Simular altavoz con circuito rlc equivalente

Si está trabajando con algún proyecto relacionado con el audio, el componente menos preocupado es el altavoz, pero el altavoz es una parte esencial de cualquier circuito relacionado con el audio. Un buen altavoz puede anular los ruidos y puede proporcionar una salida suave, mientras que un mal altavoz puede destruir todos sus esfuerzos, incluso el resto del circuito es excepcionalmente bueno.

Por lo tanto, es importante seleccionar el orador adecuado, ya que es el que produce el resultado final para el público final. Pero, como todos sabemos, al hacer un circuito, no siempre todos los componentes están fácilmente disponibles y, a veces, no podríamos determinar cuál será la salida si seleccionamos un altavoz específico o, en ocasiones, tenemos un altavoz pero no tenemos el recinto. Por tanto, esta es una gran preocupación ya que la salida de los altavoces puede ser completamente diferente en diferentes tipos de entornos acústicos.

Entonces, ¿cómo determinar cuál será la respuesta del hablante en una situación diferente? O, ¿cuál será la construcción del circuito? Bueno, este artículo cubrirá este tema. Entenderemos cómo funciona el altavoz y construiremos un modelo de altavoz equivalente a RLC. Este circuito también servirá como una buena herramienta para simular locutor en algunas aplicaciones específicas.

Construcción de un altavoz

El altavoz actúa como un convertidor de energía, que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Un altavoz tiene dos niveles de construcción, uno es mecánico y otro es el eléctrico.

En la imagen de abajo podemos ver la sección transversal de un altavoz.

Podemos ver un marco o soporte de altavoz que sostiene los componentes por dentro y por fuera. Los componentes son tapa antipolvo, bobina móvil, cono de diafragma, araña de altavoz, poste e imán.

El diafragma es el elemento final que vibra y empuja la vibración al aire y, por lo tanto, cambia la presión del aire. Debido a su forma de cono, el diafragma se conoce como cono de diafragma.

La araña es un componente importante que es responsable del movimiento adecuado del diafragma del altavoz. Asegura que cuando el cono vibre, no tocará el marco del altavoz.

Además, el borde, que es de goma o material similar a la espuma, proporciona el soporte adicional al Cono. El cono de diafragma está unido con una bobina electromagnética. Esta bobina puede moverse libremente en posición de arriba hacia abajo dentro del poste y el imán permanente.

Esta bobina es la parte eléctrica del altavoz. Cuando proporcionamos ondas sinusoidales al altavoz, la bobina móvil cambia la polaridad magnética y se mueve hacia arriba y hacia abajo, lo que crea vibraciones en el cono. La vibración se transfirió aún más al aire tirando o empujando el aire y haciendo cambios en la presión del aire, creando así sonido.

Modelado de un altavoz en el circuito eléctrico

El altavoz es el componente principal de todos los circuitos del amplificador de audio, mecánicamente, un altavoz funciona con muchos componentes físicos. Si hacemos una lista, los puntos de consideración serán:

1. Cumplimiento de la suspensión: esta es la propiedad de un material en el que el material sufre una deformación elástica o experimenta el cambio de volumen cuando se somete a una fuerza aplicada.
2. Resistencia de la suspensión: es la carga, el cono se enfrenta mientras se mueve desde la suspensión. También se conoce como Amortiguación Mecánica.
3. Masa en movimiento: es la masa total de la bobina, el cono, etc.
4. Carga de aire que empuja al conductor.

Estos cuatro puntos anteriores provienen de factores mecánicos del hablante. Hay dos factores más que están presentes eléctricamente,

1. Inductancia de la bobina.
2. Resistencia de la bobina.

Entonces, considerando todos los puntos, podríamos hacer un modelo físico del altavoz usando pocos componentes electrónicos o eléctricos. Aquellos por encima de 6 puntos se pueden modelar utilizando tres componentes pasivos básicos: resistencias, inductores y condensadores que se denominan circuito RLC.

Se puede hacer un circuito equivalente básico del altavoz usando solo dos componentes: Resistencia e Inductor. El circuito se verá así:

En la imagen de arriba, solo un solo resistor R1 y un solo inductor L1 están conectados con una fuente de señal de CA. Esta resistencia R1 representa la resistencia de la bobina móvil y el inductor L1 proporciona la inductancia de la bobina móvil. Este es el modelo más simple utilizado en la simulación de altavoces, pero ciertamente tiene limitaciones, porque es solo un modelo eléctrico y no hay margen para determinar la capacidad del altavoz y cómo reaccionará en un escenario físico real en el que intervienen partes mecánicas.

Circuito RLC equivalente de altavoz

Así que hemos visto un modelo básico de altavoz, pero para que funcione correctamente, necesitamos agregar partes mecánicas con componentes físicos reales en ese modelo equivalente de altavoz. Veamos cómo podemos hacerlo. Pero antes de entender esto, analicemos qué componentes se necesitan y cuál es el propósito de ellos.

Para el cumplimiento de la suspensión, se puede utilizar un inductor, porque el cumplimiento de la suspensión tiene una conexión directa con el cierto cambio en el flujo de corriente a través de la bobina móvil.

El siguiente parámetro es la resistencia de suspensión. Como es un tipo de carga que es creada por la suspensión, se puede seleccionar una resistencia para este propósito.

Podemos seleccionar un condensador para la masa en movimiento, que incluye bobinas, la masa del cono. Y además podemos seleccionar un condensador de nuevo para la carga de aire que también aumenta la masa del cono; también es un parámetro importante para crear el modelo equivalente de altavoz.

Por lo tanto, hemos seleccionado un inductor para el cumplimiento de la suspensión, una resistencia para la resistencia de la suspensión y dos condensadores para nuestra carga de aire y masa en movimiento.

Ahora, lo siguiente que importa es cómo conectar todos estos para hacer un modelo eléctrico equivalente de altavoz. La resistencia (R1) y el inductor (L1) están en conexión en serie que es primaria y que es variable usando los factores mecánicos paralelos. Entonces, conectaremos esos componentes en paralelo con R1 y L1.

El circuito final será así-

Hemos agregado componentes en conexión paralela con el R1 y L1. C1 y C2 denotarán la masa en movimiento y la carga de aire respectivamente, L2 proporcionará Cumplimiento de la suspensión y R2 será la resistencia de la suspensión.

Entonces, el circuito equivalente final del altavoz que usa RLC se muestra a continuación. Esta imagen muestra un modelo equivalente exacto del altavoz que utiliza resistencia, inductor y condensador.

Donde, Rc - Resistencia de la bobina, Lc - Inductancia de la bobina, Cmems - Capacitancia de masa en movimiento, Lsc - Inductancia de cumplimiento de la suspensión, Rsr - Resistencia de suspensión y Cal - Capacitancia de la carga de aire.

Thiele / pequeños parámetros en el diseño de altavoces

Ahora tenemos el modelo equivalente, pero cómo calcular el valor de los componentes. Para ello, necesitamos pequeños parámetros Thiele del altavoz.

Los pequeños parámetros se derivan de la impedancia de entrada del altavoz cuando la impedancia de entrada es la misma que la frecuencia resonante y el comportamiento mecánico del altavoz es efectivamente lineal.

Los parámetros de Thiele proporcionarán las siguientes cosas:

Parámetros	Descripción	Unidad
	Factor Q total	Sin unidad
	Factor Q mecánico	Sin unidad
	Factor Q eléctrico	Sin unidad
	Frecuencia de resonancia	Hz
	La resistencia de la suspensión	N. s / m
	Masa en movimiento total	Kg
	Área de conducción eficaz	Metros cuadrados
	Volumen acústico equivalente	Semen
	Viaje lineal de la bobina móvil	METRO
	Respuesta frecuente	Hz o kHz
	Desplazamiento de volumen de la unidad de controlador	Semen
	La resistencia de la bobina móvil.	Ohmios
	Inductancia de la bobina	Henry o Mili Henry
	Factor de fuerza	Tesla / metros
	Cumplimiento de la suspensión del conductor	Metros por Newton

A partir de estos parámetros, podemos crear un modelo equivalente utilizando fórmulas simples.

El valor de Rc y Lc se puede seleccionar directamente de la resistencia de la bobina y la inductancia. Para otros parámetros, podemos usar las siguientes fórmulas:

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

Si el Rms no está dado, entonces podemos determinarlo a partir de la siguiente ecuación:

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

Creación de un circuito de altavoz equivalente a RLC con datos reales

A medida que aprendimos a determinar los valores equivalentes de los componentes, trabajemos con algunos datos reales y simulemos el altavoz.

Seleccionamos el altavoz 12S330 de BMS Speakers. Aquí está el enlace para el mismo.

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

Para el hablante, los parámetros de Thiele son

A partir de estos parámetros de Thiele, calcularemos los valores equivalentes,

Entonces, calculamos los valores de cada componente que se utilizarán para el modelo equivalente 12S330 . Hagamos el modelo en Pspice.

Proporcionamos los valores para cada componente y también cambiamos el nombre de la fuente de señal a V1. Creamos un perfil de simulación-

Configuramos el barrido de CC para obtener el análisis de frecuencia grande de 5 Hz a 20000 Hz a 100 puntos por década en escala logarítmica.

A continuación, conectamos la sonda a través de nuestra entrada de modelo de altavoz equivalente-

Agregamos el rastro de voltaje y corriente a través de Rc, la resistencia de la bobina móvil. Comprobaremos la impedancia a través de esta resistencia. Para hacer esto, como sabemos, V = IR y si dividimos el V + de la fuente de CA con la corriente que fluye a través de la resistencia Rc, obtendremos la impedancia.

Entonces, agregamos una traza con la fórmula V (V1: +) / I (Rc) .

Y finalmente, obtenemos el gráfico de impedancia de nuestro modelo de altavoz equivalente de 12S330.

Podemos ver el gráfico de impedancia y cómo cambia la impedancia del altavoz según la frecuencia.

Podemos cambiar los valores según nuestras necesidades y ahora podemos usar este modelo para replicar el altavoz 12S330 real .