同等のrlc回路でスピーカーをシミュレートする

オーディオ関連のプロジェクトで作業している場合、最も懸念の少ないコンポーネントはスピーカーですが、スピーカーはオーディオ関連の回路の重要な部分です。良いスピーカーはノイズを無効にしてスムーズな出力を提供できますが、悪いスピーカーは回路の残りの部分が非常に優れていてもすべての努力を破壊する可能性があります。

したがって、エンドオーディエンス向けの最終出力を生成するスピーカーであるため、適切なスピーカーを選択することが重要です。しかし、ご存知のように、回路を作成している間、すべてのコンポーネントがすぐに利用できるとは限らず、特定のスピーカーを選択した場合、またはスピーカーはあるがエンクロージャーがない場合、出力がどうなるかを判断できない場合があります。したがって、スピーカー出力はさまざまなタイプの音響環境で完全に異なる可能性があるため、これは大きな懸念事項です。

では、別の状況でスピーカーの反応がどうなるかを判断するにはどうすればよいでしょうか。または、回路構成はどうなりますか？さて、この記事はこのトピックをカバーします。スピーカーがどのように機能するかを理解し、スピーカーのRLC同等モデルを構築します。この回路は、特定のアプリケーションでスピーカーをシミュレートするための優れたツールとしても機能します。

スピーカーの構築

スピーカーは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するエネルギー変換器として機能します。スピーカーには2つのレベルの構造があり、1つは機械式、もう1つは電気式です。

下の画像では、ラウドスピーカーの断面を見ることができます。

コンポーネントを内側と外側に保持しているスピーカーフレームまたはマウントを見ることができます。コンポーネントは、ダストキャップ、ボイスコイル、ダイヤフラムコーン、スピーカースパイダー、ポール、およびマグネットです。

ダイヤフラム空気に振動を押す振動およびエンドものであり、したがって、空気圧を変化させます。その円錐形のため、ダイヤフラムはダイヤフラムコーンと呼ばれます。

スパイダーは、スピーカ振動板の適切な移動の原因である重要な成分です。コーンが振動するときに、スピーカーフレームに触れないようにします。

また、ゴムまたはフォームのような素材であるサラウンドは、コーンに追加のサポートを提供します。ダイヤフラムコーンには電磁コイルが取り付けられています。このコイルは、ポールと永久磁石の内側で上下位置に自由に動くことができます。

このコイルはスピーカーの電気部分です。スピーカーに正弦波を送ると、ボイスコイルが磁気の極性を変えて上下に動き、その結果、コーンに振動が発生します。空気を引っ張ったり押したりして気圧を変えることで、振動がさらに空気に伝わり、音が発生します。

電気回路へのスピーカーのモデリング

スピーカーはすべてのオーディオアンプ回路の主要コンポーネントであり、機械的には、スピーカーは多くの物理コンポーネントで動作します。リストを作成すると、考慮事項は次のようになります-

サスペンションコンプライアンス–これは、材料が弾性変形したり、力が加えられたときに体積が変化したりする材料の特性です。
サスペンション抵抗–これは負荷であり、サスペンションから移動するときにコーンが向いています。メカニカルダンピングとも呼ばれます。
移動質量-コイル、コーンなどの総質量です。
ドライバーを押し通している空気の負荷。

上記の4つのポイントは、スピーカーの機械的要因によるものです。電気的に存在する要因はさらに2つあります。

コイルインダクタンス。
コイル抵抗。

したがって、すべての点を考慮することで、いくつかの電子部品または電気部品を使用してスピーカーの物理モデルを作成できます。6点を超えるものは、RLC回路として示される抵抗器、インダクター、およびコンデンサーの3つの基本的な受動部品を使用してモデル化できます。

スピーカーの基本的な等価回路は、抵抗とインダクタ：2つの成分のみを使用して作製することができます。回路は次のようになります-

上の画像では、単一の抵抗R1と単一のインダクタL1のみがAC信号源に接続されています。この抵抗R1はボイスコイルの抵抗を表し、インダクタL1はボイスコイルのインダクタンスを提供します。これはスピーカーシミュレーションで使用される最も単純なモデルですが、確かに制限があります。これは電気モデルにすぎず、スピーカーの能力と、機械部品が関係する実際の物理シナリオでスピーカーがどのように反応するかを決定する余地がないためです。

スピーカー等価RLC回路

スピーカーの基本モデルを見てきましたが、正しく動作させるには、そのスピーカー相当モデルに実際の物理コンポーネントを備えた機械部品を追加する必要があります。どうすればそれができるか見てみましょう。しかし、これを理解する前に、必要なコンポーネントとその目的を分析しましょう。

ためのサスペンションコンプライアンスサスペンションコンプライアンスは、ボイスコイルを流れる電流で一定の変化との直接接続を持っているので、インダクタを使用することができます。

次のパラメータはサスペンション抵抗です。サスペンションによって発生する負荷の一種であるため、抵抗を選択することができます。

コイルを含む移動質量、円錐の質量用のコンデンサを選択できます。さらに、空気負荷用にコンデンサを再度選択すると、コーンの質量も増加します。これは、スピーカーと同等のモデルを作成するための重要なパラメーターでもあります。

そのため、サスペンションコンプライアンス用に1つのインダクタ、サスペンション抵抗用に1つの抵抗、および空気負荷と移動質量用に2つのコンデンサを選択しました。

さて、次の重要なことは、これらすべてを接続して、スピーカーの電気的に同等のモデルを作成する方法です。抵抗（R1）とインダクタ（L1）は直列接続されており、一次側であり、並列の機械的係数を使用して可変です。したがって、これらのコンポーネントをR1およびL1と並列に接続します。

最終回路はこんな感じになります-

R1およびL1と並列接続するコンポーネントを追加しました。C1とC2はそれぞれ移動質量と空気負荷を示し、L2はサスペンションコンプライアンスを提供し、R2はサスペンション抵抗を示します。

したがって、RLCを使用したスピーカーの最終的な等価回路を以下に示します。この画像は、抵抗、インダクタ、およびコンデンサを使用したスピーカーの正確に同等のモデルを示しています。

ここで、Rc –コイル抵抗、Lc –コイルインダクタンス、Cmems –移動質量静電容量、Lsc –サスペンションコンプライアンスのインダクタンス、Rsr –サスペンション抵抗、Cal –空気負荷の静電容量。

スピーカー設計におけるティール/スモールパラメーター

これで同等のモデルが得られましたが、コンポーネントの値を計算する方法です。このためには、ラウドスピーカーの ティールスモールパラメーター が必要です。

小さなパラメータは、入力インピーダンスが共振周波数と同じであり、スピーカーの機械的動作が事実上線形である場合に、スピーカーの入力インピーダンスから導出されます。

ティールパラメータは次のものを提供します-

パラメーター	説明	単位
	合計Qファクター	ユニットレス
	機械的Qファクター	ユニットレス
	電気的Qファクター	ユニットレス
	共鳴周波数	Hz
	サスペンションの抵抗	N. s / m
	総移動質量	Kg
	有効なドライバーエリア	平方メートル
	同等の音響ボリューム	立方メートル
	ボイスコイルの直線移動	M
	周波数応答	HzまたはkHz
	ドライバーユニットの容積変位	立方メートル
	ボイスコイルの抵抗	オーム
	コイルインダクタンス	ヘンリーまたはミリヘンリー
	フォースファクター	テスラ/メートル
	ドライバーサスペンションのコンプライアンス	ニュートンあたりのメートル

これらのパラメーターから、簡単な式を使用して同等のモデルを作成できます。

RcとLcの値は、コイルの抵抗とインダクタンスから直接選択できます。その他のパラメータについては、次の式を使用できます–

Cmens = Mmd / Bl ² Lsc = Cms * Bl ² Rsr = Bl ² / Rms

Rmsが与えられていない場合、次の式から決定できます-

Rms =（2 * π* fs * Mmd）/ Qms Cal =（8 * p * Ad ³）/（3 * Bl ²）

実際のデータを使用してRLCと同等のスピーカー回路を構築する

コンポーネントの同等の値を決定する方法を学習したので、実際のデータを操作してスピーカーをシミュレートしましょう。

BMSスピーカーから12S330スピーカーを選びました。これが同じリンクです。

www.bmsspeakers.com/index.php?id=12s330_thiele-small

スピーカーの場合、 ティールパラメータ は次のとおりです。

このティールパラメータから、同等の値を計算します。

そこで、 12S330 相当モデルに使用する各コンポーネントの値を計算しました。Pspiceでモデルを作りましょう。

各コンポーネントに値を提供し、信号ソースの名前をV1に変更しました。シミュレーションプロファイルを作成しました-

対数目盛で10年ごとに100ポイントで5Hzから20000Hzまでの大きな周波数分析を取得するようにDCスイープを構成しました。

次に、同等のスピーカーモデル入力にプローブを接続しました-

ボイスコイルの抵抗であるRcの両端に電圧と電流のトレースを追加しました。この抵抗の両端のインピーダンスをチェックします。これを行うには、ご存知のとおり、V = IRであり、AC電源のV +を抵抗Rcを流れる電流で除算すると、インピーダンスが得られます。

そこで、 V（V1：+）/ I（Rc）の 式でトレースを追加しました。

そして最後に、12S330の同等のスピーカーモデルのインピーダンスプロットを取得します。

インピーダンスプロットと、周波数に応じてスピーカーのインピーダンスがどのように変化するかを確認できます-

必要に応じて値を変更でき、このモデルを使用して実際の12S330 スピーカーを複製できます。