电动扬声器是一个复杂的系统，通过电、磁、机械和声学元件的相互作用将电信号转换为声音。它们根据信号幅度表现出线性和非线性行为。虽然小信号建模提供了对基本扬声器性能指标（如频率响应）的洞察，但高振幅信号引入了影响音质的非线性。准确建模这些行为对于设计能够高性能声音再现的扬声器至关重要。
25年前，Klippel推出了大信号识别（LSI）和线性参数测量（LPM）软件工具，与Klippel分析仪硬件一起测量线性和非线性扬声器参数。LPM软件模块是基于Neville Thiele和Richard Small的工作并进行了扩展，使用集总参数模型为小振幅测量而设计的。
LSI模块及其继任者LSI2和LSI3也采用了集总参数模型。然而，为了在非线性占主导地位的大振幅下保持有效，该模型扩展了依赖于音圈位移、速度、电流和其他状态变量的非线性元素。直到今天，LSI仍然是测量非线性扬声器参数的唯一商用系统。
LPM和LSI软件模块已成为全球研发实验室中扬声器开发不可或缺的工具。然而，随着时间的推移，一些局限性已经变得明显。例如，LPM只能识别自由空气或密闭箱中的参数。如果频率带宽设置过高，LPM和LSI中使用的电感模型会缺乏足够的精度。此外，由于LSI使用噪声信号并在时域中识别参数，测量持续时间很长（10分钟或更长），要比较多个扬声器时评估过程较长。长时间的测试也会导致音圈过热，需要降低测试电平以防止损坏。
此外，由于激励信号是随机噪声，不能为保护系统指定目标音圈位移。在LSI中，所有信号处理都由Klippel分析仪硬件中的嵌入式处理器处理，只有有限的一组诊断数据上传到PC。这种缺乏透明度有时会阻碍有效的故障排除。
FLSI介绍
为了应对这些挑战并推进扬声器参数测量的发展，Klippel开发了快速大信号识别（FLSI）测量工具，这是一种新的测量软件模块，旨在取代LPM和LSI。FLSI提供更快的测量、更高的模型精度、更好的自动化和显著增强的诊断能力。
与LSI一样，FLSI使用了一种全动态测量技术，该技术多年来已被证明是可靠的，并且优于静态和半静态方法。激励信号激发被测设备，然后测量其电压、电流信号，也可选测量声压和位移信号。使用线性和非线性系统识别算法来最小化测量与预测状态信号之间的误差，估计机电等效电路的集总参数，如图1所示。该模型的结构反映了换能器原理和扬声器内的基本物理机制，其参数与扬声器的工作原理、具体设计、材料特性和组装技术密切相关。
图1：非线性集总参数模型
除了对换能器的行为进行建模外，FLSI还可以识别箱体参数及其非线性失真贡献，例如倒相式低音系统中的端口非线性。
这些参数也可用于在KLIPPEL控声技术（KCS：Klippel Controlled Sound）解决方案中创建初始参数，这是一种实时控制算法，可以保护换能器免受过载并主动减少失真。
FLSI自动化了整个测量过程，一次测量就可以获取线性和非线性参数，消除了LSI中要求从LPM导入Bl(x=0)的过程。现在可以使用新的保护指标指定最大位移限制：通过激光测量目标位移，并用麦克风识别Rub&Buzz。这些措施可以防止音圈因过载而损坏，如触底和音圈摩擦，以保护有价值的原型蓝本。当测量同一模型的多个样本时，用户可以跳过参数设置步骤，直接填入最终激励电平即可，进一步加快了测量过程，使得测量时间减少至20秒。
与原始LSI的随机噪声信号相比，FLSI使用多音激励。该信号在宽频带上同时激发多个频率，为小信号和大信号测量提供了几个优点：它能够缩短测量时间；由于其确定性，提高了测试的可重复性和再现性；并且由于可以实现较低的波峰因数，降低了放大器峰值电压要求。此外，激励可以进行整形，使其在带宽和幅度分布上类似于典型的音频节目材料，同时最大限度地降低了整体功率要求。
这种方法的一个主要优点是易于分离基波分量和非线性失真分量。在小信号测量中，这允许计算信号失真比并自动调整激励参数（例如带宽、幅值、平均值数量）。在大信号测量中，它能够计算出每个非线性相对于基波分量的单独失真贡献。这种失真分析提供了深入的诊断见解，揭示了非线性失真的主要和可忽略来源。与LSI的失真分析（显示一组有限非线性的峰值失真值）相反，FLSI可视化了每个失真源的频谱贡献（图2）和相对总RMS值，如图3所示。
力因子：失真的一个关键来源是机电转换机制中的力因子Bl(x)。这个将电流转换为机械力的参数不是恒定的，它会随着音圈位移而显著变化。随着线圈移出磁隙，力因子减小，在低频处引入谐波失真，在整个频率范围内引入互调失真（图2）。
非线性机械谐振器：一旦产生机械力，它就会作用于机械谐振器——一个由振膜、悬吊系统（弹波和折环）和空气负载组成的质量弹簧阻尼系统。悬吊的刚性和阻尼是非线性的，由于机械蠕变、机械滞后、漏气、湍流和老化等因素，会随着位移、速度、时间、频率和力而变化。这些效应会产生线性和非线性失真分量，根据使用或环境条件的变化，这些失真分量可能会随着时间的推移而变化。它们主要在低频时产生谐波失真，此时位移和速度都很高（图2）。
FLSI还允许工程师比较低振幅和高振幅下的机械刚性和阻力值。例如，机械刚性会随着时间而显著变化。在图5中，音圈静止位置的刚性在小信号和大信号测量之间变化了近三倍，为了正确对齐和机械保护，必须考虑这一差异。FLSI提供了所有这些效应的失真谱——刚性、外部阻力（由于气流）和内部阻尼（悬架材料中的机械滞后）—— 并显示了非线性参数Kms(x)和Rms(v)。它还提供了小信号域和大信号域中的频率相关刚性曲线，从而能够分析密闭箱系统中的蠕变和漏气。
图5：Kms刚性曲线图
非线性电感：非线性失真的另一个来源是音圈的自感。在理想情况下，电感在所有操作条件下都保持恒定。然而，在现实中，由于周围的铁结构、涡流和磁滞，它随着频率、位移和电流的变化而显著变化。
之前的LSI算法识别了一条非线性电感曲线，该曲线表示整个激励带宽上的有效电感。然而，当换能器电机中存在短路材料并且换能器在宽频率范围内工作时，这种近似值会变得不准确。为了解决这个问题，FLSI中的非线性电感模型被扩展到频率相关的非线性电感L(f, x, i)。在图6中，非线性电感曲线的形状高度依赖于频率。
这种新增功能使得能够在宽频率范围内分析短路材料的影响。非线性频率相关曲线以及失真谱（图2）可用于评估短路材料是否正确定位，是否影响所需的频率范围，以及是否有必要达到性能目标。
除了非线性电感引起的高频互调失真外，沿音圈运动轴的交流磁通量的不均匀分布也会产生磁阻力。这在音频频带中产生了额外的失真，在失真频谱中可见，并产生了直流位移。
FLSI还计算了所有非线性组合产生的总直流力，并提供了对扬声器参数不对称性的洞察。如果产生的力变得太高，可能需要增加悬架的机械刚度或减少其他参数的不对称性。
非线性有效辐射面积：随着振膜的移动，折环会变形。如果折环占总辐射表面的很大一部分，该变形会根据位移x调制有效辐射面积Sd(x)。这种效应在紧凑型换能器中尤其重要，如智能手机扬声器和长冲程低音扬声器。不对称折环尺寸（如单滚）主要引入二阶互调失真，以及低频下的一些二阶谐波失真。相对多音失真可达10%或更高，并在失真频谱中可见（图2）。由于Sd(x)失真在电域中不可观察，因此需要麦克风进行识别。
扬声器系统测量：除了自由空气测量外，强烈建议将换能单元安装在与最终产品类似的箱体中，再测量其扬声器参数。线性箱体参数，如端口谐振频率和Q因子，不仅可以用于验证仿真结果，还支持精确的系统对准。
除了换能单元本身，由于端口内外的气流（如湍流和涡流脱落）以及无源辐射器的悬挂系统，如开口无源辐射器系统等箱体中也会出现非线性。如果非线性表现出不对称行为，这些效应会引入非线性失真以及不希望的音圈直流位移。图2中的失真谱说明了所识别的声负载非线性的影响。FLSI支持密闭式、开口式、四阶带通和无源辐射器扬声器系统的测量。
热模型：当电流流过音圈时，会产生热量，增加线圈的电阻。这种变化会影响系统的输入/输出行为，降低电压灵敏度和功率效率。如果温度超过音圈的最大额定极限，可能会造成永久性损坏。
FLSI能识别音圈的短期热模型参数，如图8所示，包括热电容Ctv（主要取决于线圈的质量，贡献于加热和冷却时间常数）以及两个单独的热阻，分别代表与附近电机部件的热传导（Rtv）和对流冷却（Rtc(v)）。这些参数对于估计短期功率处理能力和优化冷却性能非常有用。在评估不同的音圈和电机几何形状或替代音圈成型材料时，它们可以作为客观指标。
FLSI测量使工程师能够在新的层次上分析和理解相关的扬声器非线性。通过自动识别线性和非线性参数，它可以深入了解失真的主要来源。无论是在电机设计、悬架几何形状、材料选择还是热管理方面，这种理解可以帮助对产品进行针对性的改进。
扬声器中的非线性失真通常不是由单个源引起的，而是由多个物理域中不同机制的复杂相互作用引起的。通过精确的建模和周到的工程设计，可以理解、最小化这些影响，在某些情况下甚至可以利用这些影响来提高性能。
随着FLSI开发的继续，Klippel非常重视扩展测量系统的诊断能力，以更好地支持结果的解读，提出改进建议，并突出设计弱点。总体而言，FLSI代表了扬声器测量和建模能力的重大飞跃。
