Simuler un haut-parleur avec un circuit RLC équivalent

Si vous travaillez avec un projet lié à l'audio, le composant le moins concerné est le haut-parleur, mais le haut-parleur est une partie essentielle de tout circuit lié à l'audio. Un bon haut-parleur peut neutraliser les bruits et fournir une sortie fluide, tandis qu'un mauvais haut-parleur peut détruire tous vos efforts, même le reste du circuit est exceptionnellement bon.

Il est donc important de sélectionner le bon orateur car c'est celui qui produit la sortie finale pour le public final. Mais, comme nous le savons tous, lors de la création d'un circuit, tous les composants ne sont pas toujours facilement disponibles et parfois nous ne pourrions pas déterminer quelle sera la sortie si nous sélectionnons un haut-parleur spécifique ou parfois nous avons un haut-parleur mais n'avons pas le boîtier. C'est donc une grande préoccupation car la sortie du haut-parleur peut être complètement différente dans différents types d'environnements acoustiques.

Alors, comment déterminer quelle sera la réponse du locuteur dans une situation différente? Ou quelle sera la construction du circuit? Eh bien, cet article couvrira ce sujet. Nous comprendrons comment fonctionne le haut-parleur et construirons un modèle équivalent de haut-parleur RLC. Ce circuit servira également de bon outil pour simuler le haut-parleur dans certaines applications spécifiques.

Construction d'un haut-parleur

Le haut-parleur agit comme un convertisseur d'énergie, qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique. Un haut-parleur a deux niveaux de constructions, l'un est mécanique et l'autre est électrique.

Dans l'image ci-dessous, nous pouvons voir la coupe transversale d'un haut-parleur.

Nous pouvons voir un cadre ou un support de haut - parleur qui maintient les composants à l'intérieur et à l'extérieur. Les composants sont un capuchon anti-poussière, une bobine mobile, un cône à membrane, une araignée de haut-parleur, un poteau et un aimant.

Le diaphragme est la chose finale qui vibre et pousse la vibration dans l'air et change ainsi la pression d'air. En raison de sa forme de cône, le diaphragme appelé cône de diaphragme.

L' araignée est un élément important qui est responsable du bon mouvement du diaphragme du haut-parleur. Cela garantit que lorsque le cône vibrera, il ne touchera pas le cadre du haut-parleur.

En outre, l'entourage, qui est en caoutchouc ou en matériau de type mousse, fournit le support supplémentaire au cône. Le cône du diaphragme est fixé avec une bobine électromagnétique. Cette bobine peut se déplacer librement en position haut-bas à l'intérieur du pôle et de l'aimant permanent.

Cette bobine est la partie électrique du haut-parleur. Lorsque nous fournissons une onde sinusoïdale au haut-parleur, la bobine mobile change la polarité magnétique et se déplace de haut en bas, ce qui crée des vibrations dans le cône. La vibration est ensuite transférée à l'air en tirant ou en poussant l'air et en modifiant la pression de l'air, créant ainsi un son.

Modélisation d'un haut-parleur dans le circuit électrique

Le haut-parleur est le composant principal de tous les circuits d'amplificateur audio, mécaniquement, un haut-parleur fonctionne avec de nombreux composants physiques. Si nous faisons une liste, les points à considérer seront:

Conformité de la suspension - Il s'agit de la propriété d'un matériau dans lequel le matériau subit une déformation élastique ou subit un changement de volume lorsqu'il est soumis à une force appliquée.
Résistance de la suspension - C'est la charge, le cône fait face lors du déplacement de la suspension. Il est également connu sous le nom d'amortissement mécanique.
Masse en mouvement - C'est la masse totale de la bobine, du cône, etc.
Charge de l'air qui pousse à travers le conducteur.

Ces quatre points ci-dessus proviennent de facteurs mécaniques du haut-parleur. Il y a deux autres facteurs présents électriquement,

Inductance de la bobine.
Résistance de bobine.

Donc, en considérant tous les points, nous pourrions faire un modèle physique du haut-parleur en utilisant peu d'électronique ou de composants électriques. Ceux au-dessus de 6 points peuvent être modélisés en utilisant trois composants passifs de base: les résistances, les inducteurs et les condensateurs qui sont désignés comme circuit RLC.

Un circuit équivalent de base du haut-parleur peut être réalisé en utilisant uniquement deux composants: la résistance et l'inductance. Le circuit ressemblera à ceci-

Dans l'image ci-dessus, une seule résistance R1 et une seule inductance L1 sont connectées à une source de signal CA. Cette résistance R1 représente la résistance de la bobine mobile et l'inductance L1 fournit l'inductance de la bobine mobile. C'est le modèle le plus simple utilisé dans la simulation de haut-parleur, mais il a certainement des limites, car il ne s'agit que d'un modèle électrique et il n'y a aucune possibilité de déterminer la capacité du haut-parleur et comment il réagira dans un scénario physique réel où des pièces mécaniques sont impliquées.

Circuit RLC équivalent à un haut-parleur

Nous avons donc vu un modèle de base de haut-parleur, mais pour le faire fonctionner correctement, nous devons ajouter des pièces mécaniques avec des composants physiques réels dans ce modèle équivalent de haut-parleur. Voyons comment nous pouvons le faire. Mais avant de comprendre cela, analysons quels composants sont nécessaires et quel est leur objectif.

Pour la conformité de la suspension, un inducteur peut être utilisé, car la conformité de la suspension a un lien direct avec le certain changement du flux de courant à travers la bobine mobile.

Le paramètre suivant est la résistance de suspension. Comme il s'agit d'un type de charge qui est créé par la suspension, une résistance peut être sélectionnée à cet effet.

Nous pouvons sélectionner un condensateur pour la masse en mouvement, qui comprend des bobines, la masse du cône. Et en outre, nous pouvons sélectionner à nouveau un condensateur pour la charge d'air qui augmente également la masse du cône; c'est également un paramètre important pour créer le modèle équivalent de haut-parleur.

Donc, nous avons sélectionné un inducteur pour la conformité de suspension, une résistance pour la résistance à la suspension, et deux condensateurs pour notre charge d' air et masse en mouvement.

Maintenant, la prochaine chose importante est de savoir comment connecter tout cela pour créer un modèle de haut-parleur équivalent électrique. La résistance (R1) et l'inductance (L1) sont en série qui est primaire et qui est variable en utilisant les facteurs mécaniques parallèles. Donc, nous allons connecter ces composants en parallèle avec les R1 et L1.

Le circuit final sera comme ça-

Nous avons ajouté des composants en connexion parallèle avec les R1 et L1. C1 et C2 désigneront respectivement la masse mobile et la charge d'air, L2 fournira la conformité de la suspension et R2 sera la résistance de la suspension.

Ainsi, le circuit équivalent final du haut-parleur utilisant RLC est indiqué ci-dessous. Cette image montre un modèle équivalent exact du haut-parleur utilisant une résistance, une inductance et un condensateur.

Où, Rc - Résistance de la bobine, Lc - Inductance de la bobine, Cmems - Capacité de masse mobile, Lsc - Inductance de conformité de suspension, Rsr - Résistance de suspension et Cal - Capacité de la charge d'air.

Thiele / Petits paramètres dans la conception des enceintes

Maintenant, nous avons le modèle équivalent, mais comment calculer la valeur des composants. Pour cela, nous avons besoin de Thiele petits paramètres du haut-parleur.

Les petits paramètres sont dérivés de l'impédance d'entrée du haut-parleur lorsque l'impédance d'entrée est la même que la fréquence de résonance et que le comportement mécanique du haut-parleur est effectivement linéaire.

Thiele Parameters fournira les éléments suivants:

Paramètres	La description	Unité
	Facteur Q total	Sans unité
	Facteur Q mécanique	Sans unité
	Facteur Q électrique	Sans unité
	Fréquence de résonance	Hz
	La résistance de la suspension	N. s / m
	Masse mobile totale	Kg
	Zone de conduite efficace	M2
	Volume acoustique équivalent	Sperme
	Course linéaire de la bobine mobile	M
	Fréquence de réponse	Hz ou kHz
	Déplacement du volume de l'unité de commande	Sperme
	La résistance de la bobine mobile	Ohms
	Inductance de bobine	Henry ou Mili Henry
	Facteur de force	Tesla / mètres
	Conformité de la suspension du conducteur	Mètres par Newton

À partir de ces paramètres, nous pouvons créer un modèle équivalent à l'aide de formules simples.

La valeur de Rc et Lc peut être directement sélectionnée à partir de la résistance de la bobine et de l'inductance. Pour les autres paramètres, nous pouvons utiliser les formules suivantes -

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

Si le Rms n'est pas donné, alors nous pouvons le déterminer à partir de l'équation suivante:

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

Construire un circuit de haut-parleur équivalent RLC avec des données réelles

Comme nous avons appris à déterminer les valeurs équivalentes pour les composants, travaillons avec des données réelles et simulons le haut-parleur.

Nous avons sélectionné le haut- parleur 12S330 de BMS Speakers. Voici le lien pour le même.

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

Pour l'enceinte, les paramètres Thiele sont

À partir de ces paramètres Thiele, nous calculerons les valeurs équivalentes,

Nous avons donc calculé les valeurs de chaque composant à utiliser pour le modèle équivalent 12S330 . Faisons le modèle dans Pspice.

Nous avons fourni les valeurs à chaque composant et avons également renommé la source du signal en V1. Nous avons créé un profil de simulation

Nous avons configuré le balayage CC pour obtenir l'analyse à grande fréquence de 5 Hz à 20000 Hz à 100 points par décennie en échelle logarithmique.

Ensuite, nous avons connecté la sonde à l'entrée de notre modèle de haut-parleur équivalent.

Nous avons ajouté la trace de tension et de courant à travers Rc, la résistance de la bobine mobile. Nous allons vérifier l'impédance à travers cette résistance. Pour ce faire, comme nous le savons, V = IR et si nous divisons le V + de la source AC avec le courant traversant la résistance Rc, nous obtiendrons l'impédance.

Nous avons donc ajouté une trace avec la formule V (V1: +) / I (Rc) .

Et enfin, nous obtenons le tracé d'impédance de notre modèle de haut-parleur équivalent de 12S330.

Nous pouvons voir le tracé d'impédance et comment l'impédance du haut-parleur change en fonction de la fréquence.

Nous pouvons changer les valeurs selon nos besoins et nous pouvons maintenant utiliser ce modèle pour reproduire le haut- parleur 12S330 réel .