电动换能器的大信号行为由各种非线性机制表征,主要与悬吊系统和电机有关,它们定义了最终音频系统的音质、稳定性和最大输出。但换能器的非线性特性在设计阶段就已经设定好了(受限于价格、尺寸、重量和目标市场等产品定位)。
尽管诸如磁体和极板之类的部件有固定的几何结构,它们的非线性在制造中可以被认为是稳定的,但我们必须考虑运动部件的变化,尤其是软部件悬吊系统,它们的变化会使音圈偏移最佳位置,从而显著降低音频系统的整体性能,对于具有高非线性电机的高效换能器(见下图)来说尤为重要。
上图中,音圈置于磁场的中心(最佳位置),Bl(x)曲线非常对称且最大值接近X=0处。但只要音圈动起来,有效Bl值就会下降,并导致声压输出产生压缩和信号失真(谐波失真、互调失真)。
如果音圈的静止位置偏离了最佳位置,上图右侧的Bl特性曲线也会在x轴上左右偏移,引入了额外的非对称性,会产生多达5%的2阶谐波失真;并且双音激励的情况下,可很容易地产生20%-40%的宽带互调失真。非线性力因子Bl的另一个不利影响是会产生动态DC位移,使换能器变得不稳定,产生的DC分量甚至会进一步使线圈远离最佳位置。以上两个问题(失真和不稳定性)对于线性设计的电机可能影响不大,但是对于诸如无自限悬吊系统的微型扬声器,信号限制算法需假设行程范围对称,还需要留有足够位移安全裕量防止机械过载导致损坏和异音,如果音圈偏离最佳位置,会限制最大行程,从而减少输出。
如上所述,非线性力因子Bl和它的非对称性会导致输出声压信号的失真(HD,IMD),进行传统的失真测量是一个比较直接的方法,但是存在以下问题:
非线性Bl主要产生的互调失真需要通过双音信号激励进行测试,对于研发来说是很实用的方法,但是不适用于追求效率的产线测试;
换能器输出信号中的谐波失真(THD/HD)由多种因素共同决定,并不是非线性电机的独有特征,在某些情况下(如电机和悬吊系统同时呈非对称性),音圈偏移甚至会减少失真,使产线上的失真测量顺利通过,但是位移受限和稳定性问题依然存在;
即便较高THD或2阶谐波失真判定出了故障品,但不能提供更多有诊断意义的信息,如根本原因、改进措施指导等,需要专业人员或者研发人员进一步的评估,耗时且不实际。
因此,产线测试不可仅仅依赖失真测量,为保证音质、稳定性、最大行程和输出相关的指定性能,需要直接测量出音圈位置,机械传感器(如激光)并不适用于装配产线,并且无法评估出音圈在磁场中的最佳位置。
KLIPPEL的解决方案是在产线测试序列中添加电机+悬吊系统检查(MSC:Motor+Suspension Check)任务,该模块受专利保护,只需在大信号激励下测量扬声器端子的电压和电流,通过扬声器非线性参数模型建模实现产线上线性和非线性参数(Bl(x)和Kms(x))的快速识别,并计算出有意义的诸如音圈偏移和悬挂不对称性的单值参数。这些参数提供了宝贵信息,可立即采取对应措施来修复扬声器失真、最大输出限制或稳定性问题。
MSC不仅适用于二阶机械系统(喇叭单体或密闭箱体),还可识别开口箱引起的附加声学谐振的四阶系统,并提供箱体参数fb和Qb;识别出的大信号参数(音圈偏移、悬吊系统非对称性等)可比于KLIPPEL R&D系统中的大信号识别模块(LSI:Large Signal Identification)的测量结果。MSC还支持在QC脱机软件版本上运行,不需要Klippel分析仪硬件,只需要集成了电压/电流感测和音频流接口的专业放大器,如Powersoft MEZZO AD系列功放。
KLIPPEL独有功能列表:
5. 电机和悬吊检查 MSC - 保证稳定性、最大输出及低失真
6. 漏气检测 ALD - 声学测量和漏气检测一步到位
7. 漏气听诊 ALS - 定位并可听化漏气
8. 物理测量与感知评估相结合
9. 基于样本池的数据后处理统计
10. 控制规则
【KLIPPEL QC独有功能】系列正在更新,敬请期待!