專利名稱：基于驅(qū)動點阻抗的揚聲器診斷技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及音頻設備領(lǐng)域，特別涉及音頻設備揚聲器和確定它們狀況的診斷技術(shù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會的特點是用于通信、娛樂，以及其它應用主機的多種類型音頻設備的普遍深入和不斷增長的使用。通常，音頻設備為在人耳能感知的頻率范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生、發(fā)送和/或再現(xiàn)信號的任意設備，所述頻率范圍通常是從大約15到20,000赫茲(周期每秒)。盡管現(xiàn)代音頻設備主要為電子設備，但所有這些設備通常需要一個或多個揚聲器，以用于將電信號轉(zhuǎn)換為聲波。揚聲器為一種電聲變換器，其將電信號轉(zhuǎn)換為聲波。部分音頻設備產(chǎn)生了人能聽到的實際的聲音。聲音通常由人造彈性錐體的振動產(chǎn)生，其響應于線圈引起的電壓而振動。
因此，不出所料，揚聲器的狀況是音頻設備發(fā)出的聲音質(zhì)量的很重要的決定性因素。確實，如果音頻設備的揚聲器由于各種損壞而無法操作，那么不論其它元件工作得多么好，音頻設備也不能產(chǎn)生任何聲音。很多時候，揚聲器本身的聲音能說明問題。其它時候，雖然只聽來自揚聲器的聲音可以是目前具有或正在產(chǎn)生問題的很好的指示。聲音質(zhì)量基本上是主觀確定，隨不同的人而變化。
相應地，有時需要直接檢查揚聲器，而不是僅僅依靠聽揚聲器發(fā)出的聲音。但是，傳統(tǒng)的客觀確定揚聲器狀況的技術(shù)是有限的。而且，傳統(tǒng)揚聲器缺乏有效和充分的自我診斷能力，作為常見的情況，如果揚聲器密封在音頻設備中的話，確定揚聲器狀況更加成問題。特別成問題的是，就算是緊急人員和第一反應者通常使用的高音頻無線電設備，通常也缺乏有效和充分的執(zhí)行揚聲器診斷的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了用于確定揚聲器的狀況的電路，所述揚聲器具有一個音圈并包含在音頻設備中。該電路可包括連接到音圈的信號源。信號源可給音圈提供測試信號。該電路還包括一個電連接到音圈的信號傳感器。該信號傳感器能感知音圈中響應于信號源提供的測試信號而產(chǎn)生的響應信號。該電路進一步可包括一個狀況確定模塊，其基于響應信號確定驅(qū)動點阻抗，并將驅(qū)動點阻抗與一預定阻抗進行比較，從而確定揚聲器的狀況。
根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的揚聲器具有自我診斷能力。該揚聲器可包括一個彈性錐體以及一個連接到該彈性錐體的音圈，音圈用于驅(qū)動彈性錐體從而將電信號轉(zhuǎn)換為聲音以及音圈所處的磁場。該揚聲器還可包括一個信號源，其連接到音圈，以給音圈提供測試信號，以及一個電連接到音圈的信號傳感器，用于感知響應于測試信號而產(chǎn)生的響應信號。揚聲器進一步可包括一個狀況確定模塊，用于基于響應信號確定驅(qū)動點阻抗，并將驅(qū)動點阻抗與一預定阻抗進行比較，從而確定揚聲器的狀況。
而本發(fā)明的另一個實施例是關(guān)于確定包含在音頻設備內(nèi)的揚聲器狀況的方法的。該方法可包括給音圈提供測試信號，所述音圈驅(qū)動揚聲器。該方法還可包括基于測試信號確定音圈的驅(qū)動點阻抗。該方法進一步可包括將驅(qū)動點阻抗與一預定阻抗進行比較，從而基于比較而確定揚聲器的狀況。


附圖中顯示了本發(fā)明的多個實施例，但是需要理解的是，本發(fā)明不僅限于該精確配置和所示手段。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有自我診斷能力的揚聲器的示意圖。
圖2為圖1所示的揚聲器等效電路的示意圖。
圖3和4分別為根據(jù)本發(fā)明實施例的正常工作的揚聲器的表示阻抗值和相位曲線的半對數(shù)圖。
圖5和6分別為根據(jù)本發(fā)明實施例的故障揚聲器的表示阻抗值和相位曲線的半對數(shù)圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的確定揚聲器狀況的方法流程圖。
具體實施例方式
圖1提供了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有自我診斷能力的揚聲器100的示意圖。所示揚聲器100包括框架102，由框架102支撐的彈性錐體104，以及連接到彈性錐體104的音圈106以及音圈所處的磁場B。揚聲器100可連接到或包含在音頻設備中(未顯示)。音頻設備可以為，如高音頻無線電設備或類似設備，如伊利諾斯州紹姆堡(Schaumburg)，摩托羅拉公司生產(chǎn)的集成數(shù)字加強網(wǎng)絡(iDEN)設備。
如圖所示，音圈106位于永磁體108產(chǎn)生的磁場B中，所述永磁體與音圈106相鄰。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，音圈106可傳導根據(jù)信號波動而改變的電流，所述信號與聲音，音樂，或要由揚聲器廣播的其它輸入相關(guān)。電流感應出音圈106周圍的磁場，線圈周圍的磁場與永磁體108所產(chǎn)生的磁場B相互作用，并因此使音圈106在框架102內(nèi)軸向地運動。音圈106的電磁引發(fā)的運動促使連接到音圈的彈性錐體104相應地振動。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，電流根據(jù)聲音、音樂或其它輸入而變化，并因此促使彈性錐體104的振動幅度和速度相應地變化，從而產(chǎn)生對應于輸入的聲音響應。
如圖1所進一步顯示的，揚聲器100還可包括具有信號源110和信號傳感器112的電路101。信號源110和信號傳感器112都連接到音圈106。該電路還包括連接到信號傳感器112的狀況確定模塊114。輸出模塊116連接到狀況確定模塊114。所示電路101由從揚聲器100延伸出的按鍵或開關(guān)118來啟動，并允許用戶選擇性地啟動電路以實現(xiàn)本文所描述的揚聲器診斷。但是可選地，電路101可作為連續(xù)或幾乎連續(xù)運作的后臺處理來操作，以自動執(zhí)行相同的揚聲器診斷。
信號源110給音圈106提供測試信號，然后，在音圈106中引起信號響應。如圖所示，響應信號由信號傳感器112感知，其給連接到信號傳感器112的狀況確定模塊114提供相應的信號。信號傳感器112可包括耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器113的電流傳感器111。如下文所解釋的，狀況確定模塊114基于所感知的響應信號而確定驅(qū)動點阻抗，并將驅(qū)動點阻抗與預定阻抗進行比較，從而確定揚聲器100的狀況。
根據(jù)一個實施例，信號源110提供的信號為電壓e，其加在音圈106兩端。作為該電壓的結(jié)果，響應信號以電流i的形式產(chǎn)生，流過音圈106。與線圈中感應形成的電感L耦合的固定電阻RDC在揚聲器100電路內(nèi)產(chǎn)生兩個不同的電壓降，也就是iRDC和jωL。iRDC項對應于電阻引起的電壓降，jωL項對應于線圈電感引起的電壓降的復數(shù)值。
并且，揚聲器的慣量和電力引起的位移產(chǎn)生機械聲學因素，其電學等效稱為揚聲器的反電勢(emf)，eemf。在揚聲器電路中的電壓降iRDC和jωL和機械聲學因素eemf的電學等效的總和，服從下述等式e＝i(RDC+jωL)+eemf該等式是利用本文所述的驅(qū)動點阻抗的基礎，且該等式基于圖2所示的考慮因素。圖2為表示部分揚聲器100的等效電路圖的示意圖，揚聲器100包括彈性錐體104，音圈106，以及永磁體108。因此另外參照圖2，等效電路200包括揚聲器的電子部分202，通過力或耦合因素耦合到電子部分的機械部分204，對于移動揚聲器線圈，α＝BL，以及通過力或耦合因素，Sd1，耦合到機械部分的聲學部分206。揚聲器的電子部分202表示音圈106和永磁體108的電學方面，也就是電阻和電感。機械部分204基于影響揚聲器操作的非電子因素，包括摩擦阻力和音圈的移動質(zhì)量以及其機械柔量。聲學部分的突出因素是與揚聲器有關(guān)的聲學阻抗。如下文所述，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以了解，數(shù)學變換可用于將機械和聲學部分轉(zhuǎn)換為電學對應物，從而它們可以與揚聲器的電學元件相關(guān)聯(lián)地分析。
基于等效電路200，可獲得揚聲器100的驅(qū)動點阻抗公式。首先，反emf，eemf，可以用音圈106的移動速度以及線圈的磁通密度B來表示。具體地，反emf，eemf為eemf＝BLuvc其中L為線圈長度，uvc為前述的速度。其次，基于牛頓機械定律，移動音圈106的力f可以計算為f＝BLi該力可重寫為下式f=uvc(Rm+jωMm+1jωCm+ZaSd2)]]>Rm對應于機械阻力。復數(shù)項jωMm基于機械質(zhì)量。復數(shù)項 為Hook定律對柔量的應用。ZaSd2為聲學阻抗乘以線圈表面積的平方。
使用電學等效項的一系列替代導出上述信號的下述等式
e=i(RDC+jωL)+BLuvc]]>=i(RDC+jωL)+BLfRM+jωMm+1jωCm+ZaSd2]]>=i(RDC+jωL)+BLBLiRM+jωMm+1jωCm+ZaSd2]]>=i(RDC+jωL+BL2RM+jωMm+1jωCm+ZaSd2),]]>然后，導出驅(qū)動點阻抗的下述等式Ze_in=e/i=RDC+jωL+BL2RM+jωMm+1jωCm+ZaSd2.]]>在最后一個等式中，前面描述過的電壓e對應于信號源110提供給音圈106的測試信號。同樣在前面描述過的電流i對應于信號傳感器112感測到的響應信號。在e和i這兩個值的比的基礎上，狀況確定模塊114確定驅(qū)動點阻抗。如下文所述，揚聲器100應用了上述等式系列的最后一個的潛在物理特性，從而執(zhí)行自我診斷。更具體地，如果存在的話，揚聲器的多種非正常狀況會影響揚聲器的機械和聲學性能。如等效電路200所闡釋的，揚聲器的機械和聲學性能確定最后一個等式的右側(cè)第三項，其對應于反emf項，eemfBL2RM+jωMm+1jωCm+ZaSd2]]>相應地，多種非正常狀況也會影響驅(qū)動點阻抗的值，如上文所闡釋的，包括該最后一項。如下文所解釋的，通過將驅(qū)動點阻抗與預定驅(qū)動點阻抗進行比較，揚聲器100可實現(xiàn)自我診斷。
舉例來說，如果揚聲器100完全無效，由于彈性錐體104因某種原因而被阻礙，則結(jié)果是音圈106的速度uvc為0。從上面的等式中調(diào)用反emf，eemf，其可寫成關(guān)于速度的函數(shù)，eemf＝BLuvc，在驅(qū)動點阻抗等式的右側(cè)第三項為0時，該等式成立。由于揚聲器的狀況影響揚聲器的機械聲學性能，進而影響前述的驅(qū)動點阻抗等式中的反emf項，eemf，因此，接下來狀況確定模塊114可將驅(qū)動點阻抗與預定阻抗進行比較，以確定揚聲器100的狀況。
舉例來說，根據(jù)基于頻率的幅值的普通阻抗通常類似于圖3所示的典型曲線。如圖所示，幅值的普通曲線顯示了在共振頻率處的明顯峰值。圖4顯示了對應的基于頻率的相位曲線，其在共振頻率處的過零點是很清楚明顯的。
形成對比的是，圖5提供了揚聲器的基于頻率的幅值的典型阻抗曲線，在所述揚聲器中，彈性錐體104不能機械地運動，或因為短路而不能運動。這可被特征定義為音圈短路。在這個情況中，音圈106的速度uvc為0。正如早已解釋的，這影響了驅(qū)動點阻抗等式的反emf項，eemf。這反映在基于頻率的幅值曲線中，其與圖3所示的曲線進行比較，明顯缺乏顯著的峰值。類似地，圖6所示的不正常工作的揚聲器的基于頻率的相位曲線也與圖4所示的相位曲線形成鮮明的對比。不正常工作的揚聲器的基于頻率的相位曲線缺少過零點。
其它可能發(fā)生在揚聲器100中的非正常狀況也類似地影響機械聲學性能，并因此也會類似地反映在驅(qū)動點阻抗中。例如，即使彈性錐體被部分阻擋，這樣的情況也會反映在前述驅(qū)動點阻抗等式的反emf項，eemf上。與響應于正常工作的揚聲器100的信號源110提供的測試信號而獲得的共振頻率處的驅(qū)動點阻抗相比，在這種稱為部分音圈短路的情況下，共振頻率處的驅(qū)動點阻抗顯著地減少了。
另一個典型的非正常狀態(tài)為框架102中的彈性錐體104和/或音圈106的未對準。未對準不利地影響了錐體的彈性和/或音圈106的軸向運動，它們都影響了前述驅(qū)動點阻抗等式的反emf項，eemf。再一次地，結(jié)果是驅(qū)動點阻抗與揚聲器正常工作時獲得的驅(qū)動點阻抗不同。因此，由于該未對準，測試信號感應出的驅(qū)動點阻抗與預定阻抗的比較揭示了揚聲器100的非正常工作。
通過比較揭示的另一個典型的非正常狀況是關(guān)于稱為音圈開路的，其產(chǎn)生一個無窮大阻抗。這種情況也可通過將驅(qū)動點阻抗與揚聲器100正常工作時獲得的閾值相比較而揭示。如該實施例和前述實施例所示，狀況確定模塊114可將驅(qū)動點阻抗與預定的阻抗進行比較，從而確定揚聲器100的狀況。
根據(jù)一個實施例，狀況確定模塊114執(zhí)行的比較包括將共振頻率處的驅(qū)動點阻抗與期望的、可用于比較的正常工作的揚聲器的預定共振阻抗相比較。舉例來說，預定共振頻率可包括下限值，如果驅(qū)動點阻抗小于該下限值，則表示上文所述的非正常工作。另外，預定共振，或者代替下限值，可包括上限值，其對應于正常工作的揚聲器響應于測試信號所期望表現(xiàn)的最大值。如果驅(qū)動點阻抗超過了該上限值，則表示上文所述的可能的音圈開路。
在另一個實施例中，狀況確定模塊114執(zhí)行的比較是以所測量的驅(qū)動點阻抗的相位為基礎的。正如上文所述，基于過零點的出現(xiàn)或未出現(xiàn)而作出判斷。
根據(jù)另一個實施例，狀況確定模塊114執(zhí)行的比較包括確定圖3-6所示類型的驅(qū)動點阻抗曲線。狀況確定模塊114將該曲線與對應于正常工作的揚聲器的預定曲線進行比較。在一次地，正如早已描述的，被比較的曲線都基于各自的所測相位角和/或阻抗的幅值。
根據(jù)一個實施例的信號源110提供一個測試信號，其感應出如下的響應，狀況確定模塊114通過該響應獲得驅(qū)動點阻抗。根據(jù)可選實施例，信號源110提供多個測試信號，每個在頻率上都不相同。對于多個頻率的測試信號，更特別的是，信號源110能產(chǎn)生頻率掃描。但是可選地，測試信號可以為寬帶信號，如寬帶噪聲。寬帶信號可有是低功率信號。低等級寬帶信號，如寬帶噪聲，不需要是可聽到的信號以完成預定的功能?？蛇x地，所接收的語音可作為測試信號來使用，且不需要產(chǎn)生額外的信號(需要大量求平均)。
根據(jù)一個實施例，信號傳感器112，可包括電流傳感器111。在另一個實施例中，信號傳感器112或電流傳感器111可耦合到基于所感測的模擬信號而產(chǎn)生數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器113。數(shù)字信號由信號傳感器提供給狀況確定模塊114。
根據(jù)一個實施例，如果提供數(shù)字信號，那么狀況確定模塊114可設計為利用一種或多種數(shù)字信號處理技術(shù)來處理數(shù)字信號。舉例來說，數(shù)字信號處理可包括基于所提供的數(shù)字信號來計算一個或多個快速傅立葉逆變換(IFFT)。狀況確定模塊114可通過軟件來實現(xiàn)，所述軟件設計為在包含于揚聲器100和/或使用揚聲器的音頻設備內(nèi)的處理元件上運行。可選地，狀況確定模塊114可在一個或多個硬線專用電路中實現(xiàn)。在另一個實施例中，狀況確定模塊114可被實現(xiàn)為基于軟件的指令和一個或多個專用電路的組合。
根據(jù)一個實施例，輸出模塊116產(chǎn)生表示揚聲器100狀況的輸出。如上文所提及的，電路可選擇性地響應于用戶指令而執(zhí)行診斷功能，用戶指令如用戶按下外部按鍵118，或可選地，如部分連續(xù)或幾乎連續(xù)運行的后臺處理。舉例來說，響應于用戶啟動，電路101執(zhí)行其診斷功能，此外作為對此的響應，輸出模塊116產(chǎn)生用戶可見信號，如預選頻率的短嗶嗶聲或唧唧聲?？蛇x地，如果電路110設計為運行后臺程序，僅當揚聲器100被診斷為很可能不正常時才會產(chǎn)生輸出。但是，根據(jù)一個實施例，特定頻率的可聽到的輸出可表示揚聲器100的特定問題。因此根據(jù)該實施例，用戶可基于輸出模塊116發(fā)出的特定聲音來確定揚聲器的狀況。
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的方法。該方法涉及確定音頻設備中包含的揚聲器狀況。方法500包括，在步驟502，給驅(qū)動揚聲器的音圈提供測試信號。所提供的測試信號包括，如多個測試信號，每個都具有從某個頻率范圍中選出的不同頻率?？蛇x地，測試信號可包括寬帶信號，如低功率寬帶噪聲。
接下來，所示方法500在步驟503處基于測試信號確定音圈的驅(qū)動點阻抗。更具體的，測試信號可以是電壓，其引發(fā)出流過音圈的電流。因此，阻抗可以是基于電壓和電流比的復數(shù)值。
在步驟504，驅(qū)動點阻抗與預定阻抗進行比較，從而基于該比較確定揚聲器的狀況。預定阻抗可以是，如阻抗曲線。根據(jù)一個實施例，阻抗曲線在某一頻率范圍內(nèi)分布?？蛇x地，預定阻抗可包括一個或多個閾值。閾值可包括，如，共振阻抗相位過零點，共振阻抗幅值，或共振無窮大阻抗近似值。在步驟505，該比較可用于確定揚聲器中是否存在音圈短路，部分音圈短路或音圈開路。最后，方法500在步驟506結(jié)束。
正如已提及的，本發(fā)明的實施例可通過硬件，軟件，或硬件與軟件的結(jié)合來實現(xiàn)。實施例可在一個計算機系統(tǒng)以集中方式實現(xiàn)，或以分布方式實現(xiàn)，其中不同元件分布在多個交互連接的計算機系統(tǒng)中。適于實施本文所述方法的任何種類的計算機系統(tǒng)或其它設備都是合適的。硬件和軟件的典型組合可以是具有計算機程序的通用計算機系統(tǒng)，當載入和運行時，控制計算機系統(tǒng)以使它實施本文所述的方法。
根據(jù)本發(fā)明的方法也可植入到計算機程序產(chǎn)品中，其包括可實現(xiàn)本文所述方法的所有特征，且當其載入計算機系統(tǒng)時，可實施所述方法。本文中的計算機程序是指以任何語言、編碼或符號的指令集合的表達，使系統(tǒng)具有信息處理能力以直接地或在下面兩種情況之后執(zhí)行特定功能a)轉(zhuǎn)換為另一種語言、編碼或符號；b)在不同的材料形式中再現(xiàn)。
但是，本文中的實施例可以不背離其精神和本質(zhì)特征而以其它形式來實現(xiàn)。相應地，作為表達本發(fā)明的范圍，需要參考權(quán)利要求書，而不是僅參考前述的說明書。
權(quán)利要求
1.一種用于確定音頻設備中包含的揚聲器的狀況的方法，該方法包括向驅(qū)動揚聲器的音圈提供測試信號；基于該測試信號確定音圈的驅(qū)動點阻抗；以及將驅(qū)動點阻抗與預定阻抗相比較從而基于該比較確定揚聲器的狀況。
2.權(quán)利要求1的方法，其中預定阻抗包括阻抗曲線。
3.權(quán)利要求1的方法，其中預定阻抗包括與驅(qū)動點阻抗進行比較的至少一個閾值。
4.權(quán)利要求3的方法，其中至少一個閾值包括共振阻抗相位過零點、共振阻抗幅度以及共振無窮大阻抗幅度近似值中的至少一個。
5.權(quán)利要求1的方法，其中提供測試信號包括提供多個測試信號，多個測試信號中的每一個具有選自一頻率范圍的不同頻率。
6.權(quán)利要求1的方法，進一步包括基于該比較確定是否存在音圈開路、音圈短路以及音圈部分短路狀況中的至少一個。
7.一種用于確定包含在音頻設備中且具有音圈的揚聲器的狀況的電路，該電路包括連接到音圈的信號源，用于向音圈提供測試信號；電連接到音圈的信號傳感器，用于感測響應于測試信號而產(chǎn)生的響應信號；以及狀況確定模塊，用于基于響應信號確定驅(qū)動點阻抗，并將驅(qū)動點阻抗與預定阻抗相比較從而確定揚聲器的狀況。
8.權(quán)利要求7的電路，其中預定阻抗包括與驅(qū)動點阻抗進行比較的至少一個閾值。
9.權(quán)利要求8的電路，其中至少一個閾值包括共振阻抗相位過零點、共振阻抗幅度以及共振無窮大阻抗幅度近似值中的至少一個。
10.權(quán)利要求7的電路，其中由信號源提供的測試信號包括多個測試信號，多個測試信號中的每一個具有選自一頻率范圍的不同頻率。
11.權(quán)利要求7的電路，其中信號傳感器包括耦合到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電流傳感器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于向狀況確定模塊提供數(shù)字信號，且其中狀況確定模塊被配置為處理數(shù)字信號。
全文摘要
提供具有診斷功能的揚聲器(100)，以及電路(101)和相關(guān)方法(500)，用于基于驅(qū)動點阻抗執(zhí)行揚聲器診斷。揚聲器包括一個彈性錐體(104)以及連接到彈性錐體的音圈(106)以驅(qū)動彈性錐體，以便將電信號轉(zhuǎn)換為聲音。揚聲器還包括信號源(110)，其連接到音圈以給音圈提供測試信號。揚聲器進一步包括信號傳感器(112)，電連接到音圈以感測響應于測試信號而產(chǎn)生的響應信號。另外，揚聲器包括狀態(tài)確定模塊(114)，用于基于響應信號而確定驅(qū)動點阻抗，并將驅(qū)動點阻抗與預定阻抗相比較從而確定揚聲器的狀況。
文檔編號H04R3/00GK101080946SQ200580043074
公開日2007年11月28日 申請日期2005年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者彼得·M·帕夫洛夫, 賈森·D·麥克托什, 戴維·M·耶格爾 申請人:摩托羅拉公司