扬声器的主要非线性特性简析

Lili匠

大家对Klippel的工程海报熟悉吗？如果还不熟悉，现在正是时候来了解！因为接下来的几个月我们将会介绍我们的海报，并从“扬声器非线性特性”开始。在该海报中我们罗列出了非线性的主要原因、参数和相关症状：

• Kms(x) 刚性与位移的关系
  
  

悬挂系统的恢复力F=Kms(x)*x是一个仅与位移x有关的函数，而位移是一个有着低通特性的信号，因此x与x的乘积所产生的失真分量只限定于低频段（对于软限制的悬挂系统，在5fs以下）。而由一个低频音和一个高频音组成的激励信号（语音扫描voice sweep或者低音扫描bass sweep）是不会产生多少互调失真分量的，因为高频音产生的位移量很小。因此，测量谐波失真可以为非线性参数Kms(x)提供一个灵敏的症状但却不是特殊症状，如图3所示。
如果Kms(x)曲线是非对称的，那么在谐振频率fs处产生的较大直流偏移Xdc就是它的特殊症状，如图4所示，因为其他的主要非线性是不可能在fs处产生有影响的直流成分的。

• Bl(x) 力因子与位移的关系
  
  

力因数Bl(x)会产生两个影响，即驱动力F=Bl(x)*i产生的参量激励和反电动势U=Bl(x)*v产生的非线性阻力。此两种影响会在位移、电流、速度都较大的低频段产生较高的谐波失真，和Kms(x)几乎相似，因此谐波失真的测量并不能提供任何特殊症状来区分非线性Bl(x)和kms(x)的影响。
对于参量激励来说，如果一个音频产生了较大位移，而另一个音频又能产生足够的电流，这样就会产生较大的互调失真，如图7所示，使用低音扫频，即保持语音频率f2=20fs不变，f1在低频段（0.5fs至2fs）变化。在谐振频率以上位移明显减小，互调失真曲线也随之下降。值得注意的是，声压上测得的互调失真成分要比电流中测得的高得多。在谐振频率以下，单音也会产生一个相对较小的直流偏移，它使得音圈朝着 Bl 极大值方向移动。这种（“自动中心调整”） 现象可以部分弥补音圈平衡位置出现偏移的情况。在谐振频率处，电流与位移成 90° ，因此直流的偏移消失了，在更高频率点，“自动中心调整”的现象出现了翻转，音圈开始向着 Bl(x)曲线向下滑，即使是一个完全对称的 Bl(x)曲线，一个小小的扰动就可以激发这种“音圈跳转”的过程。

这表明了，电动式换能器存在着潜在的不稳定现象，因为来自磁路部分的直流力和来自于悬挂系统的刚性引起的直流力会相互作用。直流成分的零点处(即 Xdc=0)在fs频率点，它通常是非线性特性 Bl(x)的特殊征兆。

• Le(x) 电感与位移之间的关系
  
  

Le(x)的非线性表现为磁通量Φx=L(x)i 的时间导数，单音产生的谐波失真较低。低频时，虽然电流和位移都较大，但通过微分求导后谐波失真就减小了；谐振频率处，电流较小；而高频处，音圈位移又减小了。然而，双音信号就会激发出较高的互调失真了，因为低频音f1产生了较大的位移，高频音f2则提供了足够大的电流。非线性Le(x)的特点就是，在电流中测得的互调失真和在声压信号中测得的互调失真是相等的。

• Le(i) 电感与电流之间的关系
  
  

Le(i)随电流的变化来表针磁导率的变化，该非线性源于磁通量Φi=L(i)i的时间导数。采用低音扫描的方式测试的互调失真揭示出一个特殊征兆，即互调失真响应在谐振频率fs处有一个极小值，如图16 所示。与随着位移变化的非线性特性[Bl(x)、Kms(x)和Le(x)]相比，非线性特性 Le(i)在输入电流和输出声压上都能产生明显的谐波失真(HD、 THD)，如图15 所示。

想要了解更多关于非线性特性的内容，请通过以下链接下载阅读指导性论文“扬声器的非线性特性指南”：

http://klippel.net.cn/fileadmin/klippel/Files/Chinese_Material/Chinese_Loudspeaker_Nonlinearities.PDF

Klippel官网还提供了多个技术应用文章，详细的分步说明将引导用户使用Klippel模组来测量及分析扬声器的非线性性能：

https://klippel.net.cn/know-how/literature/application-notes.html