Simular altaveus amb un circuit rlc equivalent

Si esteu treballant amb algun projecte relacionat amb l'àudio, el component menys preocupat és l'altaveu, però l'altaveu és una part essencial de qualsevol circuit relacionat amb l'àudio. Un bon altaveu pot anul·lar els sorolls i pot proporcionar una sortida suau, mentre que un altaveu dolent pot destruir tots els esforços, fins i tot la resta del circuit és excepcionalment bo.

Per tant, és important seleccionar l’altaveu adequat, ja que és el que produeix la sortida final per al públic final. Però, com tots sabem, mentre fem un circuit, tots els components no sempre estan disponibles fàcilment i, de vegades, no podem determinar quina serà la sortida si seleccionem un altaveu específic o, de vegades, tenim un altaveu però no tenim el recinte. Per tant, aquesta és una gran preocupació, ja que la sortida dels altaveus pot ser completament diferent en diferents tipus d’ambients acústics.

Llavors, Com es determina quina serà la resposta de l’orador en una situació diferent? O quina serà la construcció del circuit? Bé, aquest article tractarà aquest tema. Comprendrem com funciona l’altaveu i construirem un model equivalent de RLC. Aquest circuit també servirà de bona eina per simular altaveus en algunes aplicacions específiques.

Construcció d'un altaveu

L’altaveu actua com un convertidor d’energia, que converteix l’energia elèctrica en energia mecànica. Un altaveu té dos nivells de construccions, un és mecànic i un altre és elèctric.

A la imatge següent podem veure la secció d’un altaveu.

Podem veure un marc o muntura d’altaveu que subjecta els components per dins i per fora. Els components són tap de pols, bobina de veu, con de diafragma, aranya altaveu, pal i imant.

El diafragma és l’últim que vibra i empeny la vibració a l’aire i canvia així la pressió de l’aire. A causa de la seva forma de con, el diafragma es coneix com a con de diafragma.

L’ aranya és un component important que s’encarrega del correcte moviment del diafragma de l’altaveu. Assegura que quan el con vibrarà, no tocarà el marc de l’altaveu.

A més, el embolcall, que és de material de goma o escuma, proporciona un suport addicional al con. El con del diafragma s’uneix amb una bobina electromagnètica. Aquesta bobina es pot moure lliurement en posició amunt-avall dins del pol i de l’imant permanent.

Aquesta bobina és la part elèctrica de l’altaveu. Quan proporcionem ona sinusoïdal a l'altaveu, la bobina de veu canvia la polaritat magnètica i es mou cap amunt i cap avall, la qual cosa genera vibracions al con. La vibració es va transferir a l'aire tot tirant o empenyent l'aire i fent canvis en la pressió de l'aire, creant així so.

Modelar un altaveu al circuit elèctric

L’altaveu és el component principal de tots els circuits de l’amplificador d’àudio; mecànicament, un altaveu funciona amb molts components físics. Si fem una llista, els punts de consideració seran:

1. Compliment de la suspensió: és la propietat d’un material en què el material passa per una deformació elàstica o experimenta un canvi de volum quan està sotmès a una força aplicada.
2. Resistència a la suspensió: és la càrrega, el con està orientat mentre es mou de la suspensió. També es coneix com a amortiment mecànic.
3. Massa mòbil: és la massa total de la bobina, del con etc.
4. Càrrega d'aire que empeny el conductor.

Aquests quatre punts anteriors provenen de factors mecànics del parlant. Hi ha dos factors més presents elèctricament,

1. Inductància de la bobina.
2. Resistència de la bobina.

Per tant, tenint en compte tots els punts, podríem fer un model físic de l’altaveu utilitzant pocs components electrònics o elèctrics. Els que superen els 6 punts es poden modelar utilitzant tres components passius bàsics: resistències, inductors i condensadors que es denoten com a circuit RLC.

Un circuit equivalent bàsic de l’altaveu només es pot fer mitjançant dos components: resistència i inductor. El circuit tindrà aquest aspecte:

A la imatge anterior, només es connecta una única resistència R1 i un sol inductor L1 amb una font de senyal de CA. Aquesta resistència R1 representa la resistència de la bobina de veu i l’inductor L1 proporciona la inductància de la bobina de veu. Aquest és el model més senzill que s’utilitza en la simulació d’altaveus, però, certament, té limitacions, ja que només és un model elèctric i no hi ha marge per determinar la capacitat dels altaveus i com reaccionarà en un escenari físic real on hi ha parts mecàniques.

Circuit RLC equivalent a l’altaveu

Per tant, hem vist un model bàsic d’altaveu, però per fer-lo funcionar correctament, hem d’afegir parts mecàniques amb components físics reals en aquest model equivalent d’altaveu. A veure com ho podem fer. Però abans d’entendre-ho, analitzem quins components es necessiten i quin és el propòsit d’aquests.

Per al compliment de la suspensió, es pot utilitzar un inductor, perquè el compliment de la suspensió té una connexió directa amb el cert canvi en el flux de corrent a través de la bobina de veu.

El següent paràmetre és la Resistència a la suspensió. Com que és un tipus de càrrega que es crea mitjançant la suspensió, es pot seleccionar una resistència per a aquest propòsit.

Podem seleccionar un condensador per a la massa mòbil, que inclou bobines, la massa del con. I, a més, podem seleccionar un condensador de nou per a la càrrega d'aire que també augmenti la massa del con; també és un paràmetre important per crear el model equivalent d’altaveu.

Per tant, hem seleccionat un inductor per a la suspensió de conformitat, una resistència per a la resistència de la suspensió i dos condensadors per a la càrrega d’aire i la massa mòbil.

Ara, el següent important és com connectar tot això per fer un model elèctric equivalent d’altaveu. La resistència (R1) i l’inductor (L1) estan en connexió en sèrie que és primària i que és variable utilitzant els factors mecànics paral·lels. Per tant, connectarem aquests components en paral·lel amb el R1 i el L1.

El circuit final serà així-

Hem afegit components en connexió paral·lela amb el R1 i el L1. C1 i C2 denotaran la massa mòbil i la càrrega d’aire respectivament, L2 proporcionarà el compliment de la suspensió i R2 serà la resistència de la suspensió.

Per tant, el Circuit equivalent final de l’altaveu que utilitza RLC es mostra a continuació. Aquesta imatge mostra un model equivalent exacte de l’altaveu que utilitza resistència, inductor i condensador.

On, Rc - Resistència de la bobina, Lc - Inductància de la bobina, Cmems - Capacitat de massa mòbil, Lsc - Inductància del compliment de la suspensió, Rsr - Resistència a la suspensió i Cal - Capacitat de la càrrega d’aire.

Thiele / Small Parameters in Speaker Design

Ara tenim el model equivalent, però com calcular el valor dels components. Per a això, necessitem els petits paràmetres de Thiele de l’altaveu alt.

Els petits paràmetres es deriven de la impedància d'entrada de l'altaveu quan la impedància d'entrada és la mateixa que la freqüència de ressonància i el comportament mecànic de l'altaveu és efectivament lineal.

Thiele Parameters proporcionarà les següents coses:

Paràmetres	Descripció	Unitat
	Factor Q total	Sense unitat
	Factor Q mecànic	Sense unitat
	Factor Q elèctric	Sense unitat
	Freqüència de ressonància	Hz
	La resistència de la suspensió	N. s / m
	Massa mòbil total	Kg
	Àrea efectiva del conductor	Metres quadrats
	Volum acústic equivalent	Cu.m
	Recorregut lineal de la bobina de veu	M
	Resposta de freqüència	Hz o kHz
	Desplaçament de volum de la unitat del conductor	Cu.m
	La resistència de la bobina de veu	Ohms
	Inductància de la bobina	Henry o Mili Henry
	Factor de força	Tesla / metres
	Compliment de la suspensió del conductor	Metres per Newton

A partir d’aquests paràmetres, podem crear un model equivalent mitjançant fórmules senzilles.

El valor de Rc i Lc es pot seleccionar directament entre la resistència i la inductància de la bobina. Per a altres paràmetres, podem utilitzar les fórmules següents:

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

Si no es dóna l’ Rms, el podem determinar a partir de la següent equació:

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

Construint un circuit d'altaveus equivalent RLC amb dades reals

A mesura que vam aprendre a determinar els valors equivalents dels components, anem a treballar amb algunes dades reals i simulem els altaveus.

Hem seleccionat l’ altaveu 12S330 entre els altaveus BMS. Aquí teniu l’enllaç per al mateix.

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

Per als altaveus, els paràmetres Thiele són

A partir d’aquest paràmetre de Thiele, calcularem els valors equivalents,

Per tant, hem calculat els valors de cada component que s’utilitzarà per al model equivalent 12S330 . Fem el model a Pspice.

Hem proporcionat els valors a cada component i també hem canviat el nom de la font del senyal a V1. Hem creat un perfil de simulació-

Hem configurat l’escombrat de CC per obtenir l’anàlisi de freqüència gran des de 5 Hz fins a 20000 Hz a 100 punts per dècada a escala logarítmica.

A continuació, vam connectar la sonda a través del nostre model d’entrada d’altaveus equivalent-

Hem afegit traça de tensió i corrent a través de Rc, la resistència de la bobina de veu. Comprovarem la impedància a través d’aquesta resistència. Per fer-ho, com sabem, V = IR i si dividim el V + de la font de CA amb el corrent que circula per la resistència Rc, obtindrem la impedància.

Per tant, hem afegit una traça amb la fórmula V (V1: +) / I (Rc) .

I, finalment, obtenim la trama d’impedància del nostre model d’altaveus equivalent de 12S330.

Podem veure la gràfica d’impedància i com canvia la impedància de l’altaveu en funció de la freqüència

Podem canviar els valors segons la nostra necessitat i ara podem utilitzar aquest model per reproduir l’ altaveu 12S330 real .