Simulieren Sie den Lautsprecher mit einem äquivalenten RC-Schaltkreis

Wenn Sie mit einem Audio-Projekt arbeiten, ist der Lautsprecher die am wenigsten betroffene Komponente, aber der Lautsprecher ist ein wesentlicher Bestandteil jeder Audio-bezogenen Schaltung. Ein guter Lautsprecher kann die Geräusche außer Kraft setzen und eine gleichmäßige Ausgabe liefern, während ein schlechter Lautsprecher alle Anstrengungen zerstören kann, selbst wenn der Rest der Schaltung außergewöhnlich gut ist.

Daher ist es wichtig, den richtigen Lautsprecher auszuwählen, da dieser die endgültige Ausgabe für das Endpublikum liefert. Wie wir alle wissen, sind beim Erstellen einer Schaltung nicht alle Komponenten sofort verfügbar, und manchmal konnten wir nicht bestimmen, was ausgegeben werden soll, wenn wir einen bestimmten Lautsprecher auswählen, oder manchmal haben wir einen Lautsprecher, aber nicht das Gehäuse. Dies ist daher ein großes Problem, da die Lautsprecherausgabe in verschiedenen Arten von akustischen Umgebungen völlig unterschiedlich sein kann.

Wie kann man also bestimmen, wie der Sprecher in einer anderen Situation reagiert? Oder wie wird der Schaltungsaufbau aussehen? Nun, dieser Artikel wird dieses Thema behandeln. Wir werden verstehen, wie der Lautsprecher funktioniert, und ein RLC-äquivalentes Modell des Lautsprechers erstellen. Diese Schaltung wird auch als gutes Werkzeug zur Simulation von Lautsprechern in bestimmten Anwendungen dienen.

Aufbau eines Lautsprechers

Der Lautsprecher fungiert als Energiewandler, der elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Ein Lautsprecher hat zwei Konstruktionsstufen, eine ist mechanisch und eine andere ist elektrisch.

Im folgenden Bild sehen wir den Querschnitt eines Lautsprechers.

Wir können einen Lautsprecherrahmen oder eine Halterung sehen, die die Komponenten innen und außen hält. Die Komponenten sind Staubkappe, Schwingspule, Membrankonus, Lautsprecherspinne, Pol und Magnet.

Die Membran ist das Ende, das vibriert und die Vibration in die Luft drückt und so den Luftdruck ändert. Aufgrund seiner Kegelform wird das Diaphragma als Membrankonus bezeichnet.

Die Spinne ist eine wichtige Komponente, die für die ordnungsgemäße Bewegung der Lautsprechermembran verantwortlich ist. Es stellt sicher, dass der Kegel den Lautsprecherrahmen nicht berührt, wenn er vibriert.

Auch die Einfassung, die aus Gummi oder schaumartige Material ist, bietet die zusätzliche Unterstützung für die Kegel. Der Membrankegel ist mit einer elektromagnetischen Spule befestigt. Diese Spule kann sich innerhalb der Stange und des Permanentmagneten frei in der Auf-Ab-Position bewegen.

Diese Spule ist der elektrische Teil des Lautsprechers. Wenn wir dem Lautsprecher eine Sinuswelle zuführen, ändert die Schwingspule die magnetische Polarität und bewegt sich auf und ab, was zu Vibrationen im Kegel führt. Die Vibration wird weiter auf die Luft übertragen, indem entweder Luft gezogen oder gedrückt wird und der Luftdruck geändert wird, wodurch ein Geräusch erzeugt wird.

Modellieren eines Lautsprechers in den Stromkreis

Der Lautsprecher ist die Hauptkomponente für alle Audioverstärkerschaltungen. Mechanisch arbeitet ein Lautsprecher mit vielen physischen Komponenten. Wenn wir eine Liste erstellen, werden die Betrachtungspunkte

1. Suspensionskonformität - Dies ist die Eigenschaft eines Materials, bei dem das Material elastisch verformt wird oder eine Volumenänderung erfährt, wenn es einer aufgebrachten Kraft ausgesetzt wird.
2. Aufhängungswiderstand - Dies ist die Last, der der Kegel beim Bewegen von der Aufhängung zugewandt ist. Es ist auch als mechanische Dämpfung bekannt.
3. Bewegliche Masse - Dies ist die Gesamtmasse der Spule, des Kegels usw.
4. Last der Luft, die durch den Fahrer drückt.

Diese obigen vier Punkte stammen aus mechanischen Faktoren des Sprechers. Es gibt zwei weitere Faktoren, die elektrisch vorhanden sind:

1. Spuleninduktivität.
2. Spulenwiderstand.

Wenn wir also alle Punkte berücksichtigen, können wir mit wenigen elektronischen oder elektrischen Komponenten ein physikalisches Modell des Lautsprechers erstellen. Diese über 6 Punkte können unter Verwendung von drei grundlegenden passiven Komponenten modelliert werden: Widerstände, Induktivitäten und Kondensatoren, die als RLC-Schaltung bezeichnet werden.

Ein grundlegendes Ersatzschaltbild des Lautsprechers kann nur mit zwei Komponenten hergestellt werden: Widerstand und Induktivität. Die Schaltung wird so aussehen-

In dem obigen Bild ist nur ein einzelner Widerstand R1 und ein einzelner Induktor L1 mit einer Wechselstromsignalquelle verbunden. Dieser Widerstand R1 repräsentiert den Schwingspulenwiderstand und der Induktor L1 liefert die Schwingspuleninduktivität. Dies ist das einfachste Modell, das in der Lautsprechersimulation verwendet wird, hat jedoch sicherlich Einschränkungen, da es sich nur um ein elektrisches Modell handelt und es keinen Spielraum gibt, um die Lautsprecherfähigkeit und die Reaktion in einem tatsächlichen physikalischen Szenario zu bestimmen, in dem mechanische Teile beteiligt sind.

Lautsprecheräquivalente RLC-Schaltung

Wir haben also ein Grundmodell für Lautsprecher gesehen, aber damit es richtig funktioniert, müssen wir mechanische Teile mit tatsächlichen physischen Komponenten in dieses Lautsprecheräquivalentmodell einfügen. Mal sehen, wie wir das machen können. Bevor wir dies verstehen, analysieren wir, welche Komponenten benötigt werden und wozu sie dienen.

Für die Aufhängungskonformität kann ein Induktor verwendet werden, da die Aufhängungskonformität einen direkten Zusammenhang mit der bestimmten Änderung des Stromflusses durch die Schwingspule hat.

Der nächste Parameter ist der Aufhängungswiderstand. Da es sich um eine Art von Last handelt, die durch die Aufhängung erzeugt wird, kann zu diesem Zweck ein Widerstand ausgewählt werden.

Wir können einen Kondensator für die bewegte Masse auswählen, der Spulen, die Masse des Kegels, enthält. Und weiter können wir wieder einen Kondensator für die Luftlast auswählen, der auch die Masse des Kegels erhöht; Dies ist auch ein wichtiger Parameter für die Erstellung des sprecheräquivalenten Modells.

Daher haben wir einen Induktor für die Aufhängungskonformität, einen Widerstand für den Aufhängungswiderstand und zwei Kondensatoren für unsere Luftlast und die bewegte Masse ausgewählt.

Als nächstes ist es wichtig, all diese zu verbinden, um ein elektrisch äquivalentes Lautsprechermodell zu erhalten. Der Widerstand (R1) und der Induktor (L1) sind in Reihe geschaltet, was primär und unter Verwendung der parallelen mechanischen Faktoren variabel ist. Wir werden diese Komponenten also parallel zu R1 und L1 verbinden.

Die letzte Schaltung wird so sein:

Wir haben Komponenten in paralleler Verbindung mit R1 und L1 hinzugefügt. C1 und C2 bezeichnen die sich bewegende Masse bzw. Luftlast, L2 die Aufhängungskonformität und R2 den Aufhängungswiderstand.

Das endgültige Ersatzschaltbild des Lautsprechers mit RLC ist unten dargestellt. Dieses Bild zeigt ein genau gleichwertiges Modell des Lautsprechers mit Widerstand, Induktivität und Kondensator.

Wobei Rc - Spulenwiderstand, Lc - Spuleninduktivität, Cmems - Bewegliche Massenkapazität, Lsc - Induktivität der Aufhängungskonformität, Rsr - Aufhängungswiderstand und Kal - Kapazität der Luftlast.

Thiele / Kleine Parameter im Lautsprecherdesign

Jetzt haben wir das äquivalente Modell, aber wie berechnet man den Wert der Komponenten? Dafür benötigen wir Thiele kleine Parameter des Lautsprechers.

Die kleinen Parameter werden aus der Eingangsimpedanz des Lautsprechers abgeleitet, wenn die Eingangsimpedanz der Resonanzfrequenz entspricht und das mechanische Verhalten des Lautsprechers effektiv linear ist.

Thiele-Parameter bieten die folgenden Dinge:

Parameter	Beschreibung	Einheit
	Gesamt-Q-Faktor	Ohne Einheit
	Mechanischer Q-Faktor	Ohne Einheit
	Elektrischer Q-Faktor	Ohne Einheit
	Resonanzfrequenz	Hz
	Der Widerstand der Federung	N. s / m
	Gesamtbewegliche Masse	Kg
	Effektiver Fahrerbereich	Qm
	Äquivalente akustische Lautstärke	Cu.m
	Linearer Hub der Schwingspule	M.
	Frequenzgang	Hz oder kHz
	Volumenverschiebung der Treibereinheit	Cu.m
	Der Widerstand der Schwingspule	Ohm
	Spuleninduktivität	Henry oder Mili Henry
	Kraftfaktor	Tesla / Meter
	Einhaltung der Fahrersuspension	Meter pro Newton

Aus diesen Parametern können wir mit einfachen Formeln ein äquivalentes Modell erstellen.

Der Wert von Rc und Lc kann direkt aus dem Spulenwiderstand und der Induktivität ausgewählt werden. Für andere Parameter können wir die folgenden Formeln verwenden:

Cmens = Mmd / Bl ² Lsc = Cms * Bl ² Rsr = Bl ² / Rms

Wenn der Effektivwert nicht angegeben ist, können wir ihn aus der folgenden Gleichung bestimmen:

Rms = (2 · π · fs · Mmd) / Qms Cal = (8 · p · Ad ³) / (3 · Bl ²)

Aufbau einer RLC-äquivalenten Lautsprecherschaltung mit realen Daten

Während wir gelernt haben, die äquivalenten Werte für die Komponenten zu bestimmen, arbeiten wir mit einigen realen Daten und simulieren den Sprecher.

Wir haben 12S330 Lautsprecher von BMS Speakers ausgewählt. Hier ist der Link dafür.

www.bmsspeakers.com/index.php?id=12s330_thiele-small

Für die Lautsprecher der Thiele - Parameter sind

Aus diesen Thiele-Parametern berechnen wir die äquivalenten Werte.

Daher haben wir die Werte jeder Komponente berechnet, die für das äquivalente 12S330- Modell verwendet werden sollen. Lassen Sie uns das Modell in Pspice machen.

Wir haben die Werte für jede Komponente bereitgestellt und die Signalquelle in V1 umbenannt. Wir haben ein Simulationsprofil erstellt.

Wir haben den DC-Sweep so konfiguriert, dass die Großfrequenzanalyse von 5 Hz bis 20000 Hz bei 100 Punkten pro Jahrzehnt im logarithmischen Maßstab erfolgt.

Als nächstes haben wir die Sonde über unseren entsprechenden Lautsprechermodelleingang angeschlossen.

Wir haben die Spannungs- und Stromspur über Rc, den Widerstand der Schwingspule, hinzugefügt. Wir werden die Impedanz über diesem Widerstand überprüfen. Dazu wissen wir, wie wir wissen, V = IR, und wenn wir das V + der Wechselstromquelle durch den durch den Widerstand Rc fließenden Strom teilen, erhalten wir die Impedanz.

Also haben wir eine Kurve mit der Formel V (V1: +) / I (Rc) hinzugefügt.

Und schließlich erhalten wir das Impedanzdiagramm unseres äquivalenten Lautsprechermodells 12S330.

Wir können das Impedanzdiagramm sehen und wie sich die Lautsprecherimpedanz in Abhängigkeit von der Frequenz ändert.

Wir können die Werte nach Bedarf ändern und dieses Modell jetzt verwenden, um den tatsächlichen 12S330- Lautsprecher zu replizieren .