用于机电换能器的控制器

摘要

公开提供了一种用于机电换能器的控制器。所述控制器包括：驱动装置，其可操作以致动所述换能器的机械输出；阻抗消除装置，其可操作以至少部分地消除所述换能器的电阻抗；以及线性化装置，其位于所述控制器的输入端与所述驱动装置之间。所述线性化装置可操作以通过修改所述线性化装置的输入信号来产生输出信号，以补偿所述换能器的非线性行为。所述线性化装置可操作以接收指示出所述换能器的一个或多个状态变量的一个或多个状态信号，所述一个或多个状态信号包括指示出所述换能器的机械输出的速度的速度信号。

权利要求

1.一种用于机电换能器的控制器，所述控制器包括：驱动装置，其可操作以致动所述换能器的机械输出；

阻抗消除装置，其可操作以至少部分地消除所述换能器的电阻抗，所述阻抗消除装置可操作以通过基于指示出所述换能器中的电流的电流信号向所述驱动装置馈送反馈信号来施加正反馈；以及

线性化装置，其位于所述控制器的输入端与所述驱动装置之间，所述线性化装置可操作以：

接收指示出所述换能器的状态变量的状态信号，所述状态信号包括：指示出所述换能器的机械输出速度的速度信号和指示出所述换能器的机械输出位移的位移信号；以及通过使用非线性函数修改所述线性化装置的输入信号以补偿所述换能器的非线性行为来产生输出信号，所述非线性函数依赖于所述速度信号和所述位移信号；

其中，所述状态信号中的至少一个状态信号是通过向所述线性化装置的所述输入信号或所述控制器在所述输入端处的所述输入信号施加滤波器来确定的。

2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述状态信号还包括指示出所述换能器中的电流的电流信号。

3.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述修改依赖于所述线性化装置的所述输入信号。

4.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述状态信号中的至少一个状态信号是由测量值来确定的。

5.根据权利要求4所述的控制器，其中，通过反馈确定的所述状态信号中的所述至少一个状态信号是通过利用耦合至所述换能器的传感器来确定的。

6.根据权利要求5所述的控制器，其中，所述传感器可操作以测量与所述机械输出相关联的位移、速度或加速度中的至少一个。

7.根据权利要求5或6所述的控制器，其中，基于所述传感器的测量值，将负反馈施加至所述线性化装置的输入或所述控制器的所述输入。

8.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述滤波器是线性滤波器。

9.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述状态信号中的至少一个状态信号是基于指示出所述换能器中的电流的电流信号来确定的。

10.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述线性化装置的所述输出信号是基于所述换能器的模型，并且其中基于所述状态变量对所述模型进行调整。

11.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述线性化装置可操作为修改所述线性化装置的所述输入信号，以补偿所述换能器的力因数的变化。

12.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述线性化装置被布置成修改所述线性化装置的所述输入信号，以补偿所述换能器的所述机械输出的电感中的变化。

13.根据权利要求1所述的控制器，还包括均衡滤波器，所述均衡滤波器位于所述控制器的所述输入端与所述换能器之间。

14.根据权利要求13所述的控制器，所述均衡滤波器可操作以将所述换能器的频率响应保持在目标频率响应。

15.根据权利要求13或14所述的控制器，其中，所述均衡滤波器可操作以基于所述状态变量中的至少一个状态变量来增加所述均衡滤波器的低截止频率。

16.根据权利要求15所述的控制器，其中所述均衡滤波器可操作以在确定所述换能器的所述机械输出的位移已超出阈值之后，增加所述均衡滤波器的低截止频率。

17.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述阻抗消除装置可操作以通过对所述电流信号施加反馈滤波器来基于所述电流信号获得所述反馈信号。

18.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述阻抗消除装置可操作以减少基于所述状态变量中的至少一个状态变量所施加的正反馈的量。

19.根据权利要求18所述的控制器，其中所述阻抗消除装置可操作以减少以低频和/或零频率施加的正反馈的量。

20.根据权利要求18所述的控制器，所述阻抗消除装置可操作以在确定所述换能器的所述机械输出的位移已超出阈值之后，减少所述施加的正反馈的量。

21.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述阻抗消除装置可操作以通过向所述驱动装置提供负输出阻抗来至少部分地消除所述换能器的所述电阻抗。

22.根据权利要求21所述的控制器，其中所述阻抗消除装置可操作以基于所述换能器的温度来调整所述负输出阻抗。

23.根据权利要求21或22所述的控制器，其中，所述阻抗消除装置可操作以将所述负输出阻抗与所述换能器的所述电阻抗进行匹配。

24.根据权利要求23所述的控制器，其中有以下之一：所述换能器包括线圈，并且所述换能器的所述电阻抗的值是通过对所述线圈施加直流电流DC并且确定线圈电压和线圈电流的比率来确定的；或者所述换能器包括线圈，并且所述阻抗消除装置可操作以通过以下步骤来确定所述换能器的所述电阻抗的值：

对线圈电压和线圈电流中的每一个施加相应的低通滤波器，以分别产生经滤波的线圈电压和经滤波的线圈电流，所述相应的低通滤波器具有低于所述换能器的机械共振的截止频率；以及

确定所述经滤波的线圈电压与所述经滤波的线圈电流的比率。

25.根据权利要求17所述的控制器，其中，所述阻抗消除装置可操作以通过向所述驱动装置提供负输出阻抗来至少部分地消除所述换能器的所述电阻抗，并且其中所述阻抗消除装置可操作以通过调节所述反馈滤波器的零频率增益来调整所述负输出阻抗。

26.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述换能器是电机；或者所述换能器是扬声器驱动器。

27.根据权利要求26所述的控制器，其中所述换能器的所述机械输出包括音圈。

28.根据权利要求1所述的控制器，其中至少有以下之一：所述阻抗消除装置被实施在已编程的计算机处理器中；

所述线性化装置被实施在已编程的计算机处理器中；或者所述驱动装置包括放大器。

说明书

用于机电换能器的控制器

技术领域

[0001] 本公开总体上涉及用于机电换能器的控制器。

背景技术

[0002] 电动(例如，动圈式)扬声器是机电换能器的一种示例，其中致动的线圈的运动被转移到产生声音的振膜(diaphragm)上。动圈式扬声器是很普遍的，占据了绝大多数已生产
的扬声器。动圈式扬声器所基于的技术多年来并没有发生明显的改变，并且已被相关领域
技术人员所熟知。通常，扬声器电机是以无源和“开环”方式工作的。也就是说，其是由不考
虑扬声器的实际动态行为或声学输出的电分离式功率放大器来驱动的。然而实际上，扬声
器的振膜的振动以及由此产生的声压并不一定忠实地遵循放大器的输出电压。显然，将扬
声器输出的精度改善为尽可能忠实于输入是有益的。

[0003] Michael J.Turner和David A.Wilson在2007年的音频工程协会会议122(Audio Engineering Society Convention 122，2007)的《动圈式扬声器驱动单元的负源阻抗的应
用：分析与综述(The use of negative source impedance with moving coil 
loudspeaker drive units:an analysis and review)》中提供了对用于从负源阻抗操作
扬声器的技术的综述。

发明内容

[0004] 本公开的各个方面在以下实施例中进行了限定：

[0005] 一种用于机电换能器的控制器，所述控制器包括：驱动装置，其可操作以致动所述换能器的机械输出；阻抗消除装置，其可操作以至少部分地消除所述换能器的电阻抗，所述
阻抗消除装置可操作以通过基于指示出所述换能器中的电流的电流信号向所述驱动装置
馈送反馈信号来施加正反馈；以及线性化装置，其位于所述控制器的输入端与所述驱动装
置之间，所述线性化装置可操作以：接收指示出所述换能器的状态变量的状态信号，所述状
态信号包括：指示出所述换能器的机械输出速度的速度信号和指示出所述换能器的机械输
出位移的位移信号；以及通过使用非线性函数修改所述线性化装置的输入信号以补偿所述
换能器的非线性行为来产生输出信号，所述非线性函数依赖于所述速度信号和所述位移信
号；其中，所述状态信号中的至少一个状态信号是通过向所述线性化装置的所述输入信号
或所述控制器在所述输入端处的所述输入信号施加滤波器来确定的。

附图说明

[0006] 现在将参照附图解释本公开的示例，附图中：

[0007] 图1示出了密封盒式扬声器系统的典型的低频响应；

[0008] 图2示出了使用均衡化来校正或改善频率响应；

[0009] 图3示出了利用麦克风或传感器反馈的基本运动反馈方案；

[0010] 图4示出了利用运动电动势(EMF)预估值的运动反馈方案；

[0011] 图5示出了放大器和驱动单元的简化的电气等效电路；

[0012] 图6示出了“速度跟随器”原理；

[0013] 图7a和图7b示出了使用正电流反馈来消除驱动单元或负载的电阻抗；

[0014] 图8示出了利用正电流反馈的通用运动反馈扬声器系统，用于音圈阻抗消除；

[0015] 图9示出了使用非线性预失真尝试来消除驱动单元非线性；

[0016] 图10示出了使用基于自适应模型的线性化来消除驱动单元的非线性；

[0017] 图11示出了基本的线性化的速度跟随器(velocity  follower)装置(arrangement)；

[0018] 图12示出了利用预定非线性校正函数G的示例性装置；

[0019] 图13示出了图12的装置，但具有基于“速度跟随器”装置的线性化传递函数的速度和位移预估值；

[0020] 图14示出了图13的装置，但具有速度和/或位移预估值，该速度和/或位移预估值包括音圈电流的测量值或预估值和/或基于用于提高的精度的观测器；

[0021] 图15示出了图12的装置，但具有从传感器导出的位移和/或速度的预估值；

[0022] 图16示出了图15的装置，但具有额外的全局控制回路，该全局控制回路通过速度的负反馈来提供进一步的线性化；

[0023] 图17示出了图15的装置，但具有额外的全局控制回路，该全局控制回路通过加速度的负反馈来提供进一步的线性化；

[0024] 图18示出了图12的简化版本，具有与电流无关的线性化函数；

[0025] 图19示出了图11的装置，但具有通过自优化算法所提供的电磁的线性化和/或机电的非线性化；

[0026] 图20示出了如本文所描述的控制装置的示意图；以及

[0027] 图21示出了如本文所描述的另一控制装置的示意图。

[0028] 贯穿于说明书和附图，相同的附图标记指代相同的部件。

具体实施方式

[0029] 概述

[0030] 总体上，本公开涉及用于机电换能器的控制器。所述控制器包括：驱动装置，所述驱动装置可操作以致动所述换能器的机械输出。所述控制器还包括：阻抗消除装置，所述阻
抗消除装置可操作以至少部分消除所述换能器的电阻抗。所述控制器还包括：线性化装置，
所述线性化装置位于所述控制器的输入端与所述驱动装置之间。所述线性化装置可操作以
通过修改所述线性化装置的输入信号来产生输出信号，以补偿所述换能器的非线性行为。
所述线性化装置可操作以接收指示出所述换能器的一个或多个相应的状态变量的一个或
多个状态信号。所述一个或多个状态信号包括指示出所述换能器的机械输出速度的速度信
号，但额外地或可替代地，所述一个或多个状态信号可以包括其它状态信号。

[0031] 上下文

[0032] 本公开具体地涉及对电动(即动圈式或动磁式)扬声器的操作和控制的改进。然而，如本领域技术人员将明了的，本公开和所披露的示例也适用于其它类型的电动负载，例
如音圈电机、致动器和振动器(shaker)。在此以后，本公开将使用术语“驱动单元”(即，围绕
某种底盘进行组装的作为致动器的音圈电机和作为输出的振膜)和“动圈式扬声器”或简称
为“扬声器”来表示负载，但理解的是本文所描述的构思可以很方便地应用至或适应于其它
类型的电动负载，并且这些术语的使用并不旨在限制本公开的范围或适用性。类似地，尽管
大多数电动负载的运动部分(例如扬声器)是所谓的“音圈”，但是在不改变本公开的基本操
作和披露的示例的情况下，也可以采用移动磁类型的电机(从而负载线圈被机械地固定)。

[0033] 本公开具体地(但非排他地)涉及改善电动扬声器在以低频工作时的局限性。具体地，本公开解决以下问题：

[0034] a)如果要在不依靠电子均衡的情况下将重放扩展到最低音频频率，则常规扬声器系统需要用到大型封装。

[0035] b)相反地，如果在具有相对小的封装的扬声器系统中，通过增加低频信号的放大来寻求扩展的低频响应，则需要精确匹配的频率响应补偿，或“均衡”。

[0036] c)在预计的工作频率范围内的振幅和相位响应的不均匀性，特别是在扬声器电机的机械和声学负载变化所导致的不均匀性。

[0037] d)与传统密封盒，特别是通风(端口或传输线)的封装相关联的低瞬态响应。

[0038] e)能够随温度、信号历史、寿命发生的以及生产样本之间的扬声器性能的显著变化，特别是由驱动单元的机械参数的不一致性(即，刚度和机械损耗，其显然很难为控制目
的进行精确且一致性地建模)所导致的显著变化。这直接关系到上面的b)点。

[0039] f)与大振膜偏移相关联的高非线性失真水平，所述大振膜偏移对于以低频来重放甚至是适当的高声压级来说是必要的，尤其是在实体上很小的扬声器系统中。

[0040] 本公开可以以不同的形式来改进以上a)至f)中的一些或所有方面，并且潜在地具有低的额外制造成本或部件成本。

[0041] 图1示出了被安装在密封封装中的典型的动圈式驱动单元的频率响应。这种频率响应的显著特征是，对于明显低于机械谐振频率(这里约为52Hz)的频率，由于系统动态响
应的二阶性质，声学输出的速率降低至12分贝/倍频程(dB/octave)。弹性质量谐振频率fsm，
以及扬声器的低截止频率是由式(1)来确定的：

[0042]

[0043] 其中，KS是振膜及其周边和悬架以及封装内的空气的总弹性刚度，M是有效的运动质量(包括振膜的空气负载)。

[0044] 实现主观上良好的低音重放的一种方法是将低频响应扩展到合理的尽可能低的值。从上述式(1)中可以看出，可以用高的质量值M或低的刚度值KS来实现，或者同时使用这
两者来实现。增加M将降低扬声器的中频带灵敏度—其与M的倒数成正比。因此，适当的做法
是使刚度KS尽可能的低，并与足够的机械一致性和鲁棒性相称。由于总的机械刚度包括由
于封装内部的空气而引起的机械刚度，因此，如果要重放深低音，则需要相对较大的封装。
否则，即使仅驱动单元的固有机械刚度相对较低，小封装内空气的气动刚度也将占主导地
位，从而使共振频率异常高。

[0045] 然而，大型封装可能对具有有限空间来放置其扬声器的客户没有吸引力。下文阐述了用于利用耦合至驱动单元的控制装置来扩展低频响应的一些方法。

[0046] 控制设置方法

[0047] 有源扬声器—利用专用的放大器系统—通过使用均衡滤波器来力图补偿无源扬声器系统中所固有的有限低频响应，所述均衡滤波器被放置在信号路径中并且在用于驱动
所述扬声器的功率放大器的前面，如图2所示出的。在图2中，使用具有频率响应
的均衡滤波器来实现目标或期望频率响应T(s)，并且补偿驱动单元的本征频
率响应D(s)。但是，这种方法对扬声器驱动器中的参数变化(尤其是可变化的机械刚度)可
能是敏感的，其变化可能导致得到的频率响应的不均匀性。此外，这种方法—实质上增加了
对驱动单元的低频输入—一般来说，不仅不能解决非线性失真问题，而且会使其更糟—尤
其是那些在大电机偏移处产生的失真，因为对于给定的声压级，振膜位移随频率的平方反
比而增加。

[0048] 负反馈或“伺服控制”可以用于改善动态系统的性能，并且已被提出用于扬声器，如图3所示出的。将其应用到传统的扬声器中的方法将是利用麦克风来测量振膜的实际声
学输出，将得到的反馈信号与期望的声压进行比较，并且使用产生的误差信号来补偿扬声
器的缺陷。限制将麦克风用作反馈换能器的因素可能是成本：将需要能够以高声压级实现
良好的线性化的高质量的麦克风。对外部干扰的灵敏度(即，对不是由振膜发出的声压的灵
敏度)也是潜在的问题，因为在扬声器前面安装麦克风也是不方便的。

[0049] 使用“运动反馈”可能会潜在解决上面所描述的一些甚至所有问题。在这种装置中，音圈运动的机械参数(即位移、速度或加速度)由某种换能器进行测量，并且与负反馈装
置(再次参考图3)中的期望信号进行比较。这可能需要装配有某种传感器的定制的扬声器
驱动单元，这将会显著地增加系统成本。额外的传感器或换能器也将显著地降低驱动单元
的灵敏度，因为其将会增加总体运动质量，从而对于给定的声压级，增加了必要的放大器功
率以及由此产生的音圈发热。

[0050] 电动换能器(例如扬声器)通过电流与磁场的相互作用来产生力并因此在致动本体内产生运动。在某种意义上，这种传导机制是互易的，即在电导体(例如，音圈)与磁场之
间的相对运动在该导体中感应出与该运动的速度成比例的电压或“运动EMF
(electromotive force，电动势)”。已经发现，如果使装置感测或预估运动电动势(EMF)，如
图4所示出的，运动电动势本身可以被用作速度反馈信号。以这种方式消除对于单独换能器
的需求，使得运动反馈可以施加到现有的动圈驱动单元中而无需对其进行修改，并且在成
本和复杂性方面将是有益的。

[0051] 将运动电动势作为速度反馈信号的困难之处在于其线性化依赖于电机力因数(在本领域中通常称其为“Bl”)是恒定的，而在实践中，该参数将在很大程度上依赖于音圈的位
移和/或电流。如果将所得到的非线性速度预估值用作闭环控制系统中的反馈信号，则实际
的音圈速度可以被调制为位移和/或电流的函数。典型扬声器的大部分工作频率范围内的
声学输出与速度差成比例，并因此在大位移处将导致严重的声学失真(在此最需要很好构
想的运动反馈的线性化效应)。进一步的困难在于，运动电动势的预估值将通常是通过将所
施加的音圈电压减去降低音圈的电阻抗(通常包括电阻和电感)两端的电压而得到的。因
此，为了使这种方法能很好地工作，需要精确知晓该阻抗，这是很难做到的，因为不仅由于
直流电阻的温度依赖性，还因为电感将具有对位移和/或电流的显著的依赖性，并且还可能
具有显著的且位移依赖式的涡流损耗，因此难以对用于控制目的的电阻抗进行精确地建
模。

[0052] 降低扬声器失真的另一种方法是对放大器输入信号应用非线性处理，使得“预失真”消除了驱动单元中固有的非线性，如图9所示出的。然而，可以发现的是，扬声器非线性
是动态系统的状态变量(即音圈速度、位移和电流)的函数，因此，这种“前馈”非线性预处理
方式不可能是简单的时不变函数(例如固定多项式)。

[0053] 可以应用只寻求解决与电机力因数相关联的非线性的前馈预失真。如果要尝试更全面的前馈线性化，则需要更复杂的动态非线性模型以便合成必要的非线性预失真。然而，
困难是，现有的驱动单元的可实践模型并不能充分考虑机械非线性(特别是悬架刚度)的现
实信号和环境依赖性。因此，获得足够精确的预失真是困难的，在实践中，这种方法将会变
差，而不是改善整个失真结果。

[0054] 速度跟随器

[0055] 可以将音圈的阻塞电阻抗消除，作为在有限但有用的带宽上实现速度控制的一种手段。此处将要描述的技术通过至少部分消除音圈的电阻抗来利用扬声器驱动单元的频带
限制速度控制。所述扬声器驱动单元可以被建模为发电机，该发电机具有与速度成比例的
开路电压e(定义为“运动电动势”)并且具有“阻塞的(blocked)”(即静止的)电阻抗ZE。扬声
器由具有输出阻抗ZO的放大器予以驱动，如图5所示出的，该图还示出了驱动单元的主要机
械参数(质量M、摩擦损耗KF和刚度KS)，这些是通过传统的电气“移动性”等效电路来建模的。

[0056] 如果可以使ZO等于‑ZE(s)，那么，如图6所示出的，在放大器的内部戴维宁(Thévenin)源和音圈“发电机”之间将有效地存在零阻抗。这将使运动电动势e等于VO。如果在实
践中阻抗消除是显著的，但并不完全，那么在有限的带宽上，音圈的速度u(t)以简单的代数
关系跟随期望的信号Vo(t)，其中如果扬声器电机的行为基本上是线性方式的，只涉及电机
常数Bl：

[0057]

[0058] 如式(2)所示，希望在速度控制带宽内的响应与机械参数无关。因此，阻抗消除技术可以显著有效地延长低频响应，而不需要驱动单元中的低刚度或高质量。由于同样的原
因，这种技术也可以有效地减少与悬架相关的失真，尤其是由于悬架刚度的非线性行为所
导致的失真。术语“速度跟随器”可以用来描述这种运动反馈方案，其中速度控制是通过基
本上消除音圈的电阻抗来实现的。

[0059] 完全消除音圈的阻塞阻抗(blocked impedance)可能是不可行的，但在任何情况下其对于使该方法有用都是不必要的。可以通过音圈电感来施加可行的限制，这可能会限
制可以实际实现基本上的消除的最高频率。同时可以合成复合的负输出阻抗，从而消除了
大部分的音圈的电感及其电阻，但由于电感及其涡流损耗的非线性位移依赖性，实际上这
将是困难的。

[0060] 图7a示出了用于提供负放大器输出阻抗的装置。如果电流感测阻抗ZS是纯电阻式的，则放大器的输出阻抗将是负电阻，但如果需要，可以使ZS为复合的，包括多个电阻和反
应元件，从而合成任何期望的负输出阻抗。通过示例的方式，图7b示出了包括有电阻式和电
感式部件的电流感测阻抗ZS，以便至少部分地消除音圈电感及其直流电阻。在这种情况下，
电阻器RP旨在为音圈电感中的涡流损耗留出一些冗余(allowance)。如本领域技术人员将
明了的是，可以在位置ZS中使用更复杂的网络，从而更精确地匹配任何给定的驱动单元的
电气参数。

[0061] 用于提供复合(与纯电阻式相对)负源阻抗的另一种可替代(并且基本上是等效的)设置是使反馈回路获得频率的函数。这导致了更普遍的设置，如图8所示出的，其中通过
转移函数H(s)来施加电流反馈。如需要，可以采用复合感测阻抗Z(s)和频率相关反馈H(s)
的组合。

[0062] 在扬声器中，声学输出当然是最重要的，在中低频率(相对于驱动单元的预期范围)，这是由音圈加速度来决定的。在本公开中，速度受到控制，因此可以将到系统的输入信
号作为一个整体进行积分(至少下至一些最小期望频率)，以便产生“速度参考”信号。这种
频率响应校正虽然并未在图7a和图7b中示出，但可以被包括在本文所描述的任何示例中，
并且特别地可以被纳入到图8所示出的总体频率响应校正F(s)中。

[0063] “自调谐”方法可以被用于对扬声器进行建模。作为一个示例，可以使用所施加的电压和已测量的音圈电流，如图10所概念性地示出的。这里，采用自适应非线性扬声器模
型—其通常在计算机或数字信号处理器中创建—该模型具有可以(通过合适的算法)被自
动调节的参数，以使这些参数与将要被线性化的驱动单元的参数相匹配。这种优化过程是
通过在扬声器实际上正在工作时将建模的驱动单元的电压和电流与实际扬声器(该)的电
压和电流进行比较来促成的。

[0064] 不管非线性模型是如何被驱动成收敛性的，一旦实现了这一点，非线性模型的参数根据定义代表了实际目标扬声器，并且这些参数就随后可以被用于合成精确的非线性
“预失真”。因此，该方法能够随时间变化并且在不同的信号条件下跟踪驱动单元的参数的
变化。其能够适应任何给定的驱动单元，因此不需要对线性或非线性参数进行预编程。然而
实际上，由于已提及的机械非线性的信号依赖性，将难以确保现实条件下的一致收敛性。此
外，除非有足够的具有适当频率和统计量的驱动信号，否则系统将无法驱动这种非线性模
型进行收敛。

[0065] 如已经讨论的，“速度跟随器”的优点是其可以减少扬声器的性能对运动系统的有效机械参数—即机械阻力(摩擦力)，特别是刚度—的依赖性。(这里，还可以包括扬声器封
装内的空气的气动刚度的影响)。因此，这种方法可以扩展扬声器的低频率响应限制，同时
减少非线性失真以及其它不一致性，否则将由在摩擦力和刚度中的难以预测和难以校正的
变化导致非线性失真以及其它不一致性。基础的速度跟随器(即仅利用电阻消除)的主要缺
点涉及以下两方面：

[0066] 首先，降低了扬声器的频率响应上限(与传统的电压馈送操作相比)，这是由于在音圈驱动电路中，音圈的感应电抗相对于有效残余直流电阻显著地增加所导致的。已经发
现，可以通过音圈电感的部分电子消除，如上面所描述的并且在图7b中所示出的，和/或通
过将共轭阻抗(“Zobel”)网络与音圈电机并联来抵消音圈阻抗的趋势，以提高至更高频率
来改善这种缺点，从而维持以更高频率施加的正反馈程度。可替代地或额外地，还可以将各
种降低固有音圈电感的方法应用到基础的音圈电机设计中。这种方法包括在音圈电机的磁
性极片周围添加高导电性(如铜)短路环，或者在中心磁极上放置类似的导电性的“盖”。

[0067] 其次，尽管由于机械参数变化所引起的非线性失真有所减少，但所得到的音圈速度响应的线性度仍然依赖于基本上恒定的电机力因数(之前在扬声器术语中被称为“Bl”)。
此外，对于接近和超过速度跟随器的带宽上限的信号频率，实际速度也可以由音圈电感LE
的任何变化进行调制。然而，虽然Bl和LE展现出对于音圈的轴向位移的不期望的依懒性(并
且在某种程度上，音圈电流在某些情况下甚至是主导的)，但这种非线性行为是可预测且可
重复的。这是由于这是音圈和磁结构的定义明确且稳定的几何和磁属性的结果所引起的，
但是与悬架刚度和机械摩擦力的已经注意到的定义不明确且变化的特性相反。由于在低频
驱动单元(“低音器”，即用于低音重放的扬声器)中，Bl和LE通常都是音圈位移x的强函数，
速度跟随器的残余非线性失真通常由Bl(x)和LE(x)所引入的假象(artefact)所支配。

[0068] 因此，如果使用速度跟随器技术来减小由于机械摩擦力和刚度所引起的非线性扬声器失真，则可以通过前馈校正来解决扬声器驱动单元的占主导的残余非线性(其是相对
稳定且定义明确的)问题。这是本公开的基础。

[0069] 线性化速度跟随器

[0070] 图11示出了线性化速度跟随器的基本概念。待控制和线性化的驱动单元或负载由功率放大器A1操作，该功率放大器A1被布置成具有负输出阻抗，以便部分地或基本上消除负
载本身的阻塞(静止)电阻抗。虽然可以使用其它方式在A1中产生必要的负输出阻抗，但优
选的示例是使用电流的正反馈，如这里所示出的。通过经由可具有低通或带通特性的传递
函数H(s)来施加电流反馈，以保证稳定性，并且在反馈回路闭合时优化系统的极点，但在期
望的工作频率范围内，其将具有基本上标量化的响应(接近平坦的振幅响应，并且具有极小
的相移)。然后扬声器驱动单元或其它负载在有限但有用的带宽上以有效的控制速度来工
作，从而大大减少了否则会由于机械刚度和摩擦的非线性行为而产生的失真。

[0071] 利用非线性函数G对施加至速度跟随器的速度参考信号进行预失真，该非线性函数G修正了电磁参数中的变量，例如电机力因数(Bl)和/或电感(LE)。换能器的非线性化只
有在其输出相对较大的情况下才会变得严重，因此在小信号和静止条件下，G可能趋向于单
一或其它常数值。因此，本领域技术人员将明了的是，在一种实施方式中，G可以被结构化，
以便包括对输入的直接馈通，其中非线性失真校正信号被添加到所述输入。

[0072] 可能需要进行某种程度的总体频率响应校正，例如，通过在有限的频率范围内进行积分，将待声学重放的期望信号转换为速度参考值，并且精确地限定系统的工作带宽。在
线性传递函数F(s)中提供有这种频率响应校正。本领域技术人员将明了的是—作为对G的
适当的修改—可以在不偏离本公开的基本概念的情况下交换函数F和G的次序。类似地，如
果需要，H(s)可以是标量，而可能需要在功率放大器本身的传递函数A1(s)中实施电流环路
频率响应整形。

[0073] 适当的线性化函数G可以由熟练的技术人员通过以下方式来确定：制定系统的状态空间描述，然后将状态方程线性化，从而移除驱动单元的非线性化。换句话说，线性化函
数G可以通过以下方式来确定：利用变换来变换驱动单元的状态空间描述，其中所述变换确
保状态方程中的所有非线性化都能从系统输入中获得，确定输入信号以抵消状态非线性
化，然后将系统的方程变换回至所需的现实的线性化函数。注意的是，由函数G产生的复合
信号可能取决于进入的速度参考信号和状态变量的预估值。也就是说，其可以包括输入相
关的和反馈的分量。所需函数的复杂度取决于将要处理哪些残余的非线性，以及处理残余
非线性的程度。主要的目标非线性是电机力因数和音圈电感。在低频扬声器中，这些参数通
常是位移的强函数和电流的弱函数，只需对这些参数的位移依赖关系进行修正即可。当在
线性化系统中进行评估时，在用于低频重放的扬声器中的由于电流相关的依赖性而产生的
失真与由于其它原因而产生的残余失真相比，通常较小。由电感的位移依赖性引入的非线
性磁阻力也是如此。此外，在高频扬声器(例如“高音喇叭(tweeter)”)中，其中音圈位移非
常小，可能电机力因数和音圈电感的电流相关的非线性将占主导地位，在这种情况下，仅对
它们进行校正并且忽略它们的位移依赖性可能是合适的。

[0074] 发明人已经意识到，尽管占主导的非线性不是速度的函数，但是通过利用作为一种反馈分量的速度来校正换能器的非线性可以实现特别有效的线性化性能。因此，由函数G
产生的复合信号将因此取决于速度的预估值或测量值。然而，在一些示例中，所述复合信号
也可以取决于一种或多种其它状态变量(例如音圈电流和位移)。在非线性显著地依赖于电
流的情况下，可替代地或额外地，可期望将音圈电流的时间变化率(即di/dt)的测量值或预
估值纳入到合成函数G中。这可以通过纳入到G中的并且应用到电流信号的数学运算来估
算，或者可替代地，也可以根据与音圈或负载串联插入的电感阻抗两端所产生的电压来容
易地估算。

[0075] 控制装置示例

[0076] 图12示出了线性化速度跟随器的说明。线性化函数G一般性地是基于输入信号、与驱动单元的状态变量(通常为电流i、速度u和位移x)的测量至或预估值一起合成的。由于目
标机电非线性化总体上是位移的定义明确和稳定的函数(和/或电流函数，如果考虑这种函
数)，因此对于驱动单元的特殊设计，可以毫不费力地确定函数G。然而，本文将采用自我优
化计划，这将在后面讨论。可以利用分流电阻器、霍尔传感器或本领域已知的其它方法来很
容易地测量电流。然而，速度和位移可以从基于换能器的测量值中得到，或者—更方便地—
通过基于线性传递函数的预估值而得到，如图13所示出的。这里，TU(s)和TX(s)是(分别)表
示线性化的速度跟随器的速度和位移响应的线性传递函数。在实践中其工作得令人满意，
但残余非线性将削弱线性化过程本身的精确性，从而导致残余失真比在可获得速度和位移
的基于测量值的预估值的情况中的失真更大。这可以通过在估算位移和速度的过程中纳入
电流来加以改进，如图14中所示出的，其中也可以使用“观测器(observer)”型的估算方
法—其本身可以是非线性的—来生成音圈速度和位移的更精确的预估值。

[0077] 换能器可以被用于测量音圈运动的参数(位移、速度或加速度)。如图15所示出的，换能器输出可以被用于产生速度和位置的更精确的预估值。相同的换能器还可以被用于施
加负反馈，例如速度(图16)或加速度(图17)的负反馈。将如本文所示出的速度跟随器、电磁
参数的非线性校正和整体负回路反馈进行结合，可以产生极低水平的失真。

[0078] 虽然原则上可以完全校正电机力因数和电感对(例如)位移的依赖性，但是发明人已经意识到即使利用理想线性化函数G的约化形式，特别是在合成G不需要知道所有驱动单
元的状态变量的情况下，也可以获得很多益处。这在图18中示出，其中G被示出为独立于音
圈电流，但应该明了的是，G可以独立于任何一个或任何两个状态变量，这取决于被标记的
占主导的非线性。去除(在图18的示例中)G对音圈电流的依赖性在成本敏感的数字化实施
方式中是有价值的，其中与涉及电流反馈的完全线性化相比，考虑了降低的采样速率(并且
消除相关联的低延迟模数转换器的成本)，并且其中—为了避免不稳定性—可能需要使用
相对快速的采样时间。应当明了的是，这种简化的装置可以用于本文所描述的其它示例中
(例如图12至图17中的示例)，并且可以在不偏离本公开的基本原则的情况下可以使用本文
所讨论的所有概念和技术的各种可替代的设置方式和组合方式。

[0079] 如上面所讨论的，由于本公开的目标是驱动单元的电磁非线性化(电机力因数和电感)，所述电磁非线性化是相对定义明确的和稳定的，因此可以预先定义线性函数G，以适
应给定的音圈电机或驱动单元。

[0080] 尽管如此，自适应或“自调谐”方案的优点在于，例如，不需要特定于电机的设计或编程，以及对生产公差和其它可能导致驱动单元电磁参数变化的因素的鲁棒性。因此，设想
本文所描述的方法和装置可以同样很好地利用自适应方案，在该方案中，传统的驱动单元
和放大器被速度跟随器装置所取代。然后需要对自适应模型进行调整，以考虑有效消除速
度跟随器中隐含的音圈阻抗，但也可以应用同样的自适应或自调谐原理。

[0081] 可以考虑数字化实施方式。对于本领域的技术人员将明了的是，如果在具有低延迟的数字域中音圈电流的测量值是可用的，则速度跟随器本身—具有关于稳定性的适当的
预防措施—也可以在相同的数字信号处理设施中实施。类似地，图11至图19中所示出的任
何或所有其它传递函数可以数字化方式实施。

[0082] 线性化的扬声器可能几乎不会给出即将过载的声音指示，并且由于本公开还涉及扩展扬声器的频率响应下限，当以高水平和/或利用基本上的低频率内容来重放程序材料
时，驱动单元存在机械过载的风险。(有时将其称为托底(bottoming)，在这种情况下，音圈
位移达到最大机械可允许值，导致严重和突然的失真，进而使驱动单元具有机械损坏的风
险)。因此，谨慎的做法是采取措施来减轻或避免这种情况，例如，通过响应于位移的预估值
来修改频率响应校正值F(s)，从而暂时性地提高整个线性化扬声器系统的较低的截止频
率。可替代地，通过减少由H(s)所施加的正反馈的量，可以实现较低截止频率的类似增加；
然而，这可能(通过减少操作中的有效的运动反馈量)不必要地损害线性化。

[0083] 最后，音圈或负载的电阻通常是温度的重要函数，因此在正常工作时受i2R加热以及环境温度的影响很大。这反过来又影响速度跟随器的给定性能所需的电阻消除量。因此，
可能需要对系统应用温度补偿，或者通过例如H(s)的变化来进行自动伺服，使音圈电路中
的净电阻达到目标值。当音圈电阻随温度升高时，这两者都有提高A1的负输出电阻的效果。

[0084] 用于机电换能器110的控制器100(或“控制电路”或“控制装置”)包括：电路、部件或模块，其可以使换能器所产生的声压更接近地匹配基于驱动输入信号的期望声压。所述
控制器在图20中示出。在本公开中，换能器110是扬声器驱动单元，但是，如第[0008]段中所
讨论的，换能器110可以是任何电动负载，例如电机或螺线管。在一个示例中，控制器100可
以是上述任何示例中的“线性化速度跟随器”。

[0085] 控制器100包括驱动装置120(或“驱动电路”或“驱动器”或“驱动模块”)，所述驱动装置可操作以驱动换能器110，即致动所述换能器110的机械输出。特别地，所述机械输出可
以包括致动的线圈或致动的磁铁。在一个示例中，所述机械输出可以包括音圈，如第[0008]
段中所讨论的。例如，驱动装置120可以包括放大器，例如图2至图19中的功率放大器。

[0086] 控制器100还包括阻抗消除装置130(或“阻抗消除电路”，或“阻抗消除器”，或“阻抗消除模块”)，所述阻抗消除装置可操作以至少部分消除换能器110的电阻抗。在一个示例
中，阻抗消除装置130可以是如上面所描述的“速度跟随器”装置。

[0087] 阻抗消除装置130可以包括反馈装置135(或“反馈电路”、或“反馈确定电路”、或“反馈确定装置”、或“反馈确定器”或“反馈确定模块”)，用于基于指示出换能器110中的电
流(致动电流)的电流信号将反馈信号馈送至所述驱动装置。反馈装置135可操作以通过将
所述电流信号施加至反馈滤波器(例如图8和图11至图19中的滤波器H(s))来基于所述电流
信号得出所述反馈信号。

[0088] 阻抗消除装置130通过向驱动装置120提供负输出阻抗来至少部分地消除换能器110的电阻抗。所述负输出阻抗可以基于换能器110的温度，如第[0044]段中所讨论的。可以
利用温度传感器来确定所述温度，所述温度传感器可以耦合、附接、内置到换能器110或其
音圈，或者形成换能器110或其音圈的一部分。

[0089] 可替代地或额外地，阻抗消除装置130可操作以将所述负输出阻抗与换能器110的电阻抗相匹配(参见第[0025]段以及第[0067]段中的条目10)。当换能器110包括线圈(例
如，致动线圈)时，可以通过向致动线圈施加直流电压或直流电流(DC)并且确定线圈电压与
线圈电流的比率来确定换能器110的电阻抗值。可替代地或额外地，换能器110的电阻抗值
可以通过以下步骤确定：将线圈电压和线圈电流中的每一个施加至相应的低通滤波器以分
别产生经滤波的线圈电压和经滤波的线圈电流，每一个所述相应的低通滤波器都具有低于
换能器110的机械共振的截止频率；并且确定经滤波的线圈电压与经滤波的线圈电流的比
率。

[0090] 控制器100还包括在控制器100的输入105和驱动装置120之间的线性化装置140(或“线性化电路”、“线性化器”、“线性化模块”)。线性化装置140可操作以通过修改线性化
装置140的输入信号来产生输出信号，以补偿换能器110的非线性行为，换句话说，以补偿换
能器110的非线性特性。

[0091] 特别地，线性化装置140可操作以将所述输入信号修改为线性化装置140，以补偿以下项中的一个或多个：

[0092] ·换能器110的力因数，即Bl；或

[0093] ·换能器110的机械输出的电感，即LE。

[0094] 特别地，线性化装置可以补偿力因数或电感的变化。

[0095] 线性化装置140可操作以接收指示出换能器110的一个或多个相应的状态变量的一个或多个状态信号。本发明人已经意识到，虽然换能器110的占主导的非线性可能是换能
器110的机械输出的位移的函数，但是利用速度的测量值或预估值来补偿换能器110的非线
性行为可能使控制器100的执行意外地良好，尽管换能器110的占主导的非线性不是速度的
函数。因此，由线性化装置接收的一个或多个状态信号可以包括指示出换能器110的机械输
出速度的速度信号。

[0096] 然而，如上面所描述的，由所述线性化装置接收的一个或多个状态信号可以额外地或可替代地包括指示出换能器110的状态变量的任何其它状态信号，例如以下信号中的
一个或多个：

[0097] ·指示出换能器110的机械输出的位移的位移信号；或

[0098] ·指示出换能器110中的电流的电流信号。

[0099] 由所述线性化装置执行的修改可以依赖于线性化装置140的输入信号，如图11至图19所示出的，其中非线性校正函数G依赖于速度参考信号vi。所述线性化装置可以包括非
线性滤波器(或“非线性函数”)。所述线性化装置可以将任何数学算子施加至一个或多个状
态信号，作为一个示例，所述数学算子包括微分算子。

[0100] 可以通过反馈，即通过测量一个或多个状态信号来确定一个或多个状态信号中的至少一个状态信号。具体地，可以利用传感器210来确定一个或多个状态信号，传感器210可
以耦合至换能器110(具体地，换能器110的机械输出)，如第[0038]段中所讨论的。这种传感
器210可以被称为“反馈传感器”，并且例如可以是加速度计或麦克风。在一个示例中，所述
传感器可以测量与换能器110的机械输出相关的位移、速度或加速度中的至少一种。

[0101] 基于传感器210的测量，也可以施加负反馈，如图16和图17所示。例如，施加负反馈可以包括施加分别指示出与换能器110的机械输出相关的位移、速度或加速度的位移信号、
速度信号或加速度信号中的至少一种。这种负反馈可以被施加至线性化装置140的输入，或
者施加至控制器100的输入105。

[0102] 可替代地或额外地，可以基于线性化装置140的输入信号或控制器100的输入信号来确定一个或多个状态信号中的至少一个。具体地，一个或多个状态信号中的至少一个可
以通过向线性化装置140的输入信号或控制器100的输入信号施加滤波器来确定，如图13至
14所示。在一个例子中，滤波器可以是线性滤波器，如图13所示。

[0103] 可替代地或额外地，可以基于指示出换能器110中的电流的电流信号来确定一个或多个状态信号中的至少一个状态信号，如图12至图18所示出的，特别是在图14中示出的。

[0104] 在一个示例中，线性化装置140的输出信号可以基于换能器110的模型(例如，可以利用换能器110的模型来产生)，并且可以基于一个或多个状态变量来调整该模型，如图19
所示出的并且如第[0028]段中所讨论的。

[0105] 在一个示例中，所述线性化装置可以如图21所示出的在逻辑上或物理上分离。具体地，所述线性化装置的输出信号可以通过将1)第一信号和2)第二信号相加来确定，所述
第一信号是通过向到控制器100的输入信号105施加第一滤波器(或“第一非线性函数”—例
如预失真滤波器)来确定的，所述第一信号是通过向一个或多个状态信号施加第二滤波器
(或“第二非线性函数”—例如非线性反馈合成滤波器)来确定的。

[0106] 控制器100还可以包括在控制器100的输入105与换能器110之间的均衡滤波器150，例如在控制器100的输入105与线性化装置140之间的均衡滤波器150。均衡滤波器150
可操作以将换能器的频率响应保持在目标频率响应。在一个示例中，均衡滤波器150可操作
以基于一个或多个状态变量中的至少一个状态变量来增加其较低的截止频率。特别地，均
衡滤波器150在确定换能器110的机械输出的位移已超出阈值之后，可以增加其较低的截止
频率，从而避免机械过载，如第[0043]段中所描述的。

[0107] 反馈装置135可操作以例如在确定换能器110的机械输出的位移已超出阈值之后，减少基于一个或多个状态变量中的至少一个状态变量所施加的正反馈的量，如第[0043]段
中所讨论的。

[0108] 阻抗消除装置130和/或线性化装置140可以被实施在已编程的计算机处理器中，如第[0042]段中所讨论的。

[0109] 提供了操作用于机电换能器的控制器的方法，控制器例如为本文所描述的任何示例中的控制器100。所述方法可包括以下步骤中的至少一个：

[0110] ·利用驱动装置来致动机电换能器的机械输出；

[0111] ·消除所述换能器的电阻抗；

[0112] ·在所述控制器的输入端与所述驱动装置之间提供线性化装置；以及

[0113] ·利用所述线性化装置，来：

[0114] о修改所述线性化装置的输入信号，以补偿所述换能器的非线性行为；以及

[0115] о接收指示出所述换能器的一个或多个相应的状态变量的一个或多个状态信号；

[0116] о所述一个或多个状态信号可选地包括速度信号，所述速度信号指示出所述换能器的机械输出的速度。

[0117] 提供了非瞬时性计算机可读介质。该介质装载有计算机可读指令，该计算机可读指令被布置成在由所述处理器执行时使得所述处理器实施本文所描述的任何的示例，例
如，实施上面所描述的方法。

[0118] 本公开的示例如下。

[0119] 1.一种动圈式扬声器驱动单元—或类似的电动负载—其由放大器驱动，所述放大器被布置成具有负输出阻抗。所述负输出阻抗可以将所述负载的阻塞电阻抗消除到一定程
度，使得所述驱动单元在目标工作带宽上操作为速度受控的装置。然后将所得到的“速度跟
随器”装置与线性化函数相结合，所述线性化函数将对所述速度跟随器的输入进行修正，从
而在基本速度跟随器装置中工作时抵消所述负载的残余非线性。

[0120] 2.如(1)中所描述的装置，其中所述线性化函数是基于输入信号和所述驱动单元或负载的一个或多个状态变量来合成的。

[0121] 3.如(2)中的装置，其中用于合成所述线性化函数所需的机械状态变量是通过作用于输入至线性化系统的信号上的线性传递函数来预估的。

[0122] 4.如(2)中的装置，其中用于合成所述线性化函数所需的机械状态变量是通过预估器或观测器利用驱动单元电流的测量值或预估值以及所述系统的输入来预估的。

[0123] 5.如(1)中的装置，其中所述线性化函数采用基于自适应模型的装置，其中所述负载的负载电压和/或电流和/或其它状态测量值与模型化值进行比较，以驱动非线性数字模
型的收敛性来匹配所述负载，并且其中然后所述模型的参数在基本速度跟随器装置中操作
时被用于合成抵消所述负载的残余非线性所需的信号。

[0124] 6.如(1)至(5)中的装置，其中对线性化系统应用总体频率响应校正，以产生期望的目标带宽上限和下限。

[0125] 7.如(1)至(6)中的装置，其中所述系统的低频率响应限制是响应于音圈或负载位移的极值而自动地提高的，这是通过响应于位移的测量值或预估值来修改频率响应校正F
(s)或正反馈量H(s)来实现的。

[0126] 8.如(1)至(7)中的装置，其中响应于如由连接至或内置于所述音圈或负载的温度传感器所确定的音圈或负载温度的变化，来修改由A1提供的负输出电阻的大小。

[0127] 9.如(1)至(7)中的装置，其中响应于音圈或负载电阻的变化，来修改由A1提供的负输出电阻的大小，从而在所述音圈/放大器输出电路网中保持基本上恒定的整体有效直
流电阻值。

[0128] 10.如(9)中的装置，其中通过有意地将小直流电压或电流施加至所述音圈或负载，并且计算已测量或所施加的电压与电流的比率来预估所述音圈或负载的电阻值，如第

[0050]段中所描述的。

[0129] 11.如(9)中的装置，其中通过利用小于所述驱动单元或负载的机械共振的截止频率的截止频率分别对音圈电压和音圈电流进行低通滤波，以及根据经滤波的电压与经滤波
的电流的比率来计算电阻预估值，来预估所述音圈或负载的电阻值，如第[0050]段中所描
述的。

[0130] 12.如(8)至(11)中的装置，其中通过调整正电流反馈增益H的零频率(DC)值来修改所述负输出电阻的大小。

[0131] 13.如(1)至(7)中的装置，其中响应于音圈或负载温度的变化，通过改变电流测量装置的灵敏度来修改由A1提供的负输出电阻的大小。

[0132] 本领域技术人员将意识到，在不偏离所披露概念的范围的情况下，可以对上述示例进行各种宽泛的修改、变更和组合，并且这些修改、变更和组合应被视为在所披露概念的
范围以内。

[0133] 本领域技术人员还将意识到，本发明的范围不受本文所描述的示例的限制，而是由权利要求予以限定。

[0134] 本公开中所包含的各节标题仅供参考之用，并不旨在限制本公开的范围。

[0135] 本文所描述的方法可以在计算机可读介质上实施，所述计算机可读介质可以是非瞬时性计算机可读介质。所述计算机可读介质装载有计算机可读指令，所述计算机可读指
令被布置成当在由处理器执行时使所述处理器实施本文所描述的任何或所有示例。

[0136] 本文所使用的术语“计算机可读介质”是指存储数据和/或指令以用于使处理器以特定方式操作的任何介质。这种存储介质可以包括非易失性介质和/或易失性介质。所述非
易失性介质可以包括，例如，光盘或磁盘。所述易失性介质可以包括动态存储器。存储介质
的示例性形式包括：软盘、软磁盘、硬盘、固态驱动器、磁带或任何其它磁性的数据存储介
质、CD‑ROM、任何其它光学的数据存储介质、具有一种或多种孔模式的任何物理介质、RAM、
PROM、EPROM、FLASH‑EPROM、NVRAM、以及任何其它存储芯片或存储盒。