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声学与振动 博客文章

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。

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。

使用 COMSOL® 模拟多孔介质的声学特性

2021年 1月 14日

今天的客座博主 Kirill Horoshenkov(FREng)是来自英国谢菲尔德大学(University of Sheffield,UK)的声学教授,他讨论了如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件和声学模块对多孔介质的声学特性进行建模。 多孔介质的声学特性主要表现在它对入射声波具有极强的吸收和修改能力,入射声波可以与填充材料孔隙的流体相互作用。黏性摩擦、惯性和热耗散效应是造成刚性结构多孔介质声学特性的原因。这些效应由材料的孔隙率和孔隙结构的其他参数控制。尽管对于大多数实际工程问题而言,多孔材料的声学特性并不是直接影响的关键的问题,但是声学特性、孔隙率和结构形态之间的关系却非常重要。 在与能量存储相关的应用中,测量陶瓷隔板的孔隙率和曲折率非常重要,它们控制着多孔隔板吸收的电解质及其导电能力;在与过滤操作相关的应用中,通过定期测量与上述相似的特性,可以确定在有流体流动的情况下膜的渗透性;在制药应用中,通常需要测量平均粒度和压实度,粒度分布以及颗粒混合物吸收的水分量。在化学和化学工程应用中,重要的是要了解材料的内部孔隙表面积,这些表面通过输送催化剂来控制化学反应并将有毒物质转化为化学惰性键。在噪声控制应用中,令人感兴趣的则是预估多孔层吸收声音的能力。 6 参数 Johnson–Champoux–Allard–Lafarge 模型 COMSOL Multiphysics 软件包含一系列可以预测多孔介质声学特性的模型。在以往的应用中,声学模块提供的多孔介质声学功能(图1),使用了其中包含的Johnson-Champoux-Allard-Lafarge(JCAL)模型来进行预测,其结果被广泛引用(截至 2020 年 11 月 15 日,已有超过 2000 多个 Scopus 文摘和引文数据库引用)。 JCAL 模型最初于 1991 年被提出(参考文献1)。它需要 6 个非声学参数来预测材料孔隙中流体复杂的、随频率变化的动态密度: (1) \rho(\omega)=\frac{\rhof \alpha\infty}{\epsilonp} \left[ 1+\frac{\sigma \epsilonp}{i \alpha\infty \rhof \omega} \left( 1+\frac{4i \alpha ^{2}\infty \mu \rhof \omega}{\sigma^2 \Lambda^2 \epsilon^{2}{p}}\right)^{1/2} \right] 及其动态可压缩性 (2) C(\omega) = \frac{\epsilonp}{\gamma P0} \left[\gamma – \frac{\gamma-1}{1-\frac{i \sigma’ \epsilonp}{\rhof \alpha\infty N\textrm{Pr} \omega} \left(1+\frac{4i \alpha^{2}{\infty}\mu \rhof N\textrm{Pr}\omega}{(\sigma’ \Lambda’ \epsilon_p)^2}\right)^{1/2}} \right] 图1 多孔介质声学接口的设置窗口的屏幕截图,显示了 JCAL 模型的 6 个原始参数的设置。 在COMSOL文档和由Matelys […]

借助仿真实现声呐系统的快速原型设计

2020年 12月 15日

借助多物理场仿真技术,诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman Corporation,NGC)快速完成了声呐系统的创新设计和实现。Lauren Lagua 是 NGC 水下系统部门声呐集成团队成员之一,她在 2020 年北美 COMSOL 用户年会的主题演讲中,讨论了如何使用 COMSOL Multiphysics® 软件在声呐系统开发中进行快速原型设计。文中摘录了她的一些演讲内容,并附加了完整的视频演讲,欢迎浏览。 视频演讲:NGC 如何使用 COMSOL Multiphysics® 进行快速原型设计   NGC 的快速原型设计流程 在 NGC 公司,工程师遵循着快速原型设计的流程,该流程包括四个部分,其中前三个部分经常重复多次: 原型设计 原型制造 测试与设计验证 最终设计的制造 Lauren Lagua表示,在该流程的每一个环节都使用了多物理场仿真技术。 原型设计 在为声呐系统设计换能器(Tonpilz 型压电换能器案例模型)时,工程师会通过测试不同的参数设置,来了解如何最好地实现项目的总体目标。他们可能会尝试测试材料(例如新的压电材料)、几何形状和频率等参数。Lauren 团队使用 COMSOL Multiphysics 的 压力声学、固体力学、静电 和电路 接口,确定了不同的参数变化如何影响其设计。 在测试新材料时,团队经常缺少供应商提供有关材料属性的所有必要信息。因此,他们使用 COMSOL Multiphysics 评估已有信息测试材料属性,并将评估结果与 COMSOL 模型进行比较来估计材料性质。 主题演讲的屏幕截图,显示了换能器设计中使用的材料。 原型制造 NGC 团队在建立好模型并运行之后,会在整个原型制造过程中执行一系列测试,并将其与模拟结果进行比较。有时结果会不匹配,例如模型中可能缺少物理场。有时,Lagua能够在原型中发现制造问题。例如,当将压电材料黏合到背衬基板时,可能会出现气泡或黏合不良等问题。 Lagua 对导致问题的原因进行了假设,并在 COMSOL Multiphysics 中模拟了其假设。通过将模型结果与原始原型的假设进行比较,Lagua 能够快速对制造问题进行故障排除并纠正。 测试和验证 准备好原型后,NGC 团队将对其电气和声学特性进行系统级测试。 电气测试包括阻抗测试和电容测量。 在声学方面,NGC 公司使用了最先进的声学测试设备。该设备是私营企业最大的测试池,直径为 15 米,可容纳约 1500 立方米水,并用红木衬砌,以建造一个理想的宽带声学测试环境(模仿开放水域环境)。声学测试池用于测量声呐换能器中的发射电压响应,远场电压灵敏度和辐射方向图。该设备的测试结果将被反馈回模型中,并进行验证模型,或者在必要时进行调整。 声学测试池。图片由 Northrop Grumman Corporation 提供。 一旦设计通过了快速原型设计流程的前三个阶段,就可以一次又一次地快速迭代它们,直到准备好制造出最终设计版本为止。 微型无人水下飞行器的声呐 在 Lagua 的主题演讲中,她以 NGC 公司的一个项目为例说明了如何借助仿真快速实现声呐系统的原型制造。该项目成功使用 COMSOL […]

混凝土墙的声传输损耗仿真

2020年 10月 7日

隔音是建筑物质量的一个重要评判标准。公寓和住宅区的居民经常会抱怨由于墙壁太薄而能听到邻居的活动;居住在高速公路或机场附近的居民不希望听到汽车或飞机日常飞行的噪音。

分析油箱振动的最佳方法是什么?

2020年 8月 4日

在某些情况下,传统的建模方法和简化会导致模型无法准确地表示一个结构。比如与流体接触的结构,该结构的动态响应由于流体的存在而显著改变,例如燃料箱。本文我们将比较用于分析燃料箱的传统建模方法和多物理场建模方法,并比较哪种建模方法可以提供更准确的结果…


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