如何利用Smaartlive测量扬声器阻抗？

山南燕 · 发表于 2009-11-28 12:57:36

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SIA Smaartlive可以测量复杂负载在不同频率下的阻抗。这个功能可以用于检测扬声器单元、音箱以及定压广播系统，还可以辅助设计人员进行设计工作，或者更合理地选择功放。
艾维音响网将对这种测量、以及正确进行这种测量所需的有关理论进行简要介绍。

1.扬声器阻抗
阻抗这个术语广泛用于音响行业，但也经常被误解误用。阻抗是指电路对交流电流阻碍作用的总和，它是频率的复函数，是电压和电流的比值（公式1）。

阻抗的概念类似于直流电路中的电阻。但阻抗不仅仅包含直流电阻，它还包含交流电路中特有的电抗，电抗是由交流电路中的储能原件，如电容、电感等引起的，电抗随频率变化而变化。在工程领域里，阻抗被看作复数，也就是说它同时具有实部（阻性）和虚部（抗性）两部分（公式2）。

阻抗会引起相移：对阻性元件而言，电流和外加电压同相；对抗性元件而言，电流和外加电压之间存在相移。

阻抗幅度（公式3）同时包含了阻性和抗性元件的影响，表示的是对电路中电流的总体阻碍（忽略相位）。这个幅度函数经常在扬声器详细指标中被引用，因为阻抗幅度会影响到驱动音箱所需功放总电流。虽然上述阻抗基本原理常见于各种电路分析教材中，但是在分析扬声器特性的时候，我们更常用到的是驱动源（比如功放）所对应的负载阻抗，或者说负载的输入阻抗这一概念（如图1）。

图1
一个现实中的扬声器，其电气输入阻抗函数是由很多因素决定的，包括电气、机械以及声学特性等方面。从电气方面看，主要是音圈的电阻和电感，以及各种无源分频元件的影响。机械方面的影响包括质量、顺性、以及各单元的力阻等。除此之外，扬声器单元的声阻也是电气阻抗函数的一个相关变量，包括障板负载效应、倒相孔等。我们测量一个典型扬声器时所得到的阻抗函数，就是上述所有因素共同作用下的结果。

图2 单个低音单元装在密封（sealed）和倒相（ported）箱体中时的输入阻抗
图2所示的是把单只低音喇叭单元分别安装在密封式和倒相式箱体中时，测得的阻抗幅度-频率曲线。从图中很容易看出阻抗和频率的关系。在密封式箱体中，阻抗峰是由于单元的力顺和质量之间的共振引起的。而在倒相式箱体中所出现的第二个阻抗峰，则是由倒相管的谐振引起的。阻抗曲线在高频增大是由于音圈电感的影响，而整个图中最小阻抗就是音圈的直流电阻。这些都是真实测量案例中总结出的典型特性，可以为音箱设计和故障判断提供重要依据。本文后面列出了几个参考书目，对理解和应用阻抗数据很有帮助。
2.阻抗测量技巧
有了第一节的基础介绍，我们来进一步研究测量负载阻抗的方法。从图1中我们发现，如果我们能够得到负载在整个工作频率范围内的电压和电流值，就可以直接求出负载阻抗。而电脑声卡本身采集的就是电压信号，所以我们可以直接把负载电压送给声卡输入端，从而测得负载电压值。但是要想测出电流大小就要另想办法了。测量电流最简单的办法，就是用一个分流电阻跟负载串联在一起，这样负载电流就很容易通过分流电阻两端的电压来判断了（参见图3）。绝大部分数字万用表也是用这种方法测量电流的。还有一种方法也可以测得电流信号，需要用到电流互感器等元件，相比而言，分流电阻法是配合Smaartlive测量音箱阻抗的最简单实用的方式了。

图3 利用分流电阻测量阻抗
有上述分析可知，只要测得分流电阻两端的电压，就能求出串联电路电流。但是，如果图3中的信号源是参考于地的，那么由于分流电阻两端电压是悬浮的，要想直接测量分流电阻两端的电压，必须采用差分放大电路。图4所示的，是使用Smaartlive和差分（平衡）测量方法时的电路。差分输入电路可以采用各种形式，上至实验室级别的差动放大器，下至一个普通外置声卡或调音台的平衡线路电平输入部分。不过，如果Smaart用户没有差分输入设备时，或者想要采用更简单的接口方式时，也可以采用单端（非平衡）的测量方式，这时候需要Smaartlive自己去计算出准确的负载电流值。上述两种方法各有利弊，分流电阻阻值的选择也需要斟酌。

图4 差分输入法测量电路图5 单端输入法测量电路
表1中对两种测量方法进行了比较，指出了每种方法的优缺点。一般说来，对于实验室级别的测量，可以采用差分法，配合一台高性能平衡输入前置放大器。如果想选择一个简单、实用的方式，可以采用单端法，但要确保测量系统已经准确校正过。Smaartlive需要采用一个校正电阻作为参考，来尽可能校准测量参数。这个校正电阻用于在校准环节时，临时替代负载阻抗，详细方法后面再介绍。

3.优化测量硬件
在开始投入阻抗测量行动前，你需要先了解如何搭建阻抗测量电路，以及如何将该电路连接到电脑上。分流电阻和校正电阻的选择是否合适，关系到测量结果的准确性。另外，在把音箱功率信号连接到电脑时，也要特别小心。
驱动电路
和Smaartlive中的传输函数以及脉冲响应一样，阻抗测量也需要采用宽带激励信号，比如随机噪声或正弦扫频信号。传输函数测量利用这个信号来驱动待测设备输入端，而阻抗测量时则利用这个信号通过分流电路激励负载。
当一个动圈扬声器被具有较大内阻的信号源（类似分流电路）驱动时，如果在测量场所内有明显噪音，那么音箱会像动圈麦克风一样受噪声干扰产生振动引起感应电流，造成测量结果不准。为了尽可能降低高噪声场所（比如工地、厂房中）中这方面的影响，分流电阻必须选得比较小，同时要使用功率较小的功放来驱动测量电路。但是，这时候必须小心操作，以防损坏电脑硬件。因为功放的输出信号很容易就能超过常规电脑声卡的最大输入电压值。而且由于此时负载电流增大，所以分流电阻的功率承受能力也变得更加重要。在使用功放的时候，输出电压必须限制在安全范围内，也不能超过分流电路电阻的功率。
当环境噪声不足为虑的时候（隔声场所、实验室内等），声卡本身自带的耳机放大器就足以作为安全的激励信号源使用。耳机放大器一般是为阻抗大于30欧姆的负载设计的，因此分流电阻的阻值至少要跟这个数值相当。对于典型扬声器负载来说，只要环境噪声很小，分流电阻不会影响到测量精度。
选择电阻
在根据测量条件和负载情况搭建测量电路的时候，对电阻的阻值、精度、以及功率承受能力都应当优化选取。合理选择分流电阻，可以获得最佳的信噪比，同时最好地利用测量系统的动态范围和分辨率。而校正电阻必须具有足够高的精度，并且和待测负载阻抗具有相同数量级的阻值，才能让测量结果更加准确。当采用功放进行测量时，采用误差2%的无感线绕电阻比较安全，它的耐受功率≥10W。在采用耳机放大器的分流电路中，可以选择误差1%的金属膜电阻，它们的耐受功率从1/4W到2W都有。
分流电阻的阻值应当根据喇叭的大概阻抗选取，并要对功放输出起到合理限制作用。如果阻值选得太小，功放输出电流会很大，会导致电阻烧毁或功放输出失真。如果阻值选得太大，则会导致喇叭两端的电压降过小，使串扰、校准误差等带来的影响增大，影像测量结果的准确性。一般说来，分流电阻值应该跟待测喇叭的阻抗接近，且不能小于功放内阻，校正电阻的阻值也可按此范围选择。比如，当用耳机放大器来测量一个4-16Ω音箱时，采用50Ω的分流电阻和20Ω的校正电阻就比较合适。但是，当测量一个10Ω/70V的定压线路时，采用500Ω的分流电阻更合适一些。表2中，针对采用小功率功放或一般耳机放大器驱动各种类型负载时的分流电阻，给出了相应的建议值。

当测量高阻抗负载时，声卡的输入阻抗对测量的影响比较大，会导致测量结果无效。一般说来，当负载阻抗大于声卡输入阻抗的1/10时，就不能直接用声卡进行测量了，这时候需要增加一台优质高阻缓冲放大器。
分流电阻的功耗不能低于公式4的计算结果。当采用耳机放大器测量绝大部分普通音箱时，采用1/2W的电阻即可。但是在用功放驱动的时候，需要格外重视分流电阻的功耗指标。例如，当功放输出给一个4Ω分流电阻的电压是2Vrms时，该分流电阻的功耗至少要达到1W（连续）。严格遵循上述要求，可以确保阻抗测量的结果更加准确，同时能把烧毁元器件或硬件设备的风险降到最低。

分流电阻功耗计算公式。Vsrcmax是指功放的最大RMS输出电压
4.使用Smaartlive的阻抗测量功能
有了上面关于Smaart阻抗测量的基础知识和测量电路搭建方法，接下来我们就要介绍一下利用Smaart测量阻抗的具体操作。我们以一个5Ω（额定）的二分频近场小音箱为例。
第一步：连接测量电路
根据第3节的建议，这里采用一台耳机放大器，配合声卡进行测量。由于测量的是一只低阻音箱，所以采用一个50Ω的分流电阻，这个阻值属于耳机放大器的容许负载范围内，且有助于增加测量动态范围。测量既可以采用单端法（图4）也可以采用差分法（图5），只要校准得当，两种方法的测量结果基本一致。在这两个图中，未知阻抗Z就是待测音箱或校正电阻所接入的位置。
第二步：设置Smaartlive
Smaartlive进行阻抗测量的设置跟测量传输函数时类似。必须设置好信号发生器，并合理设置输入增益以防削波。启动Smaartlive，进入传输函数测量模式。开启信号发生器，信号一般采用同步扫频正弦波。跟传输函数测量时一样，FFT尺寸和频率分辨率的相互影响也需要权衡设置。在这个例子中，测量时间和数据更新速度并不重要，所以我们选择32K的FFT尺寸。首先断开电路中的待测负载，合理设置信号发生器电平以防止削波。这样一来，后面测试的时候接入任何负载，输入端电平都不会超过此时的设置值（如图6a）。
如果你采用的是单端法，必须调节声卡增益旋钮、调音台平衡控制旋钮等，使得两个输入通道的增益大小完全一致。如果采用差分法，就可以省略这个步骤，因为差分法可以自动补偿通道增益差。进行校准时，首先断开测量电路中的负载，调节增益旋钮直至两通道电平相等（如图6b）。做这个调节的时候，可以同时观察传输函数（对数坐标系）的幅频响应，调节旋钮直至幅频曲线处于0dB位置，这样不仅简单，而且比单独查看电平表要准确。
做完上述调节之后，在软件Transfer Function菜单>Amplitude Scale项中选择“Lin”（线性），即可启动阻抗测量模式（如图7所示）。

图（a）调节信号电平避免削波；（b）单端法测量时两通道电平匹配
第三步：用参考电阻校准测量系统
在启用阻抗测量模式并调节好信号电平之后，将校正电阻（参见第三节的介绍）接到负载位置。双击软件图像显示区域，打开校准对话框（如图8）。选择对应的电路拓扑类型（本例中为单端single-ended），并在“calibrated impedance is”框中输入校正电阻（不是分流电阻）的阻值。这里我们输入49.9Ω，这个值是用精密欧姆表测得的。点击OK完成校准。

图7 启动阻抗测量模式

图8 阻抗校准对话框
第四步：进行阻抗测量
系统校准完之后，图像会显示出校正电阻的阻抗，在我们这个例子中，就是恒定的49.9欧姆（图9）。现在，可以把待测音箱接进来进行测量了。本例音箱测量结果如图10所示。
对这个二分频音箱，很容易可以看出低音单元的谐振频率在90Hz左右，还能看到无源分频网络在高频段引起的阻抗峰。有一点要注意：这只音箱的额定阻抗是5Ω，但是它在整个音频通带内的最小阻抗是3.9Ω。这个信息可以告诉我们单通道功放所能并联该音箱的最大数量是多少，等等。在更高级的应用中，阻抗测量还可以得出单只喇叭单元的Thiele-Small参数等设计参考数据。这个案例说明了SIA Smaartlive的阻抗测量功能的实用和潜在价值。

夜舞の风 · 发表于 2009-11-28 21:42:52

分享,谢谢啊

一个人的摇滚 · 发表于 2010-1-11 14:06:17

可以帮你

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[全频箱] 如何利用Smaartlive测量扬声器阻抗？

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