Имитация динамика с эквивалентной цепью RC

Если вы работаете с каким-либо проектом, связанным со звуком, наименее интересующий компонент - это динамик, но динамик является неотъемлемой частью любой схемы, связанной со звуком. Хороший динамик может подавлять шумы и обеспечивать плавный выход, в то время как плохой динамик может свести на нет все ваши усилия, даже если остальная часть схемы исключительно хороша.

Поэтому важно выбрать правильный спикер, поскольку именно он производит окончательный результат для конечной аудитории. Но, как мы все знаем, при создании схемы все компоненты не всегда легко доступны, и иногда мы не могли определить, какой будет выход, если мы выберем конкретный динамик или иногда у нас есть динамик, но нет корпуса. Так что это серьезная проблема, поскольку мощность динамика может быть совершенно разной в разных типах акустической среды.

Итак, как определить, какой будет реакция говорящего в другой ситуации? Или какова будет схема построения? Что ж, эта статья будет посвящена этой теме. Мы разберемся, как работает динамик, и построим модель динамика, эквивалентную RLC. Эта схема также послужит хорошим инструментом для имитации динамика в некоторых конкретных приложениях.

Строительство динамика

Динамик действует как преобразователь энергии, который преобразует электрическую энергию в механическую. Громкоговоритель имеет два уровня конструкции: механический и электрический.

На изображении ниже мы видим поперечное сечение динамика.

Мы видим раму динамика или крепление, которое удерживает компоненты внутри и снаружи. Компоненты: пылезащитный колпачок, звуковая катушка, диафрагменный диффузор, паук динамика, полюс и магнит.

Мембранный конец вещь, которая вибрирует и толкает вибрацию в воздух, и, таким образом, изменяя давление воздуха. Из-за своей конической формы диафрагма называется диафрагменным конусом.

Паук является важным компонентом, который отвечает за надлежащее движение диафрагмы Speaker. Это гарантирует, что когда конус будет вибрировать, он не коснется рамы динамика.

Кроме того, обрамление из резины или вспененного материала обеспечивает дополнительную поддержку конуса. Конус диафрагмы прикреплен к электромагнитной катушке. Эта катушка может свободно перемещаться вверх-вниз внутри полюса и постоянного магнита.

Эта катушка является электрической частью динамика. Когда мы подаем синусоидальную волну на динамик, звуковая катушка меняет магнитную полярность и перемещается вверх и вниз, что в результате создает колебания в диффузоре. Вибрация далее передается воздуху за счет вытягивания или выталкивания воздуха и изменения давления воздуха, создавая таким образом звук.

Моделирование динамика в электрической цепи

Динамик является основным компонентом всех схем аудиоусилителя, механически динамик работает с множеством физических компонентов. Если мы составим список, то точки рассмотрения будут следующими:

Податливость подвески - это свойство материала, в котором материал подвергается упругой деформации или испытывает изменение объема при воздействии на него приложенной силы.
Сопротивление подвески - это нагрузка, на которую направлен конус при движении от подвески. Это также известно как механическое демпфирование.
Подвижная масса - это общая масса катушки, конуса и т. Д.
Нагрузка воздуха, проталкивающего водителя.

Эти четыре пункта относятся к механическим факторам динамика. Есть еще два фактора, присутствующих электрически,

Катушка индуктивности.
Сопротивление катушки.

Итак, рассмотрев все моменты, мы могли бы создать физическую модель динамика, используя небольшое количество электроники или электрических компонентов. Те, что выше 6 пунктов, могут быть смоделированы с использованием трех основных пассивных компонентов: резисторов, индукторов и конденсаторов, которые обозначены как цепь RLC.

Базовая эквивалентная схема громкоговорителя может быть сделано только с помощью двух компонентов: резистор и индуктор. Схема будет выглядеть так:

На изображении выше только один резистор R1 и один индуктор L1 подключены к источнику переменного тока. Этот резистор R1 представляет сопротивление звуковой катушки, а индуктор L1 обеспечивает индуктивность звуковой катушки. Это простейшая модель, используемая в моделировании динамика, но, безусловно, у нее есть ограничение, потому что это всего лишь электрическая модель, и нет возможности определить способность говорящего и то, как он будет реагировать в реальном физическом сценарии, где задействованы механические части.

Эквивалентная схема RLC динамика

Итак, мы видели базовую модель динамика, но чтобы она работала должным образом, нам нужно добавить механические части с реальными физическими компонентами в эту эквивалентную модель динамика. Посмотрим, как мы сможем это сделать. Но прежде чем разбираться в этом, давайте разберемся, какие компоненты нужны и для чего они нужны.

Для соответствия требованиям подвески можно использовать индуктор, поскольку соответствие требованиям подвески напрямую связано с определенным изменением тока, протекающего через звуковую катушку.

Следующий параметр - сопротивление подвески. Поскольку это тип нагрузки, создаваемой подвеской, для этой цели можно выбрать резистор.

Мы можем выбрать конденсатор для движущейся массы, в которую входят катушки, масса конуса. И далее мы можем снова выбрать конденсатор для воздушной нагрузки, что также увеличивает массу конуса; это также важный параметр для создания эквивалентной модели динамика.

Итак, мы выбрали один индуктор для соответствия требованиям подвески, один резистор для сопротивления подвески и два конденсатора для нашей воздушной нагрузки и движущейся массы.

Теперь следующая важная вещь - как соединить все это, чтобы сделать электрическую эквивалентную модель динамика. Сопротивление (R1) и катушка индуктивности (L1) включены последовательно, что является первичным и может изменяться с помощью параллельных механических факторов. Итак, мы подключим эти компоненты параллельно с R1 и L1.

Финальная схема будет такой:

Мы добавили компоненты параллельно с R1 и L1. C1 и C2 будут обозначать движущуюся массу и воздушную нагрузку соответственно, L2 - соответствие подвески, а R2 - сопротивление подвески.

Итак, окончательная эквивалентная схема динамика с использованием RLC показана ниже. Это изображение показывает точную эквивалентную модель динамика с резистором, индуктором и конденсатором.

Где, Rc - сопротивление катушки, Lc - индуктивность катушки, Cmems - емкость движущейся массы, Lsc - индуктивность податливости подвески, Rsr - сопротивление подвески и Cal - емкость воздушной нагрузки.

Параметры Тиле / Смолла в конструкции акустической системы

Теперь у нас есть эквивалентная модель, но как рассчитать стоимость компонентов. Для этого нам понадобятся малые параметры громкоговорителя Тиле .

Небольшие параметры выводятся из входного импеданса динамика, когда входное сопротивление совпадает с резонансной частотой, а механическое поведение динамика фактически линейно.

Thiele Parameters предоставит следующее:

Параметры	Описание	Единица измерения
	Общий коэффициент добротности	Безразмерный
	Механическая добротность	Безразмерный
	Электрический коэффициент добротности	Безразмерный
	Резонансная частота	Гц
	Сопротивление подвески	Н. с / м
	Полная движущаяся масса	Кг
	Эффективная зона водителя	Кв.м
	Эквивалентная акустическая громкость	Cu.m
	Линейное перемещение звуковой катушки	M
	Частотный отклик	Гц или кГц
	Объем динамического блока	Cu.m
	Сопротивление звуковой катушки	Ом
	Катушка индуктивности	Генри или Мили Генри
	Фактор силы	Тесла / метры
	Соответствие подвески водителя	Метров на Ньютон

По этим параметрам мы можем создать эквивалентную модель, используя простые формулы.

Значение Rc и Lc можно напрямую выбрать из сопротивления катушки и индуктивности. Для других параметров мы можем использовать следующие формулы -

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

Если среднеквадратичное значение не указано, мы можем определить его из следующего уравнения:

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

Создание схемы динамика, эквивалентной RLC, с использованием реальных данных

Когда мы узнали, как определять эквивалентные значения для компонентов, давайте работать с некоторыми реальными данными и моделировать динамик.

Мы выбрали динамик 12S330 из компании BMS Speakers. Вот ссылка на то же самое.

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

Для акустической системы в Тиле параметры являются

По этим параметрам Тиле мы рассчитаем эквивалентные значения,

Итак, мы рассчитали значения каждого компонента, который будет использоваться для эквивалентной модели 12S330 . Сделаем модель в Pspice.

Мы предоставили значения каждому компоненту, а также переименовали источник сигнала в V1. Мы создали профиль моделирования-

Мы настроили развертку по постоянному току, чтобы получить большой частотный анализ от 5 Гц до 20000 Гц по 100 точкам за декаду в логарифмической шкале.

Затем мы подключили пробник к входу эквивалентной модели динамика -

Мы добавили кривые напряжения и тока через Rc, сопротивление звуковой катушки. Мы проверим сопротивление на этом резисторе. Для этого, как мы знаем, V = IR, и если мы разделим V + источника переменного тока с током, протекающим через резистор Rc, мы получим полное сопротивление.

Итак, мы добавили след с формулой V (V1: +) / I (Rc) .

И, наконец, мы получаем график импеданса нашей эквивалентной модели динамика 12S330.

Мы можем увидеть график импеданса и то, как импеданс динамика изменяется в зависимости от частоты.

Мы можем изменить значения в соответствии с нашими потребностями, и теперь мы можем использовать эту модель для копирования настоящего динамика 12S330 .