CN107211218A - 高位移声学换能器*** - Google Patents

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Abstract

本文描述了声学换能器***，并且特别地，描述了有关高位移的声学换能器***。示例的声学换能器***包括声学驱动器、振动膜位置感测模块和控制器，振动膜位置感测模块用于生成对应于声学驱动器的振动膜的位移的位置信号，控制器可操作以：接收输入音频信号的控制器；至少基于输入的音频信号和位置信号来生成控制信号；并且将控制信号发送到可操作地耦接到振动膜的音圈，使得音圈响应于控制信号至少部分地在声学驱动器内的空气间隙内移动。在一些实施例中，音圈的高度可以基本上对应于间隙高度。

Description

高位移声学换能器***
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2014年11月28日提交的美国临时申请No.62/085,436号和于2015年7月27日提交的美国临时申请No.62/197,345的权益。美国临时申请No.62/085,436和美国临时申请No.62/197,345通过引用并入本文。
技术领域
所描述的实施例涉及声学换能器***，并且特别是，一些实施例涉及包括高位移的声学换能器***。
背景技术
声学换能器***可以操作以将电信号转换成输出音频信号。声学换能器***的设计拓扑可能会影响其性能。
常见的声学换能器***包括从音频源接收电信号的音圈。然后，音圈处的信号可以使声学换能器***的驱动器电机中的音圈生成磁通量。然后，振动膜可以响应于磁通量而移动以生成输出音频信号。
声学换能器***中的音圈可以使用不同的拓扑来提供。音圈可以与振动膜耦接，并且可以配置为至少部分地在声学换能器电机的空气间隙内移动。在一个示例拓扑中，音圈可以被从下方悬挂，由于较轻的音圈和与较短的音圈相关联的较低的电阻，可以提高声学换能器***的效率。另一拓扑可以涉及从上方悬挂的音圈，其特征可以在于与从下方悬挂的设计相比效率降低，但是可以在更高的位移处生成更线性的输出音频信号。
音圈也可以以均匀悬挂拓扑来提供。与从上方悬挂和从下方悬挂的拓扑相比，均匀悬挂的音圈可以提供更有效的性能，但性能可以受到由音圈的位移引起的失真的限制。
发明内容
本文描述的各种实施例通常涉及声学换能器***，并且特别涉及高位移的声学换能器***。
本文描述的示例声学换能器***可以包括：驱动器电机，可操作以生成磁通量；振动膜，可操作地耦接到驱动器电机；音圈，耦接到振动膜，音圈可以至少响应于磁通量可移动；振动膜位置感测模块，生成与振动膜相对于振动膜的初始位置的位移相对应的位置信号；和控制器，与驱动器电机和振动膜位置感测模块进行电子通信，控制器可操作以：接收输入音频信号；至少基于输入音频信号和位置信号的版本生成控制信号；并且将控制信号发送到音圈，音圈至少响应于控制信号移动。
在一些实施例中，驱动器电机可以包括：轴向柱；底板，远离轴向柱延伸；顶板，具有面向轴向柱的内表面，顶板和轴向柱在其间限定空气间隙；和磁性元件，位于底板和顶板之间，磁性元件可以与轴向柱隔开，并且磁性元件可以可操作以生成磁通量；并且音圈可以至少部分地在空气间隙内可移动。
在一些实施例中，音圈可以具有基本上对应于空气间隙的间隙高度的线圈高度。
在一些实施例中，轴向柱可以包括位于驱动器电机的基本中心区域的中心柱。
在一些实施例中，轴向柱可以包括驱动器电机的外壁。
在一些实施例中，磁性元件可以耦接在底部和顶板的底表面之间；并且驱动器电机可以包括耦接到顶板的顶表面的第二磁性元件，顶板的顶表面可以与顶板的底表面相对。
在一些实施例中，顶板可以包括内部部分和耦接到内部部分的外部部分，内部部分的表面可以是内表面，并且磁性元件可以经由外部部分耦接到顶板，外部部分的高度可以小于内表面的高度。
在一些实施例中，顶板的内部部分的顶表面和底表面中的至少一个可以朝向外部部分渐缩。
在一些实施例中，磁性元件可以与底板和顶板中的至少一个相比更远离轴向柱延伸。
在一些实施例中，轴向柱和底板可以在驱动器电机内限定用于至少部分地接收音圈的驱动器空腔。
在一些实施例中，驱动器电机可以配置为适应音圈的移动，音圈可以在位移范围内朝向和远离底板可移动，位移范围可以从空气间隙的每端延伸，并且位移范围可以至少对应于音圈的线圈高度。
在一些实施例中，轴向柱的截面积可以最多等于内表面的面积。
在一些实施例中，轴向柱可以包括顶部和底部，底部耦接到顶部，顶部的表面部分地面向顶板的内表面，并且底部可以耦接到底板。
在一些实施例中，轴向柱的底部可以远离底板渐缩。
在一些实施例中，轴向柱的顶部可以远离空气间隙渐缩。
在一些实施例中，顶部可以远离底板部分地延伸，以延伸间隙高度。
在一些实施例中，振动膜位置感测模块可以包括用于检测振动膜的位移的位置传感器。
在一些实施例中，振动膜位置感测模块可以包括超声波传感器、光学传感器、磁性传感器和压力传感器中的一个。
在一些实施例中，控制器可以包括：校正模块，配置为基于从振动膜位置感测模块接收的位置信号生成校正信号，校正信号至少补偿与检测的位移相关联的失真；和合成器模块，配置为从校正模块接收校正信号，并且至少基于校正信号和输入音频信号的版本来生成控制信号。
在一些实施例中，合成器模块可以包括分配器，控制信号对应于输入音频信号的版本与校正信号的比率。
在一些实施例中，控制器可以可操作以从电流源接收输入音频信号，并且控制器可以包括预处理滤波器，用于：从电流源接收输入音频信号；确定为声学换能器***定义的目标响应，目标响应可以是用于声学换能器***的期望类型的输出信号；根据目标响应从输入音频信号生成预处理的输入音频信号，输入音频信号可以调节以适应期望类型的输出信号的生成；并且将预处理的输入音频信号发送到合成器模块。
在一些实施例中，预处理滤波器可以包括均衡滤波器。
在一些实施例中，控制器可以包括负反馈模块，用于接收位置信号并且至少基于位置信号生成运动反馈信号，运动反馈信号操作以适应由声学换能器***生成的目标响应，目标响应可以是用于声学换能器***的期望类型的输出信号；并且合成器模块至少基于校正信号、输入音频信号的版本和运动反馈信号生成控制信号。
在一些实施例中，负反馈模块可以包括：速度反馈模块，配置为至少基于位置信号生成速度校正信号；和低通滤波器，配置为生成位置信号的版本；并且运动反馈信号可以包括速度校正信号和位置信号的版本。
在一些实施例中，至少一个温度传感器可以耦接到驱动器电机；并且校正模块可以进一步配置为：基于由至少一个温度传感器检测的驱动器电机的温度来估计音圈的温度；并且生成校正信号以使由于估计的温度导致的声学换能器***的性能的变化最小化。
在一些实施例中，至少一个温度传感器可以耦接到磁性元件。
在一些实施例中，声学换能器***可以包括可操作地耦接到音圈的悬架结构；并且至少一个温度传感器可以耦接到悬架结构。
在一些实施例中，控制器可以操作为：从位置信号确定振动膜的位移是否满足为声学换能器***定义的位移极限，位移极限表示声学换能器***的最大位移范围；并且响应于确定振动膜的位移满足位移限制，限定控制信号以在音圈处不发生移动，否则，至少基于输入音频信号的版本和位置信号生成控制信号。
本文描述的示例操作声学换能器***的方法可以包括：通过振动膜位置感测模块生成对应于可操作地耦接到声学换能器***的驱动器电机的振动膜的位移的位置信号，驱动器电机可操作以生成磁通量，并且耦接到振动膜的音圈至少响应于磁通量可移动，振动膜的位移可以相对于振动膜的初始位置检测；并且操作控制器与驱动器电机和振动膜位置感测模块进行电子通信，以：接收输入音频信号；至少基于输入音频信号的版本和位置信号生成控制信号；并且将控制信号发送到音圈，音圈至少响应于控制信号而移动。
在一些实施例中，振动膜位置感测模块可以包括用于检测振动膜的位移的位置传感器。
在一些实施例中，振动膜位置感测模块可以包括超声波传感器、光学传感器、磁传感器和压力传感器中的一个。
在一些实施例中，基于从振动膜位置感测模块接收的位置信号生成校正信号，校正信号至少补偿与振动膜的检测的位移相关联的失真；并且至少基于校正信号和输入音频信号的版本生成控制信号。
在一些实施例中，生成控制信号可以包括确定输入音频信号的版本与校正信号的比率。
在一些实施例中，生成控制信号可以包括：从电流源接收输入音频信号；确定为声学换能器***定义的目标响应，目标响应可以是用于声学换能器***的期望类型的输出信号；根据目标响应从输入音频信号生成预处理的输入音频信号，可以调节输入音频信号以适应期望类型的输出信号的生成；并且至少基于校正信号和预处理的输入音频信号生成控制信号。
在一些实施例中，至少基于位置信号生成运动反馈信号，运动反馈信号操作以适应由声学换能器***生成的目标响应，目标响应可以是用于声学换能器***的期望类型的输出信号；并且至少基于校正信号、输入音频信号的版本和运动反馈信号生成控制信号。
在一些实施例中，至少基于位置信号生成速度校正信号；并且基于速度校正信号和位置信号的版本生成运动反馈信号。
在一些实施例中，基于位置信号生成校正信号可以包括：检测驱动器电机处的温度；基于检测的温度估计音圈的温度；并且生成校正信号以使由于估计的温度导致的声学换能器***的性能的变化最小化。
在一些实施例中，驱动器电机可以包括可操作以生成磁通量的磁性元件；并且检测驱动器电机处的温度可以包括检测磁性元件处的温度和检测磁性元件周围的温度中的至少一个。
在一些实施例中，驱动器电机可以包括可操作地耦接到音圈的悬架结构；并且检测驱动器电机处的温度可以包括检测悬架结构处的温度和检测悬架结构周围的温度中的至少一个。
在一些实施例中，基于输入音频信号的版本和位置信号中的至少一个生成控制信号可以包括：从位置信号确定振动膜的位移是否满足为声学换能器***定义的位移极限，位移极限表示声学换能器***的最大位移范围；并且响应于确定振动膜的位移满足位移限制，限定控制信号以在音圈处不发生移动，否则，至少基于输入音频信号的版本和位置信号生成控制信号。
附图说明
现在将参考附图详细描述几个实施例，其中：
图1是根据示例实施例的声学换能器***的框图；
图2是示出可在本文描述的声学换能器***中操作的示例驱动器电机的局部截面图；
图3是示出可在本文描述的声学换能器***中操作的另一示例驱动器电机的局部截面图；
图4是示出可在本文描述的声学换能器***中操作的另一示例驱动器电机的局部截面图；
图5A是示出可在本文描述的声学换能器***中操作的另一示例驱动器电机的局部截面图；
图5B是示出可在本文描述的声学换能器***中操作的另一示例驱动器电机的局部截面图；
图6是根据另一示例实施例的声学换能器***的框图；
图7是根据另一示例实施例的声学换能器***的框图；和
图8是示出由示例性驱动器电机生成的电磁力(BI)的图。
下面描述的附图是为了说明而不是限制本文描述的实施例的各种示例的方面和特征的目的而提供的。为了说明的简单和清楚，附图中所示的元件不一定按比例绘制。为了清楚起见，相对于其它元件，一些元件的尺寸可能被放大。应当理解，为了说明的简单和清楚，在认为适当的情况下，可以在附图中重复附图标记以指示相应的或类似的元件或步骤。
具体实施方式
应当理解，阐述了许多具体细节以便提供对本文描述的示例实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本文描述的实施例。在其它情况下，未详细描述公知的方法、过程和组件，以免模糊本文描述的实施例。进一步，本说明书和附图不应被认为是以任何方式限制本文描述的实施例的范围，而是仅仅描述本文描述的各种实施例的实施方式。
应当注意，当在本文中使用诸如“基本上”、“约”和“近似”的程度的术语时，意味着修正的术语的合理的偏差量，使得最终结果不会显著变化。如果该偏差不会否定其修正的术语的含义，则这些成都术语应被解释为包括修正的术语的偏差。
此外，如本文所使用的，措辞“和/或”旨在表示可兼或。也就是说，例如，““X和/或Y”旨在表示X或Y或两者。作为进一步的示例，“X、Y和/或Z”旨在表示X或Y或Z或其任何组合。
应当注意，本文所用的术语“耦接”表示两个元件可以彼此直接耦接或通过一个或多个中间元件彼此耦接。在一些实施例中，术语“耦接”也可以指示两个元件是一体形成的。
首先参考图1，其示出了示例声学换能器***100。声学换能器***100包括控制器122、振动膜位置感测模块124和驱动器126。如图所示，驱动器126包括可操作地耦接到驱动器电机132的振动膜130。
可以将驱动器126的一些实施例配置为基本均匀悬挂的拓扑。与具有从下方悬挂或从上方悬挂的音圈的驱动器电机132相比，在一些实施例中，当由基本均匀悬挂的音圈的位移引起的失真可以最小化时，具有均匀悬挂的音圈的驱动器电机132可以提供更有效的整体声学换能器***。本文描述的声学换能器***100至少可配置为补偿均匀悬挂的音圈的位移可能引起的失真。
如图1所示，控制器122可以与驱动器126和振动膜位置感测模块124电子通信。控制器122可以以软件或硬件或其组合来实现。硬件可以是数字、模拟或其组合。
控制器122可以从输入端子102接收输入音频信号。输入端子102可以耦接到用于提供输入音频信号的音频源(未示出)。输入音频信号可以是具有时变幅度和时变频率的1伏峰－峰信号。在其它实施例中，输入音频信号可以是任何其它类型的模拟或数字音频信号。
控制器122可以接收由振动膜位置感测模块124生成的位置信号。振动膜位置感测模块124可以操作以在声学换能器***100的操作期间基于振动膜130的位移生成位置信号。在一些实施例中，振动膜位置感测模块124可以包括用于检测振动膜130的位移的位置传感器。
可以使用位置传感器的各种实施方式。例如，可以使用光学方法(例如，诸如激光位移传感器的光学传感器)或者涉及随着振动膜130的位移而变化的电容、电感或互耦的测量的方法来实现位置传感器。位置传感器也可以实现为超声波传感器、磁传感器或声压传感器。位置传感器的另一示例实施例可以包括应变仪。
根据声学换能器***100的预期应用，由于所涉及的制造过程可能过于昂贵和/或可能不能缩放到较小尺寸的装置，光学方法可能是不切实际的。应变仪可以基于驱动器126的组件的大体积或压电性能来操作，例如悬架组件或在驱动器126的组件之间的机械接口处的组件。
可以使用位置传感器的其它实施方式。例如，位置传感器可以包括低性能的零交叉传感器和加速度计或速度传感器。零交叉传感器可以操作以维持平均DC位置，而加速度计的二重积分或速度传感器的一重积分可以指示振动膜130的移动。来自零交叉传感器和加速度计或速度传感器之一的信号可以组合。例如，来自零交叉传感器和加速度计或速度传感器之一的信号可以与适当的滤波和/或缩放相加。
另一示例位置传感器的实施方式可以包括位置感测模块，该位置感测模块操操作以使用为驱动器126生成的数学模型基于音圈的电流和/或电压来估计振动膜130的位移。
当振动膜130静止时，也就是说，当没有电流流过音圈时，振动膜130处于初始位置或静止位置。处于初始位置的振动膜130相对于驱动器电机132的位置可以针对驱动器126的不同设计而变化。当振动膜130运动时，振动膜130可以相对于驱动器电机132移动，并且振动膜的位移可以对应于振动膜130相对于初始位置的位置。当振动膜130移动时，可操作地耦接到振动膜130的音圈也与振动膜130一起移动，使得音圈至少部分地离开空气间隙。当音圈离开空气间隙时，可能导致由驱动器126生成的所得到的输出音频信号中的失真。
然后，基于位置信号和输入音频信号，控制器122可以生成控制信号以补偿与本文描述的音圈的位移相关联的失真。将参照图5和图6描述控制器122的各种实施例。
现在将参照图2至图4描述驱动器电机132的示例实施例。
图2是示例驱动器电机200的局部截面图。图2中示出了中心轴202用于说明目的。
驱动器电机200至少包括轴向柱210、远离轴向柱210延伸的底板212和具有面向轴向柱210的内表面232的顶板214。在图2所示的实施例中，轴向柱210可以被称为中心柱，因为轴向柱210位于驱动器电机200的基本中心区域。
磁性元件216可以位于底板212和顶板214之间，使得磁性元件216位于磁通量的路径内。磁性元件216可以由一种或多种硬磁性材料形成，例如但不限于铁素体、钕－铁－硼和钐－钴。中心柱210、底板212和顶板214中的每一个一般可由任何适当的导磁材料制成，例如低碳钢。
顶板214和中心柱210也在其间限定空气间隙234。空气间隙234可以具有间隙高度234h。可操作地耦接到振动膜130(图2中未示出)的音圈240可以相对于驱动器电机200至少部分地在空气间隙234内轴向移动。音圈240通常可以至少响应于由磁性元件216生成的磁通量和由音圈240中的电流生成的磁通量而移动。音圈240的移动可以通过从控制器122接收到的控制信号来变化。
音圈240可以具有线圈高度240h。如图2所示，驱动器电机200的拓扑配置为基本均匀的悬挂设计，并且因此，线圈高度240h可以基本对应于间隙高度234h。在一些实施例中，线圈高度240h可以等于间隙高度234h。
如图2所示，磁性元件216可以与中心柱210间隔开，从而可以提供驱动器空腔250。在振动膜130的移动期间，音圈240可以至少部分地移动到驱动器空腔250中。驱动器空腔250可配置为适应音圈240的运动。
驱动器126可以配置为适应音圈240的整体运动。响应于由磁性元件216生成的磁通量和音圈240中的电流，音圈240将沿轴向朝向和远离底板212移动。音圈240的移动可以被限制在至少部分地包括音圈240的位移范围，或者在一些实施例中完全在空气间隙234上方和下方。在一些实施例中，位移范围可以基本上对应于空气间隙234的每端的线圈高度240h。
因此，振动膜130和驱动器空腔250可配置为适应位移范围。
本文描述的驱动器126可以包括驱动器电机200，其特征在于中心柱210的截面积等于或小于内表面232的面积。因此，顶板214可以由大致均匀的几何形状形成。然而，可以修改顶板214的几何形状以减少钢的不必要的使用。如将参照图3和图4描述的那样，可以应用顶板214、底板212和/或中心柱210的其它修改以增加输出音频信号的线性度，而不影响本文描述的声学换能器***100的整体性能。
如图2所示，顶板214可以包括内部部分214i和外部部分214e。在一些实施例中，内部部分214i可以与外部部分214e一体形成。每个内部部分214i和外部部分214e相对于整个顶板214的截面尺寸仅作为示例被示出，并且不应被解释为限制。内部部分214i和外部部分214e可以根据驱动器电机200的设计要求来定尺寸。
内部部分214i可以包括内表面232，而磁性元件216可以在外部部分214e处耦接到顶板214。如图2所示，内部部分214i和外部部分214e可以分别具有不同的高度，220h和222h。为了保持间隙高度234h，同时也减少所用钢的量，内部部分214i的内部高度220h可以高于外部部分214e的外部高度222h。
图3是另一示例驱动器电机300的局部截面图。图3中还示出了中心轴302用于说明目的。
图3所示的驱动器电机300大致类似于图2的驱动器电机200。驱动器电机300包括中心柱310、底板312和顶板314。磁性元件316位于顶板314和底板312之间。中心柱310和顶板314还限定空气间隙334。驱动器空腔350也可以设置在驱动器电机300内。
类似于图2的顶板214，图3的顶板314可以包括内部部分314i和外部部分314e。如所描述的，在一些实施例中，内部部分314i可以与外部部分314e一体形成。内部部分314i可以包括面向中心柱310的内表面332。然而，与图2的顶板214不同，内部部分314i的顶表面318t和底表面318b可以是朝着外部部分314e渐缩的。在一些实施例中，内部部分314i的顶表面318t和底表面318b中的仅一个是渐缩的。随着顶表面318t和底表面318b中的一个或两个的渐缩，由于顶板314中使用的钢的量减少，驱动器电机300的高度可以低于驱动器电机200的高度。然后，驱动器电机300也可以具有较小的深度，允许音圈340对于与包括驱动器电极200的驱动器126相同的驱动器高度有更大的位移范围。
图4是另一示例驱动器电机400的局部截面图。图4中还示出了中心轴402用于说明目的。
类似于驱动器电机200和300，图4所示的驱动器电机400也包括中心柱410、底板412和顶板414。磁性元件416也可以位于顶板414和底板412之间。中心柱410和顶板414可以限定空气间隙434。驱动器空腔450也可以设置在驱动器电机400内。
可以看出，驱动器电机400的几何形状与驱动器电机200和300的几何形状不同。通过修改中心柱410、底板412和顶板414中的一个或多个的几何形状，可以减少驱动器电机400的重量(以及制造成本)。
例如，如图所示，磁性元件416可以比底板412和顶板414更远离中心柱410延伸。在一些实施例中，磁性元件416可以更远离底板412和顶板414中的一个延伸。磁性元件416可以远离驱动器空腔450延伸，以为较长的音圈440提供空隙。
另外，如图4所示，磁性元件416、顶板414和底板412中的每一个可以与不同的高度和/或不同的几何构型相关联。在一些实施例中，磁性元件416可以基本上中心地位于顶板414和底板412之间，或者更靠近顶板414和底板412之一。
类似于图3所示的顶板314，图4的顶板414也可以包括内部部分414i和外部部分414e。在一些实施例中，内部部分414i可以与外部部分414e一体形成。内部部分414i包括内表面432。与外部部分414e的高度相比，顶表面418t和底表面418b分别可以是急剧渐缩的。
中心柱410也可以被修改以减少所用钢的量。例如，中心柱410可以包括顶部410t和耦接到顶部410t的底部410b。在一些实施例中，顶部410t可以与底部410b一体形成。顶部410t的表面可以部分地面对顶板414的内表面432，而底部410b可以耦接到底板412。
在一些实施例中，中心柱410的顶部410t可以远离空气间隙434渐缩。在图4所示的示例中，可以修改顶部410t的几何形状，留下渐缩的表面422，用于相对于内表面432保持间隙高度434h。
在一些实施例中，也可以修改中心柱410的底部410b的几何形状。例如，如图4所示，底部410b可以远离底板412渐缩。
图5A是另一示例驱动器电机500A的部分截面图。
不同于图2至图4的驱动器电机200至400，轴向柱510可以形成用于驱动器电机500A的外壁。作为参考，图5A中示出了中心轴502，并且中心轴502位于底板512、顶板514和磁性元件516A的中心区域。如图5A所示，磁性元件516A可以位于底板512和顶板514之间。外壁510和顶板514可以限定具有间隙高度534h的空气间隙534。驱动器空腔550也可以设置在驱动器电机500A内。
如图5A所示，可以修改限定驱动器空腔550的驱动器电机500A的一些组件的几何形状，以减少钢的使用，其然后也可以适应音圈540的较大的位移范围。
驱动器电机500A的一些实施例可以包括通常位于磁通量的路径内的分离的磁性元件516。例如，一个磁性元件516可以位于顶板514和底板512之间，而单独的磁性元件516可以位于驱动器电机500A的另一位置，但位于磁通量的路径内。图5B中示出了示例实施例。
图5B是另一示例驱动器电机500B的局部截面图。除了驱动器电机500B包括位于底板512和顶板514之间的第一磁性元件516B1和位于磁通量的路径内的第二磁性元件516B2之外，驱动器电机500B通常类似于驱动器电机500A。例如，第一磁性元件516B1可以耦接在底板512的顶表面和顶板514的底表面之间，而磁性元件516B2可以耦接到顶板514的顶表面。顶板514的顶表面与顶板514的底面相反。
在驱动器电机200至500B的一些实施例中，轴向柱210至510可以与相应的底板212至512一体形成。
关于驱动器电机200至500B中的组件描述的各种修改是用于改变使用的钢的量的示例修改，而不会不利地影响声学换能器***100的整体性能。如图2至5B所示，每个示例驱动器电机200至500B中的音圈240、340、440、540可以分别与基本对应于间隙高度234h、334h、434h、534h的线圈高度240h、340h、440h、540h相关联。
在一些实施例中，为了进一步减少示例驱动器电机200至500B中的钢的使用，取决于驱动器电机200、300、400、500A、500B的半径，各个顶板214、314、414、514和底板212、312、412、512的每一个可以是径向向外移动渐缩的。
现在参考图图8，其是示出由各种示例驱动器电机生成的示例电磁力(BI(x))的曲线图800。电磁力(BI)对应于空气间隙234、334、434、534中的磁场强度(B)与磁场内音圈长度(I)的乘积。
数据系列810示出了由现有技术的从上方悬挂的驱动器电机设计生成的电磁力。数据系列820示出了由图3的驱动器电机300生成的电磁力。如曲线图800所示，对于所有位移，数据系列820的值高于数据系列810的值。如数据系列830所示，驱动器电机300的相对效率在高位移范围832中相当高。
然而，在低位移范围822(例如，当音圈340最初离开空气间隙334时)，与现有技术的驱动器电机设计的电磁力(如数据系列810所示)相比，与驱动器电机300相关联的电磁力通常是非线性的(如数据系列820所示)。本文描述的控制器122可以操作以补偿与BI幅度对音圈340的位移(“x”)的依赖性相关联的非线性。补偿空气间隙234、334、434、534内的磁场强度(B)内的不期望的变化可能是重要的，因为磁场强度(B)中的变化可以影响声学换能器***的声学性能，例如灵敏度和频率响应以及电磁力的线性。非线性电磁力会生成失真。
现在参考图6，其示出了另一个示例声学换能器***600的框图。类似于图1的声学换能器***100，声学换能器***600包括控制器622、振动膜位置感测模块124和驱动器126。
控制器622可以包括合成器模块630、跨导放大器632和校正模块634。
在一些实施例中，电压放大器可以包括在控制器622中而不是跨导放大器632中。利用电压放大器，控制器622可以操作以调节由电压放大器生成的电压输出信号，以为声学换能器***600生成所需电流。可以基于经由反馈在驱动器126的输出端感测的电流或经由计算的电压/阻抗到电流的转换来对电压输出信号进行调整。
校正模块634可以基于从振动膜位置感测模块124接收的位置信号生成校正信号。基于位置信号，校正模块634可以确定与检测的位移相关联的电磁力校正，并生成相应的校正信号以补偿由BI(x)项引起的那些失真。因此，控制器622可以作为前馈补偿***来操作。例如，关于图8的曲线图800，校正信号可以使低位移范围822内的数据系列820中的非线性最小化。校正信号可以对应于位移的函数，并且由合成器模块630生成的控制信号可以对应于校正信号(即，BI(x)值，其中“x”对应于振动膜130的位移)和BI(0)值(例如，当振动膜130处于初始位置或静止位置时)的比率。在一些实施例中，控制器622可以配置为当位移接近声学换能器***600的预定位移极限时，不生成用于补偿低BI(x)值的控制信号。
在一些实施例中，根据声学换能器***600的应用，可以生成用于将输入音频信号修正为目标控制信号的校正信号。例如，当声学换能器***600旨在生成最大输出信号时，校正模块634可以生成校正信号，使得当由合成器模块630施加校正信号时，所得到的控制信号将使驱动器126生成最大输出信号。另一示例目标控制信号可以与由驱动器126生成的音频输出信号内的某些BI(x)特性和/或某些谐波含量相关联。
在一些实施例中，校正信号还可以修正输入音频信号，使得所得到的目标控制信号可以模拟具有不同电机几何形状的驱动器主体的声学行为(甚至包括失真特征)，例如从上方悬挂拓扑或从下方悬挂拓扑。
如图6所示，合成器模块630可以从校正模块634接收校正信号，并且至少基于校正信号和输入音频信号生成控制信号。根据由校正模块生成的校正信号的形式，合成器模块630可以包括分配器或乘法器组件。当合成器模块630包括分配器组件时，因此控制信号可以是输入音频信号和校正信号的比率。当校正信号对应于相对BI(x)项的倒数时，合成器模块630可以替代地包括乘法器组件。根据声学换能器***600的应用，可以应用合成器模块630的其它实施方式。
合成器模块630的操作可以在一定程度上依赖于输入音频信号达到在从相应的校正信号的到达开始的时间阈值内。时间阈值可以是频率依赖的。例如，可接受的时间阈值可以与声学换能器***600的操作带宽成反比。在一些实施例中，通过减少预期的延迟源(例如在其中发生位置信号的数字化的阶段和/或涉及信号处理(例如，数字信号到模拟信号的数据转换，以及从模拟信号到数字信号的数据转换)的任何模块)，输入音频信号和对应的校正信号到达的任何未对准可以被最小化。例如，通过使用与整个声学换能器***600的可接受范围内的延迟相关联的处理组件，可以使延迟最小化。
在一些实施例中，声学换能器***600可以包括在振动膜位置感测模块124和校正模块634之间的滤波器，用于在输入音频信号和合成器模块630处的相应校正信号到达时最小化可能的未对准。滤波器可以包括例如显示负组延迟或预测行为的滤波器类型。
在一些实施例中，声学换能器***600可以包括保护元件。
尽管图6中未示出，通过减小跨导放大器632的增益以保护声学换能器***600避免热过载，可以包括热保护组件。热保护组件可以涉及确定施加到音圈240、340、440、540的输入音频信号的音频功率或RMS功率，和/或将输入音频信号施加到音频线圈240、340、440、540的电阻－电容(RC)热模型。RC热模型可以涉及固定的集总参数或表示声学换能器***600的不同部分的两个或更多个元件。例如，RC热模型可以包括不同的元件，用于表示音圈240、340、440、540和驱动器电机200、300、400、500中的每一个。在一些实施例中，RC热模型的“R”分量可以是RMS速度的函数(例如，位移值的时间导数的RMS平均值)。
在声学换能器***600的操作期间，功率在驱动器126内耗散并且音圈240、340、440和540的温度升高。包括磁性结构(例如，磁性元件216、316、416、516)的其它组件(例如驱动器126)的温度。与声学换能器***600内的其它热变组件不同，音圈240、340、440和540由于其升高的温度而可能更容易受到不可逆的损坏。在一些实施例中，控制器622可以用经由耦接到驱动器126的传感器***接收的温度测量值进一步增强对音圈240、340、440和540的保护。
例如，传感器***可以耦接到轴向柱210，并且传感器***可以包括用于检测轴向柱210和/或轴向柱210周围的温度的温度传感器，例如空气间隙234中的温度、内表面232处的温度等。基于由温度传感器检测的温度，控制器622可以通过数学模型和/或表示(例如，通过数值方法生成的近似)估计音圈240、340、440、540的温度，并相应地生成校正信号。
在一些实施例中，控制器622可以包括热补偿组件。热补偿组件可以操作以解决由于变化的温度而由磁性元件216中的强度变化引起的声学性能的变化，例如声学换能器***600的灵敏度和/或声学换能器***600的频率响应(例如，频率范围上的灵敏度)。热补偿组件可以包括耦接到驱动器126的用于检测驱动器126的至少一个组件的温度的温度传感器。
例如，温度传感器可以耦接到驱动器126内的磁性结构(例如磁性元件216)，用于检测磁性元件216的温度，或者温度传感器可以耦接到驱动器126中的一个或多个其它热变组件(例如轴向柱210和/或底板212)，用于检测这些热变组件的温度和/或磁性元件216的周围温度。基于其它热变组件的检测温度，控制器622可以通过数学模型和/或表示(例如，通过数值方法生成的近似)间接地确定磁性结构的温度。在一些实施例中，温度传感器可以耦接到驱动器126内的磁性结构和一个或多个其它热变组件。
响应于检测的和/或确定的温度，控制器622可以生成校正信号以补偿声学换能器***的声学性能的任何变化，这可能是由驱动器126的磁性结构的温度变化引起的。例如，声学换能器***600的校正模块634可以生成校正信号，以用于减小或置零磁结构的检测或确定的温度的影响，以便补偿由于整个磁性结构和/或驱动器126的温度变化而由在空气间隙234、334、434、534内的磁场强度(B)中的改变引起的不期望的效果。
在一些实施例中，温度传感器可以与驱动器126的悬架结构(例如环绕和/或蜘蛛组件)耦接。与驱动器126的磁性结构的温度变化可以对空气间隙234、334、434、534中的磁场强度(B)产生影响并且因而影响声学换能器***的声学性能类似，驱动器126的悬架结构的可变温度也可以影响声学换能器***的声学性能。
当驱动器126在悬架结构内包括多个悬架组件时，可以检测这些悬架组件中的一个或多个的温度。驱动器126的悬架结构通常可以使用表现出温度依赖特性的材料来构造。可以从单个点检测悬架结构的温度，或者可以从来自多个不同点的测量生成。例如，多个测量可以被平均。基于检测的或确定的悬架组件的温度，然后控制器622可以生成相应的校正信号，用于补偿悬架组件上的变化温度对悬架刚度的影响，这改变了音圈340的位移特性。
为了确定校正信号，控制器622可以确定与悬架组件的温度相关联的悬架刚度。例如，控制器622可以根据相关数学模型或表示(例如，通过数值方法生成的近似)和/或数据表或数组来确定作为位移的函数的相应悬架刚度，即kms(x)。数据表、模型和表示的特征在于特定的温度范围。通过使用这些数据表、模型和表示来确定校正信号，所得到的校正信号将至少适用于那些温度范围。在一些实施例中，控制器622可以在数据表和表示之间进一步插值或外推，以改变温度范围的范围。在一些实施例中，数学模型和表示还可以考虑驱动器126的悬架组件的其它特性，其也可以是温度依赖特性，例如滞后特性和/或粘弹特性(例如蠕变)。
可以包括在声学换能器***600中的另一保护元件可以包括压缩器/限制器元件。在将控制信号提供给驱动器126之前，压缩器/限制器元件可以控制控制信号的幅度，以确保位移适合于驱动器126。例如，压缩器/限制器元件可以操作以确保控制信号在驱动器126的操作限制内。
在一些实施例中，压缩器/限制器元件可以操作以调整来自跨导放大器632的输出信号。在一些其它实施例中，压缩器/限制器元件可以作为可调增益块来操作以调整输入音频信号。
在一些实施例中，声学换能器***600可以伺服机构，其包括用于控制可能导致的从音圈240、340、440、540的初始位置的任何DC偏移。DC偏移的控制可以包括使DC偏移最小化。与DC偏移相对应的信号或DC偏移误差信号可以与输入音频信号组合。
图7示出了另一示例声学换能器***700的框图。
类似于声学换能器***100和600，声学换能器***700包括控制器722、振动膜位置感测模块124和驱动器126。控制器722与控制器622一样，还包括合成器模块730、跨导放大器732和校正模块734。然而，与控制器622不同，控制器722包括预处理滤波器736和负反馈模块740。尽管预处理滤波器736和负反馈模块740均包括在声学换能器***700中，但是其它实施例可以仅包括预处理滤波器736和负反馈模块740中的一个。
当经由电流源将音频信号提供给音圈240、340、440、540时，与电流源相关联的阻抗很高。因此，驱动器126的机械动力学将不同于用电压源实现的驱动器的动作。例如，声学换能器***700的阻尼可以包括与移动振动膜130和音圈240、340、440、540相关联的阻尼，并且结果，声学换能器***700的阻尼可以由于电流源的高阻抗减小。阻尼的下降可以导致谐振频率范围内的输出音频信号的上升，这是不期望的。在一些实施例中，为了最小化阻尼的下降，预声处理滤波器736和负反馈模块740中的至少一个可以被包括在声学换能器***700中。
例如，预处理滤波器736可以包括均衡滤波器。预处理滤波器736可以操作以基于声学换能器***700的目标响应来调整输入音频信号以生成预处理的输入音频信号。如所描述的，声学换能器***700可以配置为生成期望类型的输出信号或回应。尽管可能发生任何欠阻尼，预处理滤波器736可以通过声学换能器***700来调节输入音频信号以适应期望类型的输出信号的生成。例如，预处理滤波器736可以包括应用幅度-频率响应，其对应于与欠阻尼声学换能器***700的谐振峰值相关联的响应的倒数。
负反馈模块740可以基于用于控制声学换能器***700的阻尼的速度反馈来操作。例如，负反馈模块740可以生成运动速度信号，并且然后合成器模块730可以基于校正信号生成控制信号、输入音频信号(或由预处理滤波器736生成的预处理的输入音频信号)和速度反馈信号。
如图7所示，负反馈模块740可以包括速度反馈模块742和低通滤波器746，速度反馈模块742通过采取位置信号的第一时间微分基于位置信号生成速度校正信号，低通滤波器746用于生成时间平均位置信号。时间平均位置信号通常对应于振动膜130相对于初始位置的位移的静态或DC幅度。然后，加法器744可以从由合成器模块730生成的初始控制信号中减去速度校正信号，并且另一个加法器748可以从加法器744的结果中减去低通滤波器746生成的时间平均位置信号。可以将加法器748的结果作为控制信号提供给跨导放大器732。
在一些实施例中，速度反馈模块742可以包括时间导数分量和第一增益分量。在一些实施例中，低通滤波器746还可以包括可以与第一增益分量不同的第二增益分量。
本文仅通过示例的方式描述了各种实施例。在不脱离仅由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些示例实施例进行各种修改和变化。

Claims (40)

1.一种声学换能器***，包括：
驱动器电机，所述驱动器电机可操作以生成磁通量；
振动膜，所述振动膜可操作地耦接到所述驱动器电机；
音圈，所述音圈耦接到所述振动膜，所述音圈至少响应于所述磁通量可移动；
振动膜位置感测模块，所述振动膜位置感测模块生成与所述振动膜相对于所述振动膜的初始位置的位移相对应的位置信号；和
控制器，所述控制器与所述驱动器电机和所述振动膜位置感测模块进行电子通信，所述控制器可操作以：
接收输入音频信号；
至少基于所述输入音频信号和所述位置信号的版本，生成控制信号；并且
将所述控制信号发送到所述音圈，所述音圈至少响应于所述控制信号移动。
2.根据权利要求1所述的声学换能器***，其中：
所述驱动器电机包括：
轴向柱；
远离所述轴向柱延伸的底板；
具有面向所述轴向柱的内表面的顶板，其中，所述顶板和所述轴向柱在其间限定空气间隙；和
位于所述底板和所述顶板之间的磁性元件，所述磁性元件远离所述轴向柱隔开，并且所述磁性元件可操作以生成所述磁通量；并且
所述音圈至少部分地在所述空气间隙内可移动。
3.根据权利要求2所述的声学换能器***，其中，所述音圈具有基本上对应于所述空气间隙的间隙高度的线圈高度。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的声学换能器***，其中，所述轴向柱包括位于所述驱动器电机的大致中心区域的中心柱。
5.根据权利要求2至3中任一项所述的声学换能器***，其中，所述轴向柱包括所述驱动器电机的外壁。
6.根据权利要求5所述的声学换能器***，其中：
所述磁性元件耦接在所述底部和所述顶板的底表面之间；并且
所述驱动器电机进一步包括耦接到所述顶板的顶表面的第二磁性元件，所述顶板的所述顶表面与所述顶板的所述底表面相对。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的声学换能器***，其中，所述顶板包括内部部分和耦接到所述内部部分的外部部分，所述内部部分的表面是所述内表面，并且所述磁性元件经由所述外部部分耦接到所述顶板，所述外部部分的高度小于所述内表面的高度。
8.根据权利要求7所述的声学换能器***，其中，所述顶板的所述内部部分的顶表面和底表面中的至少一个朝向所述外部部分渐缩。
9.根据权利要求2至4中任一项所述的声学换能器***，其中，所述磁性元件与所述底板和所述顶板中的至少一个相比更远离所述轴向柱延伸。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的声学换能器***，其中，所述轴向柱和所述底板在所述驱动器电机内限定驱动器空腔以至少部分地接收所述音圈。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的声学换能器***，其中，所述驱动器电机配置为适应所述音圈的移动，所述音圈在位移范围内朝向和远离所述底板可移动，所述位移范围从所述空气间隙的每端延伸，并且所述位移范围至少对应于所述音圈的线圈高度。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的声学换能器***，其中，所述轴向柱的横截面积最多等于所述内表面的面积。
13.根据权利要求2至12中任一项所述的声学换能器***，其中，所述轴向柱包括顶部和底部，所述底部耦接到所述顶部，所述顶部的表面部分地面向所述顶板的所述内表面，并且所述底部耦接到所述底板。
14.根据权利要求13所述的声学换能器***，其中，所述轴向柱的所述底部远离所述底板渐缩。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的声学换能器***，其中，所述轴向柱的所述顶部远离所述空气间隙渐缩。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的声学换能器***，其中，所述顶部部分地远离所述底板延伸，以延伸所述间隙高度。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的声学换能器***，其中，所述振动膜位置感测模块包括用于检测所述振动膜的所述位移的位置传感器。
18.根据权利要求17所述的声学换能器***，其中，所述振动膜位置感测模块包括超声波传感器、光学传感器、磁性传感器和压力传感器中的一个。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的声学换能器***，其中，所述控制器包括：
校正模块，所述校正模块配置为基于从所述振动膜位置感测模块接收的所述位置信号生成校正信号，所述校正信号至少补偿与检测的位移相关联的失真；和
合成器模块，所述合成器模块配置为从所述校正模块接收所述校正信号，并且至少基于所述校正信号和所述输入音频信号的所述版本来生成所述控制信号。
20.根据权利要求19所述的声学换能器***，其中，所述合成器模块包括分配器，所述控制信号对应于所述输入音频信号的所述版本与所述校正信号的比率。
21.根据权利要求19至20中任一项所述的声学换能器***，其中，所述控制器可操作以从电流源接收所述输入音频信号，并且所述控制器进一步包括预处理滤波器以用于：
从所述电流源接收所述输入音频信号；
确定针对所述声学换能器***限定的目标响应，所述目标响应是针对所述声学换能器***的期望类型的输出信号；
参考所述目标响应从所述输入音频信号生成预处理的输入音频信号，所述输入音频信号被调节以适应所述期望类型的输出信号的生成；以及
将所述预处理的输入音频信号发送到所述合成器模块。
22.根据权利要求21所述的声学换能器***，其中，所述预处理滤波器包括均衡滤波器。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的声学换能器***，其中：
所述控制器进一步包括负反馈模块，所述负反馈模块用于接收所述位置信号并且至少基于所述位置信号生成运动反馈信号，所述运动反馈信号起作用以适应由所述声学换能器***生成目标响应，所述目标响应是针对所述声学换能器***的期望类型的输出信号；并且
所述合成器模块至少基于所述校正信号、所述输入音频信号的所述版本和所述运动反馈信号生成所述控制信号。
24.根据权利要求23所述的声学换能器***，其中：
所述负反馈模块包括：
速度反馈模块，所述速度反馈模块配置为至少基于所述位置信号生成速度校正信号；和
低通滤波器，所述低通滤波器配置为生成所述位置信号的版本；并且
所述运动反馈信号包括所述速度校正信号和所述位置信号的所述版本。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的声学换能器***，其中：至少一个温度传感器耦接到所述驱动器电机；并且
所述校正模块进一步配置为：
基于由所述至少一个温度传感器检测的所述驱动器电机的温度来估计所述音圈的温度；以及
生成所述校正信号以使由于估计的温度导致的所述声学换能器***的性能的变化最小化。
26.根据权利要求25所述的声学换能器***，其中，所述至少一个温度传感器耦接到所述磁性元件。
27.根据权利要求25所述的声学换能器***，其中：
所述声学换能器***包括可操作地耦接到所述音圈的悬架结构；并且
所述至少一个温度传感器耦接到所述悬架结构。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的声学换能器***，其中，所述控制器进一步操作为：
从所述位置信号确定所述振动膜的所述位移是否满足针对所述声学换能器***限定的位移极限，所述位移极限表示所述声学换能器***的最大位移范围；并且
响应于确定所述振动膜的所述位移满足所述位移极限，限定所述控制信号以在所述音圈处不导致移动，否则，至少基于所述输入音频信号的所述版本和所述位置信号生成所述控制信号。
29.一种操作声学换能器***的方法，所述方法包括：
通过振动膜位置感测模块生成与可操作地耦接到所述声学换能器***的驱动器电机的振动膜的位移相对应的位置信号，所述驱动器电机可操作以生成磁通量，并且耦接到所述振动膜的音圈至少响应于所述磁通量可移动，所述振动膜的所述位移相对于所述振动膜的初始位置来检测；以及
操作与所述驱动器电机和所述振动膜位置感测模块进行电子通信的控制器以：
接收输入音频信号；
至少基于所述输入音频信号的版本和所述位置信号生成控制信号；并且
将所述控制信号发送到所述音圈，所述音圈至少响应于所述控制信号移动。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述振动膜位置感测模块包括用于检测所述振动膜的所述位移的位置传感器。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述振动膜位置感测模块包括超声波传感器、光学传感器、磁性传感器和压力传感器中的一个。
32.根据权利要求29至31中任一项所述的方法，进一步包括：
基于从所述振动膜位置感测模块接收的所述位置信号生成校正信号，所述校正信号至少补偿与所述振动膜的检测的位移相关联的失真；以及
至少基于所述校正信号和所述输入音频信号的版本生成所述控制信号。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，生成所述控制信号包括确定所述输入音频信号的所述版本与所述校正信号的比率。
34.根据权利要求32至33中任一项所述的方法，其中，生成所述控制信号进一步包括：
从电流源接收所述输入音频信号；
确定针对所述声学换能器***限定的目标响应，所述目标响应是针对所述声学换能器***的期望类型的输出信号；
参考所述目标响应从所述输入音频信号生成预处理的输入音频信号，调节所述输入音频信号以适应所述期望类型的输出信号的生成；以及
至少基于所述校正信号和所述预处理的输入音频信号生成所述控制信号。
35.根据权利要求32至34中任一项所述的方法，进一步包括：
至少基于所述位置信号生成运动反馈信号，所述运动反馈信号起作用以适应由所述声学换能器***生成目标响应，所述目标响应是针对所述声学换能器***的期望类型的输出信号；以及
至少基于所述校正信号、所述输入音频信号的所述版本和所述运动反馈信号生成所述控制信号。
36.根据权利要求35所述的方法，进一步包括：
至少基于所述位置信号生成速度校正信号；以及
基于所述速度校正信号和所述位置信号的版本生成所述运动反馈信号。
37.根据权利要求32至36中任一项所述的方法，其中，基于所述位置信号生成所述校正信号包括：
检测所述驱动器电机处的温度；
基于检测的温度估计所述音圈的温度；以及
生成所述校正信号，以使由于估计的温度导致的所述声学换能器***的性能的变化最小化。
38.根据权利要求37所述的方法，其中：
所述驱动器电机包括可操作以生成所述磁通量的磁性元件；并且
检测所述驱动器电机处的所述温度包括检测所述磁性元件处的温度和检测所述磁性元件周围的温度中的至少一个。
39.根据权利要求37和38中任一项所述的方法，其中：
所述驱动器电机包括可操作地耦接到所述音圈的悬架结构；并且
检测所述驱动器电机处的所述温度包括检测所述悬架结构处的温度和检测所述悬架结构周围的温度中的至少一个。
40.根据权利要求29至39中任一项所述的方法，其中，基于所述输入音频信号的所述版本和所述位置信号中的至少一个生成所述控制信号包括：
从所述位置信号确定所述振动膜的所述位移是否满足针对所述声学换能器***限定的位移极限，所述位移极限表示所述声学换能器***的最大位移范围；以及
响应于确定所述振动膜的所述位移满足所述位移极限，限定所述控制信号以在音圈处不导致移动，否则，至少基于所述输入音频信号的所述版本和所述位置信号生成所述控制信号。
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