目標：

 

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。

 

zuichangjianleixingdeyangshengqishishiyonglianjiedaozhenmohuozhipendeyinquandejidianhuannengqi。dongquanshiyangshengqizhongdeyinquanxuanguazaiyouyongcititigongdecichangzhong。dangdianliucongyinpinfangdaqiliuguoyinquanshi，youxianquanzhongdedianliuchanshengdedianci 場對永磁體的固定場作出反應並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並產生聲音。

 

揚聲器的移動係統（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，係統在該共振頻率下 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(zai)該(gai)頻(pin)率(lv)下(xia)，由(you)於(yu)音(yin)圈(quan)以(yi)最(zui)大(da)峰(feng)峰(feng)值(zhi)幅(fu)度(du)和(he)速(su)度(du)振(zhen)動(dong)，因(yin)此(ci)磁(ci)場(chang)中(zhong)線(xian)圈(quan)運(yun)動(dong)產(chan)生(sheng)的(de)反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)也(ye)處(chu)於(yu)其(qi)最(zui)大(da)值(zhi)。這(zhe)會(hui)導(dao)致(zhi)揚(yang)聲(sheng)器(qi)的(de)有(you)效(xiao)電(dian)阻(zu) 抗在FS下達到最大值，稱為ZMAX。對於剛好低於諧振頻率的頻率
，當頻率接近FS時，阻抗會迅速上升並且具有電感性質。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，其行為在某些頻率範圍內主要（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於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。

 

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構成的有損並行 諧振電路串聯，來模擬目標頻率範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於驅動器的標稱阻抗ZNOM. RDC通常小於揚聲器額定阻抗，並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，由於揚聲器的電感(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，揚聲器的總阻抗並非恒定阻抗。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ZMAX出現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。諧振頻率信息對於防止機箱鳴叫至關 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麵優於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 於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，並用負載電流IL作為通道A電流跡線。

 

圖 3. V L 和 IL 的揚聲器測量設置。

 

啟動ALICE Desktop軟件。在主 Scope（示波器）屏幕中，ALICE 軟件計算並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，然後在電流 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。

 

嚐試將通道A設置為幾個不同的頻率，並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)設為1.0 V，將最大值設 為4.0 V。將“AWG A Mode”（AWG A模式）設為 "SVMI"並將"Shape"（形狀）設為“Sine”（正弦）。將"AWG Channel B Mode"（AWG通道B模式）。設為“Hi-Z”。確保“Sync AWG”複選框已選中。

 

使用“Start Frequency”（開始頻率）條目將頻率掃描設為在50 Hz開始
，並使用“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（以簡化後麵的數學計算）將數據導 出為逗號分隔格式的值文件（“File”（文件）菜單——“Save Data”（保存數據））並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。

 

注意相位處於正最大值
、零點和負最小值時的頻率點。屏幕上的數據以dB為單位繪製
，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電壓幅度值並除以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。

 

現在即可繪製計算得到的阻抗Z與頻率的關係曲線。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——約等於線性區域中的直流電阻——但在諧振 頻率FS處要高得多。

 

問題：

 

根據您的測量數據，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的頻率響應掃描，並將您的模型與您在實驗室中測量的數據進行比較。

 

您可以在學子專區博客上找到答案。

 

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，基於R1 和R組合的值計算阻抗。

 

圖 7.揚聲器阻抗測量設置

 

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）設為遠低於 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。

 

圖 8. 頻率低於諧振頻率時的阻抗測量。

 

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。

 

圖 9. 諧振頻率下的阻抗測量。

 

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。

 

現在將頻率設為高於諧振頻率的點，其中，相位接近其負峰值， 如圖10所示。這裏使用的是500 Hz。

 

圖 10. 頻率高於諧振頻率時的阻抗測量。

 

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。

 

 

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