Simular alto-falante com circuito rlc equivalente

Se você estiver trabalhando com qualquer projeto relacionado a áudio, o componente menos envolvido é o alto-falante, mas o alto-falante é uma parte essencial de qualquer circuito relacionado a áudio. Um bom alto-falante pode anular os ruídos e pode fornecer uma saída suave, enquanto um alto-falante ruim pode destruir todos os seus esforços, mesmo o resto do circuito é excepcionalmente bom.

Portanto, é importante selecionar o palestrante adequado, pois é aquele que está produzindo a produção final para o público final. Mas, como todos sabemos, ao fazer um circuito, todos os componentes nem sempre estão prontamente disponíveis e às vezes não podemos determinar qual será a saída se selecionarmos um alto-falante específico ou às vezes temos um alto-falante, mas não temos o Gabinete. Portanto, esta é uma grande preocupação, pois a saída do alto-falante pode ser completamente diferente em diferentes tipos de ambientes acústicos.

Então, como determinar qual será a resposta do falante em uma situação diferente? Ou qual será a construção do circuito? Bem, este artigo cobrirá este tópico. Vamos entender como funciona o alto-falante e construir um modelo RLC equivalente de alto-falante. Este circuito também servirá como uma boa ferramenta para simular alto-falante em algumas aplicações específicas.

Construção de um alto-falante

O alto-falante atua como um conversor de energia, que converte energia elétrica em energia mecânica. Um alto-falante tem dois níveis de construção, um é Mecânico e outro é Elétrico.

Na imagem abaixo podemos ver o corte transversal de um alto-falante.

Podemos ver uma estrutura ou suporte de alto - falante que segura os componentes por dentro e por fora. Os componentes são tampa de poeira, bobina de voz, cone do diafragma, aranha do alto-falante, pólo e ímã.

O diafragma é a coisa final que vibra e empurra a vibração para o ar, alterando assim a pressão do ar. Por causa de seu formato de cone, o diafragma é conhecido como cone do diafragma.

A aranha é um componente importante responsável pelo movimento adequado do diafragma do alto-falante. Isso garante que, quando o cone vibrar, ele não tocará na estrutura do alto-falante.

Além disso, o contorno, que é de borracha ou material semelhante a espuma, fornece o suporte adicional para o Cone. O cone do diafragma é conectado com uma bobina eletromagnética. Esta bobina pode mover-se livremente na posição de cima para baixo dentro do pólo e do ímã permanente.

Esta bobina é a parte elétrica do alto-falante. Quando fornecemos uma onda senoidal ao alto-falante, a bobina de voz muda a polaridade magnética e se move para cima e para baixo, o que cria vibrações no cone. A vibração é transferida para o ar puxando ou empurrando o ar e fazendo alterações na pressão do ar, criando assim o som.

Modelando um alto-falante no circuito elétrico

O alto-falante é o principal componente de todos os circuitos do Amplificador de Áudio, mecanicamente, um alto-falante funciona com vários componentes físicos. Se fizermos uma lista, os pontos de consideração serão-

Conformidade da Suspensão - É a propriedade de um material em que o material sofre deformação elástica ou sofre alteração de volume ao ser submetido a uma força aplicada.
Resistência da Suspensão - É a carga que o cone está voltado enquanto se move da suspensão. Também é conhecido como Amortecimento Mecânico.
Massa em movimento - é a massa total da bobina, cone etc.
Carga de ar que está empurrando o driver.

Esses quatro pontos acima são de fatores mecânicos do alto-falante. Existem mais dois fatores presentes eletricamente,

Indutância da bobina.
Resistência da bobina.

Portanto, considerando todos os pontos, poderíamos fazer um modelo físico do alto-falante usando poucos componentes eletrônicos ou elétricos. Aqueles acima de 6 pontos podem ser modelados usando três componentes passivos básicos: Resistores, Indutores e Capacitores que são denotados como circuito RLC.

Um circuito equivalente básico do alto-falante pode ser feito usando apenas dois componentes: Resistor e Indutor. O circuito ficará assim-

Na imagem acima, apenas um único Resistor R1 e um único Indutor L1 estão conectados a uma fonte de sinal CA. Este resistor R1 representa a resistência da bobina de voz e o Indutor L1 fornece a indutância da bobina de voz. Este é o modelo mais simples usado na simulação de alto-falante, mas certamente tem limitações, porque é apenas um modelo elétrico e não há escopo para determinar a capacidade do alto-falante e como ele reagirá no cenário físico real onde partes mecânicas estão envolvidas.

Circuito RLC de alto-falante equivalente

Então, vimos um modelo básico de alto-falante, mas para fazê-lo funcionar corretamente, precisamos adicionar peças mecânicas com componentes físicos reais nesse modelo equivalente de alto-falante. Vamos ver como podemos fazer isso. Mas antes de entender isso, vamos analisar quais componentes são necessários e qual é a finalidade deles.

Para a conformidade da suspensão, um indutor pode ser usado, porque a conformidade da suspensão tem uma conexão direta com a mudança certa no fluxo de corrente através da bobina de voz.

O próximo parâmetro é a resistência da suspensão. Por se tratar de um tipo de carga criada pela suspensão, pode-se selecionar um resistor para esse fim.

Podemos selecionar um capacitor para a massa em movimento, que inclui bobinas, a massa do cone. E, além disso, podemos selecionar um capacitor novamente para a carga de ar, o que também aumenta a massa do cone; também é um parâmetro importante para criar o modelo equivalente do alto-falante.

Portanto, selecionamos um indutor para a conformidade da suspensão, um resistor para a resistência da suspensão e dois capacitores para a nossa carga de ar e massa móvel.

Agora, a próxima coisa importante é como conectar tudo isso para fazer um modelo elétrico equivalente de alto-falante. A resistência (R1) e o indutor (L1) estão em conexão em série que é primária e que é variável usando os fatores mecânicos paralelos. Portanto, conectaremos esses componentes em paralelo com R1 e L1.

O circuito final será assim-

Adicionamos componentes em conexão paralela com R1 e L1. C1 e C2 denotam a massa móvel e a carga de ar respectivamente, L2 fornece conformidade da suspensão e R2 é a resistência da suspensão.

Portanto, o circuito equivalente final do alto-falante usando RLC é mostrado abaixo. Esta imagem mostra um modelo equivalente exato do alto-falante usando resistor, indutor e capacitor.

Onde, Rc - Resistência da bobina, Lc - Indutância da bobina, Cmems - Capacitância da massa móvel, Lsc - Indutância da conformidade da suspensão, Rsr - Resistência da suspensão e Cal - Capacitância da carga de ar.

Thiele / Small Parameters in Speaker Design

Agora temos o modelo equivalente, mas como calcular o valor dos componentes. Para isso, precisamos de Thiele pequenos parâmetros do alto-falante.

Os pequenos parâmetros são derivados da impedância de entrada do alto-falante quando a impedância de entrada é igual à frequência de ressonância e o comportamento mecânico do alto-falante é efetivamente Linear.

Os Parâmetros Thiele fornecerão os seguintes itens-

Parâmetros	Descrição	Unidade
	Fator Q total	Sem unidade
	Fator Q mecânico	Sem unidade
	Fator Q elétrico	Sem unidade
	Frequência de ressonância	Hz
	A resistência da suspensão	N. s / m
	Massa móvel total	Kg
	Área de motorista eficaz	Sq.m
	Volume acústico equivalente	Porra
	Viagem linear da bobina de voz	M
	Resposta de frequência	Hz ou kHz
	Deslocamento de volume da unidade de driver	Porra
	A resistência da bobina de voz	Ohms
	Indutância da bobina	Henry ou Mili Henry
	Fator de Força	Tesla / metros
	Conformidade com a suspensão do motorista	Metros por Newton

A partir desses parâmetros, podemos criar um modelo equivalente usando fórmulas simples.

Os valores de Rc e Lc podem ser selecionados diretamente da resistência e indutância da bobina. Para outros parâmetros, podemos usar as seguintes fórmulas -

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

Se o Rms não for dado, podemos determiná-lo a partir da seguinte equação -

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

Criação de circuito de alto-falante equivalente a RLC com dados reais

Conforme aprendemos como determinar os valores equivalentes para os componentes, vamos trabalhar com alguns dados reais e simular alto-falante.

Selecionamos o alto-falante 12S330 dos alto-falantes BMS. Aqui está o link para o mesmo.

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

Para o locutor, os parâmetros Thiele são

A partir desses Parâmetros Thiele, calcularemos os valores equivalentes,

Assim, calculamos os valores de cada componente a ser utilizado para o modelo equivalente 12S330 . Vamos fazer o modelo no Pspice.

Fornecemos os valores para cada componente e também renomeamos a fonte do sinal para V1. Criamos um perfil de simulação-

Configuramos a varredura DC para obter a análise de grande frequência de 5 Hz a 20000 Hz a 100 pontos por década na escala logarítmica.

Em seguida, conectamos a sonda em nossa entrada de modelo de alto-falante equivalente-

Adicionamos o traço de tensão e corrente em Rc, a resistência da bobina de voz. Verificaremos a impedância neste resistor. Para fazer isso, como sabemos, V = IR e se dividirmos o V + da fonte AC com a corrente que flui pelo resistor Rc, teremos a impedância.

Então, adicionamos um traço com a fórmula V (V1: +) / I (Rc) .

E, finalmente, temos o gráfico de impedância de nosso modelo de alto-falante equivalente de 12S330.

Podemos ver o gráfico de impedância e como a impedância do alto-falante muda dependendo da frequência

Podemos alterar os valores conforme nossa necessidade e agora podemos usar este modelo para replicar o alto- falante 12S330 real .