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结构 & 声学 博客文章

注意前方! 通过仿真分析高尔夫球的性能

2021年 8月 25日

译者注:How it’s made (中译名:《制造的原理》/《造物小百科》)是美国探索频道的科普纪录片,涵盖了几乎所有的制造技术。 旋转木马、烟花和游乐场设备只是纪录片 How it’s made 中重点介绍的一部分产品。其中,有一集特别讲述了高尔夫球是如何制作的。这是一个令人着迷的过程,包括橡胶板、钢桶、压模机等等。看完这集视频后,我受到了启发,想学习更多关于高尔夫球技术的知识。在今天的博文中,我们将探讨高尔夫球的演变历史以及仿真在未来高尔夫球设计中的作用。 高尔夫球的演变 全球每年约生产12 亿个高尔夫球,它们有多种风格和设计,包括: 单层球,仅由一种材料制成,以 Surlyn® 树脂为代表。常被用于小型高尔夫球场和练习场。 双层球,具有实心橡胶芯和塑料外壳,是普通高尔夫球手的首选。 三层球,包含内核芯、软橡胶套和外层。想要更好地控制击球的经验丰富的高尔夫球手会使用这种球。 四层球,由三层橡胶层和一层硬质外层制成,它们比大多数高尔夫球更昂贵,并且通常由挥杆快速的专业人士使用。 五层球,由聚氨酯橡胶包裹着四层橡胶层,相对较新,是职业高尔夫球手的热门选择。 一根 7 号铁球杆和一个双层高尔夫球。 尽管这五种主要类型的高尔夫球在很多方面有所不同,但它们有一个共同特点:圆圆的球表面上布满了凹痕。然而,也会有例外的情况。正如我们今天所知道的,高尔夫球已经经历了许多设计上的改变。下面,我们简要地探讨高尔夫球发展的五个不同阶段。 1. 木制球 人们普遍认为,现代高尔夫运动起源于 15 世纪的苏格兰。然而,关于第一个高尔夫球是由什么制成的,有很多争论。许多说法称,它们是用山毛榉和黄杨树等硬木雕刻而成的,而有一些人则不太相信,因为几乎没有证据支持这一理论。 无论最早的高尔夫球是否由硬木制成,有一点是肯定的:木质高尔夫球在高尔夫比赛中是不符合标准的。它们的飞行能力一般,主要是由于它们的重量。 2. 毛茸球 接下来是毛茸茸的球。这种球最初产于荷兰,然后进口到苏格兰。它是由一个圆形的皮革外壳制成的,里面装有牛毛或稻草。由于它们价格实惠,300 多年来一直是高尔夫球的热门选择。 3.羽毛球 羽毛球是在 17 世纪早期发明的。它与毛茸球很像,但里面装的不是牛毛,而是鹅毛或鸡毛。为了制作羽毛球,高尔夫球制造者会把湿羽毛塞进一块湿皮革里,当羽毛变干时,羽毛会膨胀,而皮革变干后会收缩。这就造就了非常紧凑和致密的高尔夫球。有一些人说,它的特征只有现代高尔夫球才具备。 羽毛球的缺点是它们非常昂贵。以今天的货币计算,一个羽毛球的价格从10美元到20美元不等(约 60 元到 120 元人民币)。 六个羽毛高尔夫球。图片由Geni提供自己的作品。图像在GNU 免费文档许可证下,通过Wikimedia Commons获得许可。 4. 古塔胶球(Gutty) 1848年, Robert Adams Paterso 发明了“gutty”,也就是古塔胶球,它彻底改变了高尔夫球的设计。它的形状是一个球体,由人心果树的树汁液干燥后制成。与羽毛球相比,古塔胶球虽然飞不了那么远,但是它的价格却便宜很多,让更多的人参与到高尔夫运动中来。 在使用古塔胶球的时候,高尔夫球手们很快就注意到一个奇怪的现象:表面被割裂的球飞得更远。这一发现促使高尔夫球制造商有意在他们设计的球上添加凹痕,通常是用荆棘图案(或类似浆果表面的图案)。 5. 哈斯克球(Haskell) 那么,无聊是怎么导致高尔夫球设计的下一次重大突破的呢?1898 年,Coburn Haskell 在等待朋友的时候,将橡胶线绑成一个球状物,以此来消磨时间。当他把球弹起来时,被它惊人的飞行能力吓了一跳。他的朋友 Bertram G. Work 建议他在上面加一层覆盖物,于是 Haskell 就诞生了。 早期的 Haskell 是由液体或固体内核、橡胶线层和由橡胶树液制成的外壳制成的。像古塔胶球一样,它们的表面也有荆棘图案。然而,当人们了解到倒置凹坑可以让球获得更好的飞行模式时,情况发生了变化。哈斯克球的发明为我们今天所熟知的高尔夫球铺平了道路。 高尔夫球的未来 可以说,高尔夫球已经经历了从由毛皮、羽毛到树脂液体制成的很长一段路,但是高尔夫球的进化并没有结束。制造商们一直在研究提高高尔夫球空气动力学和机械性能的方法。 与过去的高尔夫球制造商不同,工程师和设计师现在可以利用仿真分析不同层数、材料、凹坑数量和大小等高尔夫球的性能。让我们在今天的博客文章中探讨一个使用仿真设计高尔夫球的例子…… 模拟高尔夫球杆对高尔夫球的影响 正如我们在高尔夫球的冲击分析教程模型中演示的那样,工程师可以使用仿真分析高尔夫球杆撞击高尔夫球时的机械冲击。黏性罚函数可以用来模拟两个部分之间的接触,以稳定动态事件。仿真只观察了2毫秒的时间段,因为它只关注球杆击球的影响。   点击查看高尔夫球冲击分析教程模型的动态演示! 模型概述 模拟的高尔夫球杆的尺寸基于一个具有 34° 杆面角的 7 […]

优化扬声器组件的 3 个示例

2021年 6月 3日

你还记得你参加的第一场演唱会吗?一想起我的第一次经历,仿佛又回到了 2007 年 12 月 30 日。当时,我坐在一个拥挤的中型剧院里,手里拿着海报,房间里回荡着倒计时声:5、4、3、2、1! 然后,美国创作型歌手 Fergie 走了出来。我将永远记住这一天,这让我对未来几年的现场音乐充满了期待。放置在剧院周围的扬声器让我欣赏了一场完美的音乐会,即使我的座位在会场的后面。 为什么要优化扬声器组件? 无论是用于家庭影院系统、健身房、家庭野餐还是音乐会场地,扬声器都要表现出最佳的性能。为了设计高性能扬声器,我们可以使用仿真优化它的各种组件。例如,我们可以使用 COMSOL Multiphysics 软件对高音罩和波导、磁路和弹波(也叫定位支片)进行形状或拓扑优化。 下面,我们来查看关于这些组件优化的三个例子…… 1.优化高频扬声器 高频扬声器是一种小型、轻便的喇叭驱动器,目的是产生高频声(约 2kHz 至约 20kHz)。在英文中,非常贴切地将它命名为小鸟、发出的鸣叫声 “tweet tweet”。 理想的高频扬声器驱动器能得到平坦的灵敏度曲线,无论听众的位置如何,声音都是一样的(它具有全向辐射特性)。然而,所有扬声器驱动器设计中都会遇到声盆分裂和波束效应,这将对高频扬声器的质量产生负面影响。物理定律只是对高频扬声器的理想程度设定了一个极限。最佳高频扬声器设计将具有平坦的频率响应和尽可能多的空间覆盖范围。 通过使用形状优化改变高音扬声器组件的形状,您可以提高高频扬声器的整体性能。使用 COMSOL Multiphysics 提供的高音罩和波导管形状优化教程模型,您可以学习如何对高音罩和波导管进行形状优化,以得到其最优的空间和频率响应。这些优化需要在一定频率以及空间范围内进行。该教程显示了设置此问题的步骤。 高频扬声器的主要部件。 这个扬声器模型的主要组成部分包括: 波导 球顶 多孔吸声体 音圈 悬架 音圈骨架 悬架、球顶和音圈都是用 COMSOL 中的 固体力学 和壳 接口模拟的。Thiele–Small模拟电路用于包含驱动器的电磁特性。高频扬声器通常含有一个泡沫件,在设计中用来避免激发不同的动态效应(如共振和圆顶柔性模式),因此该模型中添加了一个这样的泡沫件。此外,模型中还添加了结构阻尼。 结果 在该模型中,通过与初始高频扬声器形状的性能进行比较,分析了优化后高频扬声器设计的性能。下面,您可以查看两个高频扬声器轴上1m处的声压级(SPL)。平坦的目标SPL由黑色的水平虚线表示。请注意,优化的高频扬声器在5 kHz至20 kHz的期望频率范围内产生几乎平坦的响应。此外,每个设置都显示了两组曲线。这两组曲线展示了使用两种不同的方法计算模型中的远场响应。 1m 处的轴上 SPL 接下来,我们可以比较在 20kHz 的最大频率下工作时优化的和初始的高频扬声器设计。由此,我们可以看到 SPL 分布和两个高音罩、音圈骨架和悬架的结构变形。如下图所示,高亮部分结果表明与优化设计相比,初始设计在球顶和音圈骨架会发生更大的变形(也称为声盆分裂)。 在图中,可以看到在最高频率下初始高频扬声器设计(左)和优化高频扬声器设计(右)的变形。 最后,我们还可以研究两种设计的方向性,如下图所示。方向性图在一个图中突出显示了频率和空间响应。方向性优化的区域用灰色框标记。从图中可以看出,响应在频率上是平坦的,同时具有从大约 -10° 到 +10° 的均匀空间覆盖。 初始设计(左)和优化设计(右)的方向性图。这里,各种颜色代表与目标 SPL 的偏差。黑线代表 +-3dB 和 +-6dB 的限值。 总的来说,这个教程强调了一种使用形状优化来优化高频扬声器设计性能的方法。想尝试一下自己设计吗?从 COMSOL 案例库下载模型文档和MPH文件,详细了解如何建立高音罩和波导形状优化模型。 2.扬声器磁路的优化 扬声器驱动器中包含磁路,将磁通量集中到气隙中。在气隙内,线圈垂直于磁力线放置,并连接到扬声器的音圈骨架和球顶。当交流电通过线圈时,电磁力引起线圈运动。正如预期的那样,扬声器薄膜会接收这种运动,与周围的空气相互作用,并在此过程中产生声波。 设计良好的磁路通常由铁磁极片和顶板组成,它们能够: 使集中在线圈上的磁通量最大 在整个线圈上提供均匀的磁场 磁路的性能也通常由BL参数(力因子)来表征。在磁路中,BL是气隙中磁通量与线圈长度的乘积。高性能磁路具有大的 BL 参数,但也希望BL参数对于不同的音圈位置x是恒定的。这就是为什么该参数通常被表示为 BL(x)。平坦的 BL(x) 曲线通常会导致较小的失真,因为它会导致扬声器系统的该部分的线性度。这里,使用拓扑优化来优化磁路。 磁路仿真 使用磁路拓扑优化教程模型,可以对磁路组件执行两种不同的拓扑优化研究。第一个优化研究是为了得到轻质的磁路设计,该磁路设计在气隙中具有强磁场强度,并且在静止位置具有最大的BL系数。第二个优化研究的目的是产生具有平坦BL(x)曲线的磁路。第一种设计非常适合高频工作的扬声器(如高频扬声器),而第二种设计非常适合低频工作的扬声器(如低频扬声器)。 […]

模拟跑车侧门和后视镜上的风荷载

2021年 5月 27日

在这篇博文中,我们使用大涡模拟 (LES) 和结构分析来分析高速行驶的跑车的门和侧视镜上的风载荷和气流。

一场“安静”的革命:通过仿真分析电动机噪声

2021年 5月 26日

一个多世纪以来,世界在电动机的帮助下不停地运转。当人类社会享受到从电风扇到汽车等由电动机带来的各种好处时,人们可能就会要求这些机器变得更加安静。电动机发出的声音是一种多物理场现象,因为电动机的电磁运作会通过机器和周围的空气传送振动。

平面应力与平面应变的区别是什么?

2021年 5月 20日

我们生活在一个三维世界——如果考虑到时空的话,也许是四维世界。然而,在工程分析中,通常使用二维近似以节省建模和计算资源。

通过多物理场仿真设计5G 设备的腔体滤波器

2021年 4月 13日

2020 年中至年末,备受期待的 5G 智能手机开始向公众推出。射频滤波器是支持这些设备的新型 5G 基础设施的一个关键器件。用于防止信号干扰的滤波器可能会受到明显的温度变化的影响,从而导致结构变形,尤其在极端环境条件下。

我应该使用哪个辐射接口建立传热模型?

2021年 3月 4日

与传导和对流传热机制相比,辐射传热有其独特的特点。例如,辐射不需要任何介质就能远距离传输热量,在非常高的温度下主要是辐射传热产生作用。此外,辐射依赖于方向、波长和温度。那么,在 COMSOL Multiphysics 软件中,哪个接口可以最好地考虑我们传热模型中的辐射?

通过仿真分析高强度超声聚焦技术在生物组织中的传播

2021年 2月 23日

高强度超声聚焦(High-intensity focused ultrasound,HIFU)是一种用于生物医学领域的非侵入性技术,包括手术、癌症治疗和冲击波碎石术。当施加高强度聚焦超声时,超声波在焦点上耗散实现组织凝结和消融。我们可以通过仿真进一步分析该技术的声学特性和非线性性质。


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