專利名稱：運用速度反饋的揚聲器相位畸變控制的制作方法
在傳統(tǒng)的有源消澡(ANC)方案中，響應于檢測到的來自噪聲源的噪聲，驅(qū)動位于下游的揚聲器以產(chǎn)生消澡信號。在發(fā)生消澡后，位于揚聲器下游的諸如麥克風一類的動態(tài)壓力傳感器檢測最后的噪聲，并向揚聲器驅(qū)動電路提供反饋信號以修正揚聲器發(fā)出的消澡信號。傳統(tǒng)的有源消澡方案的缺點在于在輸入噪聲傳感器、消澡器和誤差噪聲傳感器之間連續(xù)地要求積累的物理距離。物理距離反映檢測噪聲、處理信息、產(chǎn)生抵銷信號和檢測抵銷信號的結(jié)果所需的時間，而每一步所對應的時間延遲要求附加的物理距離?？s短這些時間延遲將導致包裝尺寸的減少，從而使ANC更具有商業(yè)吸引力。
眾所周知，ANC系統(tǒng)的因果性是對系統(tǒng)穩(wěn)定性和運轉(zhuǎn)性能的一種要求。通常，因果性是指系統(tǒng)的輸出不能先于輸入這一事實。對于ANC系統(tǒng)，因果性要求與所有ANC系統(tǒng)元件有關(guān)的時間滯后或時間延遲的和，比入射壓力波從輸入麥克風運行到控制驅(qū)動器所需的時間少。
例如麥克風、抗混淆濾波器、控制器和揚聲器等ANC系統(tǒng)的每一個元件都具有關(guān)聯(lián)的頻率響應。即，每個元件可以使輸入信號發(fā)生有限量的畸變，而這種畸變可以是頻率相關(guān)的。在元件級上，這類畸變導致改變輸入信號的幅度和相位的濾波作用。與輸入信號的相位變化有關(guān)的構(gòu)思是群時延。數(shù)學上將這個術(shù)語定義為測得的輸入到輸出的相位對頻率響應的導數(shù)，即信號傳遞函數(shù)。從概念上講，群時延是與ANC系統(tǒng)每個元件有關(guān)的平均時延的量度。這些時延是依賴于揚聲器的分量和頻率，通常認為是整個ANC系統(tǒng)延遲的一個重要部分。對于揚聲器，最大的群時延發(fā)生在圓錐/懸架系統(tǒng)的共振頻率的附近。這是相位響應的遞度最大的地方。對于大型揚聲器(直徑＞12英寸)，這種延遲可以超過3毫秒。
與修正用于響應由誤差麥克風檢測到的噪聲而驅(qū)動消噪揚聲器的信號不同，本發(fā)明提供表示揚聲器錐體速度的反饋，直接表示所產(chǎn)生的聲音。實質(zhì)上，將與揚聲錐體速度成比例的信號對控制器輸出用作反饋以修正驅(qū)動信號，從而提供非延遲修正。
本發(fā)明的一個目的在于減小揚聲器中的畸變和關(guān)聯(lián)的群時延。
本發(fā)明的另一個目的在于為管道(duct)ANC系統(tǒng)應用提供一種理想化源。
本發(fā)明的又一個目的在于減小倒相式揚聲器的相位或時延畸變。
本發(fā)明的又一個目的在于減小與ANC系統(tǒng)中的揚聲器相關(guān)的群時延，從而允許縮短系統(tǒng)設(shè)備的長度。由本發(fā)明實現(xiàn)在下文中變得明顯的這些目的和其它目。
基本原理是，ANC系統(tǒng)抵消揚聲器的整個喇叭線圈和錐體的速度與由抵消揚聲器產(chǎn)生的聲音相對應。通過檢測喇叭線圈/錐體的速度并將檢測的速度與來自控制器的驅(qū)動信號相比較，可以縮短響應時間和距離。
圖1是表示ANC系統(tǒng)消噪揚聲器的驅(qū)動和理論反饋電路的示意圖；圖2是圖1的另一種實際電路；圖3是不帶速度反饋的45Hz方波的揚聲器錐體速度對時間的比較；圖4是帶有速度反饋的45Hz方波的揚聲器錐體速度對時間的比較；圖5示出帶有寬帶噪聲輸入的揚聲器的開環(huán)幅值響應；圖6示出帶有寬帶噪聲輸入的揚聲器的開環(huán)相位響應；圖7示出帶有寬帶噪聲輸入的揚聲器的閉環(huán)幅值響應；圖8示出帶有寬帶噪聲輸入的揚聲器的閉環(huán)相位響應；圖9是開環(huán)或非伺服揚聲器的群時延與頻率的關(guān)系；和圖10是閉環(huán)或伺服揚聲器的群時延與頻率的關(guān)系。
在圖1中，標號10是ANC系統(tǒng)的消噪揚聲器，諸如在美國專利第4,677,676和4,677,677號中所揭示的。本發(fā)明添加了揚聲器的錐體速度反饋。傳統(tǒng)的揚聲器10通過電路12驅(qū)動，所述電路包括與揚聲器10的錐體部分為一體的線圈，當向線圈提供電流時，它在磁鐵極間的環(huán)形空隙內(nèi)運動。向線圈提供電流使它相對于磁鐵移動，從而移動整個錐體并產(chǎn)生代表消噪的聲音。隨著揚聲器10的錐體停止移動，可以決定線圈電阻和電感。具有電阻RE的電阻器12-1表示電路12中制動的線圈電阻。類似的，由具有電感LE的線圈12-2表示電路12中制動的線圈電感。
電路12的制動線圈電阻RE遠遠大于功率電阻器14的電阻R，電路12通過所述功率電阻器14與音頻功率放大器16相連。放大器16具有單位增益。經(jīng)過線路20提供的小信號輸入電壓表示用于揚聲器的未經(jīng)放大和修正的驅(qū)動信號，作為第一輸入提供給加法器18，而加法器18的輸出提供給放大器16。在功率電力電阻器14的兩端連接比例1volt/amp電路30，該電路接收表示電阻14任一側(cè)的電壓的兩個電壓輸入。電壓差與電流成正比例。若已知功率電阻器14的電阻R，通過歐姆定律，可以決定電阻14中的電流，該電流和電路12中的電流同值。比例lvolt/amp電路30將電阻14兩端測得的信號轉(zhuǎn)換成與電流相等的電壓，其輸出對應于通過電阻器14的電流i，并向反饋電路40中的增益級42和增益級44提供這個輸出。下面將要介紹的反饋電路40是“理論上的電路”，從某種意義上說，在高頻下其值趨于無窮大。增益級42表示制動線圈電阻RE，具有作為第一輸入向加法器50提供的輸出i·RE。增益級44表示制動線圈電感LE，具有向微分器46提供的輸出i·LE，微分器46對增益級44的輸出求微分，提供的輸出i·j·ω·LE作為第二輸入供給加法器50。在輸出i·j·ω·LE中，j是
，ω是角頻率。對于高頻，ω實際上是無窮的，器件不工作。
加法器50對輸入求和，其輸出i(RE+j·ω·LE)等于i·ZE，這里，ZE等于RE+j·ω·LE，表示組合的制動線圈阻抗。向加法器60提供加法器50的輸出，并把它從作為第二輸入通過線路20和20-1向加法器60提供的小信號輸入電壓中減去。加法器60的輸出是揚聲器錐體的速度Ucone。向增益級70提供加法器60的輸出，其增益值通常介于50和100之間。將增益級70的輸出作為第二輸入提供給加法器18，以對通過線路20提供的小信號輸入電壓提供錐體速度反饋修正。
如上所述，將反饋電路40定為“理論上的電路”，因為在高頻下，該項接近無窮大并使電路無效。可用圖2的補償器網(wǎng)絡(luò)140(用濾波器144代替增益級44和微分器46)替代電路40。濾波器具有i(s·LE/(1+s·LE/K))的輸出，其中s＝j(luò)·ω，K是大約20的增益因數(shù)。將濾波器144的輸出與微分器46的輸出相比，注意，濾波器144添加了1+s·LE/K的分母值。結(jié)果，當s趨于無窮大時，s·LE/(1+s·LE/K)趨于K。
在工作中，從音頻功率放大器16開始，向由電路12表示的揚聲器10的線圈提供驅(qū)動電流以驅(qū)動揚聲器錐體，從而產(chǎn)生消噪信號。驅(qū)動電流將隨著要被抵消的噪聲而改變，錐體將變速運動，速度取決于要生成的抵消噪聲。因此，放大器16提供的電流將發(fā)生變化。獲得的電壓信號是驅(qū)動揚聲器10的電流的直接量度。這是通過在功率電阻器14兩端連接比例lvole/amp電路30實現(xiàn)的。應注意，功率電阻器14與揚聲器的線圈串聯(lián)，從而功率電阻器14中的電流與向揚聲器10的線圈提供的電流相同。將來自電路30的信號送到補償器網(wǎng)絡(luò)140，補償器網(wǎng)絡(luò)140在制動的揚聲器的音圈合成電阻和電感的兩端建立凈電壓降的模型。
由加法器60決定的信號、在由線路20-1提供的小信號電壓輸入和由電路40和140決定的電路12的制動線圈電阻和電感兩端的凈電壓降之間的差，給出了揚聲器音圈速度的間接測量，而且通過增益級70將它反饋到加法器18以修正向揚聲器10的線圈提供的電壓信號。下面等式1給出了制動線圈電阻和電感兩端的電壓降VD的理論模型，其中t表示一個時間單位VD(t)=i(t)·RE+LE·di(t)dt----(1)]]>等式(1)的s域和傅里葉表示法分別是VD(s)＝i(s)·[RE+LE·s]或VD(j·ω)＝i(j·ω)·[RE+LE·j·ω](2)在實踐中，為了減小高頻噪聲，必須通過矯直微分器的高頻增益(即，等式2括號內(nèi)的第二項)實現(xiàn)等式1。為實現(xiàn)最小的相位誤差，應至少以10倍于有關(guān)最大頻率的頻率實施。第一級，補償電路獲得具有下列波特結(jié)構(gòu)的所需頻率和相位特性PLead=RE+j·ω·LE1+j·ω·LEK----(3)]]>為實現(xiàn)足夠的精度，在上述等式中增益K應大約為20，認為這與圖2中的方塊140相對應。
在繼續(xù)介紹伺服機構(gòu)的特性前，將給出在管道中1維波傳播的背景。給出這一背景不僅顯示伺服機構(gòu)減小與揚聲器關(guān)聯(lián)的群時延，還顯示它具有其它吸引人的特性。
對于在管道中的波傳播，管道起到聲波導的作用，管道中主要的聲能以平面聲波傳播(任一管道剖面的聲壓都相同)。對于在一端帶有聲源的半無窮大管道，波只沿著離開聲源的方向傳播。然而，如果存在任何下游管道中斷，例如分支或終點，就發(fā)生聲能的反射、發(fā)送和消散的交互作用。即，在中斷處，與波相關(guān)的一些聲能反射回聲源，一些聲能向下游發(fā)送，而在中斷處將剩余聲能作為熱量或摩擦損失消散。因此，我們發(fā)現(xiàn)，在有限范圍的管道中可把聲場或聲壓描述為沿著正(下標f)和反(下標r)兩個方向傳播的兩個平面聲波。數(shù)學上，下列等式完整地描述了管道中任一點的平面波、聲壓和質(zhì)點速度(x是縱向管道坐標)。
P＝(Pf·e-j·k·x+Pr·e-j·k·x)·e-j·ω·t，u＝(Uf·e-j·k·x-Ur·e-j·k·x)·e-j·ω·tUf＝Pf/ρ·c，Ur＝Pr/ρ·c在上述表達中，P是總聲壓，u是總聲質(zhì)點速度，k是聲波數(shù)，ω是角頻率，t是時間單位，ρ是流體密度，c是管道中的流體聲速。
對于安裝在無窮大隔板中的揚聲器和任意(沒有邊界)移離聲源的波，可將在較大距離r處的聲壓p相對于揚聲器半徑a表示成p=(a2·ρ2·r·e-j·k·r·j·ω·uspk)·ej·ω·t=(a2·ρ2·r·e-j·k·r·u·spk)·ej·ω·t]]>從該式，我們看到，在一維管道中運行的波和在自由空間中運行的波之間有基本和重要的差別。即，在管道中，正向壓力波Pf和反向壓力波Pr與聲速u成正比。然而，在自由空間中，聲壓P與聲速uspk的導數(shù)，即揚聲器振動膜的加速度(即，uspk＝j(luò)·ω·uspk)成正比例。因此，對于在管道中的ANC，理想化揚聲器應該是具有大約單位輸出-速度-到-輸入-電壓傳遞函數(shù)(這實際上是速度伺服揚聲器所提供的)的一個揚聲器。對于自由空間的ANC系統(tǒng)，理想化揚聲器應該是具有大約單位輸出-壓力-到-輸入-電壓傳遞函數(shù)的揚聲器(這實際上是在自由空間中操作的隔板揚聲器，然而，利用加速反饋作用的隔板揚聲器應增強低頻性能)。
以下是關(guān)于揚聲器性能增強的討論，所述揚聲器性能增強利用具有在大約50的反饋增益下工作的閉環(huán)速度伺服的揚聲器。
圖3至4將分別在開環(huán)(無伺服)和閉環(huán)控制期間的輸入電壓、45Hertz、方波與輸出錐體速度做比較。圖3表示標準揚聲器(開環(huán))的錐體速度不能跟隨輸入方波。注意，在最大輸入電壓和最大錐體速度之間有較大時延。此外，錐體速度在相對的最大或最小后不能保持恒定水準，而是快速向零衰減。-相反的，在圖4中，在閉環(huán)控制下，揚聲器的錐體速度實際上跟蹤著輸入方波。在輸入電壓和輸出錐體速度之間的時延出現(xiàn)了較大減小。此外，在正和負輸入周期內(nèi)，相對速度的略有減小。
圖5和6分別示出當將寬帶噪聲施于輸入端時，開環(huán)(無伺服)錐體速度幅度和相位的響應。寬帶噪聲是一個用于描述在期望頻率范圍內(nèi)的幅值與頻率關(guān)系為恒定的源的術(shù)語。在圖5中，我們看到幅值響應在大約75Hertz處具有峰值。它與錐體懸架系統(tǒng)的共振頻率相對應。注意，在圖6中，相位響應的梯度大大低于該頻率。圖7和8分別示出當將寬帶噪聲施于輸入端時，閉環(huán)(伺服)錐體速度和相位響應。在圖7中，隨著伺服作用，速度響應的幅值在所表示的大部分范圍內(nèi)保持平坦。此外，圖8中的相位響應的梯度比圖6所示的開環(huán)控制的梯度更不尖銳。
如前所述，平均系統(tǒng)群延遲的量度是從相對于頻率的相位響應曲線的導數(shù)獲得的。圖9示出開環(huán)控制揚聲器的群時延。圖10示出閉環(huán)揚聲器的群時延。如上所述，兩個揚聲器的群時延是與頻率逆相關(guān)的。即，頻率降低，群時延增大。當與開環(huán)控制相比時，已減小了閉環(huán)群時延，在大部分示出的頻率范圍內(nèi)，平均減小到原來的8-10分之一。
從這個分析可知，對管道ANC應用伺服控制型揚聲器的兩個優(yōu)點是1)減小了群時延和2)提供理想化源。已將群時延減小子大約9倍，而且幅度達到一致。
權(quán)利要求
1.具有消噪揚聲器(10)的管道有源消噪電路(12)，其中所述消噪揚聲器(10)具有用于驅(qū)動所述揚聲器的線圈(12-2)和一裝置(16)，裝置(16)用于向所述線圈提供驅(qū)動信號，引起所述揚聲器產(chǎn)生消噪信號，其特征在于，用于所述揚聲器的閉環(huán)速度伺服包括電阻器(14)，它與所述線圈串聯(lián)并設(shè)置在用于提供驅(qū)動信號的所述裝置和所述線圈中間；跨接于所述電阻器兩端的裝置(30)，用于決定所述電阻器兩端的電壓降和所述電阻器中的電流，并用于產(chǎn)生與所述決定的電流成正比的電壓輸出。電路(40；140)，用于接收所述電壓輸出并產(chǎn)生表示所述線圈的速度的信號；和裝置(60，70，18)，用于調(diào)節(jié)所述裝置響應于表示所述線圈的速度的所述信號提供驅(qū)動信號。
2.如權(quán)利要求1所述的管道有源消噪電路，其特征在于，接收所述電壓輸出的所述電路包括與頻率相依濾波器(144)并聯(lián)的增益級(42)。
3.如權(quán)利要求2所述的管道有源消噪電路，其特征在于，還包括第一加法器(50)，它接收來自所述增益級和所述頻率相依濾波器的輸出并產(chǎn)生一個輸出；和第二加法器(18)，它接收作為負輸入的來自所述第一加法器的第一輸入，和表示向用于提供驅(qū)動信號的所述裝置提供的輸入的第二輸入。
4.在具有消噪揚聲器(10)和裝置(16)的管道有源消噪電路(12)中，其中所述裝置(16)用于向所述揚聲器提供驅(qū)動信號，引起所述揚聲器移動從而產(chǎn)生消噪信號，其特征在于，修正所述消噪信號的方法包括下述步驟檢測所述揚聲器的運動并產(chǎn)生表示所述揚聲器運動的信號；接收表示所述揚聲器運動的所述信號，并產(chǎn)生表示所述揚聲器的所述運動速度的信號；和調(diào)節(jié)所述裝置，響應于表示所述揚聲器的所述運動速度的所述信號提供驅(qū)動信號。
全文摘要
ANC系統(tǒng)消噪揚聲器的整個喇叭線圈和錐體的速度與消噪揚聲器產(chǎn)生的聲音相對應。通過檢測喇叭線圈/錐體的速度并將檢測到的速度與來自控制器的驅(qū)動信號相比較,可以縮短響應時間和距離。
文檔編號G10K11/178GK1179690SQ9711925
公開日1998年4月22日 申請日期1997年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月25日
發(fā)明者M·A·丹尼爾斯 申請人:運載器有限公司