音圈峰值位移X_max_的评估

为常数，音圈电感 Le（x）与位移无关。 为验证有效性，
这种简化是容许的， 因为笔者的目的是为了找到至少
一个案例证明现在的定义设想是错误的。 根据
AES 2-1984 定义的测量条件，笔者在自由空气中操作
该单元。
2.5 大信号行为的模拟
对于该虚构单元可采用非线性微分方程准确建
模 ，运 用 数 值 积 分 方 法 [5]预 知 在 任 何 输 入 信 号 下 所 有 对
分。在位移上，可能会发现动态下由于不对称的非线性 产 生 的 直 流 （DC）部 分 。 定 义 上 使 用 “百 分 比 失 真 ”或 “百分比偏差”作为线性量度标准，但没有明确应用在 哪种症状上（谐波或输入和输出之间的幅度比）及如何 定义（总的或独立的谐波）。
性能测量并不能直接揭示电动式磁路系统单独的 线性情况，而是考虑了单元的电、机械、声学等的整体 线性。 这种模糊性要求 “积极有意 义”地阐明定义，有用 户根据 IEC 60268 把百分比失真和百分比偏差解释为 总谐波失真 dt。 2.3 假设
扬声器与传声器
Loudspeaker and Microphone
文 章 编 号 ：1002-8684（2009）03-0026-04
音圈峰值位移 Xmax的评估
Wolfgang Klippel （Klippel GmbH， Dresden， 01277， Germany）
王富裕（译） （Tymphany China 迪芬尼中国 惠州超声音响有限公司， 广东 惠州 516223）
应状态变量（电流、位移等）和声输出信号，也可采用
FFT 分析来完成。
用单频（f1=fs）可调端电压 UI来激励单元。 图 3 示
出了电流、 声压和位移各自的总谐波失真随峰值位移
Xmax（f1） 的变化情况。 总谐波失真计算公式为
2
2
2
姨 dt=
P（2f1） +P（3f1） +…+P（Kf1）
×100%
defects. The relationship between performance -based and parameter -based methods is discussed，and both
techniques are tested with real drivers.
【Key words】 voice coil peak displacement； X max ； harmonic distortions； modulation distortions； nonlinear B l （x）；
（2） 基于性能测试的方法考虑了上述因素并测量 最终单元的总体性能。多年来，一直用测量谐波失真与 10%失真阈比较的办法作为定义 Xmax的标准 。 [1-3] 20 年 前，AES 就定义了基于该方法的标准 AES 2-1984。 很 遗憾，该法中很多地方的操作效果并不令人满意，而且 该法未被广泛用于专业或其他音响领域， 因此， 当前 AES 2 标准的修订需要改善Xmax的定义。
的激励信号在近场测试声压的谐波和调制失真的修正方法。 作为替代方法，开发了一种基于参数，给出关于失真、
限幅、缺陷原因更多详细信息的方法。 探讨了基于性能和基于参数 2 种方法之间的关系 ，2 种技术都用实际扬声器
单元进行了试验验证。
【关键词】 音圈峰值位移； Xmax； 谐波失真； 互调失真； 非线性力因子； 非线性顺性； 非线性电感
为比上述定义的模糊性更严格，进行假设： （1） 由电流或位移谐波失真的测量产生可比较的 数 值 Xmax ； （2） 在失真幅度和峰值位移之间存在一个简单的 关系； （3） 失真随输入信号幅度单调增加，10%失真对应 唯 一 的 Xmax 值 ； （4） 谐振频率 fs处谐波失真的测量足以反映磁路 非线性影响。 2.4 虚构的单元 采用电流失真定义Xmax的方法，通过一个虚构单元 来检验上述假设的有效性，该单元的基本参数包括：音 圈 直 流 阻 抗 Re=3.5 Ω；扬 声 器 电 感 Le（x）=1 mH；扬 声 器顺性 Cms（x）=0.7 mm/N；机械阻尼 Qms=7；谐振频率 fs= 47 Hz。 虚构单元力因子 Bl（x）的非线性如图 2 所示。
每种正规的扬声器规格中都有峰值位移参数 Xmax
輦輴讂
2009年 第 33 卷 第 03 期
作为单元设计与扬声器系统设计间的交叉点， 但厂家 间评定 Xmax方法的不同导致这些标称值不具可比性：
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E Loudspeaker and Microphon
（1） 历史上，第一种办法是基于几何尺寸来定义 的， 如从音圈悬浮在间隙外的尺寸或悬吊系统主要部 件的运动范围等几何数 据 导 出 Xmax。 这 种 方 法 忽 视 了 音圈偏移、磁场非对称、悬吊系统问题及其他单元 缺陷。
Bl（x）曲线。 通常对气隙以外圈数少的音圈，Bl（x）曲线
就会呈现如图 2 所示的很早、很强的衰减。 因为 Bl（x）
曲线以单元静止位置（x=0）为中心向内和向外完 全对
称，因此单元只产生 3 次谐波和其他奇次谐波失真。
为使测试尽可能简单， 这个虚构单元忽略了真实
单元固有的其他非线性 ，故假定线性悬 吊顺性 Cms（x）
2
2
2
2
姨P（f1） +P（2f1） +P（3f1） +…+P（Kf1）
（1）
保持很小，即使音圈全部在间隙外也达不到 10%，只是 出 于 常 识 （而 不 是 现 在 的 定 义 ），厂 家 也 不 敢 把 峰 值 位 移标称为 19 mm 或更大。 2.7 源于声压失真的Xmax
有些用户修改了电流失真的Xmax定义， 把 10%失 真阈作为辐射声压总谐波失真， 这种方法通常提供的 Xmax估计值更合理。 然而，从产生相同失真值出发可得 到多个 x 值， 如图 3 中虚构单元就有 3 个Xmax候选值： 1.5 mm，8 mm，13.5 mm，哪个才是正确的标称值呢？ 2.8 定义中存在的问题
力 因 子 Bl（x）不 是 一 个 常 数 ，而 是 音 圈 位 移 的 函 数，在较大位移时，Bl（x）曲线呈对称钟形。 音圈绕线高
輦輵讂 2009年 第 33 卷 第 03 期
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度 5 mm，气隙外分布的杂散磁场就可能导致该特性的
【Abstract】 The voice coil peak displacement X max is an important driver parameter for assessing the maximal
acoustic output at low frequencies. The method defined in standard AES 2-1984 is based on a harmonic distortion
2 AES 2-1984 标准要点回顾
2.1 音圈峰值位移的定义 当 前 标 准 中 的 定 义 为 ：音 圈 峰 值 位 移 Xmax是 指 磁 路
线性偏差达到 10%的位置， 线性可通过测量输入电流 失真百分比或测量位移对输入电流偏差的百分比获 得。 厂家应注明使用方法，测量应在自由空气中、谐振 频率 fs处进行。 2.2 模糊性
2.6 运用 Xmax定义 根据 AES 2-1984，为 得 到 峰 值 位 移Xmax需 要 寻 找
dt=10%的峰值位移点。 在输入电流总谐波失真曲线上 得到Xmax约为 0.6 mm， 相对音圈约 5 mm 的高度值，这 是非常小的值， 故没有哪个厂家愿意定义其扬声器产 品的工作范围这么小。 在-0.6 mm<x<0.6 mm 范围内， Bl（x）只变化 5%，辐射 声压的失真也仅为 2%，厂家很 有可能考虑用另一种测试方法替代。 位移总谐波失真
显 然 ，现 在Xmax的 定 义 中 进 行 的 假 设 是 无 效 的 。 首先，fs处电流和位移失真的各阶谐波幅度不同 。 原因很简单，在谐振频率 fs处，音圈电流基频成分的幅 度最小，因为此处电阻抗最大，然而，更高频率时的阻 抗会低很多，将产生更多的谐波成分，所以谐波幅度更 高。 这种基频“抑制”效果仅适合于音圈电流，对位移和 声压都不是其固有的特征。 在谐波失真和峰值位移之间也没有简单的对应关 系。 当失真停滞在相对小的数值时，可观察到多个Xmax 值，而不是单调增加。 基频位移与输 入端电压的关系曲 线如图 4 所示。
modulation distortion in the near field sound pressure using a two tone excitation signal. Alternatively， a
parameter-based method is developed giving detailed information about the cause of the distortion， limiting and
在目前定义中，磁路线性决定峰值位移Xmax。 评定 线性是通过在特定激励信号下测量扬声器的性能未实 现。 很显然，谐振频率 fs处的单频可变电压 U 被用作激 励信号， 扬声器的非线性体现输入信号和输出幅度之 间的非线性关系，在大振幅时，输出将小于线性模型预 料的值（振幅压缩）。 输出信号的频谱分析揭示了非线 性行为的深层次症状，除激励信号 fs基波频率外，非线 性在基波的倍数频率（即谐波）处产生了多余的频谱成
nonlinear Cms（x）； nonlinear Le（x）
1 引言
具有相近线性参数的扬声器在较高振幅时可能表 现大不相同，在大信号领域，受物理所限，需要在最大 幅度、效率、信号失真、成本、重量、尺寸及其他因素之 间权衡。 因此，通过一些有意 义的参数来评估大信号性 能变得越来越重要。 有多个“传统”描述单元容许负载 和最大输出的参数，其中一个就是最大（线性）峰值位 移 Xmax， 其限制了低频最大输出声压级的最大可移动 空气体积。以 5 dB 增量输入不同电压时，1 m 处测得对 应辐射基波声压频率响应如图 1 所示。