音圈峰值位移Xmax的评价-Klippel.pdf
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1、音圈峰值位移 Xmax 的评估 原作者: Wolfgang Klippel Klippel GmbH, Dresden,01277,Germany, www.klippel.de 译者:王富裕 Tymphany China (中国迪芬尼,惠州超声音响有限公司) 摘要 音圈峰值位移Xmax 是评价单元在低频最大声输出的重要参数,在AES 2-1984 标准中,定 义的方法是基于谐波失真的测量,并没有给出一个明确和有意义的Xmax 值。经过认真研究 这种基于性能测试的技术,推荐一种用两个频率的激励信号在近场声压测试谐波和调制失真 的修正方法。作为替代方法,开发出一种基于参数、能给出关于失真原因(限
2、制和缺陷)更 多具体信息的方法。探讨了基于性能和基于参数两种方法之间的关系,并且两种方法都用来 测试了实际单元。 1,引言 具有相近线性参数的扬声器在较高振幅时可能表现大不相同,在大信号领域, 物理极限需要 在最大幅度、效率、信号失真、成本、重量、尺寸、其他因素之间折中权衡。因此,通过一 些有有意义的参数来评估大信号性能变得越来越要重。有几个 “传统 “描述单元容许负载和 最大输出的参数,其中一个就是最大(线性)峰值位移Xmax,限制低频最大输出声压级的 最大体积位移,如图1 所示。 图 1,增量为5dB 输入不同电压时,1 米处测得对应的辐射基频声压频率响应 峰值位移参数Xmax 被列在每个
3、正规扬声器规格书中,作为单元设计与扬声器系统设计之间 的交接点,然而由于厂家之间采用不同方法评定Xmax,导致这些宣称的数值不具可比性: (1) 历史上,第一个办法是基于几何尺寸来定义的,比如从音圈悬浮在间隙外的尺寸或 首要悬吊部分的运动范围等几何数据导出Xmax。这种方法忽视了音圈的偏移、磁 场非对称、悬吊系统问题以及其他单元缺陷。 (2) 性能为基础的方法考虑了上述那些事情并测量最终单元的总体表现性能,过去多年 中,一直用测量谐波失真与10%失真阈比较的办法作为定义Xmax 的标准。【1,2, 3】 , 20 年前,AES 就定义了基于该方法的标准AES-2 1984 。很遗憾,这种方法的
4、 很多点操作起来并不令人满意,而且这种方法并没有被广泛用于专业或其他音响领 域,因此,当前AES-2 标准的修订需要对Xmax 定义进行改善。 (3) D.Clark 【7】推荐了一种基于参数的方法,使用非线性力因子或顺性特性来评估 Xmax 。 (4) 最后,还有很多被生产厂家使用不明确的方法,结果就有很多没有清晰物理意义但 给人印象很好的Xmax 值。 既然扬声器系统设计需要一个可信赖的数据来挑选理想的单元,人们一直很关心如何能更 客观地量化这个参数。 AES 标准委员会成立了一个任务组SC 04-03-C,“ 应用扬声器的热和非线性模型来完善定 义、测量以及大信号参数的解读” 。本论文总
5、结了这项工作的主要结果,并提出了更清晰定 义峰值位移Xmax 的一些建议。 2AES2-1984 标准回顾 2.1Xmax 定义 当前标准定义: the voice-coil peak displacement at which the “ linearity” of the motor deviates by 10%. Linearity may be measured by percent distortion of the input current or by percent deviation of displacement versus input current. Manufac
6、turer shall state method used. The measurement shall be made in free air at S f. 音圈峰值位移是指磁路线性偏差达到10%的位置,线性可以通过测量输入电流失真百分比 或测量位移对输入电流偏差的百分比。厂家应注明使用方法,并在自由空气中 S f处测量。 2.2 模糊性(模棱两可) 在目前定义中,磁路线性决定峰值位移Xmax ,评定线性是通过特定激励信号下测量扬声器 的性能。很显然,谐振频率 S f.处的单频可变电压U 被用作激励信号,扬声器的非线性体现 输入信号和输出幅度之间的非线性关系,在大振幅时, 输出将小于线性模
7、型预料的值(振幅 压缩)。对输出信号进行的频谱分析揭示了非线性行为的深层次的症状,除激励信号 S f基波 频率外,非线性产生了很多额外的频谱成分(谐波)。 在位移上,我们可能会发现动态下由 于不对称的非线性产生的直流(DC)部分。定义上使用“百分比失真”或“百分比偏差” 作为线性量度标准,但没有明确应用在那种症状上(谐波或者输入和输出之间的幅度比)以 及如何定义(总的还是独立的谐波)。 性能测量并不能直接揭示电动式磁路系统单独的线性情况,而是考虑了单元诸多线性,电、 机械、声学的部件,例如悬吊系统。 这种模糊性要求对定义进行“积极有意义”的阐明,有用户根据IEC60268 把百分比失真和 百分
8、比偏差解释为总谐波失真 t d。 2.3 假定(设想) 做如下设想会比上述模棱两可定义更严谨: ?由电流或位移谐波失真的测量产生可比较的数值Xmax ?在失真幅度和峰值位移之间存在一个简单的关系 ?失真随输入信号幅度单调增加,10%失真对应于唯一Xmax 数值 ?在谐振频率 S f处谐波失真的测量足以反映磁路非线性的效果。 2.4 虚构的单元 通过对一个虚构单元应用电流失真定义Xmax 的方法来检验上述设想的有效性,该单元有如 下特性: 表 1: 小信号参数 力因子( Bl 乘积)的非线性如图2 所示 图 2,模拟中所用虚构单元的Bl(x)乘积随音圈位移变化曲线 力因子Bl( x)不是一个常数
9、,而是音圈位移的函数,在较大位移时,Bl(x)曲线有如对 称的钟形。音圈高度为5mm,气隙外的杂散磁场就可能导致这种特性的Bl(x)曲线。通常 对于气隙外悬置圈数短的音圈,Bl( x)曲线就会像图2 那样很早很强的衰减。因为Bl( x) 曲线以单元平衡位置(x=0)为中心上下完全对称,因此单元只产生3 次谐波和其它奇次 谐波失真。 在这个虚构单元里,真实单元固有的其他非线性一概忽略,是为了让这个测试案例尽可能简 单。这样我们假定线性悬吊的顺性( ) ms Cx为常数,音圈电感( ) e Lx与位移无关,作为有效 性的验证这种简化是可以容许的,因为我们的目的是找到至少一个证明现在的定义方式失败
10、的案例。 根据 AES2-1984 定义的测量条件,我们在自由空气中操作该单元。 2.5 大信号行为的模拟 对于该虚构单元可以用非线性微分方程准确建模,运用数值积分方法,能够预知在任何输入 信号下所有对应状态变量(电流,位移,等等)和声输出信号,也可以用FFT 分析来完成。 用单频 ( 1S ff=)可调端电压 I U来激励单元,图3 显示的是电流、声压和位移随峰值位移 1 () rms Xf变化的总谐波失真。 2222 121 22222 121 (2)(2)(3 ).() 100% ( 1)(2)(2)(3 ).() t PfPfPfP Kf d P fPfPfPfP Kf + = + 图
11、 3, 单频激励下,对应音圈峰值位移X 的电流总谐波失真(点线)、声压总谐波失真(虚 线) 、位移总谐波失真(实线)。 注:译者理解电流失真通过测试流过扬声器的电流的方法译者理解电流失真通过测试流过扬声器的电流的方法, ,声压失真通过声压失真通过麦克风测量扬声麦克风测量扬声 器声输出 器声输出, ,而位移失真则是通过激光测量音圈而位移失真则是通过激光测量音圈位移的方法得出 位移的方法得出 位移的方法得出。 。 2.6 运用 Xmax 定义 根据AES2-1984 ,为了得到峰值位移Xmax,我们要寻找10% t d =的峰值位移点。在输入 电流总谐波失真曲线上我们得到的Xmax 大约为 0.6
12、mm,相对音圈约5mm 的高度,这是个 非常小的值, 没有哪个厂家同意定义它的扬声器工作范围这么小。在0.60.6mmxmm-,位移振幅变得很小,谐波失真也就变得可以 忽略。这是任何( )Bl x非线性单元具有典型的情况。 3一个基于性能测试的方法 尽管目前基于谐波失真测量来评估Xmax 的方法失败,这种途径总的想法仍有意思: ?从单元性能导出Xmax ?免去物理的单元模型 ?使用标准测试设备 ?保持过程简单快速 3.1 关键的失真测量 在失真测量中单频是很流行的激励信号,因为它比较容易产生,而且测量的谐波失真能显示 与激励频率的关系。只要传递(转移,transfer)系统仅由静态非线性嵌入一
13、个幅度响应几 乎平直的线性系统,那这些结果能很好地反映由更复杂的音频信号产生的总的失真。例如, 一个功率放大器的限幅可以用一个无记忆系统来模拟,这里单频测量就够了并且谐波失真对 相同幅度的音乐信号也有些含意。 电动换能器里的主要非线性是参数会随音圈位移变化,位移x是一个低通滤过的信号,还有, 其他状态变量如电流i,速度v 具有不同的频谱特征。在微分方程非线性项中,如驱动力 ( )FBl x i=,这些时间信号相乘,在输入频率的所有组合都会产生失真成分。电流、位移 和速度的瞬时频谱决定了输出信号中失真频谱特点。基于单频激励信号的谐波失真测量的结 果不能充分预知在更复杂激励信号下单元产生的失真。
14、3.2 双频激励信号 为了得到更多有意义的结果,因而需要互调成分的测量。执行这样的测量有很多方法【5】 , 通常使用含两个或以上频率的多音调激励信号,含大量频率的激励音应该更能代表一个真实 的音频信号,但也产生很多需要解读的数据【6】 。比较而言,现在的IEC 标准60268,提 供了一种更实用的方法,如果仔细选择好第一激励频率 1 f和第二激励频率 2 f的话,一个双 音频信号提供给我们最重要的信息。因为大部分常规扬声器,其主要的非线性与位移关联, 我们只好用第一频率 1 f来产生一些音圈位移,因为该频率应该靠近谐振频率,我们也可称 1 f 为基频(低音音调) ,第二频率 2 f可以代表该扬
15、声器通带内的较高的频率成分,因此,我们 叫它语音。图8 显示的是虚构单元在双频激励(粗线表示)下的声压频谱。 图 8,虚构单元在双频激励下( 1S ff=, 2 980fHz=,U1=U2=20V ) ,辐射的声音信号频谱 在图8 的 SPL 谱中的细线是 1 f的谐波(倍频)以及与 2 f的互调(差频及和频),分别在 21 fkf-?和 21 fkf+?,这些谐波分布在语音频率两边,通常所有高阶次的成分随阶次提 高而快速衰减,因此IEC 标准 60268 只考虑低次谐波成分,概述为参考语音频率 2 f幅度的 二次互调失真 2121 2 2 ()() 100% () P ffP ff d P
16、f -+ =? 以及三次互调失真 2121 3 2 (2)(2) 100% () P ffP ff d P f -+ =? 虽然两个激励频率的电压幅度相等,但在图 8 中,在基频 2 f的声压级SPL 比基频 1S ff=处 低 20dB以上,语音频率 2 f的振幅压缩更清晰表示在图9 中,两个基频的SPL 均对应相同 端电压 U1=U2。 图 9,双频激励信号 1S ff=, 2 780fHz=的基频成分的声压幅度对输入电压U1=U2 对端输入电压小于2V,此时峰值位移在1.5mm 已下,输出和输入幅度之间存在一个线性关 系,在更高的电压下,语音频率的SPL 停滞了,因为音圈大部分时间是离开
17、气隙的,因而 有效的激励 2 f 2 fSPL 却不能增长。请注意如果我们没有基频(低音音调) 1 f时,我们测 量语音 2 f,振幅几乎没有压缩。图10 显示的是根据IEC 标准,当基频(低音音调)固定在 谐振频率 1S ff=时,以 2 f频率为参考的三次互调失真,电压U1=U1 的增幅为2V。 图 10,包含可变频率 2 f和固定频率 1S ff=的双频激励,变化的电压(2V 增幅)作用下, 对应的辐射声压响应的三次互调失真 不考虑 1 f谐波与互调成分之间的干扰的话,对于 2 3 S ff的互调成分 2 d和 3 d几乎是常数, 这对由( )Bl x非线性占主导的扬声器是很典型的。互调
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