Modeling and measurement of physical loudspeaker parameters

To make sound, you must move air. This is the basic principle behind all loudspeakers, and of all radiating structures in general. Although often associated with quantities like sound pressure, a loudspeaker can be effectively described by three state variables (voltage, current and coil excursion) and its electromechanic parameters. Among these, suspensions, coil inductance and force factor can be considered either constant (in case of low amplitude excitation) or, according to Klippel's modeling, polynomial functions depending on coil displacement x. This work proposes an LTSpice electrical model that can capture both linear and nonlinear dynamics in the electromechanic complex. A simple yet fairly accurate model is indispensable for design purposes and algorithm testing when a physical device is not available. Indeed, the state variables synthesized waveforms can be extracted and utilized for further analysis with computing platforms such as MATLAB, which enable a deeper inspection on the characteristics of the system. The LTSpice state variables are then post-processed and fed to a MATLAB implementation of the the Harmonic Balance method for the estimation of the model's Thiele/Small parameters. Once the validity of the algorithm is verified, a physical device is measured in the small signal domain. The Harmonic Balance method confirms itself not only as a simple and precise way to obtain the T/S parameters, but also fast enough to be compatible with end-of-line testing scenarios.

To make sound, you must move air. Questo è il principio fondamentale dietro ogni altoparlante, e di ogni struttura vibrante in generale. Nonostante siano spesso associati a fenomeni quali la pressione acustica, gli altoparlanti possono essere efficacemente descritti in termini di tre variabili di stato (tensione, corrente e spostamento della bobina) e dei loro parametri elettromeccanici. Tra questi ultimi, la sospensione, l'induttanza della bobina ed il fattore di forza possono essere considerati costanti nel caso di input di ampiezza moderata oppure, secondo la modellazione di Klippel, delle funzioni polinomiali dipendenti dallo spostamento della bobina x. Questo lavoro propone un modello elettrico su LTSpice in grado di cogliere sia la dinamica lineare che quella non lineare del complesso elettromeccanico. Un modello agevole e sufficientemente accurato è indispensabile in contesti di progettazione e di test di algoritmi in mancanza di dispositivi fisici. A questo proposito, le forme d'onda sintetizzate delle variabili di stato possono essere estratte ed utilizzate per ulteriori analisi in piattaforme computazionali come MATLAB, permettendo una verifica più approfondita sulle caratteristiche del sistema. Le variabili di stato provenienti da LTSpice sono quindi processate e fornite ad un'implementazione MATLAB del metodo dell'equilibrio armonico per la stima dei parametri di Thiele/Small del modello. Una volta verificata la validità dell'algoritmo, un dispositivo fisico viene posto sotto misurazione nel regime dei piccoli segnali. Il metodo dell'equilibrio armonico conferma dunque non solo le sue semplicità e precisione nell'ottenere i parametri di Thiele/Small, ma anche una rapidità tale da renderlo compatibile con un contesto di collaudo di fine linea.