TWI559781B - 壓電揚聲器驅動系統和其驅動方法 - Google Patents

Description

壓電揚聲器驅動系統和其驅動方法

本發明是有關於一種壓電揚聲器驅動系統，且特別是有關於一種可改善壓電揚聲器聲壓位準的壓電揚聲器驅動系統和其操作方法。

壓電陶瓷揚聲器(piezoelectric ceramic speaker)的工作原理與傳統動圈揚聲器(coil driven speaker)的工作原理截然不同，其係運用壓電材料導通不斷變化的電壓會變形的結果來振動空氣而發聲。相較於動圈揚聲器由電能轉換為磁能，磁能再轉換為機械能，壓電陶瓷揚聲器能夠由電能直接轉變為機械能而具有較高的能源轉換效率。故廣泛使用於智慧型手機與小型電子產品中。美中不足之處是在於其低頻聲壓位準(Sound Pressure Level,SPL)不良，驅動不易，是因其屬於電容性負載易產生震盪，故其驅動上有別於傳統揚聲器驅動方式。

而目前對於壓電陶瓷揚聲器之聲壓準位改善主要是以製造及貼合方式來改善，其容易受產品機構影響。因 此，如何改善壓電陶瓷揚聲器低頻聲壓位準即成為追求之目標。

本發明內容之一目的是在提供一種改善壓電揚聲器聲壓位準的壓電揚聲器驅動系統和其操作方法。

本發明內容之一技術態樣是在提供一種壓電揚聲器驅動系統，包含一頻帶分離器、多個增益裝置、一加法器、一壓電揚聲器、一音源訊號補償裝置和一增益調整器。其中，頻帶分離器接收一第一音源訊號，並將其分割成多個具不同頻帶的頻帶訊號，分別傳輸給多個增益裝置，以增益頻帶訊號。加法器接收增益後頻帶訊號成為一第二音源訊號。壓電揚聲器，根據第二音源訊號輸出一聲音訊號。音源訊號補償裝置分析聲音訊號的聲壓位準(SPL)以產生一控制訊號。增益調整器根據控制訊號調整此些增益裝置的增益值。

在一實施例中，壓電揚聲器驅動系統更包括一濾波器耦接該加法器，用以對第二音源訊號進行濾波。

在一實施例中，壓電揚聲器驅動系統更包括一功率放大器耦接該濾波器，用以放大該濾波後的第二音源訊號。

在一實施例中，音源訊號補償裝置更包括一聲音接收器以及一分析器。聲音接收器接收壓電揚聲器輸出的聲音訊號。分析器分析該聲音訊號的一聲壓位準(SPL)以產生該控制訊號，其中，分析器將該聲壓位準(SPL)和一標準聲 壓位準比較以產生該控制訊號。

在一實施例中，聲音接收器為一麥克風。

在一實施例中，複數個並聯類比濾波器組成該頻帶分離器和該些增益裝置，每一類比濾波器對應一頻帶。

在一實施例中，一數位濾波器組成該頻帶分離器和該些增益裝置。

本發明內容之一技術態樣是在提供一種壓電揚聲器驅動方法。首先，分割一第一音源訊號成複數個具不同頻帶的頻帶訊號。其次，根據一增益值，增益此些頻帶訊號。接著，合成此些增益後的頻帶訊號以成為一第二音源訊號。並根據此第二音源訊號，由一壓電揚聲器輸出一聲音訊號。接著，根據聲音訊號的一聲壓位準(SPL)產生一控制訊號。以根據該控制訊號調整該增益值。同時，根據該調整後增益值，重新增益該些頻帶訊號。接著，合成該些增益後的頻帶訊號以成為一修正後第二音源訊號。最後，根據修正後第二音源訊號，由壓電揚聲器輸出一聲音訊號。

綜上所述，本發明之技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。藉由上述技術方案，利用一聲音補償裝置，接收壓電揚聲器輸出的聲音訊號，並根據此聲音訊號的聲壓位準來產生一控制訊號，調整各增益裝置的增益值，重新修正音源訊號，讓壓電揚聲器據此修正後音源訊號輸出聲音訊號。由於，修正後的音源訊號具有補償後的聲壓位準，因此據此輸出的聲音訊號將具有平穩的聲壓位準。再者，本案是根據最終輸出的聲音訊號進行音源 訊號調整，因此不需變更原本壓電揚聲器的結構。

以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述，並對本發明之技術方案提供更進一步的解釋。

100‧‧‧壓電揚聲器驅動系統

110‧‧‧頻帶分離器

111‧‧‧輸入端

112₁,112₂,...,112_n‧‧‧輸出端

113‧‧‧第一音源訊號

114₁,114₂,...,114_n‧‧‧頻帶訊號

115₁,115₂,...,115_n‧‧‧頻帶訊號

116‧‧‧第二音源訊號

120₁,120₂,...,120_n‧‧‧增益裝置

130‧‧‧加法器

140‧‧‧壓電揚聲器

141‧‧‧聲音訊號

150‧‧‧音源訊號補償裝置

151‧‧‧控制訊號

152‧‧‧分析器

153‧‧‧聲音接收器

160‧‧‧增益調整器

161‧‧‧調整信號

170‧‧‧濾波器

180‧‧‧功率放大器

200‧‧‧高通濾波器

401-409‧‧‧步驟

C1、C2和C3‧‧‧電容

R1、R2和R3‧‧‧電阻

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖所示是依照本發明一較佳實施例之一種壓電揚聲器驅動系統示意圖。

第2圖所示為一壓電揚聲器輸出音源訊號各頻率和對應聲壓位準間的關係圖。

第3圖揭示一類比式的高通濾波器。

第4圖所示為根據本發明一實施例一種壓電揚聲器驅動方法。

為了使本發明內容之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。

其中圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中， 以避免對本發明造成不必要的限制。

第1圖所示是依照本發明一較佳實施例之一種壓電揚聲器驅動系統示意圖。一種壓電揚聲器驅動系統100包含一頻帶分離器110、多個增益裝置120₁,120₂,...,120_n、一加法器130、一壓電揚聲器140、一音源訊號補償裝置150以及一增益調整器160。頻帶分離器110，具有一輸入端111和多個輸出端112₁,112₂,...,112_n。頻帶分離器110的輸入端111接收一第一音源訊號113，並將此第一音源訊號113分割成多個頻帶訊號114₁,114₂,...,114_n後分別由此些輸出端112₁,112₂,...,112_n輸出。其中此些頻帶訊號114₁,114₂,...,114_n具有不同的頻帶。在一實施例中，頻帶分離器110是以100赫茲(Hz)為區段，將此第一音源訊號113分割成多個頻帶訊號114₁,114₂,...,114_n。然在其他實施例中，不以100赫茲為限。多個增益裝置120₁,120₂,...,120_n，分別耦接輸出端112₁,112₂,...,112_n，分別接收頻帶訊號114₁,114₂,...,114_n，並增益所接收的頻帶訊號114₁,114₂,...,114_n振幅。在一實施例中，每一增益裝置120₁,120₂,...,120_n具有可調整的增益值，可根據一調整信號161調整增益值，藉以修正對應頻帶訊號的振幅增益，來平穩輸出的聲壓位準(Sound Pressure Level,SPL)。加法器130，耦接增益裝置120₁,120₂,...,120_n，用以接收經由各增益裝置120₁,120₂,...,120_n增益後的頻帶訊號115₁,115₂,...,115_n進行合成後為一第二音源訊號116，輸出給一壓電揚聲器140。壓電揚聲器140可將此第二音源訊號116播放出 來，其中壓電揚聲器140可為一壓電陶瓷揚聲器。

對於一個理想揚聲器而言，在相同的輸入振幅下，一音源訊號各頻率的輸出聲壓位準應當相同，然而對於一壓電揚聲器而言，由於先天結構的關係，難以達成上述的要求。第2圖所示為一壓電揚聲器輸出音源訊號各頻率和對應聲壓位準間的關係圖。在不同的共振頻率下聲壓位準有很大幅度變化。其中，在低頻部分聲壓位準很低，中頻部份聲壓位準變動很大，使得聲音大小會隨頻率改變，造成音源訊號嚴重的失真。因此本發明更包括一聲音補償裝置150，接收壓電揚聲器140根據第二音源訊號116所播放出的聲音訊號141，並分析此聲音訊號141的聲壓位準來產生一控制訊號151控制增益調整器160。增益調整器160耦接聲音補償裝置150，根據此控制訊號151產生一調整訊號161調整對應增益裝置120₁,120₂,...,120_n的增益值。在一實施例中，以第2圖為例，在相同9V輸入下，假設聲音訊號141在頻率1K之聲壓位準為90dB，頻率2K之聲壓位準掉到80dB，頻率3.5K之聲壓位準又回到90dB，頻率7K之聲壓位準又掉回82dB，頻率20K之聲壓位準升到115dB，各頻率之聲壓位準大小不一。依此，若要以聲壓位準90dB為標準，此時可藉由調升第一音源訊號113對應頻率2K和頻率7K的增益裝置的增益值，以修正第一音源訊號113對應頻率2K和頻率7K的頻帶訊號的振幅增益，來提升頻率2K和頻率7K之輸出聲壓位準。相似的，可藉由調降第一音源訊號113對應頻率20K增益裝置的增益值， 修正對應頻率20K頻帶訊號的振幅增益，來調降頻率20K之輸出聲壓位準。低頻部分的調整方式可依此類推。依此，第一音源訊號113經過增益調整後的各頻帶訊號再透過加法器130合成後可產生一修正後的第二音源訊號116，壓電揚聲器140根據此修正後的第二音源訊號116即可播放出一具有平穩聲壓位準曲線，各頻率下輸出的聲音大小一致的聲音訊號141。依此，本發明在壓電揚聲器140之驅動系統中設置一聲音補償裝置150，此聲音補償裝置150是依據壓電揚聲器輸出的聲音訊號141，其聲壓位準特性來進行聲音訊號141的補償，因此不需要更動壓電揚聲器140的結構。

在一實施例中，音源訊號補償裝置更包括一聲音接收器153以及一分析器152。其中聲音接收器153，接收壓電揚聲器140根據第二音源訊號116播放的聲音訊號141。分析器，耦接此聲音接收器152，用以分析聲音訊號141的一聲壓位準以產生控制訊號151。其中，聲音接收器153為一麥克風，例如可距離此壓電揚聲器140位置10公分處，接收壓電揚聲器140播放的聲音訊號141，並將此聲音訊號141傳送給分析器152進行聲壓位準分析，以對應產生控制訊號151。在一實施例中，分析器152係根據一標準聲壓位準對應產生控制訊號151。進一步而言，分析器152將聲音訊號141的聲壓位準和此標準聲壓位準比較以產生控制訊號151。在另一實施例中，壓電揚聲器驅動系統100，更包括一濾波器170耦接加法器130，用以對第二音源訊號 116進行濾波，以濾除雜訊。以及一功率放大器180耦接此濾波器170，用以放大濾波後的第二音源訊號116，並輸出給壓電揚聲器140，來產生聲音訊號141。

在一實施例中，頻帶分離器110和增益裝置120₁,120₂,...,120_n是以類比電路的方式來實現。第3圖揭示一類比式的高通濾波器200。其中，透過改變電容C1、C2和C3的大小可從第一聲音訊號113中分割出不同的頻帶訊號114₁,114₂,...,114_n，以及透過改變電阻R1和R2可改變增益值。依此，本案每一類比式的高通濾波器對應一特定頻帶以及增益，藉由並聯此多個類比式的高通濾波器構成本案的頻帶分離器110和增益裝置120₁,120₂,...,120_n。值得注意的是，本案亦可使用類比式的低通濾波器或帶通濾波器或上述各種濾波器的組合來構成本案的頻帶分離器110和增益裝置120₁,120₂,...,120_n不以上述為限，且本案亦不受第3圖的電路所限制。在另一實施例中，亦可以數位濾波器構成本案的頻帶分離器110和增益裝置120₁,120₂,...,120_n。在此實施例中，增益調整器160為一暫存器，其中存有壓電揚聲器的一標準聲壓位準參數，藉由讀取該標準聲壓位準參數來對應調整增益裝置120₁,120₂,...,120_n增益值。

第4圖所示為根據本發明一實施例一種壓電揚聲器驅動方法。請同時參閱第1圖和第4圖。首先，於步驟401，分割一第一音源訊號成複數個具不同頻帶的頻帶訊號。在一實施例中，頻帶分離器110接收一第一音源訊號 113，並將此第一音源訊號113分割成多個頻帶訊號114₁,114₂,...,114_n。其中此些頻帶訊號114₁,114₂,...,114_n具有不同的頻帶。

接著於步驟402，根據一增益值，增益該些頻帶訊號。在一實施例中，多個增益裝置120₁,120₂,...,120_n，分別耦接輸出端112₁,112₂,...,112_n，分別接收頻帶訊號114₁,114₂,...,114_n，並增益所接收的頻帶訊號114₁,114₂,...,114_n振幅。

其後於步驟403，合成該些增益後的頻帶訊號以成為一第二音源訊號。並於步驟404，根據此第二音源訊號，一壓電揚聲器輸出一聲音訊號。在一實施例中，加法器130，接收經由各增益裝置120₁,120₂,...,120_n增益後的頻帶訊號115₁,115₂,...,115_n，合成後為一第二音源訊號116並輸出給壓電揚聲器140，以根據此第二音源訊號116輸出一聲音訊號141。

接著於步驟405，根據該聲音訊號的一聲壓位準(SPL)產生一控制訊號。並於步驟406，根據該控制訊號調整該增益值。在一實施例中，一聲音補償裝置150，接收壓電揚聲器140根據第二音源訊號116所播放出的聲音訊號141，並分析此聲音訊號141的聲壓位準來產生一控制訊號151控制增益調整器160。增益調整器160根據此控制訊號151產生一調整訊號161調整對應增益裝置120₁,120₂,...,120_n的增益值。

接著於步驟407，根據該調整後增益值，增益該些 頻帶訊號。並於步驟408，合成該些增益後的頻帶訊號以成為一修正後第二音源訊號。最後於步驟409，根據該修正後第二音源訊號，該壓電揚聲器輸出一聲音訊號。在一實施例中，調整後增益值再次增益第一音源訊號113的各頻帶訊號，經過增益調整後的各頻帶訊號會再次透過加法器130合成產生一修正後的第二音源訊號116，壓電揚聲器140根據此修正後的第二音源訊號116重新輸出一聲音訊號。由於此修正後的第二音源訊號116具有補償後的聲壓位準，因此重新輸出的聲音訊號將具有平穩的聲壓位準。

綜上所述，本發明利用一聲音補償裝置，接收壓電揚聲器輸出的聲音訊號，並根據此聲音訊號的聲壓位準來產生一控制訊號，調整各增益裝置的增益值，重新修正音源訊號，讓壓電揚聲器據此修正後音源訊號輸出聲音訊號。由於，修正後的音源訊號具有補償後的聲壓位準，因此據此輸出的聲音訊號將具有平穩的聲壓位準。再者，本案是根據最終輸出的聲音訊號進行音源訊號調整，因此不需變更原本壓電揚聲器的結構。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧壓電揚聲器驅動系統

110‧‧‧頻帶分離器

111‧‧‧輸入端

112₁,112₂,...,112_n‧‧‧輸出端

113‧‧‧第一音源訊號

114₁,114₂,...,114_n‧‧‧頻帶訊號

115₁,115₂,...,115_n‧‧‧頻帶訊號

116‧‧‧第二音源訊號

120₁,120₂,...,120_n‧‧‧增益裝置

130‧‧‧加法器

140‧‧‧壓電揚聲器

141‧‧‧聲音訊號

150‧‧‧音源訊號補償裝置

151‧‧‧控制訊號

152‧‧‧分析器

153‧‧‧聲音接收器

160‧‧‧增益調整器

161‧‧‧調整信號

170‧‧‧濾波器

180‧‧‧功率放大器

Claims (8)

1. 一種壓電揚聲器驅動系統，包含：一頻帶分離器，具有複數個輸出端，其中該頻帶分離器接收一第一音源訊號，並將其分割成複數個頻帶訊號由該些輸出端輸出，其中該些頻帶訊號具不同頻帶；複數個增益裝置，分別耦接該些個輸出端，用以增益該些頻帶訊號；一加法器，耦接該些個增益裝置，用以接收增益後該些頻帶訊號成為一第二音源訊號；一壓電揚聲器，耦接該加法器以根據該第二音源訊號輸出一聲音訊號；一音源訊號補償裝置，接收該聲音訊號，以及將該聲音訊號的一聲壓位準(SPL)和一標準聲壓位準比較以產生一控制訊號；以及一增益調整器，耦接該音源訊號補償裝置，根據該控制訊號調整該些增益裝置的增益值。
2. 如請求項1所述之壓電揚聲器驅動系統，更包括一濾波器耦接該加法器，用以對第二音源訊號進行濾波。
3. 如請求項2所述之壓電揚聲器驅動系統，更包括一功率放大器耦接該濾波器，用以放大該濾波後的第二音源訊號。
4. 如請求項1所述之壓電揚聲器驅動系統，其中該音源訊號補償裝置更包括：一聲音接收器，接收該壓電揚聲器輸出的該聲音訊號；以及一分析器，耦接該聲音接收器，分析該聲音訊號的一聲壓位準(SPL)，並將該聲壓位準(SPL)和一標準聲壓位準比較以產生該控制訊號。
5. 如請求項4所述之壓電揚聲器驅動系統，其中該聲音接收器為一麥克風。
6. 如請求項1所述之壓電揚聲器驅動系統，其中複數個並聯類比濾波器組成該頻帶分離器和該些增益裝置，每一類比濾波器對應一頻帶。
7. 如請求項1所述之壓電揚聲器驅動系統，其中一數位濾波器組成該頻帶分離器和該些增益裝置。
8. 一種壓電揚聲器驅動方法，包含：分割一第一音源訊號成複數個具不同頻帶的頻帶訊號；根據一增益值，增益該些頻帶訊號；合成該些增益後的頻帶訊號以成為一第二音源訊號； 根據該第二音源訊號，一壓電揚聲器輸出一聲音訊號；根據該聲音訊號的一聲壓位準(SPL)和一標準聲壓位準比較的結果產生一控制訊號；根據該控制訊號調整該增益值；根據該調整後增益值，增益該些頻帶訊號；合成該些增益後的頻帶訊號以成為一修正後第二音源訊號；以及根據該修正後第二音源訊號，該壓電揚聲器輸出一聲音訊號。