作者：Doug Mercer和Antoniu Miclaus

本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的目的是測量永磁揚(yáng)聲器的阻抗曲線和諧振頻率。

動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器的主要電氣特性是作為頻率函數(shù)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(yáng)聲器是使用連接到振膜或紙盆的音圈的機(jī)電換能器。動(dòng)圈式揚(yáng)聲器中的音圈懸掛在由永磁體提供的磁場中。當(dāng)電流從音頻放大器流過音圈時(shí)，由線圈中的電流產(chǎn)生的電磁場對永磁體的固定場作出反應(yīng)并移動(dòng)音圈和揚(yáng)聲器紙盆。交替電流將來回移動(dòng)紙盆。這種運(yùn)動(dòng)使空氣振動(dòng)并產(chǎn)生聲音。揚(yáng)聲器的移動(dòng)系統(tǒng)（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的簡單質(zhì)量塊，其具有一定的諧振頻率，系統(tǒng)在該共振頻率下有最大的振動(dòng)自由度。

該頻率被稱為揚(yáng)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(dòng)，因此磁場中線圈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢也處于其最大值。這會(huì)導(dǎo)致?lián)P聲器的有效電阻抗在F S下達(dá)到最大值，稱為ZMAX。對于剛好低于諧振頻率的頻率，當(dāng)頻率接近F S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，隨著阻抗下降，就會(huì)呈現(xiàn)容性的特點(diǎn)。阻抗在某個(gè)頻率處達(dá)到最小值ZMIN，在該頻率下，其行為在某些頻率范圍內(nèi)主要（但不是完全）具有阻性的特點(diǎn)。揚(yáng)聲器的額定或標(biāo)稱阻抗ZNOM來自該ZMIN值。在為多個(gè)驅(qū)動(dòng)器揚(yáng)聲器和用于安裝揚(yáng)聲器的物理機(jī)箱設(shè)計(jì)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(yáng)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)簡化的揚(yáng)聲器電氣模型。

在圖1所示電路中，一個(gè)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(yáng)聲器的動(dòng)態(tài)阻抗。

* RDC是用直流歐姆表測量的揚(yáng)聲器直流電阻。在揚(yáng)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(dòng)器的標(biāo)稱阻抗Z NOM。R DC通常小于揚(yáng)聲器額定阻抗，并且入門級揚(yáng)聲器發(fā)燒友可能擔(dān)心驅(qū)動(dòng)器放大器會(huì)過載。但是，由于揚(yáng)聲器的電感(L)會(huì)隨著頻率的增加而增加，因此驅(qū)動(dòng)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(shí)測量音圈電感。隨著頻率增加到0Hz以上，阻抗會(huì)增加到RDC以上。這是因?yàn)橐羧腿缫粋€(gè)電感。

因此，揚(yáng)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(dòng)態(tài)曲線；我們將在進(jìn)行測量時(shí)看到這一點(diǎn)。揚(yáng)聲器的最大阻抗Z MAX出現(xiàn)在揚(yáng)聲器的諧振頻率處。

* F S是揚(yáng)聲器的諧振頻率。揚(yáng)聲器的阻抗在F S達(dá)到最大值。諧振頻率是指揚(yáng)聲器活動(dòng)零件的總質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)時(shí)揚(yáng)聲器懸架的受力達(dá)到平衡的時(shí)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(dòng)零件的質(zhì)量和揚(yáng)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(yáng)聲器在低頻再現(xiàn)方面優(yōu)于FS較高的揚(yáng)聲器。

* R表示驅(qū)動(dòng)器懸架損耗的機(jī)械阻力。

材料：

* ADALM1000硬件模塊
* 無焊實(shí)驗(yàn)板
* 兩個(gè)100Ω（或任何類似值）電阻
* 來自ADALP2000套件的一個(gè)揚(yáng)聲器（如果揚(yáng)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(gòu)建圖3所示電路，最好使用無焊實(shí)驗(yàn)板。揚(yáng)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(yáng)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。

啟動(dòng)ALICE Desktop軟件。在主“Scope”（示波器）屏幕中，ALICE軟件計(jì)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(yáng)聲器兩端的均方根電壓（通道B均方根電壓）除以通過揚(yáng)聲器的均方根電流（通道A均方根電流），從而計(jì)算出單一頻率下的揚(yáng)聲器阻抗Z。要顯示此計(jì)算，我們可以使用“Channel B User”（通道B用戶）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）。輸入“Z”作為標(biāo)簽。輸入（SV2/SI1）×1000作為公式。因?yàn)殡娏魇怯胢A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(gè)不同的頻率，并查看揚(yáng)聲器上的電壓以及計(jì)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(xiàng)）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(shí)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(jì)算）將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為逗號(hào)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(diǎn)和負(fù)最小值時(shí)的頻率點(diǎn)。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(yáng)聲器可能與此示例有所不同。

將數(shù)據(jù)保存為幅度，就能將信號(hào)發(fā)生器幅度（以伏特rms為單位）保存到文件中。您可以將揚(yáng)聲器兩端的電壓VL除以電流IL，由此計(jì)算揚(yáng)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(jì)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?，F(xiàn)在即可繪制計(jì)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(yáng)聲器可能與此例有所不同。

揚(yáng)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(yáng)聲器阻抗的步驟：

通道B再次測量揚(yáng)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(jì)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(shè)為遠(yuǎn)低于揚(yáng)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(shè)為10。從圖8可以看出，相位角應(yīng)該是正值。揚(yáng)聲器的串聯(lián)電阻約為7Ω，電抗具有感性性質(zhì)。

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(diǎn)，如圖9所示。

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

從數(shù)據(jù)可以看出，相位角應(yīng)該是負(fù)值。揚(yáng)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(shí)驗(yàn)室一樣，我們在引述ADALM1000連接器的連接和配置硬件時(shí)，會(huì)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(dòng)電壓/測量電流時(shí)，添加-V，例如CA-V；當(dāng)硬件配置為驅(qū)動(dòng)電流/測量電壓時(shí)，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(shí)，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(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)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(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)室電路?和QA流程管理開發(fā)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(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。