ADALM1000 SMU培训 主题16:测量扬声器阻抗曲线

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”“相位B-A”.

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。

"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。

April 2019 StudentZone - Equation 1

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。

作者

Doug Mercer

Doug Mercer

Doug Mercer 在1977至2009年间一直在ADI公司从事全职工作,最后14年担任ADI公司研究员。ADI公司高速转换器产品系列的30多款标准产品都有他的贡献,AD783就是其中一款。自2009年起,他转而担任ADI公司的兼职顾问研究员,最近主要是作为ADI公司与伦斯勒理工学院的联络人,从事本科生电气工程教育推广和发展方面的工作。

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus

Antoniu Miclaus [antoniu.miclaus@analog.com]是ADI公司的系统应用工程师,从事ADI学术项目、Circuits from the Lab®嵌入式软件和QA过程管理工作。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡开始在ADI公司工作。

他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生,拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。