【導(dǎo)讀】動態(tài)揚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。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。
目標(biāo)：
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。
背景：
動態(tài)揚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。
最常見類型的揚聲器是使用連接到振膜或紙盆的音圈的機(jī)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(dāng)電流從音頻放大器流過音圈時，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(chǎn)生聲音。
揚聲器的移動系統(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 具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FS。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(chǎn)生的反電動勢也處于其最大值。這會導(dǎo)致?lián)P聲器的有效電阻 抗在FS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FS時，阻抗會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；在諧振頻率以外，隨著阻抗 下降，就會呈現(xiàn)容性的特點。阻抗在某個頻率處達(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。揚聲器的額定或標(biāo)稱阻抗ZNOM來自該ZMIN值。
在為多個驅(qū)動器揚聲器和用于安裝揚聲器的物理機(jī)箱設(shè)計交叉濾 波器網(wǎng)絡(luò)時，了解諧振頻率以及最小阻抗和最大阻抗至關(guān)重要。
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ZNOM. RDC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ZMAX出現(xiàn)在揚聲器的諧振頻率處。
● FS是揚聲器的諧振頻率。揚聲器的阻抗在FS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. V L 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CA Meas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 B Mode"（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50 Hz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——“Save Data”（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IL。阻抗Z為通道B電壓幅度除以電流幅度IL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。
問題：
根據(jù)您的測量數(shù)據(jù)，為您使用的揚聲器提取圖1所示揚聲器電氣 模型的L、C和R。您可以使用直流歐姆表工具測量RDC。忽略LINPUT，因為它相比L較小。將這些值輸入到模型的電路仿真示意圖中，生成50Hz至1000Hz的頻率響應(yīng)掃描，并將您的模型與您在實驗室中測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
您可以在學(xué)子專區(qū)博客上找到答案。
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R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。
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