扬声器阻抗曲线举例说明

扬声器阻抗曲线举例说明

什么是阻抗

在解释扬声器阻抗曲线之前,让我们先了解一下电气基础知识。如果我们在电气系统中施加一个电压时,电气系统将对电流表现出一定程度的阻碍作用。我们称此为阻抗,以欧姆(Ω)为单位。让我们区分一下阻抗和电阻,它们使用相同的度量单位(Ω),但不是相同的东西。

当电路由直流电驱动时,应使用电阻来描述阻碍的大小,它是一个固定值。
当电路由交流电驱动时,应使用阻抗来描述阻碍的大小。由于交流电中的电流是变化的,所以阻抗不仅有幅度分量,而且有相位分量。
扬声器系统使用交流电,因此阻抗是我们的主要研究对象,阻抗值会随频率发生变化。在查看官方提供的规格参数表时,我们可能会同时看到电阻和阻抗值,例如Re= 3.4Ω(电阻)和Z = 4Ω(阻抗)。Re表示音圈的直流电阻,Z表示标称阻抗,这里的“标称”指平均值,由于阻抗会随频率变化,所以我们使用平均值来进行描述。这意味着阻抗将主要在4Ω左右,但是它最高可以达到50Ω,而最低则会到2.5Ω。

扬声器阻抗曲线

扬声器阻抗不是一个固定值,而是随频率变化的。这意味着我们将需要一个图形来准确分辨出驱动器的阻抗。同时由于箱体会影响扬声器的性能,因此同一驱动器的阻抗曲线也会因为箱体的不同而产生变化。那么让我们来看一下,在自由场中的驱动器或密闭箱体中的驱动器的扬声器阻抗曲线。

自由场/密闭箱体中扬声器阻抗图

让我们来分析一下密闭箱体中驱动器的阻抗图。如果将一个扬声器分别放在自由场和密闭箱体中进行测量,两张阻抗图看起来都会很相似。但在密闭箱体中时,阻抗的峰值将出现在较高的频率,这是因为箱体会提高音箱系统的谐振频率。

实线是阻抗。我们以欧姆为单位描述阻抗的大小,在图表的左侧读取相应的数值。
虚线是相位。我们以度为单位描述相位差,您可以在图形的右侧读取相应的数值。

阻抗

阻抗曲线图可以向我们揭示几个重要的有用信息,因此让我们分析一下扬声器阻抗曲线:

图表左侧的最小值是直流电阻(Re)。在我们的曲线图中可以看到大约为3.2Ω。
制造商标注的是标称阻抗,标称阻抗指的是阻抗的平均值。这张图中,标称阻抗为4Ω,仅比Re略高。
阻抗图中的峰值代表谐振频率,对于自由场中的驱动器和密闭箱体中的驱动器来说都是如此。对于密闭箱体中的驱动器来说,如果我们将其与位于自由场中的相同驱动器进行比较,则谐振频率会稍高。

随着频率的升高,阻抗也随之升高。扬声器由多个部分组成,其中有一个是音圈,它是一个电感器。这将表现出与电流相反的电感电抗。由于感抗与频率成正比,因此阻抗随频率的升高而升高。

相位差

在有抗电路(具有电抗和感抗)中,电流和电压之间有时会存在相位不同的情况。这意味着电流将在一定时间段内超前或滞后于电压。这种差异被称为相位差,以度为单位。

相位差的特性:
在容性电路中,电流会超前电压,此时相位差为负。
在感性电路中,电流将滞后于电压,此时相位差为正。
在纯电阻电路中,电流和电压同相,此时相位差为0°。

现在让我们回到音频领域,分析一下扬声器阻抗曲线:

 

根据扬声器系统的电抗变化,相位差的数值也会发生变化。在谐振频率和由于音圈电感导致阻抗开始上升的频率,相位差为0°。

这个相位差在实际应用中可以做什么呢?它可以告诉我们功率放大器在驱动特定负载(扬声器)时自身散发的热量和实际传递给负载的功率之间的关系。相位差会在±90°之间变化,但是在实际情况下,它的范围会更窄:[-45°;+45°]。在0度时,放大器将输出与自身散热量等同的功率。在最坏的情况下(相移为45°),放大器散热的功率将是其提供给负载功率的4倍。因此,如果放大器向扬声器提供100W的功率(相移为45度),则会有400W的功率转化为热能。

译者注:

其中P为有功功率(即功率放大器传递给扬声器的功率),图片为功率因数,图片为相位差。剩余功率则会转化为无功功率,不会为扬声器提供声能的转换或让扬声器发热。如下表:

可以看到当角度在45°时,电压恒定,而电流变为0°时的两倍,负载为一半。所以如果需要得到和0°时相同的功率则需要发出原本4倍的热。
(引用自https://sound-au.com/patd.htm)

倒相式扬声器(开孔扬声器)阻抗图

与自由场或密闭箱体的阻抗图不同,倒相式扬声器阻抗图将显示2个峰值。这是一个例子:

峰值之间的阻抗最低的点表示箱体的谐振频率

根据两个峰之间的高度比较,我们可以考虑以下3种特殊情况:
1. 两个峰的高度相同。这意味着驱动器在自由场中的共振频率(fs)与箱体的共振频率(fb)相匹配。
2. 第一个峰值高于第二个峰值。这意味着fb> fs。
3. 第二个峰高于第一个峰。这意味着fb<fs。

译者注:

一个自由场中,驱动器能发出的最低有效频率为它的共振频率。当驱动器发出的频率达到箱体的共振频率时,驱动器的能量大部分被箱体耗散,导致驱动器无法进行有效的换能。

当箱体共振频率高于驱动器共振频率时,驱动器发出在箱体共振频率时会导致箱体产生严重的失真。

当箱体共振频率低于驱动器共振频率时,驱动器发出的所有频率都不会导致箱体共振。

结论

上矩形

现在,我们已经解释了扬声器阻抗曲线,你可以从曲线中看到其中的含义。无论是自由场中的扬声器、密闭箱体的扬声器和倒相式扬声器,如果您知道在哪里找到阻抗图,它都会为您提供各种有用的信息。

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