目标：

 

本实验活动的目的是测量永磁扬声器的阻抗曲线和谐振频率。

 

背景：

 

动态扬声器的主要电气特性是作为频率函数的电阻抗。通过绘图可以将其可视化，该图称为阻抗曲线。

 

最常见类型的扬声器是使用连接到振膜或纸盆的音圈的机电换能器。动圈式扬声器中的音圈悬挂在由永磁体提供的磁场中。当电流从音频放大器流过音圈时，由线圈中的电流产生的电磁 场对永磁体的固定场作出反应并移动音圈和扬声器纸盆。交替 电流将来回移动纸盆。这种运动使空气振动并产生声音。

 

扬声器的移动系统（包括纸盆、弹波、纸盆支片和音圈）具有一定的质量和特定的顺序。通常将这种情况模拟成由弹簧悬挂起来的简单质量块，其具有一定的谐振频率，系统在该共振频率下 具有最大的振动自由度。

 

该频率被称为扬声器的自由空间谐振，表示FS。在该频率下，由于音圈以最大峰峰值幅度和速度振动，因此磁场中线圈运动产生的反电动势也处于其最大值。这会导致扬声器的有效电阻 抗在FS下达到最大值，称为ZMAX。对于刚好低于谐振频率的频率，当频率接近FS时，阻抗会迅速上升并且具有电感性质。在谐振频率下，阻抗具有纯阻性的特点；在谐振频率以外，随着阻抗 下降，就会呈现容性的特点。阻抗在某个频率处达到最小值ZMIN，在该频率下，其行为在某些频率范围内主要（但不是完全）具有阻性的特点。扬声器的额定或标称阻抗ZNOM来自该ZMIN值。

 

在为多个驱动器扬声器和用于安装扬声器的物理机箱设计交叉滤 波器网络时，了解谐振频率以及最小阻抗和最大阻抗至关重要。

 

扬声器阻抗模型

 

为了帮助您理解将要进行的测量，图1中显示了一个简化的扬声 器电气模型。

 

图 1. 扬声器阻抗模型

 

在图1所示电路中，一个直流电阻与由L、R和C构成的有损并行 谐振电路串联，来模拟目标频率范围内扬声器的动态阻抗。

 

● RDC是用直流欧姆表测量的扬声器直流电阻。在扬声器/重低音喇叭数据手册中，该直流电阻通常称为DCR。直流电阻测量值通常小于驱动器的标称阻抗ZNOM. RDC通常小于扬声器额定阻抗，并且入门级扬声器发烧友可能担心驱动器放大器会过载。但是，由于扬声器的电感(L)会随着频率的增加而增加，因此驱动放大器不太可能将直流电阻视为其负载。

 

● L是通常以毫亨(mH)为单位测量的音圈电感。通常，业界标 准是在频率为1000 Hz时测量音圈电感。随着频率增加到0Hz 以上，阻抗会增加到RDC以上。这是因为音圈就如一个电感。 因此，扬声器的总阻抗并非恒定阻抗。如此一来，我们可以将其表示为随输入频率变化的动态曲线；我们将在进行测量 时看到这一点。扬声器的最大阻抗ZMAX出现在扬声器的谐振频率处。

 

● FS是扬声器的谐振频率。扬声器的阻抗在FS达到最大值。谐 振频率是指扬声器活动零件的总质量与运动时扬声器悬架的 受力达到平衡的时候。谐振频率信息对于防止机箱鸣叫至关 重要。一般而言，影响谐振频率的关键要素是活动零件的质 量和扬声器悬架的刚度。我们将通风机箱（低音反射）调到FS，使两者协同工作。通常，FS较低的扬声器在低频再现方面优于FS较高的扬声器。

 

● R表示驱动器悬架损耗的机械阻力。

 

材料：

 

● ADALM1000硬件模块

● 无焊实验板

● 两个100Ω（或任何类似值）电阻

● 来自ADALP2000套件的一个扬声器（如果扬声器的纸盆直径大 于4英寸，则其谐振频率相对较低）

 

图 2. ADALP2000 零件套件中的小扬声器。

 

说明：

 

首先构建图3所示电路，最好使用无焊实验板。扬声器可以放置 在机箱中或机箱外。这种配置允许我们使用通道B电压迹线测量 扬声器两端的电压VL，并用负载电流IL作为通道A电流迹线。

 

图 3. V L 和 IL 的扬声器测量设置。

 

启动ALICE Desktop软件。在主 Scope（示波器）屏幕中，ALICE 软件计算并能显示电压和电流波形迹线的均方根值。在CA Meas下拉菜单下的电压部分中，选择RMS，然后在电流 部分选择RMS。在CB Meas 下拉菜单下的电压部分中，选择RMS。

 

我们可以将扬声器两端的均方根电压（通道B均方根电压）除以通过扬声器的均方根电流（通道A均方根电流），从而计算出单一频率下的扬声器阻抗Z。要显示此计算，我们可以使用Channel B User（通道B用户）测量显示。用到的两个变量是 通道B均方根电压SV2和通道A均方根电流SI1。单击CB Meas下拉菜单下的User（用户）。 输入Z 作为标签。输入(SV2/SI1) ×1000作为公式。因为电流是用mA表示的，所以，我 们需要将比率乘以1000，得到以欧姆为单位的结果。

 

尝试将通道A设置为几个不同的频率，并查看扬声器上的电压以 及计算得到的Z如何变化。

 

图 4.试验板连接。

 

使用ALICE Bode Plotter的步骤：

 

选择“Bode绘图”工具。在“曲线”菜单中选择“CA-dBV”, “CB-dBV”和“相位B-A”.

 

在Options（选项）下拉菜单下，单击Cut-DC”选中（若尚未选择）。将“FFT零填充因子”更改为3。

 

将"Channel A Min"（通道A最小值)设为1.0 V，将最大值设 为4.0 V。将“AWG A Mode”（AWG A模式）设为 "SVMI"并将"Shape"（形状）设为“Sine”（正弦）。将"AWG Channel B Mode"（AWG通道B模式）。设为“Hi-Z”。确保“Sync AWG”复选框已选中。

 

使用“Start Frequency”（开始频率）条目将频率扫描设为在50 Hz开始，并使用“Stop Frequency” （停止频率）条目将扫描设 为在1000 Hz停止。选择“CHA””作为要扫描的源通道。同时使用“Sweep Steps” （扫描步骤）条目将频率步进设为150。选择“Single Sweep”（单扫描）。

 

现在以幅度而非dB为单位（以简化后面的数学计算）将数据导 出为逗号分隔格式的值文件（“File”（文件）菜单——“Save Data”（保存数据））并将其加载到电子表格程序（如Excel） 中。您将使用此文件中的50 Hz至1000 Hz通道B数据作为VL值。

 

注意相位处于正最大值、零点和负最小值时的频率点。屏幕上的数据以dB为单位绘制，因此垂直刻度单位不是伏特。您的扬声器可能与此示例有所不同。

 

图 5. 频率扫描示例。

 

将数据保存为幅度，就能将信号发生器幅度（以伏特rms为单位） 保存到文件中。您可以将扬声器两端的电压VL除以电流IL,由此计 算扬声器阻抗Z的大小。IL是电阻两端的电压除以电阻得到的商。

 

 

从通道A电压幅度值中减去通道B电压幅度值并除以50Ω电阻，即 可计算电流幅度IL。阻抗Z为通道B电压幅度除以电流幅度IL得到的商。

 

现在即可绘制计算得到的阻抗Z与频率的关系曲线。曲线图如图 6所示。您的扬声器可能与此例有所不同。

 

图 6. 计算所得阻抗示例图。

 

扬声器阻抗小——约等于线性区域中的直流电阻——但在谐振 频率FS处要高得多。

 

问题：

 

根据您的测量数据，为您使用的扬声器提取图1所示扬声器电气 模型的L、C和R。您可以使用直流欧姆表工具测量RDC。忽略LINPUT，因为它相比L较小。将这些值输入到模型的电路仿真示意图中，生成50Hz至1000Hz的频率响应扫描，并将您的模型与您在实验室中测量的数据进行比较。

 

您可以在学子专区博客上找到答案。

 

使用ALICE阻抗分析仪测量扬声器阻抗的步骤：

 

通道B再次测量扬声器两端的电压VL 。阻抗分析仪软件使用通道 A电压与通道B电压的差值以及通道之间的相对相位，基于R1 和R组合的值计算阻抗。

 

图 7.扬声器阻抗测量设置

 

打开ALICE阻抗分析仪软件工具。

 

使Ext Res = 50, 将“Channel A Freq”（通常A频率）设为远低于 扬声器谐振频率的值。在这个作为第一次测量的示例中，所用 频率为100Hz。将“Ohms/div””设为10。从图8可以看出，相位角应该是正值。扬声器的串联电阻约为7Ω，电抗具有感性性质。

 

图 8. 频率低于谐振频率时的阻抗测量。

 

现在将频率设为从频率扫描得到的谐振值。您可能需要精确调 整该值，找到电抗为零的确切点，如图9所示。

 

图 9. 谐振频率下的阻抗测量。

 

该结果应与频率扫描的结果一致。相位角应该很小，串联电阻 现在大约是15Ω。

 

现在将频率设为高于谐振频率的点，其中，相位接近其负峰值， 如图10所示。这里使用的是500 Hz。

 

图 10. 频率高于谐振频率时的阻抗测量。

 

从数据可以看出，相位角应该是负值。扬声器的串联电阻仍然 约为7Ω，但电抗具有容性性质。

 

注释：

 

与所有ALM实验室一样，我们在引述ADALM1000连接器的连接和配置硬件时，会使用以下术语。绿色阴影矩形表示接入ADALM1000模拟I/O连接器的连接。模拟I/O通道引脚称为CA和CB。当硬件配置为驱动电压/测量电流时，添加-V，例如CA-V；当硬件配置为驱动电流/测量电压时，添加-I，例如CA-I。当通道配置为高阻态模式以仅测量电压时，添加-H，例如CA-H。

 

类似地，示波器迹线也是通过通道和电压/电流表示的，例如， 用CA-V、CB-V表示电压波形，用CA-I、CB-I表示电流波形。

 

 

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