作者：Doug Mercer和Antoniu Miclaus

本實驗活動的目的是測量永磁揚聲器的阻抗曲線和諧振頻率。

動態揚聲器的主要電氣特性是作為頻率函數的電阻抗。通過繪圖可以將其可視化，該圖稱為阻抗曲線。最常見類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。動圈式揚聲器中的音圈懸掛在由永磁體提供的磁場中。當電流從音頻放大器流過音圈時，由線圈中的電流產生的電磁場對永磁體的固定場作出反應并移動音圈和揚聲器紙盆。交替電流將來回移動紙盆。這種運動使空氣振動并產生聲音。揚聲器的移動系統（包括紙盆、彈波、紙盆支片和音圈）具有一定的質量和特定的順序。通常將這種情況模擬成由彈簧懸掛起來的簡單質量塊，其具有一定的諧振頻率，系統在該共振頻率下有最大的振動自由度。

該頻率被稱為揚聲器的自由空間諧振，表示為F S。在該頻率下，由于音圈以最大峰峰值幅度和速度振動，因此磁場中線圈運動產生的反電動勢也處于其最大值。這會導致揚聲器的有效電阻抗在F S下達到最大值，稱為ZMAX。對于剛好低于諧振頻率的頻率，當頻率接近F S時，阻抗會迅速上升并且具有電感性質。在諧振頻率下，阻抗具有純阻性的特點；在諧振頻率以外，隨著阻抗下降，就會呈現容性的特點。阻抗在某個頻率處達到最小值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。揚聲器的額定或標稱阻抗ZNOM來自該ZMIN值。在為多個驅動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絡時，了解諧振頻率以及最小阻抗和最大阻抗至關重要。

揚聲器阻抗模型

為了幫助您理解將要進行的測量，圖1中顯示了一個簡化的揚聲器電氣模型。

在圖1所示電路中，一個直流電阻與由L、R和C構成的有損并行諧振電路串聯，來模擬目標頻率范圍內揚聲器的動態阻抗。

* 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，該直流電阻通常稱為DCR。直流電阻測量值通常小于驅動器的標稱阻抗Z NOM。R DC通常小于揚聲器額定阻抗，并且入門級揚聲器發燒友可能擔心驅動器放大器會過載。但是，由于揚聲器的電感(L)會隨著頻率的增加而增加，因此驅動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，業界標準是在頻率為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曲線；我們將在進行測量時看到這一點。揚聲器的最大阻抗Z MAX出現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達到最大值。諧振頻率是指揚聲器活動零件的總質量與運動時揚聲器懸架的受力達到平衡的時候。諧振頻率信息對于防止機箱鳴叫至關重要。一般而言，影響諧振頻率的關鍵要素是活動零件的質量和揚聲器懸架的剛度。我們將通風機箱（低音反射）調到FS，使兩者協同工作。通常，FS較低的揚聲器在低頻再現方面優于FS較高的揚聲器。

* R表示驅動器懸架損耗的機械阻力。

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）

說明：

首先構建圖3所示電路，最好使用無焊實驗板。揚聲器可以放置在機箱中或機箱外。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，并用負載電流IL作為通道A電流跡線。

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。

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 BMode”（AWG通道B模式）設為“Hi-Z”。確保“Sync AWG”復選框已選中。

使用“Start Frequency”（開始頻率）條目將頻率掃描設為在50Hz開始，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。同時使用“Sweep Steps”（掃描步驟）條目將頻率步進設為150。選擇“Single Sweep”（單掃描）。

現在以幅度而非dB為單位（以簡化后面的數學計算）將數據導出為逗號分隔格式的值文件（“File”（文件）菜單——“SaveData”（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、零點和負最小值時的頻率點。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。

將數據保存為幅度，就能將信號發生器幅度（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。現在即可繪制計算得到的阻抗Z與頻率的關系曲線。曲線圖如圖6所示。您的揚聲器可能與此例有所不同。

揚聲器阻抗小——約等于線性區域中的直流電阻——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。

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）設為遠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”設為10。從圖8可以看出，相位角應該是正值。揚聲器的串聯電阻約為7Ω，電抗具有感性性質。

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，如圖9所示。

該結果應與頻率掃描的結果一致。相位角應該很小，串聯電阻現在大約是15Ω。現在將頻率設為高于諧振頻率的點，其中，相位接近其負峰值，如圖10所示。這里使用的是500 Hz。

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

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。當硬件配置為驅動電壓/測量電流時，添加-V，例如CA-V；當硬件配置為驅動電流/測量電壓時，添加-I，例如CA-I。當通道配置為高阻態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。

作者介紹

Doug Mercer [doug.mercer@analog.com]于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。

Antoniu Miclaus [antoniu.miclaus@analog.com]現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為實驗室電路?和QA流程管理開發嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞Cluj-Napoca加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學軟件工程碩士項目的理學碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。