CN118054726A - 一种声波电机的声音控制方法和电动牙刷 - Google Patents

Abstract

本申请属于电机控制领域，具体而言涉及一种声波电机的声音控制方法和电动牙刷，所述方法包括：根据所述目标频率得到适配方波的适配频率，所述适配频率为所述目标频率的N倍，所述目标频率为目标正弦波信号的频率；基于目标峰值和适配频率得到适配方波的适配占空比，所述目标峰值为目标正弦波信号的峰值bV，其中b表示目标峰值的系数，且0<b≤1，所述适配占空比表示为：k(n)表示第n个适配方波的适配占空比；根据所述目标频率、适配频率和适配占空比得到适配方波信号，所述适配方波信号的冲量与对应的目标正弦波信号的冲量相同。如此以降低电机产生的噪音。

Description

一种声波电机的声音控制方法和电动牙刷

技术领域

本申请属于电机控制领域，具体而言涉及一种声波电机的声音控制方法和电动牙刷。

背景技术

声波电机是一种在交流电驱动下，在平衡位置附近做小幅度往复转动的电机，常用于电动牙刷。使用声波电机的电动牙刷，在工作时需要给电机提供一个交流电的驱动，从而让电机实现往复运动。

目前市面上常见的做法是用方波交流电来驱动，即：若电机的供电电压为V，给定一个周期T，在T/2的时间内给电机提供电压V，在另T/2的时间内给电机提供电压-V。此时，电机将会以T为周期做往复运动。

若需要改变电机的力度，通常是适配方波驱动信号的占空比。例如，当需要60％占空比的方波时，可以在0.6T/2的时间内给电机加电压V、在0.4T/2的时间内给电机加电压0，在0.6T/2的时间内给电机加电压-V、在0.4T/2的时间内给电机加电压0。如此将会得到一个占空比为60％的方波交流电驱动信号，在此驱动下电机仍然会以周期T做往复运动，但摆动的力度会稍弱一些。

声波电机在产生声音的响应上和扬声器有点类似(二者都是电感性器件，都是交流电驱动，都是通过电磁力将电能转化为机械能的装置)，所以声波电机工作时也会和扬声器类似，根据输入的交流驱动信号的频率响应发出对应的声音。

当用方波交流电驱动声波电机时，由于方波在频域除了基频外，还有三倍频、五倍频、七倍频等高频分量，所以声波电机在工作时发出的声音也会含有这些高频分量，使得音色听起来比较尖。

通常人耳对分辨高频的声音灵敏度较高，当电机发出的声音含较多的高频分量时，就会容易引起人的注意，让人觉得电机的噪声较大。

电动牙刷的声波电机的驱动，一般是用控制器输出方波控制信号，经过一个马达驱动芯片(或者数个MOS管构成的H桥单元)转化为方波功率信号，施加在电机的两端驱动电机。

一个占空比为100％的方波信号如图1所示，峰值为V，周期为T；一个占空比为50％的方波信号如图2所示，峰值为V，周期为T。

发明内容

本申请正是基于现有技术的上述需求而提出的，本申请要解决的技术问题是提供一种声波电机的声音控制方法和电动牙刷以降低电机产生的噪音。

为了解决上述问题，本申请提供的技术方案包括：

提供了一种声波电机的声音控制方法，包括：根据所述目标频率得到适配方波的适配频率，所述适配频率为所述目标频率的N倍，所述目标频率为目标正弦波信号的频率；基于目标峰值和适配频率得到适配方波的适配占空比，所述目标峰值为目标正弦波信号的峰值bV，其中b表示目标峰值的系数，且0<b≤1，所述适配占空比表示为：k(n)表示第n个适配方波的适配占空比；根据所述目标频率、适配频率和适配占空比得到适配方波信号，所述适配方波信号的冲量与对应的目标正弦波信号的冲量相同。

通过对于适配方波信号的设置使其的冲量与目标正弦波信号的冲量相同，使得通过适配方波信号与目标正弦波信号分别驱动声波电机时，能够产生相近的响应，由于正弦波信号的频域没有任何高频分量，在其驱动声波电机时，不会形成高频噪声，由此，当适配方波信号的冲量与对应的目标正弦波信号的冲量相同时，通过适配方波信号驱动声波电机，同样不会形成高频噪声，从而实现降噪。

优选的，根据所述目标频率适配频率/>和适配占空比k(n)得到适配方波信号，适配方波信号的冲量表示为/>

通过上述设置以调整适配方波信号的参数，从而使其冲量与正弦波信号的冲量相同。

优选的，T与N的关系满足：

通过上述设置使得适配方波信号的频率大于20kHz，如此能够使得适配方波产生的额外声音为超声波，人耳无法听到。

还提供了一种声波电机的声音控制方法，包括：根据所述目标频率得到适配方波的适配频率，所述适配频率为所述目标频率的aN倍，所述目标频率为目标正弦波信号的频率；基于目标峰值和适配频率得到适配方波的适配占空比，所述目标峰值为目标正弦波信号的峰值bV，其中b表示目标峰值的系数，且0<b≤1，所述适配方波信号的峰值为V，适配周期为每a个相邻适配方波为一组，第n组中各个适配方波的适配占空比表示为/> 且每组的适配方波不重叠；根据所述目标频率、适配频率和适配占空比得到适配方波信号，所述适配方波信号的冲量与对应的目标正弦波信号的冲量相同。

通过上述设置也能够通过另一种方式实现适配方波信号的冲量与对应的目标正弦波信号的冲量相同，从而产生与目标正弦波信号相同的驱动效果。

优选的，所述目标正弦波的目标峰值为bV，目标周期为T；所述适配方波信号的峰值为V，适配周期为适配频率为目标频率的2N倍，第2n-1个和第2n个方波的适配占空比表示为：/>

还提供了一种电动牙刷，包括：刷头，用于清洁牙齿；电机输出轴，与声波电机相连，以传递声波电机的响应；刷柄，分别与所述刷头和所述电机输出轴相连，以将声波电机的响应传递至所述刷头上；控制器，与所述声波电机电性连接，所述控制器通过如权利要求1-6中任意一项的声波电机的声音控制方法驱动声波电机。

通过上述设置以能够尽可能的降低声波电机形成的高频分量，以有效减弱或消除噪声，为使用者带来良好的使用体验。

与现有技术相比，本申请通过对适配方波的参数的设置以使得适配方波的冲量尽可能的与目标正弦波的冲量相同，旨在产生目标正弦波驱动声波电机时同样的效果，即不存在高频分量，尽可能降低高频产生的噪声，从而为使用者提供良好的使用体验。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个占空比为100％、峰值为V、周期为T的方波信号示意图；

图2为一个占空比为50％、峰值为V、周期为T的方波信号示意图；

图3为本申请实施例中的一种声波电机的声音控制方法的步骤流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

为便于对本申请实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本申请实施例的限定。

实施例1

本实施例提供了一种声波电机的声音控制方法，如图3所示。

为了避免方波的高频分量形成的噪声，或减少声音中的高频分量，可以使用高频分量较少的波形进行驱动。优选的，使用正弦信号，由于正弦信号的频域中没有任何的高频分量从而有效避免噪声。

在不改变控制电路的情况下，由于声波电机两端的电压只能在V、-V、0这几个值之间选取，所以需要通过PWM控制使得驱动信号产生类似正弦信号的效果。

根据PWM控制的面积等效原理，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同；冲量即窄脉冲的面积，所说的效果基本相同是指环节的输出波形基本相同。如果把各输入波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频略有差异。由于声波电机本身是一个电感性器件，当电机两端的电压发生突变时，电机的电流不会突变，而是根据电压以自身的感量为梯度上升或下降，所以电机的电流对外部的电压激励具有惯性，符合面积等效原理的条件。

基于上述原理，使得当使用方波窄脉冲的电压驱动声波电机时，声波电机的电流响应与用另一个面积相同而形状不同的驱动信号产生的响应基本一致。这就构成了用数字功率信号逼近正弦信号的理论基础：只要能产生一个冲量和正弦信号相等的窄脉冲构成的方波信号，那么用该方波信号驱动声波电机产生的效果就会和正弦信号驱动产生的效果基本相同。

所述声波电机的声音控制方法包括：

根据所述目标频率得到适配方波的适配频率，所述适配频率为所述目标频率的N倍，所述目标频率为目标正弦波信号的频率。

所述目标正弦波信号表示为：其中，bV表示目标峰值，b为目标峰值的系数，b的取值范围为0<b≤1，T为目标周期，相应的/>为目标频率。

使用方波窄脉冲信号使得电机产生与正弦波信号下电机所产生的类似的响应，将适配方波的适配频率设置为目标频率的N倍。相当于将目标周期T分为N份，其中一份为适配周期，同样可以理解为使用N个适配方波将一个周期的目标正弦波信号填满。由此，得到所述适配频率为

对于N值的选择，由于适配方波信号的周期是在驱动声波电机时相当于额外引入了一个振动的基频，电机发出的声音中就会多这个频率分量。为了消除该频率在声音上产生的影响，需要满足：

即适配方波的适配频率大于20kHz。如此能够保证额外引入的频率分量产生的声音属于超声波，人耳听不到超声波的声音，将有效避免噪声。

此外，根据上述所说的面积等效原理，适配方波信号的冲量需要与目标正弦波信号的冲量相等。但由于适配方波信号的电压取值仅能够为V、-V和0，所以对于每一个适配方波而言，通过调节其对应的适配占空比进而与对应位置的目标正弦波信号冲量相等。

基于目标峰值和适配频率得到适配方波的适配占空比，适配占空比表示为：k(n)表示第n个适配方波的适配占空比。

适配占空比基于下面过程求得：

对于第n个适配方波，设其占空比为k(n)，则该适配方波的冲量表示为：

当N取值越大，适配方波窄度很细时，近似计算产生的误差越小，适配方波对应的目标正弦波信号在T/N时间上产生的冲量近似为：

从而能够得到第n个适配方波的占空比为：

当k(n)的值为正数时，该适配方波对应于目标正弦波的上半周，此时的适配方波电压为正值，在此情况下，V占比为k(n)、0占比为1-k(n)；同样的，当k(n)的值为负数时，该适配方波对应于目标正弦波的下半周，此时的适配方波电压为负值，在此情况下，-V占比为|k(n)|、0占比为1-|k(n)|。

根据所述目标频率、适配频率和适配占空比得到适配方波信号，所述适配方波信号的冲量与对应的目标正弦波信号的冲量相同。

对于第n个适配方波，设其占空比为k(n)，则该适配方波的冲量表示为：

由此，当一个周期为峰值为V、第n个适配方波的适配占空比满足/>的方波驱动信号加到声波电机的两端时，声波电机产生的响应会和表示为/>的正弦信号产生的响应基本相同。

示例性的，在驱动电路的供电电压为4V的情况下，目标正弦波信号的目标峰值为3V、目标周期为4ms，即bV＝0.75V，T＝4ms。基于上述参数，适配方波的参数为：

确定N的值，由于N与T的关系需要满足可知N＞80。此处取N＝100。

确定适配方波的适配占空比。代入b＝0.75、N＝100，可得下表：

n	k(n)	n	k(n)	n	k(n)	n	k(n)	n	k(n)
										1	4.71％	21	72.64％	41	40.19％	61	-47.81％	81	-69.73％
2	9.40％	22	73.67％	42	36.13％	62	-51.34％	82	-67.86％
										3	14.05％	23	74.41％	43	31.93％	63	-54.67％	83	-65.72％
4	18.65％	24	74.85％	44	27.61％	64	-57.79％	84	-63.32％
										5	23.18％	25	75.00％	45	23.18％	65	-60.68％	85	-60.68％
6	27.61％	26	74.85％	46	18.65％	66	-63.32％	86	-57.79％
										7	31.93％	27	74.41％	47	14.05％	67	-65.72％	87	-54.67％
8	36.13％	28	73.67％	48	9.40％	68	-67.86％	88	-51.34％
										9	40.19％	29	72.64％	49	4.71％	69	-69.73％	89	-47.81％
10	44.08％	30	71.33％	50	0.00％	70	-71.33％	90	-44.08％
										11	47.81％	31	69.73％	51	-4.71％	71	-72.64％	91	-40.19％
12	51.34％	32	67.86％	52	-9.40％	72	-73.67％	92	-36.13％
										13	54.67％	33	65.72％	53	-14.05％	73	-74.41％	93	-31.93％
14	57.79％	34	63.32％	54	-18.65％	74	-74.85％	94	-27.61％
										15	60.68％	35	60.68％	55	-23.18％	75	-75.00％	95	-23.18％
16	63.32％	36	57.79％	56	-27.61％	76	-74.85％	96	-18.65％
										17	65.72％	37	54.67％	57	-31.93％	77	-74.41％	97	-14.05％
18	67.86％	38	51.34％	58	-36.13％	78	-73.67％	98	-9.40％
										19	69.73％	39	47.81％	59	-40.19％	79	-72.64％	99	-4.71％
20	71.33％	40	44.08％	60	-44.08％	80	-71.33％	100	0.00％

其中正占空比表示方波电压为正，负占空比表示方波电压为负。

进一步地，由于面积等效原理仅要求冲量相等，并不要求波形的形状，所以适配方波信号也可以用以下的构成方式：所述适配方波信号的峰值为V，适配周期为适配频率为目标频率的aN倍，每a个相邻适配方波为一组，第n组中各个适配方波的适配占空比表示为/>且每组的适配方波不重叠。

示例性的，适配方波的适配峰值为V，适配周期为即在整个目标正弦波的目标周期T内总共有2N个适配方波，第2n-1和第2n个方波的占空比为：/>由此方法构成的适配方波窄脉冲信号也和目标正弦信号的冲量相等。这样构成的适配方波，相当于将峰值V、周期/>占空比/>的适配方波信号的每个周期又均匀地分成了两个相同的小周期。具体而言，第一个适配方波与第二个适配方波的占空比相同，第一适配方波和第二适配方波的冲量叠加与峰值V、周期/>占空比/>的适配方波信号的第一个适配方波相同。

类似地，也可以将峰值V、周期占空比/>的方波窄脉冲信号的每个周期均匀地分成三个相同的小周期，也能产生类似的效果。

通过设置适配方波信号以使其冲量与目标正弦波信号的冲量相同，从而能够使适配方波信号施加在声波电机上的驱动效果和目标正弦波信号施加在声波电机上的驱动效果基本相同，由于正弦信号的频率没有任何高频分量，进而能够避免在适配方波信号的驱动下形成高频噪声。

实施例2

本实施例提供了一种电动牙刷。

电动牙刷包括刷头、刷柄、电机组件和控制器。

刷头，其上设置有用于清洁牙齿的清洁部分，所述清洁部分可以为刷毛。

电机组件，包括声波电机和电机输出轴，所述声波电机设置在所述电动牙刷内部。所述电机输出轴的一端与所述声波电机相连，另一端与所述刷头相连。

控制器，与所述声波电机电性连接，所述控制器控制所述声波电机通过实施例1中的声波电机的声音控制方法驱动所述声波电机工作。

通过上述设置以使得在使用电动牙刷刷牙时，声波电机不会再发出较为尖刺的声音，以提高使用体验，当使用体验较好时，使用者会在无意间延长使用时间，从而能够达到更好的洁牙效果。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种声波电机的声音控制方法，其特征在于，包括：

根据目标频率得到适配方波的适配频率，所述适配频率为目标频率的N倍，所述目标频率为目标正弦波信号的频率；

基于目标峰值和适配频率得到适配方波的适配占空比，所述目标峰值为目标正弦波信号的峰值bV，其中b表示目标峰值的系数，且0<b≤1，所述适配占空比表示为：k(n)表示第n个适配方波的适配占空比；

根据所述目标频率、适配频率和适配占空比得到适配方波信号，所述适配方波信号的冲量与对应的目标正弦波信号的冲量相同。

2.根据权利要求1所述的声波电机的声音控制方法，其特征在于，根据所述目标频率适配频率/>和适配占空比k(n)得到适配方波信号，适配方波信号的冲量表示为/>

3.根据权利要求2所述的声波电机的声音控制方法，其特征在于，T与N的关系满足：

4.一种声波电机的声音控制方法，其特征在于，包括：

根据目标频率得到适配方波的适配频率，所述适配频率为所述目标频率的aN倍，所述目标频率为目标正弦波信号的频率；

基于目标峰值和适配频率得到适配方波的适配占空比，所述目标峰值为目标正弦波信号的峰值bV，其中b表示目标峰值的系数，且0<b≤1，所述适配方波信号的峰值为V，适配周期为每a个相邻适配方波为一组，第n组中各个适配方波的适配占空比表示为且每组的适配方波不重叠；

根据所述目标频率、适配频率和适配占空比得到适配方波信号，所述适配方波信号的冲量与对应的目标正弦波信号的冲量相同。

5.根据权利要求4所述的声波电机的声音控制方法，其特征在于，所述目标正弦波的目标峰值为bV，目标周期为T；

所述适配方波信号的峰值为V，适配周期为适配频率为目标频率的2N倍，第2n-1个和第2n个方波的适配占空比表示为：/>

6.一种电动牙刷，其特征在于，包括：

刷头，用于清洁牙齿；

电机输出轴，与声波电机相连，以传递声波电机的响应；

刷柄，分别与所述刷头和所述电机输出轴相连，以将声波电机的响应传递至所述刷头上；

控制器，与所述声波电机电性连接，所述控制器通过如权利要求1-5中任意一项的声波电机的声音控制方法驱动声波电机。