扬声器阻抗曲线的分析

扬声器与传声器

Loudspeaker

文章编号:1002-8684(2006)11-0023-04

andMicrophon

音箱研讨(一)

———扬声器阻抗曲线和低频特性的分析

王以真1,沈伟星

技术分析・・

(1.天津声学学会,天津300200;2.杭州音响公司,浙江杭州310000)

摘【

要】介绍了不同的测试条件对扬声器频响曲线及阻抗曲线的影响,并对扬声器的阻抗曲线进行了分析、比较。

指出了阻抗曲线受环境影响较小。关键词】频响曲线;阻抗曲线;品质因数【

中图分类号】TN643【

文献标识码】B【

StudyandDiscussiononLoudspeakers

———AnalysisoftheImpedanceCurveandLowFrequencyCharacteristics

WANGYi-zhen1,SHENWei-xing2

(1.TianjinAcousticalSociety,Tianjin300200,China;2.HangzhouAudioCorporation,Hangzhou310000,China)【Abstract】Theinfluencesbroughtfromthedifferentmeasuringconditionsonthefrequencyresponsecurveand

impedancecurveareintroduced.Itisshownthattheenvironmentalinfluenceontheimpedancecurveislowthroughtheanalysisandcontrastoftheimpedancecurveofloudspeakers.

【Keywords】frequencyresponsecurve;impedancecurve;qualityfactor

1.1

不同测试条件对扬声器测试的影响

对扬声器频响曲线的影响

声压级/dB

许多使用或制造扬声器的人对扬声器的频响曲线很重视,但对它的阻抗曲线并不是很在意。频响曲线固然很重要,从频响曲线上可以知道扬声器的灵敏度等参数,还可以判断扬声器输出声压起伏走向,确实有重要价值。不过,在测试扬声器的频响曲线时是将扬声器安装在一块标准障板上,测试出来的频响曲线是扬声器和标准障板所构成的系统的频响曲线。大约在

2050100200500100020005000100002000040000

图2

f/Hz

Φ123mm扬声器频响曲线

150Hz有一个谐振峰,峰后在300 ̄400Hz又有一个图2所示。谷,如图1、

出现峰谷的频率可以推算,一个标准障板如图3所示,障板上安装被测扬声器,从扬声器正面和背面发出的声音,同相则相加,频响出现峰值;反相则抵削,频响出现谷值。经计算峰值在161Hz,谷值在322Hz,与

声压级/dB

实测吻合。

这是扬声器装在标准障板后测出的曲线,并不是扬声器的真正特性,特别是扬声器低频响应曲线与实际存在一定的误差。如果把扬声器装在音箱内再测试它的频响曲线则为另一个系统的频响曲线,也不是扬

20

50

100

200

50010002000

5000100002000040000

图1

f/Hz

50×120椭圆扬声器频响曲线

声器的频响曲线。不用障板或音箱,对单独一只扬声器进行近场测试(测试传声器距离扬声器很近,小于

电声技术2006-11

$#"

oudspeaker

扬声器与传声器

andMicrophone

2.1

阻抗曲线的分析

定性分析

图4是一条扬声器的阻抗曲线。随着频率的变化,

阻抗曲线也在变化。说明扬声器的阻抗不是一个恒定值。频率从20Hz开始,慢慢向高频变化,阻抗曲线慢慢上升,随着频率的上升,阻抗曲线出现了一个峰,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。频率再上升阻抗曲线又开始向上提升一直到20kHz。

扬声器的有效半径),环境的影响相当小,但扬声器的声短路现象还是难免,频响曲线是不是标准呢?也难说。也就是说,在不同的测试条件下,同一只扬声器可以测试出各种不同的频响曲线,包括灵敏度也不一样。哪一个才是扬声器真正的频响曲线?当然在权衡各种得失的情况下,各国电声专家认定以扬声器装在标准障板上为准,还必须在合格的消声室内(自由声场)进行测试。国家标准如此,国际标准也如此。在消声室测试固然符合标准,但又与扬声器实际的使用条件不一致。

这就出现了扬声器研究的两个悖论:(1)要了解扬声器的真实状况,必须对扬声器真实状况进行测试,而真实的测试,又在一定程度上破坏了扬声器的真实状况;(2)要了解扬声器的真实状况,其目的是为了实际应用。而测试条件和实际应用条件又存在较大差异。

在阻抗曲线最小值后面曲线还可能有些上下波动,是纸盆折环反射的影响。一条阻抗曲线的变化,说明扬声器的阻抗不是一个常量。随频率变化曲线跟着变化。在峰后最低点的阻抗,称它为扬声器的额定阻抗

10

20

Zmax

(0.707Zmax)阻抗/"

折环引起的起伏

ZV

RV

Fsf1f2

1002005001000200050001000020000

f/Hz

图4扬声器阻抗曲线

1.2对扬声器阻抗曲线的影响

而扬声器阻抗曲线的测试就不同了。无须将扬声

ZE(Z0)。额定阻抗在国标上有规定,设计师都要按规定设计扬声器的额定阻抗,否则扬声器就无法与功放匹配。允许有一定误差。按扬声器的用度和档次,一般公差分为±10%,±15%,±20%三档。为了保证由于其他因素带来的偏差(如天气变化),生产厂家控制得更严格些。现在来看阻抗曲线的峰,这个峰对应的频率就是扬这个峰值就是扬声声器的谐振频率(共振频率)FS(F0)。

器的最大阻抗Zmax。在谐振频率时扬声器的振幅最大,即音圈位移最大。从阻抗峰起,下降3dB,划一条横线,(即0.707Zmax处)与阻抗曲线有两个交点,分别是频率f1和f2,Δf=f2-f1。阻抗曲线从峰向左或向右的两个斜坡是不对称的,也就是说,f2-FS≠FS-F1。另外要注意

它受环器装在障板或音箱上,也无须在消声室内进行。境的影响较小。只要测试方法正确,结果必然是正确的。也就是必须用恒流法或者恒压法进行测试。此外距离扬声器1m之内无反射物。如果将扬声器悬空是不可能的,可以做一个测试架。用一片直径小于100mm的圆木片,下面装3只长1m的脚支撑它,圆木片中间开一个孔,将扬声器放在上面。扬声器导磁板柱(T铁)的减压孔正好对着木片的孔。如果将减压孔堵死,测试就不准确了。现在许多生产或使用扬声器的厂家,没有(或者是资金不足、或者是对消声室的作用认识不足)去建造消声室。花有限的钱去购买扬声器测试仪(计算机辅助测试系统),使用方便,功能多,对扬声器进行定性分析也还实用。这类仪器有“,“,“LMS”CLIO”DAAS”和浙大通信的电声测试仪等。不过使用这类测试系统,要注意它的局限性,它不被IEC和GB承认。

FS,f1,f2不一定是整数值。一般测试精确到0.1Hz。同时按照新国标GB/T9396—1996之19.3.2条的方法也可以得到同样的结果。

还可找出阻抗曲线与频率响应曲线的对应关系,如图5所示。

#电声技术2006-11%$

扬声器与传声器

LoudspeakerandMicrophon

100-10声压级/dB

低频衰减区

声压频率响应

中频谷

①用Kapton骨架音圈的阻抗曲线

0°高频衰减

高频上限

阻抗/!

30°

输出声压级

有效频率范围

低频谐振频率

折环反揩振

阻抗曲线

直流电阻

高频失真特性

高频揩振频率标称阻抗折环反谐振

②用铝骨架音圈的阻抗曲线

阻抗特性/!

③加短路环的阻抗曲线

10

20

50

100

200

50010002000

50001000020000

图6

f/Hz

扬声器阻抗曲线的比较

20f0100

图5

10001000020000f/Hz

扬声器阻抗曲线与对应的频率响应曲线

幅度/dB

20151050

20

50

加磁流体

无磁流体

阻抗曲线的作用是:(1)求阻抗最大值、扬声器谐振频率;(2)求扬声器品质因数;(3)分析与扬声器频率响应关系,谐振频率就是扬声器重放范围的下限;(4)阻抗曲线的小峰或小谷,与扬声器折环的反谐振即中频谷及振动系统的局部谐振相对应。而阻抗曲线高频区的小峰,与扬声器频响曲线的高频峰相对应;加(5)可以反映扬声器结构的变化(如不同音圈材料、磁流体、加短路环、……);(6)反映小信号参数的关系。

200

f/Hz

1000500020000

图7

403530幅度/dB

加磁流体的阻抗曲线

2.2几条阻抗曲线的比较

图6中有3条不同的扬声器阻抗曲线。其中第1

2520151050

15

3050

100

30050010003000500010000

f/Hz

图8阻抗曲线的变化

普通扬声器的阻抗曲线带短路环扬声器的阻抗曲线

带激励抵消线圈扬声器的阻抗曲线

条曲线,阻抗峰值Zmax很大,峰的两个斜坡很陡,(f2-f1)值小,频率高处阻抗曲线翘得高;图中第2条曲线,阻抗峰FS抬得不高,Zmax比较小,而f2-f1比较大,频率升高,阻抗曲线也翘起,高度比前条曲线低;图中第3条曲线,在频率低处有些像图中第2条曲线,在额定阻抗后的曲线几乎不向上抬起,成一条水平线。从这3条阻抗曲线中可以看出,图中第1条曲线扬声器的音圈是用非金属骨架制作的,如玻璃纤维薄膜骨架或聚酰亚胺薄膜(Kapton)。图中第2条曲线扬声器的音圈骨架是使用金属材料制成的,如铝合金;图中第3条曲线的扬声器在磁路内加了短路环,抑制了阻抗曲线向上抬,使得扬声器的高频有较大的输出。同时,降低了三次谐波失真。非金属音圈骨架没有抑制动生阻抗上升的能力,短路环相当于音圈的次级,使音圈的电感降低,同时,使磁性材料非线性的电感量变化减小,也使得失真减小。

而在扬声器磁隙中加注磁流体,也会引起阻抗曲线的变化。如图7所示。

而吴琪君先生采用的带激励抵消线圈的方法,更可以改变扬声器阻抗曲线的形状。如图8所示。

如果事先将扬声器的直流电阻RE(RV)测试出来,就可以知道扬声器的品质因数[1]QTS(Q0):QTS=FS×RV/(Δf×或者QT=1/(f2-f1)(f1f2/r0)(GB/T9396—Zmax)(传统方法)。

1996规定的方法)

这是扬声器的一个重要技术参数。如果已经测试等效质量MMS(M0)、磁场力系了扬声器的有效半径a、

数BL(A),就可以得到扬声器的等效容积VAS(VEQ)

VAS=ρ0cCAS

式中:ρ为空气密度,1.18kg/m3;0

(1)

c为空气中声速,345m/s;CAS为扬声器支撑的顺性。此外,还可以求得扬声器的顺性CMS(CAS)

电声技术2006-11

(’&

扬声器与传声器

Loudspeaker

文章编号:1002-8684(2006)11-0023-04

andMicrophon

音箱研讨(一)

———扬声器阻抗曲线和低频特性的分析

王以真1,沈伟星

技术分析・・

(1.天津声学学会,天津300200;2.杭州音响公司,浙江杭州310000)

摘【

要】介绍了不同的测试条件对扬声器频响曲线及阻抗曲线的影响,并对扬声器的阻抗曲线进行了分析、比较。

指出了阻抗曲线受环境影响较小。关键词】频响曲线;阻抗曲线;品质因数【

中图分类号】TN643【

文献标识码】B【

StudyandDiscussiononLoudspeakers

———AnalysisoftheImpedanceCurveandLowFrequencyCharacteristics

WANGYi-zhen1,SHENWei-xing2

(1.TianjinAcousticalSociety,Tianjin300200,China;2.HangzhouAudioCorporation,Hangzhou310000,China)【Abstract】Theinfluencesbroughtfromthedifferentmeasuringconditionsonthefrequencyresponsecurveand

impedancecurveareintroduced.Itisshownthattheenvironmentalinfluenceontheimpedancecurveislowthroughtheanalysisandcontrastoftheimpedancecurveofloudspeakers.

【Keywords】frequencyresponsecurve;impedancecurve;qualityfactor

1.1

不同测试条件对扬声器测试的影响

对扬声器频响曲线的影响

声压级/dB

许多使用或制造扬声器的人对扬声器的频响曲线很重视,但对它的阻抗曲线并不是很在意。频响曲线固然很重要,从频响曲线上可以知道扬声器的灵敏度等参数,还可以判断扬声器输出声压起伏走向,确实有重要价值。不过,在测试扬声器的频响曲线时是将扬声器安装在一块标准障板上,测试出来的频响曲线是扬声器和标准障板所构成的系统的频响曲线。大约在

2050100200500100020005000100002000040000

图2

f/Hz

Φ123mm扬声器频响曲线

150Hz有一个谐振峰,峰后在300 ̄400Hz又有一个图2所示。谷,如图1、

出现峰谷的频率可以推算,一个标准障板如图3所示,障板上安装被测扬声器,从扬声器正面和背面发出的声音,同相则相加,频响出现峰值;反相则抵削,频响出现谷值。经计算峰值在161Hz,谷值在322Hz,与

声压级/dB

实测吻合。

这是扬声器装在标准障板后测出的曲线,并不是扬声器的真正特性,特别是扬声器低频响应曲线与实际存在一定的误差。如果把扬声器装在音箱内再测试它的频响曲线则为另一个系统的频响曲线,也不是扬

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图1

f/Hz

50×120椭圆扬声器频响曲线

声器的频响曲线。不用障板或音箱,对单独一只扬声器进行近场测试(测试传声器距离扬声器很近,小于

电声技术2006-11

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oudspeaker

扬声器与传声器

andMicrophone

2.1

阻抗曲线的分析

定性分析

图4是一条扬声器的阻抗曲线。随着频率的变化,

阻抗曲线也在变化。说明扬声器的阻抗不是一个恒定值。频率从20Hz开始,慢慢向高频变化,阻抗曲线慢慢上升,随着频率的上升,阻抗曲线出现了一个峰,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。频率再上升阻抗曲线又开始向上提升一直到20kHz。

扬声器的有效半径),环境的影响相当小,但扬声器的声短路现象还是难免,频响曲线是不是标准呢?也难说。也就是说,在不同的测试条件下,同一只扬声器可以测试出各种不同的频响曲线,包括灵敏度也不一样。哪一个才是扬声器真正的频响曲线?当然在权衡各种得失的情况下,各国电声专家认定以扬声器装在标准障板上为准,还必须在合格的消声室内(自由声场)进行测试。国家标准如此,国际标准也如此。在消声室测试固然符合标准,但又与扬声器实际的使用条件不一致。

这就出现了扬声器研究的两个悖论:(1)要了解扬声器的真实状况,必须对扬声器真实状况进行测试,而真实的测试,又在一定程度上破坏了扬声器的真实状况;(2)要了解扬声器的真实状况,其目的是为了实际应用。而测试条件和实际应用条件又存在较大差异。

在阻抗曲线最小值后面曲线还可能有些上下波动,是纸盆折环反射的影响。一条阻抗曲线的变化,说明扬声器的阻抗不是一个常量。随频率变化曲线跟着变化。在峰后最低点的阻抗,称它为扬声器的额定阻抗

10

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Zmax

(0.707Zmax)阻抗/"

折环引起的起伏

ZV

RV

Fsf1f2

1002005001000200050001000020000

f/Hz

图4扬声器阻抗曲线

1.2对扬声器阻抗曲线的影响

而扬声器阻抗曲线的测试就不同了。无须将扬声

ZE(Z0)。额定阻抗在国标上有规定,设计师都要按规定设计扬声器的额定阻抗,否则扬声器就无法与功放匹配。允许有一定误差。按扬声器的用度和档次,一般公差分为±10%,±15%,±20%三档。为了保证由于其他因素带来的偏差(如天气变化),生产厂家控制得更严格些。现在来看阻抗曲线的峰,这个峰对应的频率就是扬这个峰值就是扬声声器的谐振频率(共振频率)FS(F0)。

器的最大阻抗Zmax。在谐振频率时扬声器的振幅最大,即音圈位移最大。从阻抗峰起,下降3dB,划一条横线,(即0.707Zmax处)与阻抗曲线有两个交点,分别是频率f1和f2,Δf=f2-f1。阻抗曲线从峰向左或向右的两个斜坡是不对称的,也就是说,f2-FS≠FS-F1。另外要注意

它受环器装在障板或音箱上,也无须在消声室内进行。境的影响较小。只要测试方法正确,结果必然是正确的。也就是必须用恒流法或者恒压法进行测试。此外距离扬声器1m之内无反射物。如果将扬声器悬空是不可能的,可以做一个测试架。用一片直径小于100mm的圆木片,下面装3只长1m的脚支撑它,圆木片中间开一个孔,将扬声器放在上面。扬声器导磁板柱(T铁)的减压孔正好对着木片的孔。如果将减压孔堵死,测试就不准确了。现在许多生产或使用扬声器的厂家,没有(或者是资金不足、或者是对消声室的作用认识不足)去建造消声室。花有限的钱去购买扬声器测试仪(计算机辅助测试系统),使用方便,功能多,对扬声器进行定性分析也还实用。这类仪器有“,“,“LMS”CLIO”DAAS”和浙大通信的电声测试仪等。不过使用这类测试系统,要注意它的局限性,它不被IEC和GB承认。

FS,f1,f2不一定是整数值。一般测试精确到0.1Hz。同时按照新国标GB/T9396—1996之19.3.2条的方法也可以得到同样的结果。

还可找出阻抗曲线与频率响应曲线的对应关系,如图5所示。

#电声技术2006-11%$

扬声器与传声器

LoudspeakerandMicrophon

100-10声压级/dB

低频衰减区

声压频率响应

中频谷

①用Kapton骨架音圈的阻抗曲线

0°高频衰减

高频上限

阻抗/!

30°

输出声压级

有效频率范围

低频谐振频率

折环反揩振

阻抗曲线

直流电阻

高频失真特性

高频揩振频率标称阻抗折环反谐振

②用铝骨架音圈的阻抗曲线

阻抗特性/!

③加短路环的阻抗曲线

10

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图6

f/Hz

扬声器阻抗曲线的比较

20f0100

图5

10001000020000f/Hz

扬声器阻抗曲线与对应的频率响应曲线

幅度/dB

20151050

20

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加磁流体

无磁流体

阻抗曲线的作用是:(1)求阻抗最大值、扬声器谐振频率;(2)求扬声器品质因数;(3)分析与扬声器频率响应关系,谐振频率就是扬声器重放范围的下限;(4)阻抗曲线的小峰或小谷,与扬声器折环的反谐振即中频谷及振动系统的局部谐振相对应。而阻抗曲线高频区的小峰,与扬声器频响曲线的高频峰相对应;加(5)可以反映扬声器结构的变化(如不同音圈材料、磁流体、加短路环、……);(6)反映小信号参数的关系。

200

f/Hz

1000500020000

图7

403530幅度/dB

加磁流体的阻抗曲线

2.2几条阻抗曲线的比较

图6中有3条不同的扬声器阻抗曲线。其中第1

2520151050

15

3050

100

30050010003000500010000

f/Hz

图8阻抗曲线的变化

普通扬声器的阻抗曲线带短路环扬声器的阻抗曲线

带激励抵消线圈扬声器的阻抗曲线

条曲线,阻抗峰值Zmax很大,峰的两个斜坡很陡,(f2-f1)值小,频率高处阻抗曲线翘得高;图中第2条曲线,阻抗峰FS抬得不高,Zmax比较小,而f2-f1比较大,频率升高,阻抗曲线也翘起,高度比前条曲线低;图中第3条曲线,在频率低处有些像图中第2条曲线,在额定阻抗后的曲线几乎不向上抬起,成一条水平线。从这3条阻抗曲线中可以看出,图中第1条曲线扬声器的音圈是用非金属骨架制作的,如玻璃纤维薄膜骨架或聚酰亚胺薄膜(Kapton)。图中第2条曲线扬声器的音圈骨架是使用金属材料制成的,如铝合金;图中第3条曲线的扬声器在磁路内加了短路环,抑制了阻抗曲线向上抬,使得扬声器的高频有较大的输出。同时,降低了三次谐波失真。非金属音圈骨架没有抑制动生阻抗上升的能力,短路环相当于音圈的次级,使音圈的电感降低,同时,使磁性材料非线性的电感量变化减小,也使得失真减小。

而在扬声器磁隙中加注磁流体,也会引起阻抗曲线的变化。如图7所示。

而吴琪君先生采用的带激励抵消线圈的方法,更可以改变扬声器阻抗曲线的形状。如图8所示。

如果事先将扬声器的直流电阻RE(RV)测试出来,就可以知道扬声器的品质因数[1]QTS(Q0):QTS=FS×RV/(Δf×或者QT=1/(f2-f1)(f1f2/r0)(GB/T9396—Zmax)(传统方法)。

1996规定的方法)

这是扬声器的一个重要技术参数。如果已经测试等效质量MMS(M0)、磁场力系了扬声器的有效半径a、

数BL(A),就可以得到扬声器的等效容积VAS(VEQ)

VAS=ρ0cCAS

式中:ρ为空气密度,1.18kg/m3;0

(1)

c为空气中声速,345m/s;CAS为扬声器支撑的顺性。此外,还可以求得扬声器的顺性CMS(CAS)

电声技术2006-11

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