揚聲器阻抗模型

為了幫助您理解將要進(jìn)行的測量，圖1中顯示了一個簡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，一個直流電阻與由L、R和C構(gòu)成的有損并行諧振電路串聯(lián)，來模擬目標(biāo)頻率范圍內(nèi)揚聲器的動態(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(shù)據(jù)手冊中，該直流電阻通常稱為DCR。直流電阻測量值通常小于驅(qū)動器的標(biāo)稱阻抗Z NOM。R DC通常小于揚聲器額定阻抗，并且入門級揚聲器發(fā)燒友可能擔(dān)心驅(qū)動器放大器會過載。但是，由于揚聲器的電感(L)會隨著頻率的增加而增加，因此驅(qū)動放大器不太可能將直流電阻視為其負(fù)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(biāo)準(zhǔn)是在頻率為1000 Hz時測量音圈電感。隨著頻率增加到0Hz以上，阻抗會增加到RDC以上。這是因為音圈就如一個電感。

因此，揚聲器的總阻抗并非恒定阻抗。如此一來，我們可以將其表示為隨輸入頻率變化的動態(tài)曲線；我們將在進(jìn)行測量時看到這一點。揚聲器的最大阻抗Z MAX出現(xiàn)在揚聲器的諧振頻率處。

* F S是揚聲器的諧振頻率。揚聲器的阻抗在F S達(dá)到最大值。諧振頻率是指揚聲器活動零件的總質(zhì)量與運動時揚聲器懸架的受力達(dá)到平衡的時候。諧振頻率信息對于防止機(jī)箱鳴叫至關(guān)重要。一般而言，影響諧振頻率的關(guān)鍵要素是活動零件的質(zhì)量和揚聲器懸架的剛度。我們將通風(fēng)機(jī)箱（低音反射）調(diào)到FS，使兩者協(xié)同工作。通常，F(xiàn)S較低的揚聲器在低頻再現(xiàn)方面優(yōu)于FS較高的揚聲器。

* R表示驅(qū)動器懸架損耗的機(jī)械阻力。

材料：

* ADALM1000硬件模塊* 無焊實驗板* 兩個100Ω（或任何類似值）電阻* 來自ADALP2000套件的一個揚聲器（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。

說明：

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

圖3. VL和IL的揚聲器測量設(shè)置。

啟動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的均方根值。在“C AMeas”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）測量顯示。用到的兩個變量是通道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）。輸入“Z”作為標(biāo)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(jié)果。嘗試將通道A設(shè)置為幾個不同的頻率，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”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(shè)為1.0 V，將最大值設(shè)為4.0 V。將“AWG A Mode（AWG A模式）設(shè)為“SVMI”并將“Shape”（形狀）設(shè)為“Sine”（正弦）。將“AWG Channel BMode”（AWG通道B模式）設(shè)為“Hi-Z”。確保“Sync AWG”復(fù)選框已選中。

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

現(xiàn)在以幅度而非dB為單位（以簡化后面的數(shù)學(xué)計算）將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為逗號分隔格式的值文件（“File”（文件）菜單——“SaveData”（保存數(shù)據(jù)））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(shù)據(jù)作為VL值。注意相位處于正最大值、零點和負(fù)最小值時的頻率點。屏幕上的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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I L。阻抗Z為通道B電壓幅度除以電流幅度I L得到的商。現(xiàn)在即可繪制計算得到的阻抗Z與頻率的關(guān)系曲線。曲線圖如圖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——約等于線性區(qū)域中的直流電阻——但在諧振頻率FS處要高得多。

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R2組合的值計算阻抗。

圖7. 揚聲器阻抗測量設(shè)置。

打開ALICE阻抗分析儀軟件工具。

使Ext Res = 50，將“Channel A Freq”（通常A頻率）設(shè)為遠(yuǎn)低于揚聲器諧振頻率的值。在這個作為第一次測量的示例中，所用頻率為100Hz。將“Ohms / div”設(shè)為10。從圖8可以看出，相位角應(yīng)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的阻抗測量。

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

圖9. 諧振頻率下的阻抗測量。

該結(jié)果應(yīng)與頻率掃描的結(jié)果一致。相位角應(yīng)該很小，串聯(lián)電阻現(xiàn)在大約是15Ω。現(xiàn)在將頻率設(shè)為高于諧振頻率的點，其中，相位接近其負(fù)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的阻抗測量

從數(shù)據(jù)可以看出，相位角應(yīng)該是負(fù)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)。

注釋：

與所有ALM實驗室一樣，我們在引述ADALM1000連接器的連接和配置硬件時，會使用以下術(shù)語。綠色陰影矩形表示接入ADALM1000模擬I/O連接器的連接。模擬I/O通道引腳稱為CA和CB。當(dāng)硬件配置為驅(qū)動電壓/測量電流時，添加-V，例如CA-V；當(dāng)硬件配置為驅(qū)動電流/測量電壓時，添加-I，例如CA-I。當(dāng)通道配置為高阻態(tài)模式以僅測量電壓時，添加-H，例如CA-H。類似地，示波器跡線也是通過通道和電壓/電流表示的，例如，用CA-V、CB-V表示電壓波形，用CA-I、CB-I表示電流波形。