电动式扬声器阻抗曲线分析与测量

电动式扬声器阻抗曲线分析与测量

申彦冬

(天津博顿电子有限公司301722)

摘要：电动式扬声器单元支撑系统的蠕变效应表现在扬声器单元的位移在共振频率以下会有所上升。扬声器的相关性能指标包括频率响应与有效频率范围、额定频带的特性灵敏度级、谐波失真、额定噪声功率、额定阻抗、额定共振频率，其中额定阻抗、额定共振频率可以从阻抗曲线中得到。围绕扬声器的阻抗曲线，介绍电动式扬声器阻抗曲线方面的相关知识，再介绍用丹麦B&K公司的PULSE电声分析系统测量电动式扬声器的阻抗曲线。

关键词：电动式扬声器；额定阻抗；阻抗曲线

现代电声技术的发展,现已对扬声器有了较深刻、较全面、多角度、多方位、多层次的认识。目前，在扬声器相关性能指标测试时，往往只注重频响曲线，而忽视阻抗曲线的讨论。扬声器的阻抗特性很重要，许多听感上的缺陷都能从阻抗曲线上反映出来。

一、扬声器

扬声器是一种现代人不可缺少的电声器件,广泛用于人类生活的各个领域。世界每年生产几十亿只扬声器,已形成一个完整的产业链。扬声器研究受到更多的关注与参与,扬声器作为一个单独学科,理论体系正处在完善发展中。

二、电动式扬声器工作原理

电动式扬声器的工作原理，永磁体、上导磁板、下导磁板构成一个磁回路，在上导磁板和下导磁板之间形成一个很小的均匀的磁气隙，当音圈有交变电流流过时，音圈就会上下振动，从而推动音盆造成空气振动发出声音。扬声器的音圈是一个由漆包线绕制而成的线圈，它不但有一定的直流电阻，还具有电感特性。音圈在磁气隙中运动，切割磁力线，这个过程中会感应出一个与音频信号反向的感应电压，会削弱音圈中的音频信号电流，从而使得音圈的阻抗增大，这种增大会随着音频信号频率的上升变得越来越大。扬声器系统阻抗随音频信号频率变化而变化的规律，就是所谓的阻抗特性，描述阻抗特性的阻抗－频率坐标图，就是阻抗特性曲线。在线性无源电路中，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗，阻抗用复数形式Z表示，Z的实部称为电阻，虚部称为电抗。其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗，电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗，电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。扬声器阻抗模型含有电阻、电容、电感分量，电容、电感对不同频率的交流电所起的阻碍作用不同，其阻抗大小随着流过的电流频率变化而不同，所以扬声器的阻抗曲线是一条随频率变化的曲线。电动式扬声器的等效电路图，电动式扬声器是直接向自由空间辐射声音的电声换能器，它是由辐射部分称锥盆、振膜、振动部分和置于永久磁场中的音圈组成。流过置于磁场中音圈的音频电流与永久磁场相互作用会产生使锥盆轴向振动的力。如图。

三、电动式扬声器阻抗曲线分析

扬声器单元中由材料的粘弹性引起的阻抗蠕变现象，表现在受到阶跃力那一瞬间，试图跟上这个驱动力，但是随后其位移开始落后于驱动力，慢慢地接近稳定状态，扬声器的阻抗曲线，纵轴表示阻抗，横轴代表频率，通常采用对数刻度。从图中可以看出阻抗模值随频率变化，当频率从低频开始，随着频率增大时，阻抗曲线慢慢上升，当在某一频率时，阻抗曲线出现了一个峰值，频率再上升，曲线又开始向下移动，到了某一个频率，阻抗曲线下降到最低点，此后随着频率的增大阻抗曲线又开始向上提升。

从图中可以看出，扬声器的阻抗实际上组成，a表示扬声器音圈的直流阻抗，不随频率变化严格地讲会随温度变化;b表示电感部分，根据电感特性其感抗随频率上升而增加，和音圈的绕法、匝数有关;c表示反电动势部分，当音圈振动时会产生一个反电动势，反电动势产生的电流与音圈输入电流的方向相反，事实上相当于减少输入电流，输入电流减少，则说明阻抗增高。阻抗曲线在共振频率附近急剧上升，在高频部分随音圈电感增加而加大，阻抗曲线的变化，说明扬声器的阻抗不是一个常量，而是随着频率变化而变化的。在峰值后出现的极值点对应的阻抗，称之为扬声器的额定阻抗ZE，扬声器的额定阻抗是一个由制造厂规定的纯电阻的阻值，在确定信号源的有效电功率时，用它来代替扬声器性能测试方法对额定阻抗定义为:额定阻抗是指阻抗曲线上紧跟在第一个极大值后面的极小值;而对于倒相式扬声器系统的额定阻抗，规定为第二个峰值后的第一个最低点。既然额定阻抗是扬声器的最小阻抗值，根据欧姆定律I=U/ZE，此时电流最大，如果扬声器及驱动它的放大器在最大电流时能正常工作，即在最重的负载下能正常工作，那么在其他频率处对应的阻抗值时也能更好地工作，这也是选最小阻抗值为额定阻抗的主要理由。

四、电动式扬声器阻抗曲线测量

丹麦B＆K公司是声学、振动测量分析仪器的研究及制造公司，其产品PULSE多分析系统具有开放性、模块化以及测量功能可增减等特点。在测量电动式扬声器阻抗曲线时，采用B＆K公司生产的PULSE3560C电声分析系统进行测量。阻抗曲线测试连接图如图所示。

在图中，PULSE3560C是电声分析系统，其由软件和硬件两部分组成，在测量阻抗曲线时，由3560C的Output1输出20Hz～30kHz的音频信号，由测量得到的曲线可知，该电动式扬声器的额定阻抗为7.2Ω。

五、扬声器技术问题发展

扬声器、扬声器系统的理论研究、技术设计、制造工艺的发展,成绩是巨大的,但仍存在很多问题,值得继续研究和探索。这些问题大致归纳如下。

1、等效电路的局限性。扬声器在低频范围,可用等效电路模拟。这是扬声器分析的一大突破,但这种分析只局限于低频，有没有可能建立适用性更广的数学分析模型

2、T-S参数的局限性。Thiele-Small参数的提出,对扬声器系统的分析,即将扬声器视为高通滤波器的理论,使扬声器系统的设计逐步完善。但T-S参数的局限性在于只适用于低频,是小信号参数。而扬声器实际工作在大信号条件下。目前已有多个扬声器技术参数,但人们对此并不满足。还有没有合适的参数及相应的测试方法。主观评价与客观测试的关系。在客观测试指标与主观音质评价之间建立定量的关系。有没有设计方法和设计软件的改进，目前有多种设计软件,但这些设计软件的走向会趋于一致。缺乏细节的一致性,有没有可能让设计和实际更为接近，选择更物美价廉、更耐用、更适用的材料,制造出更好的工艺材料。

通过扬声器的相关性能指标测试时只注重频率响应，而忽视扬声器阻抗曲线的问题，先介绍了电动式、电磁式、静电式、压电式扬声器的工作原理，再重点介绍电动式扬声器的工作原理与等效电路，最后分析了扬声器阻抗曲线以及利用PULSE电声分析系统测量了扬声器的阻抗曲线。

参考文献：

［1］蔡野锋．数字扬声器系统中失配整形技术的设计与实现［J］．电声技术，2016，35(2):20－23．

［2］马登永，沐永生．数字扬声器系统中失配整形技术的设计与实现［J］．电声技术，2015，35(2):20－23．