CN1173105A - 伪零阻抗扬声技术及扬声系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扬声技术的改进以及使用该技术的扬声系统,实时测量与扬声器振动膜运动速度相关的物理量,该物理量与扬声系统拾取的音频信号共同控制振动膜的运动,使振动膜的速度V(t)与扬声系统拾取的音频信号U(t)之间满足V(t)=KU(t),其中K为常量。本发明使扬声系统具有较为理想的频响特性,即减小扬声系统的选频性,使之具有好的声音还原性。

Description

伪零阻抗扬声技术及扬声系统

本发明涉及一种扬声技术的改进以及使用该技术的扬声系统。

对于广泛使用的扬声器，音频信号电压直接加在线圈两端，因为存在扬声器线圈的阻抗，使系统具有选频性，扬声系统的频率响应不理想。为了克服这个缺陷，人们采用多个扬声器分频扬声及附加频率补偿电路等方法，但效果仍不理想。

本发明的目的是提供一种扬声器的驱动技术，使扬声系统具有较为理想的频响特性，即减小扬声系统的选频性，使之具有好的声音还原性。

本发明的另一个目的是提供应用上述方法的扬声系统。

本发明的方案是：实时测量与扬声器振动膜运动速度相关的物理量，该物理量与扬声系统拾取的音频信号共同控制振动膜的运动，使振动膜的速度V(t)与扬声系统拾取的音频信号U(t)之间满足V(t)＝KU(t)，其中K为常量。

上述方法中与振动膜运动速度相关的物理量可以是线圈在磁场中运动的动生电动势。

应用上述方法的扬声系统为：电压比较器的一个输入端作为音频信号输入端，其输出端经功率放大器接扬声器驱动及信号采样电路，该电路经反馈电路接电压比较器的另一个输入端，扬声器与扬声器驱动及信号采样电路的输出端相联。

在扬声系统中，电动扬声器线圈阻抗导致扬声系统的选频性。下面证明若线圈阻抗为零，则扬声系统无选频性。设某电动扬声器线圈阻抗为零，则：

        U＝Em＝2πrN|B||V|式中Em为线圈动生电动势，r为线圈半径，N为线圈匝数，B为磁感应强度。故线圈速度V＝U/(2πrN|B|)                 …………………………(1)磁场对线圈的作用力

      f＝2πrNI|B|这样，扬声器功率输出

      P＝FV＝IU                       …………………………(2)可见，能量转换过程中无能量损失。

下面以受迫振动模型考察电声能量转换。因为一周期内扬声器换能 $W=m{\∫}_0^T\mathrm{fVdt}=\left[{\∫}_0^T(d^{2}X/{\mathrm{dt}}^2+2\mathrm{\βdX}/\mathrm{dt}+{\mathrm{\ω}}_0^{2}X)\mathrm{Vdt}\right]\·m$ 式中X为线圈位移，β为系统阻尼系数，T为系统振动周期。取f(t)＝f_oexp(jωt)，则周期内平均换能功率为 $\stackrel{\‾}{P}=\∫2\mathrm{\βm}{(\mathrm{dX}/\mathrm{dt})}^2\mathrm{dt}/T=\mathrm{\β}{\stackrel{\‾}{V}}^2\·m=L\stackrel{\‾}{V^2}-----\left(3\right)$ 其中m为振动膜与线圈的质量和；L＝β·m为常量。由(1)、(3)式可以看到，零阻抗扬声器不具有选频性。鉴于声波的平均能流密度与空气振动速度平方的平均值成正比，振动膜表面空气速度等于振动膜振动速度，及(3)式结果，我们有理由认为零阻抗电动扬声器为理想扬声器。

本发明实时测量与振动膜运动速度有关的物理量，将该物理量反馈，与系统拾取的音频信号U(t)共同控制振动膜的运动V(t)，使V(t)＝KU(t)，其中K为常量。即扬声系统设有选频性，具有理想的声音还原性。所述的装置由扬声器驱动及信号采样电路取得一个反映扬声器振动膜运动速度的物理量，例如线圈感生电动势，将此物理量经反馈电路送入电压比较器，与送入电压比较器的音频信号一起经功率放大器控制扬声器，从而达到本发明的目的。

图1为本发明结构原理图。

图2为本发明实施例电路图。

如图1所示，音频信号AB输入电压比较器1的一个输入端，电压比较器输出端经功率放大器2接扬声器驱动及信号采样电路4，扬声器SP与之相联，扬声器驱动及信号采样电路4的输出端由反馈电路3接电压比较器的另一个输入端。

图2中，M构成电压比较器，Q1、Q2构成功率放大器，R2、R3、R4、L构成扬声器驱动及采样电路，M2、M3、M4构成反馈电路。

音频信号由AB端输入系统，经M1后由Q1、Q2构成的电流放大器进行功率放大；由R2、R3、R4、L及扬声器SP构成桥式双采样电路，d点电压 $\mathrm{Ud}=\frac{R3}{R2+R3}\mathrm{Uc}$ 为参考电压；f点电压 $\mathrm{Uf}=\frac{R4+\mathrm{j\ωL}}{R4+\mathrm{Rs}+\mathrm{j\ωL}+\mathrm{j\ωLs}}(\mathrm{Uc}-\mathrm{Em})$ 为速度相关信号，式中Rs、Ls分别为扬声器SP的电阻和电感。取R2＝R3、R4＝Rs、L＝Ls则有Ud＝Uc/2，Uf＝(Uc-Em)/2。

Ud经M3缓冲以减小采样对电路的影响；Uf经M4、M5、M6构成的反相缓冲器反相。若M4的输入阻抗为无穷大，则

        (Ud-Ug)/R7＝(Ug+Uf)/R8取R7＝R8则Ud-Uf＝2Ug所以

      Ug＝(Ud-Ug)/2＝Em/4这样便生成了动生信号Ug；Ug经M2缓冲后进入M1负端与AB输入的音频信号共同控制电动扬声器振动膜的运动。

若AB输入电平U高于动生信号Ug，则比较器M1输出端输出高电平使Uc＝+E，扬声器SP的振动膜迅速正向加速或反相减速；扬声器线圈的动生电动势Em随线圈速度的变化而升高；Ug随之升高；比较器负端输入电位升高。当Ug升至等于高电平U时，振动膜速度停止改变。相反，若U低于Ug，比较器M1输出端低电平使Uc＝-E，扬声器线圈的动生电动势Em随线圈速度的改变而降低；Ug随之降低。当Ug降至等于U时，振动膜速度停止改变。由于振动膜加速时间相对于音频信号周期极短，我们可以认为AB端输入电压U与Ug总保持相等。由于Ug＝Em/4，Em＝2πrN|B|V，所以伪零阻抗扬声系统在音频条件下满足

      U＝KV这样，电路实现了伪零阻抗扬声。

Claims (3)

1、一种伪零阻抗扬声技术，其特征在于实时测量与扬声器振动膜运动速度相关的物理量，该物理量与扬声系统拾取的音频信号共同控制振动膜的运动，使振动膜的速度V(t)与扬声系统拾取的音频信号U(t)之间满足V(t)＝KU(t)，其中K为常量。

2、根据权利要求1所述的扬声技术，其特征在于与振动膜运动速度相关的物理量是线圈在磁场中运动的动生电动势。

3、一种应用上述方法的扬声系统，其特征在于电压比较器的一个输入端作为音频信号输入端，其输出端经功率放大器接扬声器驱动及信号采样电路，该电路经反馈电路接电压比较器的另一个输入端，扬声器与扬声器驱动及信号采样电路的输出端相联。