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

背景技術(shù)：

揚(yáng)聲器基于電磁線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)振膜振動(dòng)發(fā)聲。揚(yáng)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(huì)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(yáng)聲器的輸出功率大于額定功率，同時(shí)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(yáng)聲器的利用率。特別是在便攜式設(shè)備中，對(duì)揚(yáng)聲器體積要求較高，揚(yáng)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(duì)保證揚(yáng)聲器振膜在安全工作范圍內(nèi)，同時(shí)擴(kuò)大其輸出功率，增大輸出聲壓的需求越來越高。

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

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種揚(yáng)聲器振膜狀態(tài)估計(jì)方法及應(yīng)用其的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路，以快速、準(zhǔn)確地估計(jì)揚(yáng)聲器振膜狀態(tài)，從而為實(shí)現(xiàn)對(duì)于揚(yáng)聲器的精確控制提供支持。

第一方面，提供一種揚(yáng)聲器振膜狀態(tài)估計(jì)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(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電壓估計(jì)值與揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)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(duì)應(yīng)的振膜位移模型估計(jì)揚(yáng)聲器的振膜相對(duì)位移；

其中，所述振膜位移模型根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻輸入電流、當(dāng)前時(shí)刻振膜相對(duì)速度估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻振膜相對(duì)位移估計(jì)值組成的向量與權(quán)重值向量的乘積計(jì)算下一時(shí)刻的振膜相對(duì)速度，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻振膜速度估計(jì)值、當(dāng)前時(shí)刻輸入電流和揚(yáng)聲器直流阻抗計(jì)算所述驅(qū)動(dòng)電壓估計(jì)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(duì)應(yīng)的振膜位移模型計(jì)算下一時(shí)刻的振膜相對(duì)速度和振膜相對(duì)位移，并計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的驅(qū)動(dòng)電壓估計(jì)值；

根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電壓估計(jì)值和驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)量值計(jì)算誤差；

在所述誤差大于預(yù)定閾值時(shí)，基于自適應(yīng)濾波方法根據(jù)揚(yáng)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(yáng)聲器直流阻抗，i(k)為時(shí)刻k的輸入電流，v(k)為時(shí)刻k的振膜速度，u(k)為時(shí)刻k的驅(qū)動(dòng)電壓估計(jì)值，s(k)為振膜相對(duì)位移，a，b，c分別為i(k)、v(k)和s(k)對(duì)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(yáng)聲器直流阻抗通過估計(jì)獲得。

優(yōu)選地，所述方法還包括：

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

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

第二方面，一種揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)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(jì)得到的揚(yáng)聲器振膜相對(duì)速度和相對(duì)位移作為輸入，將揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化的揚(yáng)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(dòng)電壓估計(jì)值與驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)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(duì)振膜相對(duì)位移進(jìn)行估計(jì)，從而可以快速、準(zhǔn)確地估計(jì)揚(yáng)聲器振膜位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)于揚(yáng)聲器的精確控制。

附圖說明

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

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的揚(yáng)聲器振膜狀態(tài)估計(jì)方法的流程圖；

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

圖3為揚(yáng)聲器的電磁和機(jī)械振動(dòng)模型的示意圖；

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

具體實(shí)施方式

以下基于實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，但是本發(fā)明并不僅僅限于這些實(shí)施例。在下文對(duì)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(duì)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(shí)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(gè)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(shí)施例的揚(yáng)聲器振膜狀態(tài)估計(jì)方法的流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的揚(yáng)聲器振膜狀態(tài)估計(jì)方法的數(shù)據(jù)流圖。如圖1和圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的揚(yáng)聲器振膜狀態(tài)估計(jì)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(dòng)電壓估計(jì)值與驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)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(shí)刻輸入電流、當(dāng)前時(shí)刻振膜相對(duì)速度估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻振膜位移估計(jì)值組成的向量與權(quán)重值向量的乘積計(jì)算下一時(shí)刻的振膜相對(duì)速度，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻振膜相對(duì)速度估計(jì)值、當(dāng)前時(shí)刻輸入電流和揚(yáng)聲器直流阻抗計(jì)算所述揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電壓估計(jì)值。也即，在本發(fā)明實(shí)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(yáng)聲器的電磁和機(jī)械振動(dòng)模型的示意圖。揚(yáng)聲器的振膜受電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)而振動(dòng)發(fā)聲。在圖3中，回路1為驅(qū)動(dòng)線圈的等效電路。u_in為驅(qū)動(dòng)電壓，也即輸入到驅(qū)動(dòng)線圈(或稱音圈)的輸入電壓；R為驅(qū)動(dòng)線圈的電阻(也即，揚(yáng)聲器的直流阻抗)；L為驅(qū)動(dòng)線圈的電感，l為驅(qū)動(dòng)線圈的總長度，B為驅(qū)動(dòng)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(dòng)線圈不通電時(shí)，設(shè)置于驅(qū)動(dòng)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(dòng)線圈中的電流，被驅(qū)動(dòng)側(cè)的耦合電壓。

在圖3中，回路2為與驅(qū)動(dòng)線圈耦合的機(jī)械振動(dòng)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(duì)于模型的進(jìn)一步簡(jiǎn)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(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量以及振膜的力順和機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼均對(duì)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(dòng)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(yáng)聲器的振膜質(zhì)量，R_m為揚(yáng)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(jì)，需要獲取的參數(shù)太多，計(jì)算復(fù)雜。同時(shí)，Bl為非線性參數(shù)，其穩(wěn)定性較差，同時(shí)，在計(jì)算時(shí)需要對(duì)揚(yáng)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(jì)算復(fù)雜。

由于電感主要對(duì)高頻交流電有響應(yīng)，其對(duì)于驅(qū)動(dòng)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(shí)，非線性參數(shù)Bl標(biāo)幺化為1，忽略其非線性特性。對(duì)應(yīng)地，在忽略模型中的非線性部分后，對(duì)應(yīng)的位移被轉(zhuǎn)換為相對(duì)位移參量。由此，可以得到作為本發(fā)明實(shí)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(shí)刻k振膜的相對(duì)位移。將振膜相對(duì)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(yáng)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(jì)算或估計(jì)獲得。優(yōu)選地，揚(yáng)聲器的直流阻抗R可以根據(jù)中國專利申請(qǐng)CN104640053A中披露的方法估計(jì)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(gè)權(quán)重值a、b、c就可以對(duì)振膜相對(duì)位移s進(jìn)行估計(jì)。

在本發(fā)明實(shí)施例中，將輸入電流、估計(jì)得到的揚(yáng)聲器振膜相對(duì)速度和相對(duì)位移作為輸入，將揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)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(gè)權(quán)重值，直到驅(qū)動(dòng)電壓估計(jì)值u_e與驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)量值u_d的誤差e收斂(也即，小于預(yù)定的閾值)。此時(shí)，可以認(rèn)為當(dāng)前權(quán)重值對(duì)應(yīng)的振膜位移模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬揚(yáng)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(jì)。由此，可以實(shí)現(xiàn)在線進(jìn)行揚(yáng)聲器狀態(tài)的估計(jì)。

圖4是本發(fā)明實(shí)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(duì)應(yīng)的振膜位移模型計(jì)算下一時(shí)刻的振膜相對(duì)速度v(k+1)和振膜相對(duì)位移s(k+1)，并計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的驅(qū)動(dòng)電壓估計(jì)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(gè)相鄰時(shí)刻之間的時(shí)間長度，u(k)為驅(qū)動(dòng)電壓估計(jì)值。

步驟S120、根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電壓估計(jì)值和電壓將測(cè)量值計(jì)算誤差。

通常，通過計(jì)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(dòng)電壓測(cè)量值。

步驟S130、在所述誤差大于預(yù)定閾值時(shí)，基于自適應(yīng)濾波方法根據(jù)揚(yáng)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(shí)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(hào)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(jì)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(duì)權(quán)重向量a，b，c的梯度向量。ua，ub，uc分別是電壓對(duì)權(quán)重向量a，b，c的梯度向量。va，vb，vc分別是振相對(duì)膜速度對(duì)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(dòng)電壓估計(jì)值與驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)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(duì)應(yīng)的振膜位移模型估計(jì)揚(yáng)聲器的振膜相對(duì)位移。

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

在獲得相對(duì)位移后，可以直接根據(jù)相對(duì)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(duì)位移估計(jì)振膜的絕對(duì)位移。因此，本發(fā)明還可選地包括步驟S300，根據(jù)振膜相對(duì)位移與振膜絕對(duì)位移的預(yù)定關(guān)系以及計(jì)算獲得的振膜相對(duì)位移獲得振膜絕對(duì)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(shí)參數(shù)，使得模型中估計(jì)獲得的s(k)僅僅為相對(duì)位移而非絕對(duì)位移。由于絕對(duì)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(shí)施例中，可以同時(shí)比較試驗(yàn)測(cè)量獲得振膜絕對(duì)位移以及模型估計(jì)的振膜相對(duì)位移，建立兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在步驟S300中，基于該預(yù)先獲得對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以根據(jù)振膜相對(duì)位移獲取對(duì)應(yīng)的振膜絕對(duì)位移。該對(duì)應(yīng)關(guān)系可以體現(xiàn)為對(duì)應(yīng)關(guān)系表，或根據(jù)對(duì)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(shí)時(shí)估計(jì)揚(yáng)聲器振膜的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路，其適于被設(shè)計(jì)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(jì)得到的揚(yáng)聲器振膜相對(duì)速度和相對(duì)位移作為輸入，將揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化的揚(yáng)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(dòng)電壓估計(jì)值與驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)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(duì)振膜相對(duì)位移進(jìn)行估計(jì)，從而可以快速、準(zhǔn)確地估計(jì)揚(yáng)聲器振膜位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)于揚(yáng)聲器的精確控制。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明可以有各種改動(dòng)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)。