运用速度反馈的扬声器相位畸变控制

摘要

ANC系统消噪扬声器的整个喇叭线圈和锥体的速度与消噪扬声器产生的声音相对应。通过检测喇叭线圈/锥体的速度并将检测到的速度与来自控制器的驱动信号相比较,可以缩短响应时间和距离。

说明书

在传统的有源消澡(ANC)方案中，响应于检测到的来自噪声源的噪声，驱动位于下游的扬声器以产生消澡信号。在发生消澡后，位于扬声器下游的诸如麦克风一类的动态压力传感器检测最后的噪声，并向扬声器驱动电路提供反馈信号以修正扬声器发出的消澡信号。传统的有源消澡方案的缺点在于在输入噪声传感器、消澡器和误差噪声传感器之间连续地要求积累的物理距离。物理距离反映检测噪声、处理信息、产生抵销信号和检测抵销信号的结果所需的时间，而每一步所对应的时间延迟要求附加的物理距离。缩短这些时间延迟将导致包装尺寸的减少，从而使ANC更具有商业吸引力。

众所周知，ANC系统的因果性是对系统稳定性和运转性能的一种要求。通常，因果性是指系统的输出不能先于输入这一事实。对于ANC系统，因果性要求与所有ANC系统元件有关的时间滞后或时间延迟的和，比入射压力波从输入麦克风运行到控制驱动器所需的时间少。

例如麦克风、抗混淆滤波器、控制器和扬声器等ANC系统的每一个元件都具有关联的频率响应。即，每个元件可以使输入信号发生有限量的畸变，而这种畸变可以是频率相关的。在元件级上，这类畸变导致改变输入信号的幅度和相位的滤波作用。与输入信号的相位变化有关的构思是群时延。数学上将这个术语定义为测得的输入到输出的相位对频率响应的导数，即信号传递函数。从概念上讲，群时延是与ANC系统每个元件有关的平均时延的量度。这些时延是依赖于扬声器的分量和频率，通常认为是整个ANC系统延迟的一个重要部分。对于扬声器，最大的群时延发生在圆锥/悬架系统的共振频率的附近。这是相位响应的递度最大的地方。对于大型扬声器(直径＞12英寸)，这种延迟可以超过3毫秒。

与修正用于响应由误差麦克风检测到的噪声而驱动消噪扬声器的信号不同，本发明提供表示扬声器锥体速度的反馈，直接表示所产生的声音。实质上，将与扬声锥体速度成比例的信号对控制器输出用作反馈以修正驱动信号，从而提供非延迟修正。

本发明的一个目的在于减小扬声器中的畸变和关联的群时延。

本发明的另一个目的在于为管道(duct)ANC系统应用提供一种理想化源。

本发明的又一个目的在于减小倒相式扬声器的相位或时延畸变。

本发明的又一个目的在于减小与ANC系统中的扬声器相关的群时延，从而允许缩短系统设备的长度。由本发明实现在下文中变得明显的这些目的和其它目。

基本原理是，ANC系统抵消扬声器的整个喇叭线圈和锥体的速度与由抵消扬声器产生的声音相对应。通过检测喇叭线圈/锥体的速度并将检测的速度与来自控制器的驱动信号相比较，可以缩短响应时间和距离。

图1是表示ANC系统消噪扬声器的驱动和理论反馈电路的示意图；

图2是图1的另一种实际电路；

图3是不带速度反馈的45Hz方波的扬声器锥体速度对时间的比较；

图4是带有速度反馈的45Hz方波的扬声器锥体速度对时间的比较；

图5示出带有宽带噪声输入的扬声器的开环幅值响应；

图6示出带有宽带噪声输入的扬声器的开环相位响应；

图7示出带有宽带噪声输入的扬声器的闭环幅值响应；

图8示出带有宽带噪声输入的扬声器的闭环相位响应；    

图9是开环或非伺服扬声器的群时延与频率的关系；和

图10是闭环或伺服扬声器的群时延与频率的关系。

在图1中，标号10是ANC系统的消噪扬声器，诸如在美国专利第4,677,676和4,677,677号中所揭示的。本发明添加了扬声器的锥体速度反馈。传统的扬声器10通过电路12驱动，所述电路包括与扬声器10的锥体部分为一体的线圈，当向线圈提供电流时，它在磁铁极间的环形空隙内运动。向线圈提供电流使它相对于磁铁移动，从而移动整个锥体并产生代表消噪的声音。随着扬声器10的锥体停止移动，可以决定线圈电阻和电感。具有电阻R_E的电阻器12-1表示电路12中制动的线圈电阻。类似的，由具有电感L_E的线圈12-2表示电路12中制动的线圈电感。

电路12的制动线圈电阻R_E远远大于功率电阻器14的电阻R，电路12通过所述功率电阻器14与音频功率放大器16相连。放大器16具有单位增益。经过线路20提供的小信号输入电压表示用于扬声器的未经放大和修正的驱动信号，作为第一输入提供给加法器18，而加法器18的输出提供给放大器16。在功率电力电阻器14的两端连接比例1volt/amp电路30，该电路接收表示电阻14任一侧的电压的两个电压输入。电压差与电流成正比例。若已知功率电阻器14的电阻R，通过欧姆定律，可以决定电阻14中的电流，该电流和电路12中的电流同值。比例lvolt/amp电路30将电阻14两端测得的信号转换成与电流相等的电压，其输出对应于通过电阻器14的电流i，并向反馈电路40中的增益级42和增益级44提供这个输出。下面将要介绍的反馈电路40是“理论上的电路”，从某种意义上说，在高频下其值趋于无穷大。增益级42表示制动线圈电阻R_E，具有作为第一输入向加法器50提供的输出i·R_E。增益级44表示制动线圈电感L_E，具有向微分器46提供的输出i·L_E，微分器46对增益级44的输出求微分，提供的输出i·j·ω·L_E作为第二输入供给加法器50。在输出i·j·ω·L_E中，j是，ω是角频率。对于高频，ω实际上是无穷的，器件不工作。

加法器50对输入求和，其输出i(R_E+j·ω·L_E)等于i·Z_E，这里，Z_E等于R_E+j·ω·L_E，表示组合的制动线圈阻抗。向加法器60提供加法器50的输出，并把它从作为第二输入通过线路20和20-1向加法器60提供的小信号输入电压中减去。加法器60的输出是扬声器锥体的速度U_cone。向增益级70提供加法器60的输出，其增益值通常介于50和100之间。将增益级70的输出作为第二输入提供给加法器18，以对通过线路20提供的小信号输入电压提供锥体速度反馈修正。

如上所述，将反馈电路40定为“理论上的电路”，因为在高频下，该项接近无穷大并使电路无效。可用图2的补偿器网络140(用滤波器144代替增益级44和微分器46)替代电路40。滤波器具有i(s·L_E/(1+s·L_E/K))的输出，其中s＝j·ω，K是大约20的增益因数。将滤波器144的输出与微分器46的输出相比，注意，滤波器144添加了1+s·L_E/K的分母值。结果，当s趋于无穷大时，s·L_E/(1+s·L_E/K)趋于K。

在工作中，从音频功率放大器16开始，向由电路12表示的扬声器10的线圈提供驱动电流以驱动扬声器锥体，从而产生消噪信号。驱动电流将随着要被抵消的噪声而改变，锥体将变速运动，速度取决于要生成的抵消噪声。因此，放大器16提供的电流将发生变化。获得的电压信号是驱动扬声器10的电流的直接量度。这是通过在功率电阻器14两端连接比例lvole/amp电路30实现的。应注意，功率电阻器14与扬声器的线圈串联，从而功率电阻器14中的电流与向扬声器10的线圈提供的电流相同。将来自电路30的信号送到补偿器网络140，补偿器网络140在制动的扬声器的音圈合成电阻和电感的两端建立净电压降的模型。

由加法器60决定的信号、在由线路20-1提供的小信号电压输入和由电路40和140决定的电路12的制动线圈电阻和电感两端的净电压降之间的差，给出了扬声器音圈速度的间接测量，而且通过增益级70将它反馈到加法器18以修正向扬声器10的线圈提供的电压信号。下面等式1给出了制动线圈电阻和电感两端的电压降V_D的理论模型，其中t表示一个时间单位： $>>>V>D>>>(>t>)>>=>i>>(>t>)>>·>>R>E>>+>>L>E>>·>>>di>>(>t>)>>>dt>>->->->->>(>1>)>>>s>等式(1)的s域和傅里叶表示法分别是：$

V_D(s)＝i(s)·[R_E+L_E·s]

或

V_D(j·ω)＝i(j·ω)·[R_E+L_E·j·ω]    (2)

在实践中，为了减小高频噪声，必须通过矫直微分器的高频增益(即，等式2括号内的第二项)实现等式1。为实现最小的相位误差，应至少以10倍于有关最大频率的频率实施。第一级，补偿电路获得具有下列波特结构的所需频率和相位特性： $>>>P>Lead>>=>>R>E>>+>>>j>·>\omega >·>>L>E>>>>1>+>j>·>\omega >·>>>L>E>>K>>>>->->->->>(>3>)>>>s>$

为实现足够的精度，在上述等式中增益K应大约为20，认为这与图2中的方块140相对应。

在继续介绍伺服机构的特性前，将给出在管道中1维波传播的背景。给出这一背景不仅显示伺服机构减小与扬声器关联的群时延，还显示它具有其它吸引人的特性。

对于在管道中的波传播，管道起到声波导的作用，管道中主要的声能以平面声波传播(任一管道剖面的声压都相同)。对于在一端带有声源的半无穷大管道，波只沿着离开声源的方向传播。然而，如果存在任何下游管道中断，例如分支或终点，就发生声能的反射、发送和消散的交互作用。即，在中断处，与波相关的一些声能反射回声源，一些声能向下游发送，而在中断处将剩余声能作为热量或摩擦损失消散。因此，我们发现，在有限范围的管道中可把声场或声压描述为沿着正(下标f)和反(下标r)两个方向传播的两个平面声波。数学上，下列等式完整地描述了管道中任一点的平面波、声压和质点速度(x是纵向管道坐标)。

P＝(P_f·e^-j·k·x+P_r·e^-j·k·x)·e^-j·ω·t，u＝(U_f·e^-j·k·x-U_r·e^-j·k·x)·e^-j·ω·t

U_f＝P_f/ρ·c，U_r＝P_r/ρ·c

在上述表达中，P是总声压，u是总声质点速度，k是声波数，ω是角频率，t是时间单位，ρ是流体密度，c是管道中的流体声速。

对于安装在无穷大隔板中的扬声器和任意(没有边界)移离声源的波，可将在较大距离r处的声压p相对于扬声器半径a表示成： $>>p>=>>(>>>>a>2>>·>\rho >>>2>·>r>>>·>>e>>->j>·>k>·>r>>>·>j>·>\omega >·>>u>spk>>)>>·>>e>>j>·>\omega >·>t>>>=>>(>>>>a>2>>·>\rho >>>2>·>r>>>·>>e>>->j>·>k>·>r>>>·>ver>>u>·>>spk>>)>>·>>e>>j>·>\omega >·>t>>>>s>$

从该式，我们看到，在一维管道中运行的波和在自由空间中运行的波之间有基本和重要的差别。即，在管道中，正向压力波P_f和反向压力波P_r与声速u成正比。然而，在自由空间中，声压P与声速u_spk的导数，即扬声器振动膜的加速度(即，u_spk＝j·ω·u_spk)成正比例。因此，对于在管道中的ANC，理想化扬声器应该是具有大约单位输出-速度-到-输入-电压传递函数(这实际上是速度伺服扬声器所提供的)的一个扬声器。对于自由空间的ANC系统，理想化扬声器应该是具有大约单位输出-压力-到-输入-电压传递函数的扬声器(这实际上是在自由空间中操作的隔板扬声器，然而，利用加速反馈作用的隔板扬声器应增强低频性能)。

以下是关于扬声器性能增强的讨论，所述扬声器性能增强利用具有在大约50的反馈增益下工作的闭环速度伺服的扬声器。

图3至4将分别在开环(无伺服)和闭环控制期间的输入电压、45Hertz、方波与输出锥体速度做比较。图3表示标准扬声器(开环)的锥体速度不能跟随输入方波。注意，在最大输入电压和最大锥体速度之间有较大时延。此外，锥体速度在相对的最大或最小后不能保持恒定水准，而是快速向零衰减。-相反的，在图4中，在闭环控制下，扬声器的锥体速度实际上跟踪着输入方波。在输入电压和输出锥体速度之间的时延出现了较大减小。此外，在正和负输入周期内，相对速度的略有减小。

图5和6分别示出当将宽带噪声施于输入端时，开环(无伺服)锥体速度幅度和相位的响应。宽带噪声是一个用于描述在期望频率范围内的幅值与频率关系为恒定的源的术语。在图5中，我们看到幅值响应在大约75Hertz处具有峰值。它与锥体悬架系统的共振频率相对应。注意，在图6中，相位响应的梯度大大低于该频率。图7和8分别示出当将宽带噪声施于输入端时，闭环(伺服)锥体速度和相位响应。在图7中，随着伺服作用，速度响应的幅值在所表示的大部分范围内保持平坦。此外，图8中的相位响应的梯度比图6所示的开环控制的梯度更不尖锐。

如前所述，平均系统群延迟的量度是从相对于频率的相位响应曲线的导数获得的。图9示出开环控制扬声器的群时延。图10示出闭环扬声器的群时延。如上所述，两个扬声器的群时延是与频率逆相关的。即，频率降低，群时延增大。当与开环控制相比时，已减小了闭环群时延，在大部分示出的频率范围内，平均减小到原来的8-10分之一。

从这个分析可知，对管道ANC应用伺服控制型扬声器的两个优点是：1)减小了群时延和2)提供理想化源。已将群时延减小子大约9倍，而且幅度达到一致。