声学漫谈之七：扬声器等效电路与参数

扬声器系统是一个弱非线性、时不变、因果性、稳定的动态系统。

弱非线性

在非线性系统中又分强非线性和弱非线性，两者只是一个定性的概念。在非线性物理系统中，其微分方程中包含了常系数线性项，以及非线性项。当非线性部分与线性部分相比是比较微小的时候，这种系统可以称为弱非线性系统。扬声器正是这种弱非线性的系统。

时不变性

系统的参数不会随时间而变化，同一个输入信号，不论输入时间先还是后，输出的响应信号都是一样的。需要注意的是，扬声器只能基本上算是时不变系统，因为其某些参数在长时间工作以后，特性可能会有些变化，比如线圈。

因果性

即输出只取决于输入，和此前的信号无关，也不会影响以后的输出信号。

稳定系统

只要输入是有界的，可收敛的，输出必定是有界的，可以收敛的。

 

扬声器系统实现了电声的转换，系统中其实包括了电-->力-->声之间的转化。扬声器的等效电路有多种的表达方式，有声学、力学、电学等。对于音频功放的设计或者应用者来说，关注的是其电学的等效电路，如下图所示。

其中，

eg是输入信号源（比如正弦波，PWM波等）；

Rg是输入信号源的内阻（一般比较小，mΩ级别）；

Re是音圈电阻（Ω级别，常见的是8Ω）；

Le是音圈电感（几十uH级别，常见的是33uH）；

Res是扬声器等效声阻折算到电路端的电阻（Ω级别）

Les是扬声器等效声顺折算到电路端的电感（mH级别）

Ces是扬声器等效声质量折算到电路端的电容（百uF级别）

根据上图中的等效电路，可以得到扬声器的电学等效阻抗可以表示为：

等效阻抗随着频率变化的曲线如下图所示，横轴为信号频率，纵轴为扬声器阻抗。

 

从图中可以看出，阻抗的模值会随着频率变化，当频率从低频逐渐增大时，阻抗曲线慢慢上升。当在某个频率点，阻抗曲线会出现一个峰值，该频点就是扬声器的谐振频点，经过谐振点以后，阻抗快速下降到最低点。此最低点对应的阻抗就是扬声器的额定阻抗（又称为标称阻抗，扬声器手册中给出的额定阻抗，一般和此点阻抗的偏差小于20%）。

扬声器的阻抗实际上由3部分组成，a表示扬声器音圈的直流阻抗，不随频率变化（严格讲会随着温度变化）；b表示电感部分，根据电感特性其感抗随频率上升而增加，和音圈的绕法、匝数有关；c表示反电动势部分，当音圈振动时，会产生一个反电动势，反电动势的电流与音圈输入电流的方向相反，事实上相当于减小输入电流，输入电流减小，则说明阻抗增高。

阻抗曲线在共振频率附近急剧上升，在高频部分随音圈电感增大而加大。扬声器额定阻抗的对应点，是由《声系统设备第五部分扬声器主要性能测试方法》（GB/T 12060.5-2011）确定的。定义为阻抗曲线上紧跟在第一个极大值后面的极小值。

根据欧姆定律，在额定阻抗点，电流最大，如果扬声器及驱动它的放大器在最大电流时能正常工作，那么在其他频率出对应的阻抗值时也能更好地工作，这也是选择最小阻抗值为额定阻抗的理由。

需要注意的是，扬声器的谐振频率f0是由纸盆、音圈、定心支片等振动系统共振造成的，峰值所对应的阻抗是扬声器的最大阻抗，在此时，扬声器的振幅最大，音圈的位移最大。

扬声器的电声参数主要有额定功率，额定阻抗，频率响应，灵敏度，指向性，失真度，效率，瞬态特性，相位特性等。

额定功率：

扬声器的额定功率是指在非线性失真不超过该扬声器所许可范围内最大输入的电功率，指的是在一段时间内的平均功率。它是扬声器正常工作的功率，又称为标称功率。

在实际应用中，在短时间内可能会存在大大超过额定功率的峰值功率。因此，额定功率又分为长期最大功率，和短期最大功率。在扬声器的规格书中标出的额定功率一般是指长期功率，扬声器可以长时间工作在此状态下；而短期最大功率一般会以最大功率给出，指的是短时间内最大的功率。

短期最大功率比长期最大功率大很多，一般前者是后者的几倍。

额定阻抗：

是指在扬声器输入端测得的电阻抗，其实频率的函数，前文已经有描述。

频率响应：

是指在自由场的条件下，在恒定电压作用下，扬声器在参考轴上离参考点1m处所产生的声压随频率变化的特性。它反映了扬声器对于各种频率的声波辐射能力。在实际应用中，常常根据不同的用途来选择扬声器，这时，扬声器的频率特性往往是需要首先考虑的。

灵敏度：

在扬声器的有效频率范围内，给他相当于在额定阻抗上有1W电功率的窄带噪声信号。在其参考轴上离参考点1m处，读出各规定频率点的声压，然后求其算术平均值，这样求得的灵敏度称为平均特性灵敏度。

当用粉红噪声作为测试音源的时候，测试到的灵敏度称为扬声器的特性灵敏度。

指向性：

是指扬声器辐射的声压随方向不同而变化的特性，反映了扬声器在不同方向上辐射的本领。扬声器的声辐射会明显表现出指向性，而且频率越高，指向性越强。

谐波失真：

是指当给扬声器输入某一频率的正弦波信号时，扬声器输出信号中除了出现原输入信号的频率成分（基波），同时还出现与基波频率成整数倍关系的频率信号（称为谐波），这种现象称为谐波失真（THD）。

互调失真：

是指当扬声器输入不是单一频率的信号（实际应用中多为复音）时，输出信号中除了含有原来的频率信号，还包括输入频率的谐波，以及两个频率之间的差拍、和拍等频率分量。这些和频、差频的分量失真成分叫做互调失真。

效率：

输出声功率和输入电功率的比值。

瞬态特性：

用来描述扬声器的振动系统对于快速变化信号的跟随能力。由于振动系统存在着惯性，往往是跟不上系统的快速变化，从而引起输出的波形失真，这种失真称为瞬态失真。

瞬态失真与扬声器的频率响应、相位特性、振膜的力阻、振动系统的质量等因素相关。频带越宽，振动系统的质量越小，则惯性越小，瞬态特性就越好。

相位特性：

是指输出信号与输入信号之间的相移随着频率变化的特性。根据信号传输理论，信号不失真的相位特性是相移与频率成线性关系。如下式所示，Φ为相移，f为频率，τ为延迟时间。

Φ=2πfτ