title: Measuring the voice coil temperature of electrodynamic speakers with the HF method according to Anazawa
Creators: name: Fried, Johannes
Publisher: name: TU Ilmenau
Year: 2021
Subjects: subject: Loudspeaker
subject: Temperature Measurement
subject: Ultrasonic
subject: High Frequency
subject: Impedance
subject: Excursion
subject: Skin Effect
subject: Electrodynamic
subject: Heat
subject: 530

description: Modern loudspeakers are expected to be small and light yet deliver high quality and loud sound. High levels can cause thermal failure of the speaker, necessitating the use of a thermal limiter. To minimize the thermal safety margin of the limiter and maximize sound level, the voice coil temperature needs to be measured during playback. Voice coil temperature can be measured through the well known relationship between temperature and direct current (DC) resistance. The high frequency (HF) method introduced by Gautama and Anazawa instead uses the relationship between temperature and impedance at an ultrasonic frequency. This enables lower noise and higher bandwidth compared to the DC method, which is verified through theory and experiment in this thesis. Besides voice coil temperature, the HF impedance depends on excursion and surface temperature of the pole plates. These dependencies are measured on a sample microspeaker and modelled. Finally, DC and HF method are compared with different audio signals and shown to agree well. The requirements for voice coil temperature measurement can be fulfilled by both DC and HF method. The HF method may integrate better with active excursion offset stabilization but is more complex than the DC method. Additionally, the HF method allows measuring the surface temperature of the pole plates. Although pole plate surface temperature is affected by high frequency audio signals through induction heating, pole plate temperature could be used for better initialization of predictive thermal models. In the future, the combination of predictive thermal models and temperature measurement is expected to reduce the risk of thermal failure while increasing maximum sound pressure level.
description: Von modernen Lautsprechern wird erwartet, dass sie klein und leicht sind und dennoch hohe Klangqualität und Pegel liefern. Hohe Pegel können zu einem thermischen Versagen des Lautsprechers führen, was die Verwendung eines thermischen Limiters erforderlich macht. Um den thermischen Sicherheitsspielraum des Limiters zu minimieren und den Schallpegel zu maximieren, muss die Schwingspulentemperatur während der Wiedergabe gemessen werden. Die Schwingspulentemperatur kann durch die Beziehung zwischen Temperatur und Gleichstromwiderstand gemessen werden (etablierte DC-Methode). Die von Gautama und Anazawa eingeführte Hochfrequenz-Methode (HF-Methode) verwendet stattdessen die Beziehung zwischen Temperatur und Impedanz bei einer Ultraschallfrequenz. Dies ermöglicht ein geringeres Rauschen und eine höhere Bandbreite im Vergleich zur DC-Methode, was in dieser Arbeit durch Theorie und Experiment verifiziert wird. Neben der Schwingspulentemperatur hängt die HF-Impedanz von der Auslenkung und der Oberflächentemperatur der Polplatten ab. Diese Abhängigkeiten werden an einem Mikrolautsprecher gemessen und modelliert. Schließlich werden DC- und HF-Methode mit verschiedenen Audiosignalen verglichen und eine gute Übereinstimmung festgestellt. Die Anforderungen an die Messung der Schwingspulentemperatur können sowohl mit der DC- als auch mit der HF-Methode erfüllt werden. Die HF-Methode lässt sich möglicherweise besser mit einer aktiven Auslenkungs-Stabilisierung verbinden, ist jedoch komplexer als die DC-Methode. Zusätzlich ermöglicht die HF-Methode die Oberflächentemperatur der Polplatten zu messen. Obwohl die Oberflächentemperatur der Polplatten durch hochfrequente Audiosignale mittels Induktionserwärmung beeinflusst wird, könnte die Polplatten-Temperatur zur besseren Initialisierung prädiktiver Wärmemodelle verwendet werden. In Zukunft dürfte die Kombination von prädiktiven Wärmemodellen und Temperaturmessung das Risiko eines thermischen Versagens verringern und gleichzeitig den maximalen Schalldruckpegel erhöhen.