专利名称：动圈扬声器功率压缩的无热阻预测方法
技术领域：
本发明涉及动圈扬声器功率压缩的预测方法，是一种新颖的基于动圈扬声器单元阻抗曲线测量和温升曲线测量的无热阻预测方法。
背景技术：
扬声器是将电信号转换成声信号并向周围媒体辐射的电声换能器。扬声器按换能方式可以分为动圈式、电磁式、静电式、压电式、离子式等，其中动圈扬声器应用广泛，在生活、工程应用领域发挥重要作用。
动圈扬声器在不同功率输入条件下工作时具有不同的温升情况，温度升高的原因是音圈发热。根据音圈材料的温度特性，其直流阻会随着音圈温度升高而增大，直流阻增大会导致输入电功率的减小，最终导致声输出的降低。动圈扬声器在不同功率输入条件下的频率响应相对减小量就是功率压缩值。
为了测量功率压缩值，有人提出了基于线性热等效模型在恒压输入条件下求解关于ΔT的二次方程来计算总热阻，然后利用与总热阻、温升、输入功率相关的功率压缩计算公式把功率压缩值计算出来。但是这样计算有几个弊端，一是线性热等效模型在低频段失效，用该方法计算出来的热阻本身就存在很大误差，计算出的功率压缩必然不准；二是该方法认为音圈在全频段处于同一稳态温度，因而计算出的值与实际结果偏差很大。
目前已经公开发表的相关的方法 1、基于线性热等效模型热阻的功率压缩计算方法。
(1992年)提出了动圈扬声器功率压缩的计算公式， R0为总热阻，Pe为输入电功率。
计算R0则需通过解下面两式得到 k2ΔT2Re+k1ReΔT-V2＝0 其中k1为扬声器最小阻抗和音圈直流阻的比值，k2为温度系数，R0为总热阻。该方法基于的热等效模型在低频失效使其受到限制。
参见DOUGLAS J.BUTTON.Heat dissipation and power compression in loudspeakers[J].J.AudioEng.Soc.，1992，40(1/2)32-41. 2、基于直流阻变化推算温升来计算功率压缩 (2002年)提出了基于三阶线性热等效模型来近似推算音圈温升，再计算出功率压缩值。
其中ΔT为前后温度差，δ为温度系数，Rt为总热阻。
该方法同样是基于热阻的功率压缩计算，由于本身没有基于实测的温度数据，最后的结果误差非常大，同时具有方法1一样的受限制条件。参见WOLFGANG KLIPPEL.Nonlinear modeling ofthe heat transfer in loudspeakers[J].J.AudioEng.Soc.，2004，52(1/2)3-21. 综上情况，现有的技术方法基于热阻来测量计算功率压缩，不仅繁琐而且得不到准确结果。
迄今还未有提出无热阻的功率压缩计算方法。在当今大功率高保真扬声器越来越普及，动圈扬声器功率压缩情况越来越被人们所关注的时代，一个简易快速的功率压缩预测方法对于研发、生产都大有益处。
发明内容
本发明的目的是提供一种动圈扬声器功率压缩的无热阻预测方法。对于任何一种动圈扬声器，只要通过测量动圈扬声器的阻抗曲线和音圈温度变化，利用无热阻功率压缩的判据直接推算出功率压缩值，预测出功率压缩曲线。
本发明的目的是这样实现的首先测量动圈扬声器的阻抗曲线，然后对应频率点测量音圈温度的变化，利用功率压缩的无热阻计算公式，得到特征频率点的功率压缩值，再通过修正公式进行修正，最后预测出不同功率条件下的功率压缩曲线。
动圈扬声器功率压缩的无热阻预测方法对于任何一种动圈扬声器，首先测量扬声器的阻抗曲线和温度曲线，然后提取所需要的频率点的阻抗模值，再利用功率压缩的无热阻计算公式直接算出功率压缩值，如需要对频段预测，用频段算法直接做出功率压缩曲线。作出的曲线为动圈扬声器音圈温度升高前后的频率响应的相对幅度减小曲线。
本发明选取两个特征频率点进行测量谐振频率点和阻抗曲线峰后谷点。测量系统简单，测量设备成本低，能快递预测出功率压缩，本发明方法亦能保证一定的相对精度。本发明的目的还在于对于特征频率点进行单点预测，特征频率点的功率压缩值能一定程度上表征动圈扬声器的散热性能的好坏。不采用热阻计算功率压缩，无需线性或非线性的热等效模型，不受动圈扬声器盆架、振膜等的材料和结构的影响。
本发明方法还包括在测量出阻抗曲线和音圈的温度变化的基础上，利用功率压缩的无热阻计算公式进行计算，该计算式为 本发明的改进还包括动圈扬声器功率压缩的无热阻预测方法，修正公式为
修正系数a，b，c均基于阻抗曲线和温度变化的测量。
其中ZTa为温度升高前的扬声器阻抗模值，ZTc为温度升高后的扬声器阻抗模值，fs0为扬声器阻抗曲线峰后谷点频率，f为所需修正的频率点，Re为音圈直流阻，k为音圈材料温度系数，ΔT为音圈的温升，QT为扬声器总品质因数，Pr为扬声器额定功率，P为输入功率。
本发明的特点是首次提出了不依赖于热阻计算的动圈扬声器功率压缩计算方法。只要已知扬声器的阻抗曲线和温度变化，就可以计算出功率压缩值并预测出不同功率输入条件下的压缩曲线。
图1为本发明方法的流程， 图2为本发明方法框图 图3为本发明扬声器阻抗曲线与压缩曲线的对应 图4为测量音圈温度的电路。
图5给出了利用修正后功率压缩无热阻计算公式计算得到的理论声压级曲线和实测曲线对比。
具体实施例方式 图1、2为本发明的基本方法。
本发明的流程如图1所示。音圈直流阻随着音圈温度的增大而增大，关系式为 ReTc＝ReTa(1+kΔT)ReTc为升温后的音圈直流阻，ReTa为升温前的音圈直流阻，ΔT为前后温度差，k为音圈材料温度系数，对于音圈材料为铜的动圈扬声器，为0.00393K-1。
功率压缩效应是指在扬声器工作时音圈温度升高使得音圈直流阻增大，在扬声器恒压输入情况下，根据P＝U2/R，馈给扬声器的功率会下降，这样便会最终导致灵敏度和辐射效率的下降。一般认为功率压缩效应具体表现在直流阻、电学品质因数、声辐射效率及BL的变化，直接结果就是导致扬声器的频率响应的幅度相对下降。把扬声器电力声系统(H1(s))和热系统(H2(s))均看作连续时间非线性时变系统(图2)，在电信号X(s)馈给扬声器后，系统的热功率输出Y2(s)经过系统H2(s)，输出温度差Y3(s)，负反馈至系统H1(s)，导致最后声学输出Y1(s)的减少。
先前对功率压缩的计算都是基于热阻的方法，由于计入热阻，势必会导致最后在不同频段内计算出来的结果又差异，因为动圈扬声器在低频时产生的空气强迫对流，使得热阻出现非线性，得到的功率压缩结果不准确。
本发明从阻抗曲线出发，得到一个比较方便快速又具有很高精确度的计算方法。
在恒压输入条件下，音圈温度升高前的输出声压级 SPL1＝SPL0+10log10η1P1＝SPL0+10log10η1+10log10P1 温度升高后的输出声压级 SPL2＝SPL0+10log10η2P2＝SPL0+10log10η2+10log10P2 η1，η2分为为温度升高前和温度升高后的扬声器效率。P1和P2分别为温度升高前和温度升高后的扬声器效率。SPL0为1W输入功率条件下的输出声压级。
在ka<<1条件下， 当音圈温度升高后，直流阻变大为之前的(1+kΔT)倍，则η变为原来的1/(1+kΔT)，因此 ZTc＝ZTa+kReΔT 其中ZTa为温度升高前的扬声器阻抗模值，ZTc为温度升高后的扬声器阻抗模值，Re为音圈直流阻，k为音圈材料温度系数，ΔT为音圈的温升。
从上式中可以看到音圈温升达到稳态的情况下，PC值在ZTa达到极小值时达到极大值。所以选取特征频率点，即阻抗曲线的峰后谷点有很好的代表性，同时由于扬声器在谐振频率处出现频率响应峰值，选取谐振频率为另一特征频率点。从图3中可以明显看出功率压缩峰值与阻抗曲线特征频率点的对应关系。
图4为测量音圈温度的电路。电路的基本原理是利用1K的高精度电阻与动圈扬声器分压。Input为信号经功放输出。C6、C7为隔直电容(2.2mF/35V)，两极性电容对接可以实现大容量的非极性电容。R1为0.22ohm/5W的水泥电阻，用于监测音圈电流，R2为温度系数是25ppm/℃的精密电阻，C1、C2用于保护直流稳压源，3阶低通滤波后测量直流电压。由于加了水泥电阻，所以计算式为 根据音圈测温电路的测温结果和从阻抗曲线得到的阻抗模值，直接用公式计算出功率压缩值。
由于实际测量条件下，稳态温度的测量偏差会导致预测幅度误差。需要对结果作出修正，修正项为
修正系数a，b，c通过特征频率点处的功率压缩数据计算得到。其中QT为扬声器总品质因数，fs0为扬声器阻抗曲线峰后谷点频率，Pr为扬声器额定功率，P为输入功率。
具体测量计算实例 下面以1英寸动圈扬声器为例，说明利用无热阻预测方法来计算动圈扬声器功率压缩的过程。
根据测量流程，首先测出动圈扬声器的阻抗曲线，再对应的特征频率点处用图3所示电路测量音圈的温度变化，然后利用无热阻的功率压缩公式计算出单点的功率压缩值，进行修正，再经过频段计算则可得到功率压缩的预测曲线。该动圈扬声器的实测参数 Re＝4.31Ω，f0＝212Hz，fs0＝530Hz，Qm＝9.30，Qe＝4.35，Qt＝2.96，Zmax＝13.53Ω。212HZ和530HZ输入条件下，在不同输入功率情况时，其温度升高分别为50℃和80℃时，通过功率压缩无热阻计算公式计算得到功率压缩理论值为1.03dB/1.65dB(70％Pr/100％Pr)，压缩测得值为0.76dB/1.32dB(70％Pr/100％Pr)，阻抗峰后谷点为530Hz，其对应的压缩理论值为1.08dB/2.26dB(70％Pr/100％Pr)，压缩测得值为0.88dB/1.92dB(70％Pr/100％Pr)。
通过对特征频率点计算出的理论功率压缩值和实际测量值的比较，对修正项参数进行两点求平均计算，得到a＝316*10-4，b＝0.09，c＝0.51所以修正项为 图5给出了利用修正后功率压缩无热阻计算公式计算得到的理论声压级曲线和实测曲线对比。可以看到在低频条件(ka<<1)下，即750HZ以下，利用本发明提供的预测方法得到的功率压缩曲线和理论曲线具有很好的吻合度。
权利要求
1、一种动圈扬声器功率压缩的无热阻预测方法，其特征是对于任何一种动圈扬声器，测量出阻抗曲线和音圈的温度变化，通过功率压缩的无热阻计算公式计算出特征频率点的功率压缩值，然后计算修正公式修正系数，最后得到不同输入功率条件下的功率压缩曲线。
2、如权利要求1所述的动圈扬声器功率压缩的无热阻预测方法，其特征是在测量出阻抗曲线和音圈的温度变化的基础上，利用功率压缩的无热阻计算公式进行计算，该计算式为
3、如权利要求1所述的动圈扬声器功率压缩的无热阻预测方法，其特征是修正公式为
修正系数a，b，c均基于阻抗曲线和温度变化的测量。
4、如权利要求1所述的动圈扬声器功率压缩的无热阻预测方法，其特征是先取谐振频率点和阻抗曲线峰后谷点两个频率点进行测量。
全文摘要
动圈扬声器功率压缩的无热阻预测方法，对于任何一种动圈扬声器，测量出阻抗曲线和音圈的温度变化，通过功率压缩的无热阻计算公式计算出特征频率点的功率压缩值，然后计算修正公式修正系数，最后得到不同输入功率条件下的功率压缩曲线。在测量出阻抗曲线和音圈的温度变化的基础上，利用功率压缩的无热阻计算公式进行计算，该计算式为PC＝10log10[(ZTa+kReΔT)(1+kΔT)/ZTa]。其中功率压缩是指动圈扬声器在不同功率输入条件下的频率响应幅度的相对减少。
文档编号H04R29/00GK101394688SQ200810196479
公开日2009年3月25日 申请日期2008年9月9日 优先权日2008年9月9日
发明者勇 沈, 吴志成, 旭 王, 王晓楠, 飞 孙 申请人:南京大学