DE102015002009A1

DE102015002009A1 - Optimierter Lautsprecherbetrieb

Info

Publication number: DE102015002009A1
Application number: DE102015002009.9A
Authority: DE
Inventors: Panayiotis Savvopoulos; Konstantinos Chatzis
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd; Dialog Semiconductor BV
Current assignee: Renesas Design Netherlands Nl BV; Renesas Design Uk Ltd Gb
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2016-08-25
Also published as: US20160249135A1; US9826309B2

Abstract

Ein optimiertes Verfahren zum Ansteuern eines Lautsprechers wird verwendet, um den Lautsprecher vor Schäden durch zu große Auslenkung oder Überhitzung zu schützen. Die Wiedergabeleistung eines eingehenden Audiodatenstroms wird mit einer Rückkopplungsleistung, die aus dem Lautsprecheraktuator abgeleitet wird, verglichen und der Vergleich wird verwendet, um den Frequenzgang des Lautsprechers über einzelne Teilbänder anzupassen.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen optimierten Lautsprecherbetrieb und insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen zum Steuern oder Anpassen des Frequenzgangs eines Lautsprechers.
Ein Lautsprecher ist ein Wandler, der ein elektrisches Signal in Schall umwandelt. Audiodaten werden verstärkt, um einen Aktuator anzusteuern, der ein Membranelement hin und her bewegt, um Schallwellen zu erzeugen. In einem typischen dynamischen Lautsprecher ist der Aktuator eine Schwingspule und das Membranelement ein Konus oder eine Membran.
Wenn ein Lautsprecher bei Leistungspegeln angeregt wird, die zu hoch sind, kann die Auslenkung des Membranelements größer sein als vorgesehen und er kann beschädigt werden. Lautsprecher können auch durch Überhitzung des Aktuators, des Membranelements oder anderer Elemente beschädigt werden.
Diese Probleme sind in dem Beispiel von Lautsprechern von mobilen Vorrichtungen wie etwa Mobiltelefonen, Tablet-Computern, Laptops und ähnlichen Vorrichtungen besonders akut. Mobile Vorrichtungen können mit einer Reihe von verschiedenen Oberflächen, die aus verschiedenen Materialien gebildet sind, in Kontakt kommen, und unterliegen im Allgemeinen rauen und unvorhersehbaren Beanspruchungen, da sie in Taschen oder Beuteln aufbewahrt werden und in einer Vielzahl von Innen- und Außenumgebungen eingesetzt werden.
Außerdem gibt es strenge Entwurfsbeschränkungen, die Lautsprecherentwürfe für mobile Vorrichtungen betreffen. Die Lautsprecher müssen eine kleine Fläche aufweisen, aber auch sehr dünn sein und einen hohen Schallpegel bereitstellen. Diese Kriterien sind schwer in Einklang zu bringen und somit arbeiten die Lautsprecher einer mobilen Vorrichtung tendenziell in der Nähe ihrer Leistungsgrenzen und sind anfällig für Schäden durch zu große Auslenkung oder Überhitzung.
Der Frequenzgang eines Lautsprechers unterliegt auch einer Herstelltoleranz und einer Verschiebung aufgrund von Alterung, externen Erschütterungen und Umweltbedingungen wie Staub und Feuchtigkeit.
Ein veränderlicher oder unvorhersehbarer Frequenzgang wirft mehrere Probleme auf. Die genaue Wiedergabe von Ton kann beeinträchtigt sein, weil die Entzerrung des Tons über Frequenzbänder nicht wie erwartet arbeitet. Ein Lautsprecher kann auch anfälliger für Beschädigungen durch zu große Auslenkung oder Überhitzung sein, wenn der Frequenzgang verändert wird.
Daher gibt es einen Bedarf, Lautsprecher vor Schäden zu schützen und allgemein eine Steuerung des Frequenzgangs eines Lautsprechers zu verbessern.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Lautsprechertreiberschaltung bereitgestellt, die umfasst:
ein erstes Leistungsberechnungsmodul zum Bestimmen einer Wiedergabeleistung aus eingehenden Audiodaten;
ein zweites Leistungsberechnungsmodul zum Bestimmen einer Rückkopplungsleistung aus einem Aktuator zum Antreiben des Lautsprechers; und
eine Entscheidungslogik zum Vergleichen der Wiedergabeleistung und der Rückkopplungsleistung und zum Erzeugen eines Befehls zum Anpassen eines Frequenzganges des Lautsprechers basierend auf dem Vergleich.
Optional umfasst der Aktuator einen Verstärker.
Optional umfasst die Lautsprechertreiberschaltung einen Entzerrer, der den Aktuator steuert, und der erzeugte Befehl umfasst einen Verstärkungsfaktor und einen Dämpfungsfaktor für den Entzerrer.
Optional können das erste und das zweite Leistungsberechnungsmodul dazu ausgelegt sein, eine Wiedergabeleistung und eine Rückkopplungsleistung für eines oder mehrere spezifische Frequenzteilbänder zu bestimmen, und der Frequenzgang des Lautsprechers wird für jedes einzelne Teilband angepasst.
Optional umfasst die Lautsprechertreiberschaltung einen Puffer zum Speichern von einem oder mehreren Wiedergabeleistungs- und Rückkopplungsleistungs-Vergleichsergebnissen und die Entscheidungslogik verwendet die gespeicherten Ergebnisse in Kombination mit einem späteren Vergleichsergebnis als Basis für das Anpassen des Frequenzgangs des Lautsprechers.
Optional umfasst das erste Leistungsberechnungsmodul einen Leistungsdichtespektrumsfunktions-Rechner.
Alternativ umfasst das erste Leistungsberechnungsmodul ein oder mehrere Bandpassfilter zum Extrahieren von Frequenzinhalt und ein Transformationsmodul zum Transformieren der Frequenzen, um eine Leistungsmessung für das oder jedes Frequenzband bereitzustellen.
Optional umfasst das zweite Leistungsberechnungsmodul eine Messvorrichtung zum Messen einer Stromstärke und einer Spannung über den Anschlüssen des Aktuators; und einen Rechner zum Multiplizieren der gemessenen Werte, um eine Leistungsmessung zu erhalten.
Optional umfasst das zweite Leistungsberechnungsmodul einen Satz von Bandpassfiltern zum Filtern der Stromstärke- und/oder Spannungsmessungen, die von der Messvorrichtung vorgenommen werden.
Optional wird die Wiedergabeleistung geglättet, bevor sie mit der Rückkopplungsleistung verglichen wird.
Optional wird die Rückkopplungsleistung geglättet, bevor sie mit der Wiedergabeleistung verglichen wird.
Optional wird bestimmt, dass der Lautsprecher sich in einem Auslenkungszustand befindet, wenn die Rückkopplungsleistung für ein relativ niedriges Frequenzteilband oder einen Satz von relativ niedrigen Frequenzteilbändern relativ hoch ist.
Optional wird bestimmt, dass der Lautsprecher sich in einem Überhitzungszustand befindet, wenn die Rückkopplungsleistung für ein relativ hohes Frequenzteilband oder einen Satz von relativ hohen Frequenzteilbändern relativ niedrig ist.
Optional ist eine erste Vergleichsschwelle zum Überwachen eines Lautsprecher-Auslenkungszustands definiert, eine zweite Vergleichsschwelle zum Überwachen eines Lautsprecher-Überhitzungszustands definiert; passt ein erstes Steuersignal den Frequenzgang eines ersten Satzes von Frequenzbändern als Antwort auf das Überwachen der ersten Vergleichsschwelle an und passt ein zweites Steuersignal den Frequenzgang eines zweiten Satzes von Frequenzbändern als Antwort auf das Überwachen der zweiten Vergleichsschwelle an.
Optional ist die erste Vergleichsschwelle größer als die zweite Vergleichsschwelle.
Optional ist ein erster Prozessor zum Schutz vor Lautsprecher-Auslenkungszuständen vorgesehen und ein zweiter Prozessor zum Schutz vor Lautsprecher-Überhitzungszuständen vorgesehen; wobei der erste und der zweite Prozessor jeweils die Wiedergabeleistung und die Rückkopplungsleistung für verschiedene Frequenzbänder vergleichen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lautsprechers vorgesehen, das umfasst:
Bestimmen einer Wiedergabeleistung aus eingehenden Audiodaten;
Bestimmen einer Rückkopplungsleistung aus einem Aktuator, der den Lautsprecher antreibt;
Vergleichen der Wiedergabeleistung und der Rückkopplungsleistung; und
Anpassen eines Frequenzganges des Lautsprechers basierend auf dem Vergleich.
Optional umfasst der Aktuator einen Verstärker.
Optional umfasst das Anpassen eines Frequenzganges des Lautsprechers ein Anwenden eines Verstärkungsfaktors oder eines Dämpfungsfaktors auf einen Entzerrer, der ein Befehlssignal für den Aktuator bereitstellt.
Optional umfasst das Vergleichen der Wiedergabeleistung und der Rückkopplungsleistung ein Berechnen eines Verhältnisses der Leistungen.
Optional werden die Wiedergabeleistung und die Rückkopplungsleistung für ein spezifisches Frequenzteilband bestimmt und der Frequenzgang des Lautsprechers wird für dieses Teilband angepasst.
Optional werden mehrere Teilbänder überwacht und individuell basierend auf den Vergleichen, die für jedes Teilband vorgenommen werden, angepasst.
Optional können ein oder mehrere Ergebnisse des Vergleichens der Wiedergabeleistung und der Rückkopplungsleistung gespeichert werden und in Kombination mit einem späteren Ergebnis des Vergleichens der Wiedergabeleistung und der Rückkopplungsleistung als Grundlage zum Anpassen des Frequenzganges des Lautsprechers verwendet werden.
Optional umfasst das Bestimmen einer Wiedergabeleistung aus eingehenden Audiodaten das Berechnen einer Leistungsdichtespektrumsfunktion.
Alternativ umfasst das Bestimmen einer Wiedergabeleistung aus eingehenden Audiodaten ein Extrahieren des Frequenzinhalts mit einem oder mehreren Bandpassfiltern und ein Transformieren der Frequenzen, um eine Leistungsmessung für das oder jedes Frequenzband bereitzustellen.
Optional umfasst das Bestimmen einer Rückkopplungsleistung aus einem Aktuator ein Messen einer Stromstärke und einer Spannung über den Anschlüssen des Aktuators; und ein Multiplizieren der gemessenen Werte, um eine Leistungsmessung zu erhalten.
Optional umfasst das Messen einer Stromstärke und/oder einer Spannung über den Anschlüssen des Aktuators ein Extrahieren eines Frequenzinhalts mit einem oder mehreren Bandpassfiltern, die den gewünschten Frequenzinhalt eines oder mehrerer Frequenzbänder isolieren und extrahieren.
Optional wird die Wiedergabeleistung geglättet, bevor sie mit der Rückkopplungsleistung verglichen wird.
Optional wird die Rückkopplungsleistung geglättet, bevor sie mit der Wiedergabeleistung verglichen wird.
Optional wird bestimmt, dass der Lautsprecher sich in einem Auslenkungszustand befindet, wenn die Rückkopplungsleistung für ein relativ niedriges Frequenzteilband oder einen Satz von relativ niedrigen Frequenzteilbändern relativ hoch ist.
Optional wird bestimmt, dass der Lautsprecher sich in einem Überhitzungszustand befindet, wenn die Rückkopplungsleistung für ein relativ hohes Frequenzteilband oder einen Satz von relativ hohen Frequenzteilbändern relativ niedrig ist.
Optional ist eine erste Vergleichsschwelle zum Überwachen eines Lautsprecher-Auslenkungszustands definiert, eine zweite Vergleichsschwelle zum Überwachen eines Lautsprecher-Überhitzungszustands definiert; passt ein erstes Steuersignal den Frequenzgang eines ersten Satzes von Frequenzbändern als Antwort auf das Überwachen der ersten Vergleichsschwelle an und passt ein zweites Steuersignal den Frequenzgang eines zweiten Satzes von Frequenzbändern als Antwort auf das Überwachen der zweiten Vergleichsschwelle an.
Optional ist die erste Vergleichsschwelle größer als die zweite Vergleichsschwelle.
Optional ist ein erster Prozessor zum Schutz vor Lautsprecher-Auslenkungszuständen vorgesehen und ein zweiter Prozessor zum Schutz vor Lautsprecher-Überhitzungszuständen vorgesehen; wobei der erste und der zweite Prozessor jeweils die Wiedergabeleistung und die Rückkopplungsleistung für verschiedene Frequenzbänder vergleichen.
Die Erfindung ist nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 einen Überblick über ein System für einen optimierten Lautsprecherbetrieb gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung zeigt;
2 eine Ausführungsform eines Prozessors zeigt, der mit dem System von 1 verwendet werden kann;
3 einen beispielhaften Prozess zeigt, durch den ein Entzerrer-Steuermodul seine Ausgabe bestimmt;
4 eine weitere Ausführungsform eines Prozessors zeigt, der mit dem System von 1 verwendet werden kann;
5 eine weitere Ausführungsform eines Prozessors zeigt, der mit dem System von 1 verwendet werden kann;
6 eine alternative Ausführungsform einer Verarbeitungseinheit zeigt, die zwei verschiedene Ausgaben liefert, und zwar eine, die einen Auslenkungszustand angibt, und eine, die einen Überhitzungszustand angibt;
7 eine alternative Ausführungsform eines Lautsprecherschutzsystems zeigt;
8 ein ausführliches Beispiel eines Lautsprecherschutzsystems zeigt, das nach den in 7 abgesteckten Grundsätzen aufgebaut ist; und
9–13 verschiedene Ergebnisse und Messwerte für einen spezifischen Lautsprecher darstellen.
Eine Übersicht einer Lautsprechertreiberschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in 1 gezeigt. Ein Lautsprecher 100 wird durch einen Aktuator 102 angetrieben, der üblicherweise ein Spannungsverstärker wie etwa ein Klasse-D-Verstärker ist, aber auch jeder andere Typ von Aktuator sein kann, aus dem Spannungs- und Stromstärkemessungen erhalten werden können. Audiodaten 104, die einen Strom von digitalen Audioabtastungen umfassen, werden in einen Entzerrer 106 eingegeben, der Audiodaten an den Verstärker 102 liefert. Der Entzerrer 106 verarbeitet die Audiodaten, um den Frequenzgang des Lautsprechers in mehreren Frequenzbändern anzupassen. Im Idealfall ist der tatsächliche Frequenzgang des Lautsprechers 100 durch die Verarbeitung, die von dem Entzerrer ausgeführt wird, präzise definiert. Jedoch kann der tatsächliche Frequenzgang des Lautsprechers 100 in der Praxis von den erwarteten oder gewünschten Werten abweichen.
Das System der vorliegenden Offenbarung überwacht den tatsächlichen Leistungspegel des Verstärkers, der den Lautsprecher ansteuert, und passt den Betrieb eines Entzerrers an, um den Betrieb des Lautsprechers zu optimieren.
Ein Prozessor 108, der eine Digitalsignalverarbeitungseinheit sein kann, erhält die Rückkopplungsleistungsmessungen aus dem Aktuator 102. Die Rückkopplungsleistungsmessungen können in geeigneter Weise eine Stromstärkemessung 110 und eine Spannungsmessung 112 umfassen, die aus dem Aktuator 102 genommen werden, wobei der Prozessor 108 das Produkt aus der Stromstärke und der Spannung berechnet, um die Leistung zu bestimmen. Der Aktuator 102 kann alternativ einen einzelnen Leistungsmesswert anstelle der getrennten Stromstärke- und Spannungsmessung für den Prozessor bereitstellen. Es ist zudem zu beachten, dass ein Bestimmen der Rückkopplungsleistung ein Messen einer der Stromstärke und der Spannung und ein Verwenden eines angenommenen oder anderweitig abgeleiteten Werts für die andere der Stromstärke und der Spannung, um die Leistung zu bestimmen, umfassen kann.
Der Prozessor 108 empfängt auch Audiodaten 104 und bestimmt eine Wiedergabeleistungsmessung, nämlich die Leistung der Audiodaten, die gerade für die Tonwiedergabe an den Lautsprecher gesendet werden. Der Prozessor vergleicht die Wiedergabeleistung und die Rückkopplungsleistung beispielsweise durch Bestimmen des Verhältnisses zwischen Wiedergabeleistungs- und Rückkopplungsleistungspegel und passt den Betrieb des Entzerrers 106 unter Verwendung der Ergebnisse dieses Vergleichs an. Die Anpassung des Entzerrers 106 kann auch von anderen Informationen Gebrauch machen.
Die Wiedergabeleistungs- und Rückkopplungsleistungsmessungen und der Vergleich der gemessenen Leistungen können in den verschiedenen Frequenzbändern durchgeführt werden und eine entsprechende Entzerrereinstellung kann vorgenommen werden, um die Leistung von jedem Frequenzband, das den Lautsprecher 100 ansteuert, anzupassen.
Es ist als Option auch möglich, eine Verzögerungsschaltung 114 wie beispielsweise eine digitale Verzögerungsleitung aufzunehmen, um die Synchronizität des Betriebs zu gewährleisten.
2 zeigt eine Ausführungsform eines Prozessors 108, der mit dem System von 1 verwendet werden kann. Der Prozessor empfängt die Audiodaten 104 und ein erstes Leistungsberechnungsmodul 200 leitet eine Wiedergabeleistung ab. Der Prozessor empfängt auch Stromstärke- und Spannungsmessungen 110, 112 aus dem Aktuator 102 und ein zweites Leistungsberechnungsmodul 202 leitet eine Rückkopplungsleistung ab. Das zweite Leistungsberechnungsmodul 202 ist optional und kann in Ausführungsformen entfallen, in denen der Verstärker den Leistungsmesswert direkt bereitstellt. Das erste und das zweite Leistungsberechnungsmodul 200, 202 umfassen Schaltungen, die die empfangenen Daten verarbeiten, um die maßgebliche Leistung abzuleiten.
Ein Vergleichsmodul 204 empfängt die Wiedergabeleistung und die Rückkopplungsleistung aus dem ersten Leistungsberechnungsmodul 200 und aus dem zweiten Leistungsberechnungsmodul 202 (oder direkt aus dem Verstärker) und berechnet eine Vergleichsmetrik, die ein Maß für die Beziehung zwischen der Wiedergabeleistung und der Rückkopplungsleistung bereitstellt. In einer Ausführungsform ist die Vergleichsmetrik ein Verhältnis der Leistungen oder ein Maß, das aus diesem abgeleitet ist.
In optionalen Ausführungsformen ist ein Filtermodul vorgesehen, um Schwankungen in den Leistungsmessungen zu glätten. Das Glätten kann die Form irgendeiner geeigneten statistischen Funktion, wie beispielsweise eines gleitenden Mittelwerts, annehmen. Wenn es enthalten ist, kann ein Filtermodul zum Glätten der Wiedergabeleistungs- und/oder der Rückkopplungsleistungsmessungen vorgesehen sein. Ein Filtermodul kann als eigenständige Komponente vorgesehen sein, eine Komponente eines Leistungsberechnungsmoduls 200, 202 sein oder eine Komponente des Vergleichsmoduls 204 sein. Wenn Filtermodule vorgesehen sind, empfängt das Vergleichsmodul 204 die geglättete Wiedergabeleistung und Rückkopplungsleistung und berechnet eine Vergleichsmetrik auf der Basis der geglätteten Werte.
Ein Steuermodul 208 empfängt dann die Ausgabe des Vergleichsmoduls 204 und erzeugt auf der Basis der Vergleichsmetrik und gegebenenfalls anderer Faktoren einen Befehl zum Anpassen des Frequenzgangs des Lautsprechers. Seine Ausgabe 210 kann Verstärkungs- oder Dämpfungsanpassungen umfassen, die anzuwenden sind. Das Vergleichsmodul 204 und das Steuermodul 208 bilden zusammen eine Entscheidungslogik, die die Wiedergabeleistung und die Rückkopplungsleistung vergleicht und einen Befehl zum Anpassen eines Frequenzganges des Lautsprechers basierend auf dem Vergleich, den sie vornimmt, erzeugt.
Das Steuermodul ist in bevorzugten Ausführungsformen ein Entzerrersteuermodul 208, das einen Satz von Leistungsverhältnissen für die Entzerrersteuerung bestimmt. Seine Ausgabe 210 wird dem Entzerrer 106 bereitgestellt, um die Leistungspegel zu bestimmen, die auf mehrere Frequenzbänder angewendet werden, die den Lautsprecher 100 ansteuern. Die Ausgabe 210 kann Verstärkungs- oder Dämpfungsanpassungen für jedes geeignete Frequenzband umfassen, die von dem Entzerrer angewendet werden.
In optionalen Ausführungsformen ist ein Speicher 206 vorgesehen, der verwendet wird, um vergangene Ausgaben des Vergleichsmoduls 204 zu speichern. Wenn das Entzerrersteuermodul 208 eine neue Ausgabe von dem Vergleichsmodul 204 empfängt, verwendet es die neu empfangene Vergleichsmetrik in Kombination mit einem Satz von historischen Werten, die in dem Speicher 206 gespeichert sind, um die Ausgabe 210 für den Entzerrer abzuleiten.
3 zeigt einen beispielhaften Prozess, durch den das Entzerrersteuermodul 208 seine Ausgabe 210 bestimmt. Bei Schritt 300 wird eine Vergleichsmetrik Δ empfangen. Bei Schritt 302 wird die Vergleichsmetrik mit einer Schwellenbedingung verglichen. Ein Vergleich wird für jedes Frequenzband vorgenommen. Die Schwellenbedingung ist dazu ausgelegt ist, zu ermitteln, ob eine Änderung in der Eingangsleistung einen erwarteten Effekt auf die Ausgangsleistung hat. Wenn die Differenz innerhalb zulässiger Grenzen ist, so werden keine weiteren Maßnahmen ergriffen und die Ausgabe 210 wird die Leistungspegel, die von dem Entzerrer auf jedes Band angewendet werden, nicht modifizieren. Wenn aber die Schwellenbedingung nicht erfüllt ist, wird bestimmt, dass der Lautsprecher in extremen Zuständen wie Auslenkung oder Überhitzung ist oder teilweise beschädigt worden ist. Diese Zustände können für mehrere Frequenzbänder bestimmt werden. Wenn einer der Zustände identifiziert ist, werden Maßnahmen ergriffen, um ein Ausgangssignal 210 zu definieren, das die entsprechenden Bänder des Entzerrers modifiziert.
Bei Schritt 304 wird die Vergleichsmetrik beurteilt, um zu bestimmen, ob sie eine Diskontinuität in den Leistungspegeln angibt, die z. B. dann auftreten kann, wenn die Rückkopplungsleistung plötzlich in die Nähe von Null fällt. In diesem Fall können die betreffenden Bänder ausgeschaltet werden (Schritt 306). Wenn es keine Diskontinuität gibt, dann wird die Vergleichsmetrik in Schritt 308 getestet, um durch Vergleich mit einem ersten Schwellenwert zu bestimmen, ob die Rückkopplungsleistung niedriger als erwartet ist. Wenn ja, kann das betreffende Frequenzband gedämpft werden (Schritt 310). In ähnlicher Weise wird die Vergleichsmetrik in Schritt 312 getestet, um durch Vergleich mit einem zweiten Schwellenwert zu bestimmen, ob die Rückkopplungsleistung höher als erwartet ist. Wenn ja, kann das entsprechende Frequenzband gedämpft werden (Schritt 314).
Man beachte, dass die Reihenfolge der Vergleiche 304, 308, 312 nicht auf die in 3 gezeigte Abfolge beschränkt ist.
Eine Diskontinuität weist auf einen (teilweise) beschädigten Lautsprecher hin und derart beschädigte Frequenzbänder sollten überhaupt nicht angesteuert werden, um eine weitere Beschädigung des Lautsprechers zu vermeiden. Bei relativ niedrigen Frequenzen kann dann, wenn die Ausgangsleistung größer als erwartet ist, bestimmt werden, dass der Lautsprecher unter der Auslenkung leidet. Bei mittleren bis hohen Frequenzen kann dann, wenn die Ausgangsleistung geringer als erwartet ist, bestimmt werden, dass der Lautsprecher überhitzt. Die Schwellenwerte, die niedrige, mittlere und hohe Frequenzen definieren, können beliebig festgelegt werden.
4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Prozessors 408, der als der Prozessor 108 von 1 verwendet werden kann. Der Prozessor 408 wird mit Messungen der Stromstärke I_FDB (wobei FDB für Rückkopplung steht) und der Spannung V_FDB zusammen mit den Audiodatenabtastungen 104, die die gleiche Abtastrate F_s wie die Stromstärken- und Spannungsmessungen haben, gespeist. Die Audiodatenabtastungen umfassen die Signalwellenform, die gerade an den Lautsprecher zur Wiedergabe übertragen wird. Die Datenabtastungen 104 entsprechen der Spannung, die schließlich durch einen Audio-Codec an dem Ende der Lautsprecherschwingspule erzeugt wird. Aus diesen Eingaben kann die Verarbeitungseinheit 408 die Wiedergabe und die Rückkopplungsleistungspegel berechnen gegebenenfalls für jedes der N verschiedenen Frequenzbänder, welche den Betriebsfrequenzbereich des Lautsprechers bilden, berechnen. Die Anzahl der Frequenzbänder N hängt von dem Lautsprecher-/Entzerrer-Entwurf ab und kann gemäß der vorliegenden Offenlegung einen beliebigen Wert annehmen.
Nach dem Vergleich zwischen den Leistungspegeln kann der Prozessor 408 Informationen über den Unterschied für jedes Frequenzband ableiten, diese mit dem Verlauf der früheren Zustände und Entscheidungen in Beziehung setzen und anschließend den N-Band-Entzerrer ansteuern.
Gemäß den von dem Prozessor 408 empfangenen Werten ändert der Entzerrer den Leistungspegel für das jeweilige Frequenzband i, wobei i = 1...N. Das Wiedergabesignal kann auch unter Verwendung der digitalen Verzögerungsleitung 402 oder eines geeigneten Äquivalents verzögert werden, so dass es mit dem Entzerrerzustand synchronisiert ist, der basierend auf demselben Teil des Audio-Inhalts, wie demjenigen, der vom Entzerrer verarbeitet wird, bestimmt wird.
Ein erstes Leistungsberechnungsmodul leitet die Wiedergabeleistung (oder Digitalleistung) Pi^PLB (wobei PLB für ”Playback” bzw. Wiedergabe steht), wobei i = 1...N für die N Frequenzbänder ist, ab und umfasst in dieser Ausführungsform eine Schaltung 404, die eine Leistungsdichtespektrumsfunktion (PSD-Funktion) mit N Punkten auf der Basis der Verarbeitung von N Abtastungen, die N Werte für die N Frequenzbänder erzeugt, bereitstellt. Die Anzahl N kann je nach der gewünschten Auflösung beim Steuern des Betriebsfrequenzbereichs des Lautsprechers und nach der zur Verfügung stehenden Rechenleistung variieren.
Ein optionales Filtermodul 406 kann diese Werte über M Zeitpunkte mitteln, um den gemittelten Wiedergabeleistungswert Pi-_aver ^PLB zu erhalten. Dies kann durch Bereitstellen eines Mittelwertbildungsfilters erreicht werden.
Das für die Leistungsberechnung verwendete Eingangsaudiosignal wird zunächst (durch die Verzögerungsleitung 402) verzögert, damit es mit den jeweiligen Messwerten von Spannung und Stromstärke (I_FDB/V_FDB) abgestimmt ist. Die Verzögerung, die angewendet wird, hängt von dem Spannungsverstärker ab, der die letztgenannten Messungen bereitstellt.
Ein zweites Leistungsberechnungsmodul umfasst Bandpassfilter 409, 410 und einen Multiplizierer 412. Es leitet die Rückkopplungsausgangsleistung Pi^FDB, i = 1...N für die N Frequenzbänder aus den über Lautsprecheranschlüssen gemessenen Stromstärke- und Spannungswerten I_FDB und V_FDB ab. Beide Werte können anfänglich von N verschiedenen Bandpassfiltern (BPF) 409, 410 gefiltert werden, um den Frequenzinhalt des gewünschten Frequenzbands zu isolieren und zu extrahieren. Die gefilterten Werte I^BPF _FDB und V^BPF _FDB können dann multipliziert werden, was die momentane Wirkleistung Pi_FDB, i = 1...N, liefert, wobei N die Anzahl der Frequenzbänder ist.
Ein optionales Filtermodul 414 kann diese Werte über (M·N)-Delay_BPF Zeitpunkte mitteln, um eine gemittelte Rückkopplungsleistung P_i-aver ^FDB, i = 1...n, zu erhalten, wobei DelayBPF der Verzögerung der Bandpassfilter entspricht. Dies kann mittels eines Mittelwertbildungsfilters erreicht werden.
Die Verwendung dieser verzögerungskompensierten Datenabtastungen zur Bestimmung der gemittelten Rückkopplungsleistung zielt darauf ab, die erforderlichen leistungsbezogenen Ergebnisse in Synchronität mit den entsprechenden Ergebnissen der Wiedergabeleistung zu erzeugen. Die Anzahl der Bandpassfilter sollte mit den Punkten der PSD-Berechnungen, die am Eingang vorhanden sind, übereinstimmen.
Ein Vergleichsmodul 416 ist vorgesehen, das ein Verhältnis der Wiedergabe- und Rückkopplungsleistung (oder ihrer gleitenden Mittelwerte) als Vergleichsmetrik berechnet. In diesem Beispiel ist das Verhältnis jenes der Rückkopplungsleistung zu der Wiedergabeleistung P_FDB:P_PLB, obwohl in alternativen Ausführungsformen der Kehrwert dieses Verhältnisses oder andere Maßgrößen, die aus einem der Verhältnisse abgeleitet werden können, als Vergleichsmetrik verwendet werden könnten.
Das Verhältnis der Leistungen P_FDB:P_PLB wird als Eingabe für ein Entzerrersteuermodul 418 bereitgestellt. Das Verhältnis kann aber auch in einem Pufferspeicher 420 gespeichert werden, um eine historische Referenz für zukünftige Messungen bereitzustellen.
Das Entzerrersteuermodul 418 verwendet ein empfangenes Verhältnis zusammen mit einem oder mehreren früheren Verhältnissen und bestimmt entsprechend Verstärkungs- oder Dämpfungsanpassungen (X_i, gemessen in dB), die auf die Entzerrerfilterstruktur angewendet werden sollen.
Dieses Verhältnis (das durch eine historische Referenz modifiziert sein kann oder nicht) wird verwendet, um Schwankungen des Verhältnisses zu detektieren, die durch verschiedene Faktoren verursacht werden können, die ohne Einschränkung Umgebungsbedingungen, Alterung, und mechanische Änderungen des Lautsprechergehäuses umfassen. Die Schwankungen können dann korrigiert werden, indem Anpassungen an dem Entzerrer vorgenommen werden, um eine gewünschte Tonqualität zu erzielen.
Mittels dieser Informationen ist es auch möglich, zu detektieren, ob eine Zunahme (oder Abnahme) der Eingabe einen erwarteten Effekt auf die Ausgabe (pro Frequenzband) hat, um zu ermitteln, ob der Lautsprecher in extremen Zuständen (wie z. B. Auslenkung/Überhitzung/Teilschäden für jedes der Frequenzbänder) ist oder nicht. Der erwartete Effekt kann eine proportionale Antwort oder eine andere Charakteristik sein, die von dem Typ des Verstärkers und des Lautsprechers, die verwendet werden, abhängt.
Relative Spitzen des Verhältnisses bei niedrigen Frequenzen können Auslenkungszuständen zugeordnet werden, während relative Abfälle des Verhältnisses bei mittleren und hohen Frequenzen Überhitzungszuständen zugeordnet werden können. Zusätzlich können Werte des Verhältnisses nahe Null einem Teilschaden an dem Lautsprecher zugeordnet werden. Diese repräsentieren Diskontinuitäten der Rückkopplungsleistung in dem relevanten Frequenzbereich, während eine erhebliche Wiedergabeleistung vorhanden ist. Beschädigte Frequenzbänder sollten überhaupt nicht angesteuert werden.
Spitzen sollten durch eine Dämpfung in dem jeweiligen Frequenzband unterdrückt werden. Leistungsabfälle können als Bereiche identifiziert werden, in denen die Rückkopplungsleistung sinkt, obwohl die Wiedergabeleistung steigt oder stabil bleibt. Diese entsprechenden Frequenzbänder sollten durch Anwendung eines Dämpfungsfaktors in dem Entzerrer unterdrückt werden, da überschüssige Leistung nicht in Schalldruck umgewandelt wird, sondern in Wärme.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Verarbeitungseinheit 508. Diese teilt viele Komponenten, die den in 4 dargestellten ähnlich sind, so dass die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden, um die entsprechenden Komponenten darzustellen, und ihre Beschreibung der Kürze halber nicht wiederholt werden. In dieser Ausführungsform umfasst das erste Leistungsberechnungsmodul jedoch einen Satz von N Bandpassfiltern (BPF) 504, die den Frequenzinhalt jedes Bands extrahieren, und eine Logikeinheit 500, die ihre Ausgaben quadriert, um die Wiedergabeleistung Pi^PLB aus den Audiodaten 104 abzuleiten. In dem Beispiel (das abgebildet ist), in dem ähnliche oder identische Bandpassfilter auf jede der Stromstärken- und Spannungsmessungen der Wiedergabe- und der Rückkopplungsseite angewendet werden, kann ein Glättungsprozess von ähnlicher Größe verwendet werden, der hier als ähnliche gleitende Mittelwerte über K Abtastungen gezeigt ist, die durch die optionalen Filtermodule 406, 414 eingesetzt werden. Die Antwortzeit dieser Ausführungsform ist im Vergleich mit der Ausführungsform von 4 üblicherweise verringert. Dies liegt vor allem daran, dass die Implementierung der Filter sowohl bei Software- als auch Hardwareplattformen billiger und einfacher als die Implementierung des PSD ist. Bei Hardware-Implementierungen können die Filter parallel laufen, was bedeutet, dass die Wiedergabeseite die Leistungsberechnungen sogar früher als bei Software-Implementierungen vorweisen kann.
Dies ist als eine Alternative zu dem N-Punkt-Leistungsdichtespektrumsfunktions-Rechner (N-Punkt-PSD-Funktions-Rechner) 404 von 4 vorgesehen und kann gewählt werden, wenn schnellere (Echtzeit-)Leistungsberechnungen benötigt werden oder wenn PSD-Berechnungen für die verwendete Plattform nicht schnell genug sind.
6 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Verarbeitungseinheit 608, die zeigt, wie die berechneten Verhältnisse verwendet werden, um zu entscheiden, ob eine Auslenkung/Überhitzung vorliegt. Dabei liefert die Verarbeitungseinheit zwei verschiedene Ausgaben, und zwar eine, die einen Auslenkungszustand angibt und eine, die einen Überhitzungszustand angibt. Es ist keine Speichereinheit vorgesehen, um vorherige Vergleichsmetriken zu speichern.
Wie mit Bezug auf die Ausführungsform von 4 ersichtlich ist, können der gemittelte Rückkopplungsleistungspegel und der gemittelte Wiedergabeleistungspegel unter Verwendung des Verhältnisses Pi^FDB/Pi^PLB verglichen werden. Auslenkungszustände treten vor allem in der Resonanzfrequenz auf, bei der sich eine Spitze in der Wirkleistung befindet. Andererseits sinkt dann, wenn ein Lautsprecher überhitzt, an seinen Anschlüssen die Wirkleistung. Diese Abnahme wird durch die Tatsache bedingt, dass der Gleichstromwiderstand der Schwingspule steigt, was das Verhältnis P_real = I·V = V²/R nach unten zieht, da die Spannung V zwischen dem Verstärker und dem Lautsprecher unverändert bleibt.
Zwei verschiedene Verhältnis-Schwellen können definiert werden, die die verwendeten N Teilbänder in drei verschiedene Gruppen aufteilen. Diese können eine Auslenkungs-Schwelle E_Thres, die verwendet wird, um einen Auslenkungszustand zu bestimmen, und eine Überhitzungs-Schwelle T_Thres, die verwendet wird, um einen Überhitzungszustand zu bestimmen, umfassen. Wenn die Vergleichsmetrik des Vergleichsmoduls das Verhältnis P_FDB:P_PLB ist, dann ist. die Auslenkungs-Schwelle größer als die Überhitzungs-Schwelle.
Die Werte des Verhältnisses, die jedem der N Teilbänder entsprechen, die größer als die Auslenkungs-Schwelle sind, entsprechen Teilbändern, die die Spitze der Wirkleistung enthalten, bei der die Resonanz-/Auslenkungsfrequenz liegt. Diese Teilbänder unterliegen einer Dämpfung Xe durch die jeweiligen Filter des Entzerrers, die die Verzerrung aus Auslenkungszuständen minimieren oder einschränken kann. Der Dämpfungswert für ein Teilband des Index i kann durch einen Prozess abgeleitet werden, das mit einem Auslenkungsfehlersignal Error_e gespeist wird, wobei Error_e = E_Thres – (P_i ^FDB/P_i ^PLB).
Wenn das Auslenkungsfehlersignal kleiner als Null ist, wird ein iterativer Mechanismus 650 mit einem positiven Verstärkungswert G_E (G_E > 0) verwendet, um den endgültigen Verstärkungs- oder Dämpfungsfaktor zu bestimmen. Wenn der Auslenkungsfehler größer oder gleich Null ist, gibt der iterative Mechanismus 650 die Dämpfung frei. Der Verstärkungswert G_E kann gemäß der gewünschten Geschwindigkeit oder Qualität der Konvergenz gewählt werden. Der bestimmte Verstärkungs- oder Dämpfungswert verbleibt schließlich in der Nähe eines Punktes. Ziel ist es, das spezifische Band in der Nähe (idealerweise knapp unter) der Grenze der Auslenkung zu haben, wo der Lautsprecherbetrieb sicher ist.
Die Teilband-Verhältniswerte, die kleiner als die Überhitzungs-Schwelle T_Thres sind, entsprechen Teilbändern, die durch eine erhebliche Zunahme der Temperatur über eine bestimmte Schwelle hinweg gekennzeichnet sind. Diese Teilbänder unterliegen auch einer Dämpfung X_i durch die jeweiligen Filter in der Entzerrerstruktur. Der Dämpfungswert für ein Teilband mit dem Index i kann durch einen Prozess abgeleitet werden, der mit dem Überhitzungsfehlersignal Error_T gespeist wird, wobei Error_T = T_Thres – (P_i ^OUT/P_i ^IN).
Wenn das Überhitzungsfehlersignal größer oder gleich Null ist, wird ein iterativer Mechanismus 652 mit einem negativen Verstärkungswert G_T (GT < 0) verwendet, um den endgültigen Verstärkungs- oder Dämpfungsfaktor zu bestimmen. Wenn der Überhitzungsfehler kleiner als Null ist (Error_T < 0), gibt der iterative Mechanismus 652 die Dämpfung frei. Der Verstärkungswert G_T kann gemäß der gewünschten Geschwindigkeit oder Qualität der Konvergenz gewählt werden. Wie vorher verbleibt der bestimmte Verstärkungs- oder Dämpfungswert schließlich in der Nähe eines Punktes. Ziel ist es, das spezifische Band in der Nähe (idealerweise knapp unter) der Grenze der Auslenkung zu haben, wo der Lautsprecherbetrieb sicher ist.
Die iterativen Mechanismen 650, 652 agieren, um das Fehlerverhalten zu verfolgen und es auf ein Minimum zu beschränken. Es ist zu erkennen, dass die speziellen gezeigten Schaltungen zu Veranschaulichungszwecken dienen und jede Art oder Struktur von Logik, die den Fehler verfolgen kann, verwendet werden kann.
Durch Verringern der Leistung in Teilbändern auf diese Weise kann eine Lautsprecherüberhitzung verhindert werden. Aufgrund dieses Schutzes kann die Gesamtwirkleistung, die an den Lautsprecher geliefert wird, erhöht werden, was eine lautere Klangausgabe ergibt. Wenn der Lautsprecher dann beginnt zu überhitzen kann, die abgegebene Leistung verringert werden. Dies geschieht jedoch für jedes Teilband einzeln, so dass beiläufige Zuhörer in der Regel nicht in der Lage sind, eine Lautstärkereduzierung wahrzunehmen, außer in seltenen Fällen von extremer Überhitzung, wenn viele Teilbänder betroffen sind.
Die Indizes der Werte, die über der Überhitzungs-Schwelle T_Thres und unterhalb der Auslenkungs-Schwelle E_Thres liegen (T_Thres < x < E_Thres), entsprechen den Teilbändern, die nicht zu irgendeinem extremen Zustand wie beispielsweise Auslenkungs- oder Überhitzungszuständen beitragen. In diesem Fall werden keine Verstärkungs- oder Dämpfungsanpassungen von dem Prozessor 608 ausgegeben und der Entzerrer 106 arbeitet ohne Modifikation.
Zusätzlich kann jeder der Schwellenwerte für unterschiedliche Frequenzbänder verschieden sein. Dies gibt die Möglichkeit, den elektrischen Gesamtfrequenzgang des Lautsprechers anzupassen, um beispielsweise unterschiedliche subjektive Klangeffekte zu erzielen. Die Schwellen-Auswahl wird stark von dem Typ und den physikalischen Eigenschaften des Lautsprechers beeinflusst.
Die endgültigen Entzerrersteuerwerte (X_e, X_i) und der Audiodateninhalt können der Reihe nach in einen N-Band-Entzerrer eingespeist werden, um Leistungsanpassungen an diesem Inhalt über die N verschiedenen Frequenzbänder hinweg durchzuführen. Der Audioinhalt kann auch verzögert werden, um synchron mit den Entzerrereinstellungen zu sein, die sich durch die Verarbeitung des gleichen Teils des Inhalts ergeben. Der Entzerrer kann N Bandpassfilter mit einstellbarer Verstärkung umfassen. Danach wird der entzerrte Audioinhalt an den Verstärker gesendet, um an dem Lautsprecher wiedergegeben zu werden.
Die Rate, mit der die Wiedergabe- und die Rückkopplungsleistung verglichen werden, kann angepasst werden, um die gewünschte Balance zwischen Leistungseffizienz (niedrige Abtastrate) und Reaktionsfähigkeit (hohe Abtastrate) zu erzielen.
In einer optionalen Ausführungsform können verschiedene Teilbänder unterschiedliche Tastgrade aufweisen. Als ein Beispiel dafür ist es, da die Temperatur sich im Allgemeinen im Laufe der Zeit relativ langsam ändert, möglich, das Abtasten eines Satzes von Teilbändern mit im Vergleich mittleren bis hohen Frequenzen für Zeitspannen zu unterbrechen oder abzuschalten. Als Alternative könnte das Abtasten dieser Bänder bei einer relativ niedrigeren Frequenz im Vergleich zu den anderen relativ niedrigen Frequenzbändern durchgeführt werden. Dies ergibt eine Einsparung an Verarbeitungslast (und somit Energieverbrauch) auf Kosten von ein wenig Reaktionsfähigkeit. Jedoch können die niederfrequenten Teilbänder immer noch die ganze Zeit oder mit der normalen höheren Rate abgetastet werden, um die Reaktionsfähigkeit für Auslenkungsereignisse, die plötzlich passieren können, zu erhalten.
Die Fälle, in denen entweder die Wiedergabe- oder die Rückkopplungsleistungsmesswerte nicht zur Verfügung stehen oder auf einem bezeichnend niedrigen Niveau sind, deuten einen Ausnahmefall an. Bei solchen Zuständen kann das Verfahren der Offenbarung unterbrochen werden, um die Verstärkungs-/Dämpfungsfaktoren für das jeweilige Band nicht zu aktualisieren.
Ein Überblick über ein Lautsprecherschutzsystem gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist in 7 gezeigt, der demjenigen von 1 mit Ausnahme der unterschiedlichen Anordnungen der Prozessoren und Komponenten, die Wiedergabe- und Rückkopplungsleistungspegel überwachen und den Betrieb eines Entzerrers überwachen, ähnlich ist. Ein Lautsprecher 700 wird durch einen Verstärker 702 angesteuert. Die Audiodaten 704, die digitale Audioabtastungen umfassen, werden in einen Entzerrer 706 eingegeben, der die entzerrten Audiodaten an den Verstärker 702 liefert.
Ein erster Prozessor 708 und ein zweiter Prozessor 710 sind vorgesehen, die jeweils auf die Rückkopplungsleistung bezogene Messungen aus dem Verstärker 702 und die Audiodaten 704 für die Berechnung einer auf die Wiedergabeleistung bezogenen Messung empfangen. Die Rückkopplungsleistungsmessungen können eine Stromstärkemessung 710 und eine Spannungsmessung 712, die aus dem Verstärker 702 genommen werden, umfassen. Die Prozessoren 708, 710 weisen Frequenzauswahlfilter 714, 716, 718, 720 auf, die an ihren Eingängen bereitgestellt sind und den Betrieb der Prozessoren 708, 710 auf ausgewählte Frequenzbänder begrenzen. Die Frequenzauswahlfilter 714, 716, 718, 720 können Tiefpassfilter, Hochpassfilter oder Bandpassfilter in Abhängigkeit von den gewählten Frequenzbändern umfassen.
Die Prozessoren 708, 710 vergleichen die Wiedergabeleistung und die Rückkopplungsleistung und stellen eine Ausgabe bereit, um den Betriebs des Entzerrers 706 unter Verwendung der Ergebnisse dieses Vergleichs auf ähnliche Weise wie die oben beschriebenen Prozessoren anzupassen, und können die Prozessoren von einer von 1–6 oder anderen oben beschriebenen Ausführungsformen umfassen. Das Vorhandensein von verschiedenen Prozessoren, die jeweils einem bestimmten Teilband gewidmet sind, bedeutet aber, dass das Lautsprecherschutzsystem gemäß 7 im Vergleich zu der Anordnung von 1 rechnerisch effizienter sein kann, weil nur zwei Bänder verwendet werden, und zwar ein niedrigeres Frequenzband nur für die Auslenkung und ein Band aus mittleren bis hohen Frequenzen nur für die Überhitzung. Dies bedeutet, dass Eingaben in beide Prozessoren 708, 710 nur gemäß einer einzigen Schwelle verarbeitet werden. Der erste Prozessor 708 überwacht, um zu prüfen, ob das Verhältnis höher als eine Schwelle ist, während der zweite Prozessor 710 überwacht, um zu prüfen, ob das Verhältnis unter einer Schwelle liegt. Diese Ausgaben steuern einen Zwei-Band-Entzerrer 706 an. Der Vorteil ist, dass es nur zwei Bänder sind, wobei in dem ersten Band nur nach Spitzen des Verhältnisses und in dem zweiten nur nach Abfällen in dem Verhältnis gesucht wird. Es ist zu beachten, dass in einem allgemeinen Fall N Bänder durch N dedizierte Prozessoren überwacht werden können. Um einen Lautsprecherschutz zu gewährleisten, sollte N mindestens zwei sein.
Die Schwellen für die Frequenzauswahlfilter 714, 716, 718, 720 können so gewählt werden, dass jeder der Prozessoren 708, 710 für die Detektion von unterschiedlichen Zuständen ausgelegt ist. Beispielsweise kann einer der Prozessoren 708, 710 verwendet werden, um die Wiedergabeleistung und die Rückkopplungsleistung eines niedrigeren Frequenzbands zu vergleichen, um zu bestimmen, wann ein Auslenkungszustand auftritt, während der andere der Prozessoren 708, 710 verwendet werden kann, um die Wiedergabeleistung und die Rückkopplungsleistung eines höheren Frequenzbands zu vergleichen, um zu bestimmen, wann ein Überhitzungszustand auftritt.
8 zeigt ein Beispiel eines Lautsprecherschutzsystems, das gemäß den in 7 dargelegten Prinzipien aufgebaut ist. Zu Veranschaulichungszwecken wird Bezug auf einige spezifische Werte der Frequenz, der Stromstärke, der Spannung und anderer Parameter Bezug genommen, obwohl offensichtlich ist, dass diese Werte von dem jeweiligen Lautsprecher abhängen und die Offenbarung nicht auf einen bestimmten Satz von Parameterwerten begrenzt sein soll.
In dem System von 8 fungiert ein erster Prozessor 808 als eine Auslenkungsüberwachung und ein zweiter Prozessor 810 als eine Überhitzungsüberwachung.
Der erste Prozessor 808 umfasst ein erstes Tiefpassfilter 814, das das digitale Ausgangssignal filtert, das aus den Eingangsaudiodaten 804 abgeleitet wird, und ein zweites Tiefpassfilter 816, das die Stromstärke- und Spannungsmessungen 810, 812 aus dem Verstärker 802 filtert. In diesem Beispiel werden Frequenzen unterhalb von 200 Hz durch ein Hochpassfilter 822 gesperrt, das mit den Eingangsaudiodaten 804 gekoppelt ist, so dass ein Frequenzband von 0,2 bis 1,6 kHz von dem ersten Prozessor 808 bearbeitet wird. Ein Vergleichsmodul 824 berechnet eine Vergleichsmetrik, die ein Maß für die Beziehung zwischen der Wiedergabeleistung und der Rückkopplungsleistung bietet. Die Vergleichsmetrik kann ein Verhältnis der Leistungen oder. ein daraus abgeleitetes Maß sein. Das Vergleichsmodul kann auch eine Fehlerberechnung ableiten, die auf der Vergleichsmetrik basiert. Eine Logikeinheit 826 stellt dann eine Auslenkungsdämpfungsausgabe 828 bereit, um den Entzerrer anzupassen. Dies kann beispielsweise durch Anpassen eines Verstärkers mit variabler Verstärkung 830, der einen Teil der Entzerrerschaltung bildet, erreicht werden.
Die Frequenzgrenze(n) der Filter 814, 816 können als eine Grenze gewählt werden, die eine geeignete Schutzobergrenze bereitstellt, um dem möglichen Anstieg der Lautsprecherresonanzfrequenz aufgrund langfristiger Effekte wie etwa Alterung und Temperaturschwankungen Rechnung zu tragen. In dem spezifischen Beispiel, das hier zur Veranschaulichung verwendet wird, weist der Lautsprecher unter normalen Betriebsbedingungen eine Resonanzfrequenz in dem Bereich zwischen 550–950 Hz auf, so dass 1,6 kHz eine geeignete Sicherheitsgrenze darstellt.
Der zweite Prozessor 810 umfasst ein erstes Bandpassfilter 818, das die digitale Ausgabe filtert, die aus den Wiedergabeaudiodaten 804 abgeleitet wird, und ein zweites Bandpassfilter 820, das die Stromstärke- und Spannungsmessungen 810, 812 aus dem Verstärker 802 filtert. In diesem Beispiel definieren die Bandpassfilter 818, 820 einen Bereich von 2 kHz bis 4 kHz von Frequenzen, die durch den zweiten Prozessor 810 bearbeitet werden. Ein Vergleichsmodul 832 berechnet eine Vergleichsmetrik, die ein Maß für die Beziehung zwischen der Wiedergabeleistung und der Rückkopplungsleistung bietet. Die Vergleichsmetrik kann ein Verhältnis der Leistungen oder ein daraus abgeleitetes Maß sein. Das Vergleichsmodul kann auch eine Fehlerberechnung basierend auf der Vergleichsmetrik ableiten. Eine Mittelungseinheit 834 kann bereitgestellt sein, die die Ausgabe des Vergleichsmoduls bearbeitet, um eine geglättete Eingabe für eine Logikeinheit 836 bereitzustellen. Die Logikeinheit 836 stellt dann eine Überhitzungsdämpfungsausgabe 838 zum Anpassen des Entzerrers bereit. Dies kann beispielsweise durch Anpassen eines Verstärkers mit variabler Verstärkung 840, der einen Teil der Entzerrerschaltung bildet, erreicht werden.
Die Frequenzgrenze(n) der Filter 818, 820 können so gewählt werden, dass die Impedanz des Lautsprechers in dem Bereich äquivalent zu dem Nenn-Lautsprechergleichstromwiderstand ist.
8 stellt auch ein Beispiel einer Zwei-Band-Entzerrerschaltung zum Anwenden der jeweiligen Dämpfungen auf das Audiosignal dar. Eine auslenkungsbezogene Dämpfung wird nur auf die niedrigeren Frequenzen angewendet, während die Überhitzungsdämpfung auf das gesamte Audiospektrum angewendet wird. Dies wird durch Verwendung eines Tiefpassfilters 842 erreicht, dessen Ausgabe zunächst von dem ursprünglichen Audiosignal 804 subtrahiert wird und dann nach der Modifikation (typischerweise Dämpfung) von dem ersten Prozessor 808 wieder zu dem Rest des Audiospektrums addiert wird. Schließlich wird die Überhitzungsschutzdämpfung bei dem resultierenden Signal angewendet, bevor es an den Verstärker 802 gesendet wird, um den Lautsprecher 800 anzusteuern.
In diesem Beispiel wird das Auslenkungsleistungsverhältnis im Gegensatz zu dem Überhitzungsleistungsverhältnis nicht gemittelt, da es ein sich relativ schnell entwickelndes Phänomen ist. Dieser Ansatz minimiert die Verzögerung der Verhältnis-Berechnungen, die die auslenkungsbezogene iterative Steuerlogik speisen.
9–13 zeigen verschiedene Ergebnisse und Messwerte für einen Lautsprecher bei Raumtemperatur (20 Grad Celsius).
9 zeigt eine Impedanz des Lautsprechers, die zusammen mit seinen Messwerten für Spannung 900 und Stromstärke 902 über der Frequenz (niedrigerer Teil) aufgetragen ist. Wenn die Temperatur ansteigt, steigt vor allem aufgrund der Erhöhung ihrer Wirkwiderstandskomponente auch die Impedanz. Diese Veränderung kann über das oben erwähnte Leistungsverhältnis verfolgt werden.
Die Diagramme von 10–13 zeigen die Änderung verschiedener Parameter über die Zeit für die Ausführungsform von 8, die mit einem nichtlinearen Lautsprechermodell verwendet wird.
10a zeigt eine Anregungsspannung, die einen ansteigenden linearen Frequenzdurchlauf von 50 Hz bis 20 kHz mit 5-V-Amplitude umfasst. 10b zeigt die Variation der Eingangsleistung 1000 und der Ausgangsleistung 1002. 10c zeigt die Variation der Konusauslenkung (in mm) und 10D zeigt das Auslenkungsleistungsverhältnis von 0,2 bis 1,6 kHz.
11a zeigt eine Anregungsspannung, die einen 500-Hz-Ton mit 5-V-Amplitude umfasst. 11b zeigt die Variation der Eingangsleistung 1100 und der Ausgangsleistung 1102. 11c zeigt die Variation der Konusauslenkung (in mm), und 11D zeigt das Auslenkungsleistungsverhältnis von 0,2 bis 1,6 kHz.
12a zeigt eine Anregungsspannung, die ein Breitbandrauschen mit hoher Verstärkung umfasst. 12b zeigt die Variation der Eingangsleistung 1200 und der Ausgangsleistung 1202. 12c zeigt die Variation der Lautsprechertemperatur (in Grad Celsius) und 12D zeigt das Überhitzungsleistungsverhältnis für das Teilband von 2 kHz bis 4 kHz.
13a zeigt eine Anregungsspannung, die ein Breitbandrauschen mit geringer Verstärkung umfasst. 13b zeigt die Variation der Eingangsleistung 1300 und der Ausgangsleistung 1302. 13c zeigt die Variation der Lautsprechertemperatur (in Grad Celsius) und 13D zeigt das Überhitzungsleistungsverhältnis für das Teilband von 2 kHz bis 4 kHz.
Die vorliegende Offenbarung stellt ein dynamisches Echtzeit-Verfahren zur Lautsprecherfrequenzgangentzerrung und -anpassung durch leistungsgetriebene Messungen in N Frequenzbändern bereit, die einem N-Band-Entzerrer zugeführt werden können, um die Leistungspegel gemäß vorgegebener Schwellen zu manipulieren.
Die Entzerrung kann durch Verwendung des Audioinhalts, der dem Lautsprecher zur Wiedergabe zugeführt wird, anstelle der spezifischen Audiosignale oder -muster erreicht werden.
Durch Anwenden des obigen Ansatzes ist es möglich, ein Lautsprecherleistungsvermögen bei verschiedenen physikalischen Verzerrungen, bei Alterung und unter verschiedenen Umgebungsbedingungen auf akzeptablem Niveau zu halten. Darüber hinaus kann das Verfahren Auslenkungs- und Überhitzungszustände verhindern, die jeweils stark mit Wirkleistungspegeln bei niedrigen bzw. mittleren bis hohen Frequenzbänder in Beziehung stehen. Eine Lautsprecherlebenszeit kann verlängert werden, wobei ein Hochqualitätsleistungsvermögen aufrechterhalten wird.
Die Offenbarung kann Auslenkungszustände verhindern, ohne eine Kenntnis der präzisen Resonanzfrequenz des Lautsprechers zu benötigen, was vorteilhaft ist, da die Resonanzfrequenz sich im Laufe der Zeit aufgrund von Alterung verschieben kann. Dies ist aufgrund der Tatsache möglich, dass der Ansatz auch zum Überwachen der Spitzen der Wirkleistung in dem gesamten Betriebsfrequenzbereich in der Lage ist.
Darüber hinaus kann das vorgeschlagene Verfahren Überhitzungszustände verhindern, ohne eine Kenntnis des tatsächlichen Werts des Schwingspulengleichstromwiderstands des Lautsprechers zu benötigen, da es die (in verschiedenen Frequenzbändern) bestimmte Leistungsdifferenz mit der Spulentemperatur in Beziehung setzt.
Verschiedene Abwandlungen und Verbesserungen können an dem oben Beschriebenen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.

Claims

Lautsprechertreiberschaltung, die umfasst: ein erstes Leistungsberechnungsmodul zum Bestimmen einer Wiedergabeleistung aus eingehenden Audiodaten; ein zweites Leistungsberechnungsmodul zum Bestimmen einer Rückkopplungsleistung aus einem Aktuator zum Antreiben des Lautsprechers; und eine Entscheidungslogik zum Vergleichen der Wiedergabeleistung und der Rückkopplungsleistung und zum Erzeugen eines Befehls zum Anpassen eines Frequenzganges des Lautsprechers basierend auf dem Vergleich.
Lautsprechertreiberschaltung nach Anspruch 1, wobei der Aktuator einen Verstärker umfasst.
Lautsprechertreiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, die einen Entzerrer umfasst, der den Aktuator steuert, wobei der erzeugte Befehl einen Verstärkungsfaktor und einen Dämpfungsfaktor für den Entzerrer umfasst.
Lautsprechertreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Leistungsberechnungsmodul dazu ausgelegt sind, eine Wiedergabeleistung und eine Rückkopplungsleistung für eines oder mehrere spezifische Frequenzteilbänder zu bestimmen, und der Frequenzgang des Lautsprechers für jedes einzelne Teilband angepasst wird.
Lautsprechertreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Puffer zum Speichern von einem oder mehreren Wiedergabeleistungs- und Rückkopplungsleistungs-Vergleichsergebnissen umfasst, und wobei die Entscheidungslogik die gespeicherten Ergebnisse in Kombination mit einem späteren Vergleichsergebnis als Basis für das Anpassen des Frequenzgangs des Lautsprechers verwendet.
Lautsprechertreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Leistungsberechnungsmodul einen Leistungsdichtespektrumsfunktions-Rechner umfasst.
Lautsprechertreiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Leistungsberechnungsmodul ein oder mehrere Bandpassfilter zum Extrahieren von Frequenzinhalt und ein Transformationsmodul zum Transformieren der Frequenzen, um eine Leistungsmessung für das oder jedes Frequenzband bereitzustellen, umfasst.
Lautsprechertreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Leistungsberechnungsmodul eine Messvorrichtung zum Messen einer Stromstärke und einer Spannung über den Anschlüssen des Aktuators; und einen Rechner zum Multiplizieren der gemessenen Werte, um eine Leistungsmessung zu erhalten, umfasst.
Lautsprechertreiberschaltung nach Anspruch 8, wobei das zweite Leistungsberechnungsmodul einen Satz von Bandpassfiltern zum Filtern der Stromstärke- und/oder Spannungsmessungen, die von der Messvorrichtung vorgenommen werden, umfasst.
Lautsprechertreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder beide der Wiedergabeleistung und der Rückkopplungsleistung geglättet werden, bevor sie mit der jeweils anderen der Wiedergabeleistung und der Rückkopplungsleistung verglichen werden.
Lautsprechertreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bestimmt wird, dass der Lautsprecher sich in einem Auslenkungszustand befindet, wenn die Rückkopplungsleistung für ein relativ niedriges Frequenzteilband oder einen Satz von relativ niedrigen Frequenzteilbändern relativ hoch ist.
Lautsprechertreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bestimmt wird, dass der Lautsprecher sich in einem Überhitzungszustand befindet, wenn die Rückkopplungsleistung für ein relativ hohes Frequenzteilband oder einen Satz von relativ hohen Frequenzteilbändern relativ niedrig ist.
Lautsprechertreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Vergleichsschwelle zum Überwachen eines Lautsprecher-Auslenkungszustands definiert ist, eine zweite Vergleichsschwelle zum Überwachen eines Lautsprecher-Überhitzungszustands definiert ist; ein erstes Steuersignal den Frequenzgang eines ersten Satzes von Frequenzbändern als Antwort auf das Überwachen der ersten Vergleichsschwelle anpasst und ein zweites Steuersignal den Frequenzgang eines zweiten Satzes von Frequenzbändern als Antwort auf das Überwachen der zweiten Vergleichsschwelle anpasst.
Lautsprechertreiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen ersten Prozessor zum Schutz vor Lautsprecher-Auslenkungszuständen und einen zweiten Prozessor zum Schutz vor Lautsprecher-Überhitzungszuständen umfasst; wobei der erste und der zweite Prozessor jeweils die Wiedergabeleistung und die Rückkopplungsleistung für verschiedene Frequenzbänder vergleichen.
Verfahren zum Betreiben eines Lautsprechers, das umfasst: Bestimmen einer Wiedergabeleistung aus eingehenden Audiodaten; Bestimmen einer Rückkopplungsleistung aus einem Aktuator, der den Lautsprecher antreibt; Vergleichen der Wiedergabeleistung und der Rückkopplungsleistung; und Anpassen eines Frequenzganges des Lautsprechers basierend auf dem Vergleich.