CN109472054A - 一种扬声器热学参数的分频段识别方法 - Google Patents
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Abstract
一种扬声器热学参数的分频段识别方法，首先，测量扬声器的共振频率，选取扬声器的热学分频点；热学分频点处于中频段，应该远大于共振频率，同时远小于最大工作频率；其次，在分频点处，忽略强迫对流和涡流的影响，测量分频点处的音圈温度曲线，根据音圈温度的理论公式(表达式)，进行曲线拟合，得到线性热学参数；然后，在整个频段选取少数测量频点，测量音圈的温度曲线，基于线性热学参数，计算强迫对流和涡流的热学参数；最后，根据得到的所有热学参数，预测其他频点的扬声器音圈温度。在低于分频点的频段，忽略涡流的影响，选取少量测量频点，测量音圈稳定温度，计算得到总的强迫对流热阻，再拟合得到强迫对流参数：速度因子和位移因子。
Description
技术领域
本发明涉及一种分频段的参数识别方法，用于识别扬声器的热学参数，尤其是辅助分析扬声器的音圈温度。
背景技术
扬声器是一种将电能转换为声能并辐射到介质中的电声换能器。扬声器的电声转换效率很低，通常低于5％。绝大部分的电能转换为热能，并导致音圈等扬声器部件温度升高。过高的温度，限制了扬声器的最大功率，并导致参数漂移、功率压缩等问题，严重时甚至会烧坏扬声器。
热学模型常用于分析扬声器的热学问题。通过对扬声器内部的热学过程建模，Henricksen提出了等效类比电路法，并给出了线性热学模型。Zuccatti和Button等人，陆续提出了二阶的线性热学模型。Klippel和Blasizzo等人，进一步提出了非线性热学模型，以准确分析强迫对流和涡流的影响。
通常，非线性热学模型的参数包含了线性参数、强迫对流和涡流，参数的识别比较困难。本专利提出了一种分频段的参数识别方法，可以有效和准确的获得热学参数。在分频点，强迫对流和涡流的影响可以忽略，拟合音圈的温升曲线，可以直接得到线性的热学参数。在低于分频点的频段，涡流的影响可以忽略，强迫对流的参数可以获得。在高于分频点的额频段，强迫对流可以忽略，涡流的参数可以获得。
发明内容
本发明的目的，一种扬声器热学参数的分频段识别方法，尤其是提出了一种实用的热学参数识别方法，可以简便和有效的识别扬声器的热学参数。基于已识别的热学参数，热学模型可以分析扬声器音圈等部件的温度，辅助于扬声器的结构优化，和输入功率的控制。
本发明的技术方案：一种扬声器热学参数的分频段识别方法，其特征是，首先，测量扬声器的共振频率，选取扬声器的热学分频点；热学分频点处于中频段，应该远大于共振频率，同时远小于最大工作频率；其次，在分频点处，忽略强迫对流和涡流的影响，测量分频点处的音圈温度曲线，根据音圈温度的理论公式(表达式)，进行曲线拟合，得到线性热学参数；然后，在整个频段选取少数测量频点，测量音圈的温度曲线，基于线性热学参数，计算强迫对流和涡流的热学参数；最后，根据得到的所有热学参数，预测其他频点的扬声器音圈温度。
在低于分频点的频段，忽略涡流的影响，选取少量测量频点，测量音圈稳定温度，计算得到总的强迫对流热阻，再拟合得到强迫对流参数：速度因子和位移因子。
在高于分频点的频段，忽略强迫对流的影响，选取少量测量频点，测量音圈温度曲线，拟合得到音圈和磁体的稳定温度，进而计算得到涡流的焦耳热和涡流阻的参数；
图1为动圈扬声器的简化图。基于传热学理论和等效类比方法，可以得到扬声器的热学模型，如图2所示。当馈给扬声器一个恒定的信号，扬声器的音圈温度将逐渐上升，并达到稳定。音圈温度随时间变化的表达式为：
在分频点处，驱动扬声器至温度平衡，测量扬声器的音圈温度曲线。基于音圈温度的表达式，拟合该曲线，可以得到音圈及磁体的稳定温度ΔTvss和ΔTmss，以及时间常数τv和τm，进而得到扬声器的线性热学参数：音圈到磁体和磁体到外界空气的热阻Rtv和Rtm，音圈和磁体的热容Ctv和Ctm。
线性热学参数的计算公式如下：
在低于分频点的频段，选取少量测量频点，测量音圈的稳定温度。根据音圈的稳定温度，计算得到总的强迫对流热阻Rtc(v)+Rta(x)。
强迫对流热阻包含两个：速度相关的热阻Rtc(v)、位移相关的热阻Rta(x)。拟合两个热阻，可以得到对应的速度因子rv和位移因子rx。
在高于分频点的频段，选取少量测量频点，测量和拟合音圈的温度曲线，计算得到涡流Ped和涡流阻Red。其中，涡流分成两个部分Ped1和Ped2，分流因子为α。拟合涡流阻的表达式，可以得到涡流阻的参数Kr和Xr。
Ped＝i2Red
至此，所有的热学参数均已获得。基于已识别的线性热学参数、强迫对流热阻和涡流阻，即可预测其它频率点驱动下，扬声器的音圈温度。
本发明的关键点：通过选取分频点，将强迫对流和涡流的影响分离开，单独识别线性热学参数、强迫对流参数和涡流参数。在低频段，只考虑强迫对流的影响；分频点处，强迫对流和涡流均可忽略；高频段，只考虑涡流的影响。
本发明的有益效果：本发明提高了热学参数识别的效率和准确度，从而加强了非线性热血模型的实用性，更好的分析扬声器的温度分布，辅助扬声器的结构优化和温度控制。通过对比该方法和已有的两种方法，见图7，可以发现，本发明的参数识别方法更加的准确，加强了热学模型在扬声器设计和使用中的作用。
附图说明
图1动圈扬声器的结构示意图；
图2扬声器的非线性热学模型。其中，为音圈的焦耳热功率；Ped为涡流的焦耳热功率，分为Ped1和Ped2；Rtv为音圈到磁体的热阻，Ctv为音圈的热容，Rtm为磁体到外界空气的热阻，Ctm为磁体的热容；Rtc(v)、Rta(x)为强迫对流热阻；Ta、Tv、Tm分别为外界空气、音圈和磁体的温度。
图3分频点处的音圈温升曲线的测量值和拟合值；
图4中，(a)低频段的音圈稳定温度测量值，(b)总的强迫对流热阻；
图5速度相关的和位移相关的强迫对流热阻理论值；
图6中(a)涡流的测量值和拟合值，(b)涡流阻的测量值和拟合值；
图7不同参数识别方法预测的音圈温升曲线与测量曲线，其中：(a)30Hz；(b)10000Hz。
具体实施方式
本发明提出了一种扬声器热学参数的识别方法，通过分频段的方式，分别识别线性热学参数、强迫对流参数和涡流参数，提高了热学参数识别的效率和准确性。下面结合实例进行阐述。
用本发明实际测量了一款动圈式扬声器单元，识别其热学参数，单元的直径为13.5cm。图中防尘帽1、空气2、磁间隙3。
首先，通过电声测量仪器，测量了单元的共振频率fs为66Hz，选取热学分频点为1000Hz。
使用1000Hz的单频信号驱动扬声器，使其达到热学平衡，测量整个过程中的音圈温升曲线。根据音圈温度曲线的理论表达式，拟合测量曲线，见图3，获得扬声器的线性热学参数。
在低于分频点的频段，选取几组测量点，测量音圈的稳定温度。根据强迫对流热阻的表达式，拟合计算得到总强迫对流热阻值，见图4，即可获得速度因子和位移因子。进而，得到速度相关和位移相关的强迫对流热阻理论值，如图5。
在高于分频点的频段，选取几组测量点，测量音圈的温度曲线，并进行拟合，可以得到音圈和磁体的稳定温度。通过音圈和磁体的稳定温度，计算得到涡流的焦耳热功率，进而拟合得到涡流阻的参数，见图6。
至此，所有的热学参数均已获得，见表1。
表1扬声器的热学参数
根据热学参数，可以预测其他频点驱动下的扬声器的音圈温度曲线。实验对比了本发明和已有的两种热学参数识别方法得到的热学参数。根据预测的音圈温度曲线和实测曲线的对比，结果显示本发明的预测曲线与实测曲线吻合度最高，见图7。
Claims (6)
1.一种扬声器热学参数的分频段识别方法，其特征是，首先，测量扬声器的共振频率，选取扬声器的热学分频点；热学分频点处于中频段，应该远大于共振频率，同时远小于最大工作频率；其次，在分频点处，忽略强迫对流和涡流的影响，测量分频点处的音圈温度曲线，根据音圈温度的理论公式(表达式)，进行曲线拟合，得到线性热学参数；然后，在整个频段选取少数测量频点，测量音圈的温度曲线，基于线性热学参数，计算强迫对流和涡流的热学参数；最后，根据得到的所有热学参数，预测其他频点的扬声器音圈温度。
2.根据权利要求1所述的扬声器热学参数的分频段识别方法，其特征是，在低于分频点的频段，忽略涡流的影响，选取少量测量频点，测量音圈稳定温度，计算得到总的强迫对流热阻，再拟合得到强迫对流参数：速度因子和位移因子。
3.根据权利要求1所述的扬声器热学参数的分频段识别方法，其特征是，在高于分频点的频段，忽略强迫对流的影响，选取少量测量频点，测量音圈温度曲线，拟合得到音圈和磁体的稳定温度，进而计算得到涡流的焦耳热和涡流阻的参数。
4.根据权利要求1所述的扬声器热学参数的分频段识别方法，其特征是，得到线性热学参数的具体步骤：根据动圈扬声器的结构图和传热学理论，通过等效类比方法，得到扬声器的热学模型；当馈给扬声器一个恒定的信号，扬声器的音圈温度将逐渐上升，并达到稳定；音圈温度随时间变化的表达式为：
在分频点处，驱动扬声器至温度平衡，测量扬声器的音圈温度曲线；基于音圈温度的表达式，拟合该曲线，得到音圈及磁体的稳定温度ΔTvss和ΔTmss，以及时间常数τv和τm；进而得到扬声器的线性热学参数：音圈到磁体和磁体到外界空气的热阻Rtv和Rtm，音圈和磁体的热容Ctv和Ctm；
线性热学参数的计算公式如下：
5.根据权利要求2所述的扬声器热学参数的分频段识别方法，其特征是，
在低于分频点的频段，选取少量测量频点，测量音圈的稳定温度；根据音圈的稳定温度，计算得到总的强迫对流热阻Rtc(v)+Rta(x)。
强迫对流热阻包含两个：速度相关的热阻Rtc(v)、位移相关的热阻Rta(x)。拟合两个热阻，可以得到对应的速度因子rv和位移因子rx。
6.根据权利要求3所述的扬声器热学参数的分频段识别方法，其特征是，在高于分频点的频段，选取少量测量频点，测量和拟合音圈的温度曲线，计算得到涡流Ped和涡流阻Red；其中，涡流分成两个部分Ped1和Ped2，分流因子为α；拟合涡流阻的表达式，得到涡流阻的参数Kr和Xr；
Ped＝i2Red
至此，所有的热学参数均已获得。基于已识别的线性热学参数、强迫对流热阻和涡流阻，即可预测其他频率输入下的音圈温度。
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