ADALM2000實(shí)驗(yàn)：測(cè)量揚(yáng)聲器阻抗曲線

動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器的主要電氣特性是電阻抗，它與頻率具有函數(shù)關(guān)系。通過(guò)繪圖可以將其可視化，該圖稱為阻抗曲線。本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的目的是測(cè)量永磁揚(yáng)聲器的阻抗曲線和諧振頻率。

背景知識(shí)

動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器的主要電氣特性是電阻抗，它與頻率具有函數(shù)關(guān)系。通過(guò)繪圖可以將其可視化，該圖稱為阻抗曲線。

最常見(jiàn)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(chǎng)中。當(dāng)電流從音頻放大器流過(guò)音圈時(shí)，由線圈中的電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)永磁體的固定場(chǎng)作出反應(yīng)并移動(dòng)音圈（和紙盆）。交替電流將來(lái)回移動(dòng)紙盆。紙盆的移動(dòng)使空氣振動(dòng)，從而產(chǎn)生聲音。

揚(yáng)聲器的移動(dòng)系統(tǒng)（包括紙盆、紙盆支片、彈波和音圈）具有一定的質(zhì)量和順序。通常將這種情況模擬成由彈簧懸掛起來(lái)的簡(jiǎn)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(dòng)自由度。

該頻率被稱為揚(yáng)聲器的自由空間諧振，表示為FS。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(chǎng)中線圈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)也處于其最大值。這會(huì)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(duì)于剛好低于諧振頻率的頻率，當(dāng)頻率接近FS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(lái)自該ZMIN值。

在為多驅(qū)動(dòng)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(cè)量，圖1中顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的揚(yáng)聲器電氣模型。

圖1.揚(yáng)聲器阻抗模型。

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(lái)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(cè)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(cè)中，該直流電阻通常稱為DCR。直流電阻測(cè)量值通常小于驅(qū)動(dòng)器的標(biāo)稱阻抗ZNOM。RDC通常小于揚(yáng)聲器額定阻抗，并且入門級(jí)揚(yáng)聲器發(fā)燒友可能擔(dān)心驅(qū)動(dòng)器放大器會(huì)過(guò)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(cè)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(cè)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。因而，揚(yáng)聲器的整體阻抗不是恒定值，不過(guò)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(cè)量時(shí)看到這一點(diǎn)。揚(yáng)聲器的最大阻抗ZMAX出現(xiàn)在諧振頻率處(FS)。

●  FS是揚(yáng)聲器的諧振頻率。揚(yáng)聲器的阻抗在FS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)到平衡的頻率點(diǎn)。諧振頻率信息對(duì)于防止揚(yáng)聲器箱出現(xiàn)振鈴非常重要。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)械電阻。

材料：

●  ADALM2000 主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

●  無(wú)焊試驗(yàn)板

●  一個(gè)100 Ω電阻（或其他類似值）

●  一個(gè)揚(yáng)聲器，最好是揚(yáng)聲器的紙盆直徑大于4英寸，則其諧振頻率相對(duì)較低。

RMS電壓測(cè)量

硬件設(shè)置

構(gòu)建圖2所示電路，最好使用無(wú)焊試驗(yàn)板。揚(yáng)聲器可以放置在機(jī)箱中或機(jī)箱外。

圖2.揚(yáng)聲器測(cè)量設(shè)置。

程序步驟

在Scopy中，啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，然后生成具有8 V峰峰值幅度和100 Hz頻率的正弦波形。

啟動(dòng)電壓表，然后將兩個(gè)通道均設(shè)置為交流（20 Hz至800 Hz）。我們可以使用電壓表工具，將揚(yáng)聲器兩端的均方根電壓（通道1均方根電壓）除以通過(guò)揚(yáng)聲器的均方根電流（通道2均方根電流），從而計(jì)算出單一頻率下的揚(yáng)聲器阻抗Z。將通道2上的均方根電壓除以R1電阻或100 Ω可計(jì)算出均方根電流。嘗試將信號(hào)發(fā)生器設(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。

圖3.VL和IL的揚(yáng)聲器測(cè)量設(shè)置。

圖4.揚(yáng)聲器上的均方根電壓。

您可以繪制計(jì)算得到的阻抗Z與頻率的關(guān)系曲線。信號(hào)生成器的頻率步進(jìn)設(shè)置為100 Hz，可計(jì)算每個(gè)頻率下的阻抗Z。揚(yáng)聲器阻抗較小，約等于線性區(qū)域中的直流電阻，但其在諧振頻率FS處要高得多。曲線圖如圖5所示。您的揚(yáng)聲器可能與此例有所不同。

頻率響應(yīng)

硬件設(shè)置

為了繪制頻率響應(yīng)，按照?qǐng)D5所示進(jìn)行連接。

圖5.用于繪制頻率響應(yīng)的試驗(yàn)板連接。

程序步驟

在網(wǎng)絡(luò)分析儀工具中，您可以進(jìn)行對(duì)數(shù)掃描。將開(kāi)始頻率設(shè)置為100 Hz，停止頻率設(shè)置為1 kHz。將相位范圍設(shè)置為-30°至+30°，將幅度設(shè)置為0 dB至10 dB。

圖6.揚(yáng)聲器電路的頻率掃描。