扬声器非线性指南

扬声器的非线性特性指南产生的原因、相关的参数及表现的征兆原作：WolfgangKlippel翻译：王刚平ABSTRACTTherelationshipbetweennonlineardistortionmeasurementsandnonlinearitiesisaddressed-thephysicalcausesforsignaldistortioninloudspeakers,headphones,microspeakersandothertransducers.Usingsimulationtechniquescharacteristicsymptomsareidentifiedforeachnonlinearityandpresentedsystematicallyinaguideforloudspeakerdiagnostics.Thisinformationisimportantforunderstandingtheimplicationsofnonlinearparametersandforperformingmeasurementsthatdescribetheloudspeakermorecomprehensively.Practicalapplicationsofthenewtechniquearedemonstratedonthreedifferentloudspeakers.摘要该篇论文指出了在扬声器、耳机、微型喇叭及其它换能器中，非线性失真测量结果与非线性特性之间的关系，即信号失真的实质因素。使用模拟仿真技术，在对扬声器的诊断指导中，每一个非线性特性的特征征兆都可以加以辨识并将系统地呈现出来。对于理解非线性参数的深层含义和完成对扬声器全面分析的测量来说，这些信息都是很重要的。在本文中我们将用三款不同的扬声器单元实例来示范这项新技术的的实际应用。0引言扬声器和其它发声的或是振动的激励器一样，它们在较小的振幅和在较大振幅情况下的表现是不同的。依赖于振幅的大小就意味着在系统中存在着固有的非线性特性。第二个非线性影响就是，产生了激励信号中并不存在的额外频谱分量。这些分量通常为输入信号基波的整数倍，因此定义它为谐波失真或互调失真。这些失真测量的结果较大程度地依赖于激励信号的属性，比如:所选择的信号的频率、幅度、以及激励音的相位等等。这些结果并不能完全地描述大信号下的表现，但可以作为征兆来理解。这与在小信号范围内的测量结果主要的不同点在于:在小信号测量中，线性传输函数或是脉冲响应特性可以完全地描述输入与输出间的关系。依赖于征兆的这种测量方式可行吗？它给人们提出了如下的问题:•测量技术能触发和侦测到扬声器非线性特性重要的征兆吗?•那些征兆确有意义吗?•它们与实质因素有着怎样的关系?•如何能在短时高效的情况下，获得一套全面的测量数据?这些问题将在接下来的文章中讲述。我们将从扬声器的建模和实际的测量结果中导出答案。首先，我们将讨论基本的扬声器非线性机理；接下来，将会对传统的和新的测量技术作个概述。在系统地讨论扬声器主要非线性特殊征兆之前，我们将说说大体的征兆和它们与非线性曲线形状的关系。随后，将对评估大信号下扬声器的表现给出一个基本的指导方法，然后我们将运用这个指导方法去对三款为家用和车载而设计的扬声器进行诊断。最后，我们还可将得出的结论用于实际工作中和作进一步的研究用途。1.术语表AMD幅度调制失真(%)Bl(x)有效的瞬时力电耦合系数(磁路系统的力因数)，定义为永久磁场产生的磁感应强度B对音圈长度l的积分C基波的幅值压缩(dB)E时间信号的包络线EHDn换能器输入端的等效的n次谐波失真(%)ETHD换能器输入端的等效的总的谐波失真(%)fs谐振频率fp开口箱风管的亥姆霍兹谐振频率FT付里叶变换Fm(x,i)电磁驱动力(磁阻力)，缘于电感随位移x的变化HDnn次谐波失真(%)H(jω)线性传输函数ICHD瞬时谐波失真峰值因子(dB)IHD瞬时谐波失真分量大小(%)IMDnn次互调失真(%)IMDtotal总的互调失真(%)i(t)输入电流Kms(x)扬声器单元的悬挂系统的力学劲度，是顺性Cms(x)的倒数Le(x,i)L2(x,i)与位移x和电流i有关的集总参数，用于音圈的电感模型的建立R2(x,i)LAMD幅度调制失真(dB)LHD,n输出声压信号中的n次谐波失真(dB)LTHD输出声压的总的谐波失真(dB)LEHD,n等效的n次谐波失真(dB)LETHD等效的总的谐波失真(dB)LIMD,n输出声压信号中的n次互调失真(dB)LIMD,total输出声压信号中的总的谐波互调失真(dB)Mms扬声器单元振动体组件的力学质量，包括音圈及空气负载p(t)输出声压P(jω)声压信号频谱Pn声压中的n次谐波分量Pt总的声压信号的有效值Pr(f1,Ui)基波的相对幅值(参考电压Ui)n失真分量的阶次Rms扬声器单元悬挂系统的力学损耗Re(TV)音圈的直流电阻THD输出声压的总的谐波失真(%)u(t)扬声器输入端的驱动电压uD(t)虑及所有非线性特性的等效输入失真u’(t)总的等效输入电压u’=u+uDv(t)音圈速度x(t)音圈位移Zm(s)代表力学和声学负载的阻抗2.扬声器建模在较大振幅情况下，所有的扬声器都或多或少地会表现出非线性特性，并会有在输入信号中并不存在的信号分量产生。扬声器系统的非线性机理是各种各样的，我们的研究大体上是集中在以下“主要”的非线性特性上:•限制声输出•产生了可闻的失真•预示过载情况的出现•引起振动不稳定•涉及到成本、重量及体积•降低了换能器的效率•影响扬声器系统的配置2.1.固有的非线性特性大多数主要的非线性特性的产生都可以从换能器的原理得到，与磁路系统、悬挂系统、振动盆和箱体的几何结构和材质属性有着直接关系。物理上的限制使得扬声器的设计不得不折衷处理，但是为了得到所需的大信号的表现，一些非线性特性却是有意而为之的(如：渐变的悬挂系统的劲度)。因此，我们按设计制程生产的扬声器，即使在生产线上通过测试并被判定为合格的产品，也会发现存在着固有的非线性特性。在低音、高音、微型扬声器、号角压缩驱动器以及扬声器系统中，最主要的固有的非线性特性在表一中作了总结，接下来我们将加以讨论。表1：电动式扬声器中重要的固有非线性特性总览非线性特性影响与时间信号有关的量悬挂系统的劲度Kms(x)非线性回复力Fs=Kms(x)x位移x力因数Bl(x)驱动力F=Bl(x)i引起参量激励位移x、电流i反向电动势uEMF=Bl(x)v引起非线性阻尼位移x、速度v电感Le(x)(随着音圈位置变化的交变磁场)反向感应电压是磁通量[Φx=L(x)i]对时间的微分驱动力系统的额外磁阻力Fm∝i2位移x、电流i电流i电感Le(i)(交变磁场改变了磁路的磁导率)反向感应电压是磁通量[Φi=L(i)i]对时间的微分电流i材质的杨氏模量E(ε)(振动盆、折环)几何转移矩阵材质中的应力[σ=E(ε)ε]是材质变形系数的非线性函数力学振动导致的几何形变材质的变形系数ε变形矢量ε开口箱体的风管空气流阻Rp(v)箱内的空气声压与空气的流动是一个非线性函数风管中的声速v多谱勒效应(振动盆位置的变化)传播信号中的时间偏移量τ=x/c引起相位失真位移x、(速度v)声压p声压非线性传播声速c(p)与声压有关，导致波形变得陡峭，出现畸变声压p图1：传统扬声器的悬挂系统剖视图及其非线性的力-偏移曲线2.1.1.非线性劲度扬声器利用悬挂系统将音圈置于磁隙中央，并产生一个回复力，它使得运动的音圈向着平衡位置移动。低音扬声器单元的悬挂系统只允许音圈朝着轴向运动，并抑制其摇摆，它通常是由一个定心支片和折环组成，如图1所示。图2：悬挂系统的力学劲度特征曲线。(….)代表有渐变劲度的定心支片；(---)代表受限制的折环；(_____)代表总的悬挂系统的劲度大多数的悬挂系统都是由含浸的织物、橡胶或是注塑成形的特殊形状的塑胶材质做成。悬挂系统的运动就像一个普通弹簧，它的特点可以由图1的力-偏移曲线表征。在小位移段，它有着几乎线性的关系，但是在较大位移情况下，悬挂系统的回复力就比一个线性弹簧所预期的要大。对于缓慢的交变力的响应，由于材质存在内部损失，位移的变化通常还会有一个滞后现象。回复力是位移和非线性劲度Kms(x)的乘积，即F=Kms(x)x，劲度Kms(x)就是力-偏移曲线上的任意一点至原点间的正切值。由于劲度并不是一个常数，而它本身是位移x的函数，回复力则包含了音圈位移间的乘积项。这些结果项产生了与时间信号有关的非线性失真，在悬挂系统中，这种现象很典型。由于悬挂系统本身材质所具有的粘滞效应，劲度系数也会随着频率而变化。然而，这种影响是可以通过线性系统来模拟的[1]。图2显示的是一个由有渐变特性的定心支片和可以限制其正向位移的折环所组成的悬挂系统的Kms(x)的特征曲线.图3：包含磁路和悬挂系统的扬声器的等效电路2.1.2.力因数力因数Bl(x)描述的是电动式换能器集中参数模式下的力与电间的耦合，如图3示。这个参数是磁束密度B对音圈长度l的积分值。力因数Bl(x)不是一个常数，而是与音圈的位移x有关。很显然，如果音圈离开磁气隙，力因数就会降低。此非线性函数是静态函数(与频率无关)，我们可以用非线性图表或者幂级数展开的方式来表示。Bl(x)曲线的形状与气隙和音圈的的几何结构有关，与磁体所产生的磁场有关。图4用例子说明一个音圈的卷幅（hcoil）大于气隙深度（hgap）的长音圈的磁路结构的特点。与之对应的Bl(x)曲线在图5中用实线表示。小位移情况下，力因数几乎为常数，因为磁间隙中的音圈匝数是相等的。图5中的点划线是指音圈卷幅的高度与气隙深度相等的情况下Bl的变化曲线，它表明此时，即使在小振幅时，力因数也会下降，它没有恒值的平坦区。图4：长音圈的磁路结构图5：长音圈的Bl(x)曲线以及音圈卷幅与磁气隙等长的Bl(x)曲线.力因数Bl(x)有两个非线性影响，在表1中已有列出：•Bl(x)作为电力间的耦合系数，它的任何变化都会影响到驱动力F[F=Bl(x)i]。这个机理也就是谐振系统的参量激励。大的音圈位移x和电流i势必将产生明显的失真。•Bl(x)的第二个影响就是，音圈的位移与在永磁场中音圈运动所产生的反向电动势有关。这时力因数Bl(x)与速度的乘积将改变电气阻尼的特性。2.1.3.音圈电感电气性能的输入阻抗值与线圈的位置有关。比如，图6显示的是线圈在三种位置情况下(x=0；音圈被箝定在x=+7mm处；音圈被箝定在x=-7mm处)，电气输入阻抗与频率的关系。在谐振频率70Hz以上(被箝定的音圈是不会有此谐振的)，电阻抗在负位移(音圈位置往内)时明显比在正位移(音圈位置往外)时要高。图6：音圈在不同位置点时的电气特性阻抗曲线我们观察到许多扬声器都有这一特性，而且可以用随位移变化的电感来解释它。音圈中的电流会产生一个变化的磁场，扩散于磁铁、导磁体及空气中(如图7)。磁通量的大小与音圈的位置以及电流的强度有关。如果音圈跳出气隙，它的电感量要比音圈在气隙之下要低得多，这是因为音圈在气隙之下时，它的周围都是可以减小磁阻的铁磁物质.图7：在传统扬声器中心磁极处加有短路环的磁路结构.除了电感与位移x有关外，它还与输入电流i有关。这是由于磁场强度H与磁束密度(磁感应强度)B之间的非线性关系，即B=µ(i)H所致，如图8所示。在音圈中没有输入电流的情况下，永磁体所产生的磁场强度H2决定了B(H)特性曲线上的工作点。一个较大的正向电流(如i=10A)将升高磁场强度到H3，此时铁芯已饱和，磁导率µ也下降了。相反地，我们输入一个负向的电流(如i=-10A)，则总的磁场强度下降了，µ值却增加了。磁导率µ(i)变化的现象，与特定的磁性材料有关，这种现象也叫作“磁场调制”。交变的电流也会产生磁滞回线，这与正弦电流一个周期内在铁芯材料内的损耗是相对应的。图8：磁路的磁束密度B与磁场强度H的关系表明磁导率µ(i)与音圈电流有关.变化的磁通量增加了高频段的阻抗，如图6所示。这个增长不能用一个理想