為了實現(xiàn)上述目的，需要準(zhǔn)確估計揚聲器振膜的位移，傳統(tǒng)的檢測振膜位移的方法有采用激光測位移和激光測速或者聲壓檢測等方法，然而這些方法均需要使用傳感器，使得揚聲器系統(tǒng)裝置的體積大，不易安裝，難以實現(xiàn)，且成本高，因此這些方法通常只能用于科學(xué)實驗，很難應(yīng)用到實際產(chǎn)品中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種揚聲器振膜狀態(tài)估計方法及應(yīng)用其的揚聲器驅(qū)動電路，以快速、準(zhǔn)確地估計揚聲器振膜狀態(tài)，從而為實現(xiàn)對于揚聲器的精確控制提供支持。

第一方面，提供一種揚聲器振膜狀態(tài)估計方法，包括：

通過自適應(yīng)濾波方法調(diào)整振膜位移模型的權(quán)重值，直至使得揚聲器驅(qū)動電壓估計值與揚聲器的驅(qū)動電壓測量值的誤差小于預(yù)定閾值；

根據(jù)最終確定的權(quán)重值對應(yīng)的振膜位移模型估計揚聲器的振膜相對位移；

其中，所述振膜位移模型根據(jù)當(dāng)前時刻輸入電流、當(dāng)前時刻振膜相對速度估計值和當(dāng)前時刻振膜相對位移估計值組成的向量與權(quán)重值向量的乘積計算下一時刻的振膜相對速度，并根據(jù)當(dāng)前時刻振膜速度估計值、當(dāng)前時刻輸入電流和揚聲器直流阻抗計算所述驅(qū)動電壓估計值。

優(yōu)選地，所述通過自適應(yīng)濾波方法調(diào)整振膜位移模型的權(quán)重值包括：

根據(jù)當(dāng)前權(quán)重值對應(yīng)的振膜位移模型計算下一時刻的振膜相對速度和振膜相對位移，并計算當(dāng)前時刻的驅(qū)動電壓估計值；

根據(jù)當(dāng)前時刻的揚聲器驅(qū)動電壓估計值和驅(qū)動電壓測量值計算誤差；

在所述誤差大于預(yù)定閾值時，基于自適應(yīng)濾波方法根據(jù)揚聲器參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)更新所述權(quán)重值。

優(yōu)選地，所述振膜位移模型為：

其中，R為所述揚聲器直流阻抗，i(k)為時刻k的輸入電流，v(k)為時刻k的振膜速度，u(k)為時刻k的驅(qū)動電壓估計值，s(k)為振膜相對位移，a，b，c分別為i(k)、v(k)和s(k)對應(yīng)的權(quán)重值。

優(yōu)選地，所述自適應(yīng)濾波方法為最小均方算法(LMS)。

優(yōu)選地，所述揚聲器直流阻抗通過估計獲得。

優(yōu)選地，所述方法還包括：

根據(jù)振膜相對位移與振膜絕對位移的預(yù)定關(guān)系以及計算獲得的振膜相對位移獲取振膜絕對位移。

優(yōu)選地，所述振膜相對位移與振膜絕對位移的預(yù)定關(guān)系為預(yù)先測定的比例系數(shù)。

第二方面，一種揚聲器驅(qū)動電路，包括處理器，所述處理器適于執(zhí)行如上所述的方法。

通過將輸入電流、估計得到的揚聲器振膜相對速度和相對位移作為輸入，將揚聲器的驅(qū)動電壓作為輸出，將非線性的電機(jī)耦合系數(shù)標(biāo)幺化為1獲得更為簡化的揚聲器振膜位移模型，基于自適應(yīng)濾波方法調(diào)整振膜位移模型的權(quán)重值，直至使得驅(qū)動電壓估計值與驅(qū)動電壓測量值的誤差小于預(yù)定閾值，并根據(jù)最終確定的額權(quán)重值來對振膜相對位移進(jìn)行估計，從而可以快速、準(zhǔn)確地估計揚聲器振膜位移，實現(xiàn)對于揚聲器的精確控制。

附圖說明

通過以下參照附圖對本發(fā)明實施例的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中：

圖1是本發(fā)明實施例的揚聲器振膜狀態(tài)估計方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例的揚聲器振膜狀態(tài)估計方法的數(shù)據(jù)流圖；

圖3為揚聲器的電磁和機(jī)械振動模型的示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例中進(jìn)行權(quán)重值調(diào)整的流程圖。

具體實施方式

以下基于實施例對本發(fā)明進(jìn)行描述，但是本發(fā)明并不僅僅限于這些實施例。在下文對本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。為了避免混淆本發(fā)明的實質(zhì)，公知的方法、過程、流程、元件和電路并沒有詳細(xì)敘述。

此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。

除非上下文明確要求，否則整個說明書和權(quán)利要求書中的“包括”、“包含”等類似詞語應(yīng)當(dāng)解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限于”的含義。

圖1是本發(fā)明實施例的揚聲器振膜狀態(tài)估計方法的流程圖；圖2是本發(fā)明實施例的揚聲器振膜狀態(tài)估計方法的數(shù)據(jù)流圖。如圖1和圖2所示，本發(fā)明實施例的揚聲器振膜狀態(tài)估計方法包括：

步驟S100、通過自適應(yīng)濾波方法調(diào)整振膜位移模型的權(quán)重值，直至使得驅(qū)動電壓估計值與驅(qū)動電壓測量值的誤差小于預(yù)定閾值。

其中，所述振膜位移模型根據(jù)當(dāng)前時刻輸入電流、當(dāng)前時刻振膜相對速度估計值和當(dāng)前時刻振膜位移估計值組成的向量與權(quán)重值向量的乘積計算下一時刻的振膜相對速度，并根據(jù)當(dāng)前時刻振膜相對速度估計值、當(dāng)前時刻輸入電流和揚聲器直流阻抗計算所述揚聲器驅(qū)動電壓估計值。也即，在本發(fā)明實施例的振膜位移模型中，權(quán)重值的數(shù)量較少。

具體地，圖3為揚聲器的電磁和機(jī)械振動模型的示意圖。揚聲器的振膜受電磁線圈產(chǎn)生的磁場的驅(qū)動而振動發(fā)聲。在圖3中，回路1為驅(qū)動線圈的等效電路。u_in為驅(qū)動電壓，也即輸入到驅(qū)動線圈(或稱音圈)的輸入電壓；R為驅(qū)動線圈的電阻(也即，揚聲器的直流阻抗)；L為驅(qū)動線圈的電感，l為驅(qū)動線圈的總長度，B為驅(qū)動線圈的磁體與振膜磁體隙縫的磁感應(yīng)強(qiáng)度，也即，在驅(qū)動線圈不通電時，設(shè)置于驅(qū)動線圈的永磁體和振膜的永磁體的磁極間隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，其為一基本不變的值。i為回路1中電流也即驅(qū)動線圈中的電流，被驅(qū)動側(cè)的耦合電壓。

在圖3中，回路2為與驅(qū)動線圈耦合的機(jī)械振動系統(tǒng)等效模型，其中，將機(jī)械力學(xué)系統(tǒng)中的不同參量等效為電路部件，以方便后續(xù)對于模型的進(jìn)一步簡化。電磁感應(yīng)力由感應(yīng)電壓u_in產(chǎn)生，可等效為回路2中電流。其中，機(jī)械振動系統(tǒng)的質(zhì)量以及振膜的力順和機(jī)械振動系統(tǒng)的阻尼均對于施加的力具有不同的屬性，將其分別等效為并列的電容、電感和電阻。

由此，可以得到輸入電流i、驅(qū)動電壓u_in、振膜速度v和振膜位移s之間的關(guān)系滿足：

其中，m為揚聲器的振膜質(zhì)量，R_m為揚聲器的機(jī)械阻尼，k為振膜的彈力系數(shù)。

如果直接使用公式(1)的模型來進(jìn)行振膜位移估計，需要獲取的參數(shù)太多，計算復(fù)雜。同時，Bl為非線性參數(shù)，其穩(wěn)定性較差，同時，在計算時需要對揚聲器的電-機(jī)系統(tǒng)和機(jī)械-聲音系統(tǒng)進(jìn)行建模，模型的權(quán)重值參數(shù)多，計算復(fù)雜。

由于電感主要對高頻交流電有響應(yīng)，其對于驅(qū)動電壓u_in的影響可以忽略，因此，可以在模型中省略電感相關(guān)成分。同時，非線性參數(shù)Bl標(biāo)幺化為1，忽略其非線性特性。對應(yīng)地，在忽略模型中的非線性部分后，對應(yīng)的位移被轉(zhuǎn)換為相對位移參量。由此，可以得到作為本發(fā)明實施例基礎(chǔ)的振膜位移模型：

其中，a、b、c為模型的權(quán)重值，s(k)表示時刻k振膜的相對位移。將振膜相對速度v(k)的系數(shù)取為1-b有利于使得模型更加穩(wěn)定。

在公式(2)中，揚聲器的直流阻抗R可以為預(yù)定值，也可以通過現(xiàn)有的方法計算或估計獲得。優(yōu)選地，揚聲器的直流阻抗R可以根據(jù)中國專利申請CN104640053A中披露的方法估計獲取。因此，在模型中R是已知的，不需要通過模型的迭代獲取。

在此基礎(chǔ)上，只需要更新公式(2)中的三個權(quán)重值a、b、c就可以對振膜相對位移s進(jìn)行估計。

在本發(fā)明實施例中，將輸入電流、估計得到的揚聲器振膜相對速度和相對位移作為輸入，將揚聲器的驅(qū)動電壓作為輸出，通過自適應(yīng)濾波方法來調(diào)整位移模型的三個權(quán)重值，直到驅(qū)動電壓估計值u_e與驅(qū)動電壓測量值u_d的誤差e收斂(也即，小于預(yù)定的閾值)。此時，可以認(rèn)為當(dāng)前權(quán)重值對應(yīng)的振膜位移模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬揚聲器的狀態(tài)。該模型可以適用于進(jìn)行后續(xù)的振膜位移估計。由此，可以實現(xiàn)在線進(jìn)行揚聲器狀態(tài)的估計。

圖4是本發(fā)明實施例中進(jìn)行權(quán)重值調(diào)整的流程圖。如圖4所示，步驟S100可以具體包括如下步驟：

步驟S110、根據(jù)當(dāng)前權(quán)重值a(k)、b(k)、c(k)對應(yīng)的振膜位移模型計算下一時刻的振膜相對速度v(k+1)和振膜相對位移s(k+1)，并計算當(dāng)前時刻的驅(qū)動電壓估計值u(k)。

優(yōu)選地，根據(jù)公式(2)，可以根據(jù)如下公式來執(zhí)行步驟S110：

v(k+1)＝a(k)*i(k)+(1-b(k))*v(k)+c(k)*s(k)

s(k+1)＝ts*v(k)+s(k)

u(k)＝v(k)+R*i(k)

其中，ts為兩個相鄰時刻之間的時間長度，u(k)為驅(qū)動電壓估計值。

步驟S120、根據(jù)當(dāng)前時刻的揚聲器驅(qū)動電壓估計值和電壓將測量值計算誤差。

通常，通過計算差值既可以獲得誤差，也即：

e(k)＝umeas(k)-u(k)

e(k)為當(dāng)前的誤差，umeas(k)為驅(qū)動電壓測量值。

步驟S130、在所述誤差大于預(yù)定閾值時，基于自適應(yīng)濾波方法根據(jù)揚聲器參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)更新所述權(quán)重值。

具體地，可以采用各種適用于進(jìn)行系統(tǒng)辨識的自適應(yīng)濾波算法來進(jìn)行權(quán)重值的更新。

優(yōu)選地，可以采用最小均方算法(Least Mean Square，LMS)來進(jìn)行權(quán)重值的更新。LMS算法可以使得濾波器的輸出信號與期望響應(yīng)之間的誤差的均方值最小。在LMS算法中，定義權(quán)重向量W(k)＝[a(k),b(k),c(k)]，選取迭代因子mua,mub,muc，計算每次的權(quán)重向量值。具體地，按照下述公式來更新權(quán)重向量：

sa(k)＝ts*va(k-1)+sa(k-1)；

va(k)＝(1-b(k))*va(k-1)+c(k)*sa(k-1)+i(k)；

ua(k)＝va(k)；

a(k+1)＝a(k)+mua*e(k)*ua(k)；

sb(k)＝ts*vb(k-1)+sb(k-1)；

vb(k)＝(1-b(k))*vb(k-1)+c(k)*sb(k-1)-vest(k-1)；

ub(k)＝vb(k)；

b(k+1)＝b(k)+mub*e(k)*ub(k)；

sc(k)＝ts*vc(k-1)+sc(k-1)；

vc(k)＝(1-b(k))*vc(k-1)+c(k)*sc(k-1)+sest(k-1)；

uc(k)＝vc(k)；

c(k+1)＝c(k)+muc*e(k)*uc(k)

上述公式中，sa，sb，sc分別為振膜位移對權(quán)重向量a，b，c的梯度向量。ua，ub，uc分別是電壓對權(quán)重向量a，b，c的梯度向量。va，vb，vc分別是振相對膜速度對權(quán)重向量a，b，c的梯度向量。

在步驟S130執(zhí)行完成后，返回步驟S110，如此迭代，直至驅(qū)動電壓估計值與驅(qū)動電壓測量值的誤差滿足預(yù)期。

當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，也可以其它各種現(xiàn)有的自適應(yīng)濾波算法來迭代更新所述模型參數(shù)。

步驟S200、根據(jù)最終確定的權(quán)重值對應(yīng)的振膜位移模型估計揚聲器的振膜相對位移。

基于該確定振膜位移模型來計算位移則可以準(zhǔn)確定估計振膜位移。同時，由于需要調(diào)整更新的參數(shù)少，對于振膜位移模型的構(gòu)建流程可以快速收斂。

在獲得相對位移后，可以直接根據(jù)相對位移來執(zhí)行相應(yīng)的控制。在某些情形下，還需要進(jìn)一步根據(jù)相對位移估計振膜的絕對位移。因此，本發(fā)明還可選地包括步驟S300，根據(jù)振膜相對位移與振膜絕對位移的預(yù)定關(guān)系以及計算獲得的振膜相對位移獲得振膜絕對位移。

如上所述，由于在模型中將BL標(biāo)幺化為1，減少系統(tǒng)辨識參數(shù)，使得模型中估計獲得的s(k)僅僅為相對位移而非絕對位移。由于絕對位移與非線性參數(shù)Bl相關(guān)，因此，其呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性特性。在本發(fā)明實施例中，可以同時比較試驗測量獲得振膜絕對位移以及模型估計的振膜相對位移，建立兩者的對應(yīng)關(guān)系。在步驟S300中，基于該預(yù)先獲得對應(yīng)關(guān)系，可以根據(jù)振膜相對位移獲取對應(yīng)的振膜絕對位移。該對應(yīng)關(guān)系可以體現(xiàn)為對應(yīng)關(guān)系表，或根據(jù)對應(yīng)關(guān)系建立的兩者的比例函數(shù)曲線。

由于收斂快且具有較好的準(zhǔn)確度，本發(fā)明的方法適于應(yīng)用于需要實時估計揚聲器振膜的揚聲器驅(qū)動電路，其適于被設(shè)計為數(shù)字集成電路進(jìn)行處理或以程序形式由通用處理器來執(zhí)行。

通過將輸入電流、估計得到的揚聲器振膜相對速度和相對位移作為輸入，將揚聲器的驅(qū)動電壓作為輸出，將非線性的電機(jī)耦合系數(shù)標(biāo)幺化為1獲得更為簡化的揚聲器振膜位移模型，基于自適應(yīng)濾波方法調(diào)整振膜位移模型的權(quán)重值，直至使得驅(qū)動電壓估計值與驅(qū)動電壓測量值的誤差小于預(yù)定閾值，并根據(jù)最終確定的額權(quán)重值來對振膜相對位移進(jìn)行估計，從而可以快速、準(zhǔn)確地估計揚聲器振膜位移，實現(xiàn)對于揚聲器的精確控制。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明可以有各種改動和變化。凡在本發(fā)明的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。