TI低功率SmartPA调试系列之一扬声器工作原理及软件-USB迷|专注于互联网分享

2024年8月30日发(作者：汤沛儿)

Application Notes

ZHCA809 – June 2018

TI 低功率Smart PA 调试系列之一：

扬声器工作原理及软件调试入门

Anjin Du/Ding Wei/Xiangyan Xue

摘要

本系列汇集了关于TI 低功率Smart PA的四篇应用笔记，分别从扬声器基础、软件调试、算法等方面

介绍了TI 低功率Smart PA技术。本文是这个系列的第一篇，主要介绍了扬声器的基础知识和工作原

理，以及TI 低功率闭环Smart PA 器件的架构和调试入门，是后续文章的基础。随后的系列应用笔记

还包括《TI Smart PA基础调音指南》、《TAS25xx Smart AMP Anti-Clipper模块的音效调试》、《TI

Smart PA 算法介绍》。

1 扬声器工作原理及结构 ................................................................................................................... 2

1.1 电动式扬声器的工作原理： ..................................................................................................... 2

1.2 电动式扬声器的结构： ............................................................................................................ 3

1.3 扬声器的音质的评判 ............................................................................................................... 6

扬声器的主要参数 .......................................................................................................................... 6

低功率Smart PA 的引入及其对扬声器性能的提升 ....................................................................... 10

3.1 传统应用中扬声器参数对其性能的限制 ................................................................................. 10

3.2 低功率Smart PA 的工作原理及其对扬声器性能的提升 .......................................................... 10

PPC3 软件的使用以及喇叭参数的获取 ......................................................................................... 12

4.1 PPC3（Pure Path Console 3）软件介绍 .............................................................................. 12

4.2 扬声器参数的建模提取 .......................................................................................................... 13

总结 .............................................................................................................................................. 15

参考资料 ....................................................................................................................................... 15

图

Figure 1电动式扬声器工作原理示意图 .................................................................................................. 3

Figure 2电动式扬声器结构框图............................................................................................................. 4

Figure 3 扬声器的主要组成构件 ............................................................................................................ 4

Figure 4 传统功放和低功率闭环Smart PA功放的工作原理比较 ......................................................... 11

Figure 5 Smart PA 架构 ...................................................................................................................... 12

Figure 7 PPC3 典型界面 ..................................................................................................................... 13

Figure 8 扬声器参数提取的硬件环境 ................................................................................................... 14

Figure 9 Smart PA参数界面 ............................................................................................................... 15

ZHCA809

表

Table 1 扬声器参数列表 ....................................................................................................................... 15

1 扬声器工作原理及结构

随着通信技术以及多媒体技术的发展，用户对于移动多媒体设备（智能手机，平板电脑）的音质效

果有了越来越高的要求。而与此同时，移动设备受限于空间体积，扬声器的体积非常地小而薄，传统的

音频功放技术很难实现好地音质。为了最大限度的提升这种小功率扬声器的效果，TI推出了smart PA，

可以在保证扬声器工作安全的情况下，达到最大的响度和最佳的音质，提升用户的体验。在这个过程当

中，理解必要的小功率扬声器的工作原理以及结构，对于研发人员优化TI smart PA的算法参数以及调音

参数会有很大的帮助，也是项目能够顺利进行的一个必要前提。

扬声器（Speaker）是一种把电信号转变为声信号的换能器件：音频电能通过电磁，压电或静电效应，

使扬声器内的纸盆或膜片振动并与周围的空气产生共振（共鸣）而发出声音，从而完成了电能→机械能

→ 声能转化过程。

扬声器在音响设备或者电子设备的多媒体模块中是一个相对复杂的器件，而对于音响效果而言，它

又是一个最重要的部件，它的好坏决定了整个设备音质的好坏，不同的扬声器的音质会有很大的差异，

一般设计者会根据实际应用的尺寸，成本以及对音质的要求不同选择不同的扬声器。

扬声器的种类繁多，而且价格相差很大。按振膜与辐射器形状分类: 锥形扬声器、平板扬声器、球

顶扬声器、号筒扬声器、带状高音扬声器、薄片扬声器等；按换能工作原理分类：电动式（即动圈式）、

静电式（即电容式）、电磁式（即舌簧式）、压电式（即晶体式）；其中电动式扬声器因为具有电声性

能好、结构牢固、成本低等优点，广泛应用在移动多媒体设备中。本文将主要介绍电动式扬声器的工作

原理和结构。

1.1

电动式扬声器的工作原理：

一个物体能够发声，必需具备一定的振动频率以及传播这个振动波的传播介质，扬声器能够发声，

必须解决这两个前提条件。

根据法拉第定律，当具有导通电流的导体垂直于磁场时，会受到一个电动力，其方向符合弗来明左

手定则（Fleming's rule），力与电流、磁场方向互相垂直，受力大小与电流、导线长度、磁通密度成正

比。扬声器就是根据这个原理，把音圈（导体）置于一个磁场中并向其输入交变的音频电流，音圈受到

一个交变推动力产生往复运动，带动鼓纸盆振动（振动频率），反复推动空气（传播介质）而发声。

使电动式扬声器的振膜发生振动的力，即为磁场对载流导体的作用力，这个效应我们称它为电动式

换能器的力效应，其大小由下式规定：

F=BLI

2 TI

低功率

Smart PA

调试系列之一：

扬声器工作原理及软件调试入门

式中：B为磁隙中的磁感应密度（强度），其单位为N/（A.m），又称为特斯拉（T）

L为音圈导线的长度，单位：米

I为流经音圈的电流，单位：安培

F为磁场对音圈的作用力，单位：牛顿

一个典型的扬声器的内部示意结构图如图1所示：

Figure 1电动式扬声器工作原理示意图

1.2

电动式扬声器的结构：

如图2所示，这是一个标准的电动式扬声器的架构，主要包括了电动系统，磁路系统以及支撑系统三大

模块，每个模块又是由若干组件构成，详见图3。本章中将详细介绍各个主要构件及其功能

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Figure 2电动式扬声器结构框图

Figure 3 扬声器的主要组成构件

振动系统主要包括：

• 音膜：音膜又叫纸盆、锥盆、鼓纸、振动板，它是扬声器的主要部件之一，音膜特性直接影响着

扬声器各种电声参数、音质和使用寿命，其性能主要取决于使用材料、设计形状、制造工艺等。

音膜材料一般要求具有下述三种基本特性：

1）质量要轻，即要求材料密度要小，这可以提高扬声器的效率、同时改善瞬态特性。

2）强度要高，即要求材料杨氏模量E 要大，这可以改进扬声器的效率、瞬态特性，拓宽高频响

应。

3）阻尼适当，即要求材料内部损耗适中，这可以有效地抑制分割振动，藉以降低高频共振的峰

谷，使频率响应平坦、过渡特性良好，同时改善失真。

• 音圈：音圈可以说是扬声器的心脏，也是扬声器的重要组件之一。音圈导电后，在磁场之内，根

据佛来明左手定则产生运动，带动音膜振动。

音圈的直径根据磁路结构确定，同时要考虑功率承受能力以及扬声器的灵敏度、品质因数等电声

参数。音圈直径太小, 则其功率承受能力必然有限, 因为线径决定了其允许通过的电流大小, 同时T

铁中柱太小又影响到其散热能力；音圈直径太大, 则导致其质量加重, 同时Bg（工作气隙中的磁感

应密度）下降, 从而导致灵敏度降低, 并且增加了材料成本。

4 TI

低功率

Smart PA

调试系列之一：

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• 防尘帽：防尘盖又叫防尘罩、防尘网。主要是防止灰尘等杂物从振动板前面进入磁隙内而造成杂

音，同时有补强高音之作用，其材质大都是纸、布、Mylar，PEI和金属薄膜，但由于纸、Mylar、

PEI和金属薄膜都对音膜有补强作用，而且从防尘盖也有声音的辐射，故其大小和形状对扬声器

特性都有影响；塑料薄膜或金属膜防尘盖盖，因材质本身有一定的弹性，其厚度对声音有影响,一

般高功率振动强烈的扬声器，防尘盖的厚度要相应的厚一点，以防止产生共振，同时耐温要高。

• 弹波：弹波又称阻尼器,定心支片，弹波主要作用有二：一是固定音圈的中心位置，使音圈保持在

磁间隙中间，避免音圈与磁路碰触；二是控制扬声器的低频共振频率，限制音圈的最大位移，避

免音圈跳出磁路，同时对振动系统提供适当的阻尼，改善低频响应及品质因数。一般要求弹波应

该具有很大的径向刚性和很大的轴向顺性，以保证良好的机械强度和较低的共振频率及较小的失

真。

磁路系统的作用是为扬声器系统提供磁场，主要包括：

• 磁铁：主要材质为永久磁石大致分为Alnico 系永久磁石、Ferrite 系永久磁石及稀土类永久磁石三

种。目前大多数扬声器由于成本的原因主要采用后面两种磁石。

• 轭铁（Yoke）：在磁气回路中起主要起导磁作用，根据其形状可分为U形轭与T形两种。

• 华司：又叫上板或上片，在磁气回路中，华司与轭铁都起导磁作用，它们能将磁铁的N极与S 极

通过回路集中到间隙，使间隙产生较强的磁场。

• 防磁罩：又叫后磁壳或后盖，它的主要作用是防磁，防止磁铁向外辐射磁场。

支撑系统是扬声器的结构框架，主要包括：

• 盆架：盆架是安装振动部分、磁气回路和其它零件的框架。小型SPK的支架都是钢板，塑料成型

的支架亦很多, 塑料框的材质多为ABS 或ABS加纤以增高耐及强度，主要用于移动设备的多媒体

模块中。

• 端子：端子的作用是将外界的信号传送到导线，进入音圈，使音圈获得电流，一般都有标准规格

利于外界的插具直接插入。

需要注意的是，在手机、平板等便携设备中使用的扬声器，是以上介绍的传统电动式扬声器架构的一种

简化版本，主要是为了适配便携设备的紧凑空间和厚度；但两者的工作原理和架构基本一致。便携式设

备的扬声器上主要有以下特点：膜片多为非常轻的透明膜片，非常薄；驱动音圈一般相对较大，10-15芯；

磁铁我稀土磁钕铁硼，磁性能较强。

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1.3 扬声器的音质的评判

任何声音都具有一定的振动频率,人能听到声音是耳膜与外界声波共振产生。一般人耳实际响应频率

的范围为20Hz~ 20kHz，在这个范围之外的振动波型人耳并不能听到。所以扬声器的设计主要是针对

20Hz~ 20kHz的频率进行优化。

业界对一个扬声器的音质的评价主要从三个方面来评判：音调、音色、音量，而这三个方面分别由

声音的频率，波形以及幅度决定，而在实际产品设计中，这三个方面往往又是相互影响，相互制约，需

要设计者的平衡折中。

与此同时，在人类可以听到的频率范围内，人们对于不同频段的声音的感受也有很大不同，大致可

以分为浑厚度（20Hz~200Hz）、力度（200Hz~800Hz）、清晰度（800Hz~2000Hz）、明亮度

（2000Hz~5000Hz）、透明度（5000Hz以上）等几个方面。扬声器的设计者以及调音人员需要结合音乐

和受众的偏好来调整扬声器的频率响应，以达到预期的音质效果。

2 扬声器的主要参数

扬声器性能是电学、力学、声学、磁学等物理参数共同作用的结果，由鼓纸、弹波、音圈、磁路等

关键零部件的性能共同确定，其中一些参数相互制约相互影响，因而在扬声器的设计和调音时必须综合

考虑，以求达到最佳的音质效果。目前业界一般采用T/S指标来定标扬声器参数（T/S指标是由澳大利亚

人A.N. Thiele 和 Richard Small，在70年代初发明的扬声器系统数学模型的基本参数），主要的T/S指标

有如下几个关键参数：

• 直流电阻Re/额定阻抗Znom

扬声器的主流阻抗，主要由音圈决定，可直接用万用表直接测量。

额定阻抗Znom 在扬声器设计之初就已确定，在移动终端中主要有6ohm/8ohm/32ohm等，额定

阻抗与直流阻抗的关系如以下公式:

Znom=

(

1.05~1.1

)

∗Re

• 等效辐射面积SD：

扬声器的等效辐射面积只与扬声器的口径(等效半径a)有关；一般扬声器都是圆形，等效辐射面积

的具体计算公式为:

SD= π∗a

• 等效振动质量Mms

扬声器的振动质量由音圈质量Mm1、鼓纸等效质量Mm2、辐射质量Mmr共同决定：

Mms=Mm1+Mm2+2∗Mmr

其中辐射质量Mmr只与口径(等效半径a)有关：

Mmr=2.67∗ρo∗a

ρo=1.21kg/m3为空气密度， a为扬声器等效半径。

6 TI

低功率

Smart PA

调试系列之一：

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• 等效顺性Cms

是指扬声器振动系统的支撑部件的柔顺度, 由鼓纸顺性Cm1、弹波顺性Cm2共同决定，其值越大,

扬声器的整个振动系统越软, 顺性一般由音圈的变位来表征，单位:毫米/牛顿(mm/N)：

Cm1∗Cm2

Cms=

Cm1+Cm2

• 共振频率F0

为喇叭在自由场下的谐振点频率，由扬声器的等效振动质量Mms和等效顺性Cms决定，F0一般

可直接用F0测试仪测量或通过测量阻抗曲线获得。

F0=

2π√Mms∗Cms

Mms 单位是Kg，Cms单位是m/N

• 共振频率处的最大阻抗Zo

共振频率处的最大阻抗Zo主要由音圈、磁路、振动系统(鼓纸、弹波)共同决定，可通过测量阻抗

曲线获得，公式表达为:

Z0=Re+

Rms+Rmr

• 等效容积Vas

等效容积Vas为等同于喇叭顺性时的空气容积，只与等效顺性、等效辐射面积有关：

Vas= ρo∗C

∗SD

∗