目標：

 

本實(shí)驗活動(dòng)的目的是測量永磁揚聲器的阻抗曲線(xiàn)和諧振頻率。

 

背景：

 

動(dòng)態(tài)揚聲器的主要電氣特性是作為頻率函數的電阻抗。通過(guò)繪圖可以將其可視化，該圖稱(chēng)為阻抗曲線(xiàn)。

 

最常見(jiàn)類(lèi)型的揚聲器是使用連接到振膜或紙盆的音圈的機電換能器。動(dòng)圈式揚聲器中的音圈懸掛在由永磁體提供的磁場(chǎng)中。當電流從音頻放大器流過(guò)音圈時(shí)，由線(xiàn)圈中的電流產(chǎn)生的電磁 場(chǎng)對永磁體的固定場(chǎng)作出反應并移動(dòng)音圈和揚聲器紙盆。交替 電流將來(lái)回移動(dòng)紙盆。這種運動(dòng)使空氣振動(dòng)并產(chǎn)生聲音。

 

揚聲器的移動(dòng)系統（包括紙盆、彈波、紙盆支片和音圈）具有一定的質(zhì)量和特定的順序。通常將這種情況模擬成由彈簧懸掛起來(lái)的簡(jiǎn)單質(zhì)量塊，其具有一定的諧振頻率，系統在該共振頻率下 具有最大的振動(dòng)自由度。

 

該頻率被稱(chēng)為揚聲器的自由空間諧振，表示FS。在該頻率下，由于音圈以最大峰峰值幅度和速度振動(dòng)，因此磁場(chǎng)中線(xiàn)圈運動(dòng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢也處于其最大值。這會(huì )導致?lián)P聲器的有效電阻 抗在FS下達到最大值，稱(chēng)為ZMAX。對于剛好低于諧振頻率的頻率，當頻率接近FS時(shí)，阻抗會(huì )迅速上升并且具有電感性質(zhì)。在諧振頻率下，阻抗具有純阻性的特點(diǎn)；在諧振頻率以外，隨著(zhù)阻抗 下降，就會(huì )呈現容性的特點(diǎn)。阻抗在某個(gè)頻率處達到最小值ZMIN，在該頻率下，其行為在某些頻率范圍內主要（但不是完全）具有阻性的特點(diǎn)。揚聲器的額定或標稱(chēng)阻抗ZNOM來(lái)自該ZMIN值。

 

在為多個(gè)驅動(dòng)器揚聲器和用于安裝揚聲器的物理機箱設計交叉濾 波器網(wǎng)絡(luò )時(shí)，了解諧振頻率以及最小阻抗和最大阻抗至關(guān)重要。

 

揚聲器阻抗模型

 

為了幫助您理解將要進(jìn)行的測量，圖1中顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的揚聲 器電氣模型。

 

圖 1. 揚聲器阻抗模型

 

在圖1所示電路中，一個(gè)直流電阻與由L、R和C構成的有損并行 諧振電路串聯(lián)，來(lái)模擬目標頻率范圍內揚聲器的動(dòng)態(tài)阻抗。

 

● RDC是用直流歐姆表測量的揚聲器直流電阻。在揚聲器/重低音喇叭數據手冊中，該直流電阻通常稱(chēng)為DCR。直流電阻測量值通常小于驅動(dòng)器的標稱(chēng)阻抗ZNOM. RDC通常小于揚聲器額定阻抗，并且入門(mén)級揚聲器發(fā)燒友可能擔心驅動(dòng)器放大器會(huì )過(guò)載。但是，由于揚聲器的電感(L)會(huì )隨著(zhù)頻率的增加而增加，因此驅動(dòng)放大器不太可能將直流電阻視為其負載。

 

● L是通常以毫亨(mH)為單位測量的音圈電感。通常，業(yè)界標 準是在頻率為1000 Hz時(shí)測量音圈電感。隨著(zhù)頻率增加到0Hz 以上，阻抗會(huì )增加到RDC以上。這是因為音圈就如一個(gè)電感。 因此，揚聲器的總阻抗并非恒定阻抗。如此一來(lái)，我們可以將其表示為隨輸入頻率變化的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)；我們將在進(jìn)行測量 時(shí)看到這一點(diǎn)。揚聲器的最大阻抗ZMAX出現在揚聲器的諧振頻率處。

 

● FS是揚聲器的諧振頻率。揚聲器的阻抗在FS達到最大值。諧 振頻率是指揚聲器活動(dòng)零件的總質(zhì)量與運動(dòng)時(shí)揚聲器懸架的 受力達到平衡的時(shí)候。諧振頻率信息對于防止機箱鳴叫至關(guān) 重要。一般而言，影響諧振頻率的關(guān)鍵要素是活動(dòng)零件的質(zhì) 量和揚聲器懸架的剛度。我們將通風(fēng)機箱（低音反射）調到FS，使兩者協(xié)同工作。通常，FS較低的揚聲器在低頻再現方面優(yōu)于FS較高的揚聲器。

 

● R表示驅動(dòng)器懸架損耗的機械阻力。

 

材料：

 

● ADALM1000硬件模塊

● 無(wú)焊實(shí)驗板

● 兩個(gè)100Ω（或任何類(lèi)似值）電阻

● 來(lái)自ADALP2000套件的一個(gè)揚聲器（如果揚聲器的紙盆直徑大 于4英寸，則其諧振頻率相對較低）

 

圖 2. ADALP2000 零件套件中的小揚聲器。

 

說(shuō)明：

 

首先構建圖3所示電路，最好使用無(wú)焊實(shí)驗板。揚聲器可以放置 在機箱中或機箱外。這種配置允許我們使用通道B電壓跡線(xiàn)測量 揚聲器兩端的電壓VL，并用負載電流IL作為通道A電流跡線(xiàn)。

 

圖 3. V L 和 IL 的揚聲器測量設置。

 

啟動(dòng)ALICE Desktop軟件。在主 Scope（示波器）屏幕中，ALICE 軟件計算并能顯示電壓和電流波形跡線(xiàn)的均方根值。在CA Meas下拉菜單下的電壓部分中，選擇RMS，然后在電流 部分選擇RMS。在CB Meas 下拉菜單下的電壓部分中，選擇RMS。

 

我們可以將揚聲器兩端的均方根電壓（通道B均方根電壓）除以通過(guò)揚聲器的均方根電流（通道A均方根電流），從而計算出單一頻率下的揚聲器阻抗Z。要顯示此計算，我們可以使用Channel B User（通道B用戶(hù)）測量顯示。用到的兩個(gè)變量是 通道B均方根電壓SV2和通道A均方根電流SI1。單擊CB Meas下拉菜單下的User（用戶(hù)）。 輸入Z 作為標簽。輸入(SV2/SI1) ×1000作為公式。因為電流是用mA表示的，所以，我 們需要將比率乘以1000，得到以歐姆為單位的結果。

 

嘗試將通道A設置為幾個(gè)不同的頻率，并查看揚聲器上的電壓以 及計算得到的Z如何變化。

 

圖 4.試驗板連接。

 

使用ALICE Bode Plotter的步驟：

 

選擇“Bode繪圖”工具。在“曲線(xiàn)”菜單中選擇“CA-dBV”, “CB-dBV”和“相位B-A”.

 

在Options（選項）下拉菜單下，單擊Cut-DC”選中（若尚未選擇）。將“FFT零填充因子”更改為3。

 

將"Channel A Min"（通道A最小值)設為1.0 V，將最大值設 為4.0 V。將“AWG A Mode”（AWG A模式）設為 "SVMI"并將"Shape"（形狀）設為“Sine”（正弦）。將"AWG Channel B Mode"（AWG通道B模式）。設為“Hi-Z”。確保“Sync AWG”復選框已選中。

 

使用“Start Frequency”（開(kāi)始頻率）條目將頻率掃描設為在50 Hz開(kāi)始，并使用“Stop Frequency” （停止頻率）條目將掃描設 為在1000 Hz停止。選擇“CHA””作為要掃描的源通道。同時(shí)使用“Sweep Steps” （掃描步驟）條目將頻率步進(jìn)設為150。選擇“Single Sweep”（單掃描）。

 

現在以幅度而非dB為單位（以簡(jiǎn)化后面的數學(xué)計算）將數據導 出為逗號分隔格式的值文件（“File”（文件）菜單——“Save Data”（保存數據））并將其加載到電子表格程序（如Excel） 中。您將使用此文件中的50 Hz至1000 Hz通道B數據作為VL值。

 

注意相位處于正最大值、零點(diǎn)和負最小值時(shí)的頻率點(diǎn)。屏幕上的數據以dB為單位繪制，因此垂直刻度單位不是伏特。您的揚聲器可能與此示例有所不同。

 

圖 5. 頻率掃描示例。

 

將數據保存為幅度，就能將信號發(fā)生器幅度（以伏特rms為單位） 保存到文件中。您可以將揚聲器兩端的電壓VL除以電流IL,由此計 算揚聲器阻抗Z的大小。IL是電阻兩端的電壓除以電阻得到的商。

 

 

從通道A電壓幅度值中減去通道B電壓幅度值并除以50Ω電阻，即 可計算電流幅度IL。阻抗Z為通道B電壓幅度除以電流幅度IL得到的商。

 

現在即可繪制計算得到的阻抗Z與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)。曲線(xiàn)圖如圖 6所示。您的揚聲器可能與此例有所不同。

 

圖 6. 計算所得阻抗示例圖。

 

揚聲器阻抗小——約等于線(xiàn)性區域中的直流電阻——但在諧振 頻率FS處要高得多。

 

問(wèn)題：

 

根據您的測量數據，為您使用的揚聲器提取圖1所示揚聲器電氣 模型的L、C和R。您可以使用直流歐姆表工具測量RDC。忽略L(fǎng)INPUT，因為它相比L較小。將這些值輸入到模型的電路仿真示意圖中，生成50Hz至1000Hz的頻率響應掃描，并將您的模型與您在實(shí)驗室中測量的數據進(jìn)行比較。

 

您可以在學(xué)子專(zhuān)區博客上找到答案。

 

使用ALICE阻抗分析儀測量揚聲器阻抗的步驟：

 

通道B再次測量揚聲器兩端的電壓VL 。阻抗分析儀軟件使用通道 A電壓與通道B電壓的差值以及通道之間的相對相位，基于R1 和R組合的值計算阻抗。

 

圖 7.揚聲器阻抗測量設置

 

打開(kāi)ALICE阻抗分析儀軟件工具。

 

使Ext Res = 50, 將“Channel A Freq”（通常A頻率）設為遠低于 揚聲器諧振頻率的值。在這個(gè)作為第一次測量的示例中，所用 頻率為100Hz。將“Ohms/div””設為10。從圖8可以看出，相位角應該是正值。揚聲器的串聯(lián)電阻約為7Ω，電抗具有感性性質(zhì)。

 

圖 8. 頻率低于諧振頻率時(shí)的阻抗測量。

 

現在將頻率設為從頻率掃描得到的諧振值。您可能需要精確調 整該值，找到電抗為零的確切點(diǎn)，如圖9所示。

 

圖 9. 諧振頻率下的阻抗測量。

 

該結果應與頻率掃描的結果一致。相位角應該很小，串聯(lián)電阻 現在大約是15Ω。

 

現在將頻率設為高于諧振頻率的點(diǎn)，其中，相位接近其負峰值， 如圖10所示。這里使用的是500 Hz。

 

圖 10. 頻率高于諧振頻率時(shí)的阻抗測量。

 

從數據可以看出，相位角應該是負值。揚聲器的串聯(lián)電阻仍然 約為7Ω，但電抗具有容性性質(zhì)。

 

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