今天的这篇博客来自 Konzept-X 公司的总经理 Alfred J. Svobodnik 博士，该公司是一家 COMSOL 认证的咨询公司，也是多学科虚拟优化工业设计技术（M-voiD® 技术）的开发商。
MP3 播放器、智能手机和平板电脑等电子设备让我们几乎可以随时随地地聆听自己喜欢的音乐。在驾驶汽车时，我们也应该享受出色的音质。了解如何使用仿真在最复杂的声学环境之一——汽车中重现声音，以设计出更好的汽车音响系统。
汽车：对音质要求严苛的环境
由于汽车结构极其复杂且空间狭小，汽车声学专家在为车内扬声器寻找最优布局时面临重重挑战。必须对汽车座舱内如纺织品、塑料、金属、玻璃等各种混合材料，声学效应，以及发动机或路面噪声等干扰因素进行分析，直至所有噪声问题都得以解决或消除。
带扬声器的汽车车门 CAD 模型。图片由 Konzept-X GmbH 提供。
在汽车声学组件的概念设计以及产品开发的早期阶段，使用现代仿真技术对系统进行评估的重要性日益凸显，这部分是由于缩短产品开发周期的需求和汽车型号范围的不断扩大所致。
借助 COMSOL Multiphysics® 多物理场仿真软件，声学专家可以基于汽车 CAD 模型模拟完整的声学效果。正确的建模策略是推动汽车内部声学性能迈向新高度的关键。
扬声器车载音响系统的多物理场仿真
首先，我们建立了一个汽车扬声器多物理场模型，其中考虑了电磁学、力学、声学，甚至传热和流体动力学的影响。分析不同的物理场域最为重要，因为每个域之间都相互作用。
为了实现接近真实情况的模拟，我们还必须处理每个域中与路径相关的动态效应和非线性（包括不稳定性）。在这个多物理场仿真中，我们使用了一个独特的一维（集总参数）、二维和三维（有限元）混合模型。
集总参数模型基于一维标量方程描述物理变量。幸运的是，这些模型可以通过包括多个物理标量变量来描述扬声器与音箱相互作用的系统行为，以及由此产生的声辐射。然而，对于机械和声学（空气声）域，仅使用标量值存在很大的局限性。例如，在机械系统中，只能描述活塞式运动，因此适用的频率范围有限。在更高的频率下，振动行为不再是活塞式的，此时必须使用多维模拟方法。对于这种情况，推荐使用有限元法。基于这一事实，我们开发了基于矩阵方法的模型。
为了演示这一过程，我们需要使用一个集总参数模型模拟音圈电磁特性、一个有限元模型分析机械域以及一个有限元模型分析声学域，来建立扬声器的电气-机械-声学完全耦合仿真模型。如果将不同物理域（电气、机械和声学）的所有控制方程整合在一起，我们会得到一个耦合的方程组，用于描述电声换能器在频域中的多物理场特性，如下图所示。
用于描述扬声器相互作用的多物理场系统。图片由 Konzept-X GmbH 提供。
Cma 和 Cam 是连接机械域和声学域的耦合矩阵。这些耦合矩阵是在耦合界面法线方向上基于机械域和声学域速度和压力连续的假设得出的。De 是由反向电磁力引起的电磁阻尼。
考虑到仅建立耦合模型并不能自动生成真实的模拟，我们还需要准确描述电气和结构域的材料特性。因此，仿真的一个关键是专门设计的材料测量程序，用于测量电气和机械参数及其频率关系。
下图中，我们比较了辐射声压的测量频率响应和模拟频率响应。基于上文介绍的理论，模拟的精确度在扬声器的制造公差范围内，因此可以认为该模拟与实际情况高度一致。
测量结果（以绿色线和黑色线表示）与仿真结果（以粉红色线表示）的比较。图片由 Konzept-X GmbH 提供。
每个物理场域的设计挑战
实现成功的汽车声学仿真面临的最重要挑战是所有相关物理场域之间的强耦合，其中强耦合是指每个物理场域都与其他域相互作用。
扬声器的 CAD 模型（剖面图）。图片由 Konzept-X GmbH 提供。
电磁学
电机系统通常被视为轴对称设备，因此对于大多数应用可以使用简化的二维模型，但我们必须考虑音圈在磁铁气隙中运作时与结构域（扬声器振动系统）的强耦合。对于某些电机结构，轴向磁通场的变化也至关重要。因此，通常采用有限元模型进行详细的电机设计和优化。
在音圈发生大幅偏移的情况下（在额定功率区域内驱动扬声器），音圈的很大一部分会移出主磁通场，因此所产生的机械力较小。这种非线性效应非常重要，会导致辐射声产生不必要的失真。此外，音圈电感也取决于音圈偏移和电流。因此，需要使用非线性模型预测扬声器在大信号下的行为。
对于不以设计电机为目标的系统级或子系统级仿真，一维集总模型（包括额外的非线性因素以预测大信号行为）非常高效。
结构动力学
如前所述，为了考虑非活塞效应，必须使用有限元模拟结构域。只有三维模型才能考虑周向弯曲波，因此必须谨慎使用二维模型。另外，锥体和防尘盖，以及悬边和定心支片的薄壁结构模拟也是一大挑战。如果简单地使用三维实体单元，可能会得到一个非常复杂且不便于操作的模型，因此应该使用壳有限单元来建立振动系统模型。
在大信号以及由此产生的偏移较大的情况下，材料的行为和几何形状的变化会引起主要的非线性效应，导致振动系统的刚度发生变化，从而产生声辐射失真。即使是超线性材料，其几何刚度的变化也会导致失真。此外，几何刚度的变化还可能引发如突弹跳变和分叉等不稳定性，这是构成严重失真的另一来源。
声学
声学面临的主要挑战是与结构域的强耦合。换句话说，扬声器振动系统的运动会对周围的声学介质产生影响（产生空气和声波），反之，周围空气也会对结构域的运动产生影响（通常称为 附加质量 和 刚度 效应）。
扬声器的多物理场仿真（CAD模型）。图片由 Konzept-X GmbH 提供。
将优化的扬声器集成到汽车中
扬声器的多物理场仿真是实现出色音质的第一步。汽车扬声器的机械和声学集成也至关重要。对于开发人员而言，扬声器的空间要求尤具挑战性。
通过使用如 COMSOL Multiphysics 等基于 CAE 的仿真技术，我们能够在早期设计阶段优化扬声器的集成。这样，就可以避免诸如箱体和结构组件的伪振荡等错误，而考虑全新的集成方案。
将汽车结构的空腔作为扬声器的共振腔就是一个这样的示例，因为扬声器需要借助箱体作为共振腔才能复现低频。由于空间限制，这些箱体通常具有复杂的几何形状，并对声音产生重要影响。因此，下一步必须对先前设计的扬声器多物理场模型进行扩展，将箱体集成进去并赋予其机械和声学特性。
扬声器和箱体（车门）的多物理场模型示例。图片由 Konzept-X GmbH 提供。
车门腔体内的声压级。图片由 Konzept-X GmbH 提供。
低音扬声器音响内的声压级。图片由 Konzept-X GmbH 提供。
然后，将具有机械和声学特性的汽车座舱集成到仿真模型中。汽车座舱对声音的感知同样具有重要影响。鉴于座舱内混合了皮革、塑料和纺织品等不同材料，我们采用了混合方法，因为单纯依靠耦合的多物理场模型无法自动生成近似真实的仿真结果。由于各种材料的行为和连接工艺完全不同，需要详细描述材料在电气和结构域的特性。因此，此处还需要专门设计用于测量电气和机械参数的材料测量程序。
为了使整套汽车音响系统具有出色的声学性能，心理声学特性和属性也非常重要（心理声学涉及人类对声音的感知）。频率响应中的不规则和共振可以通过精确的虚拟调谐得到补偿。接下来，还要进行大量的测试和测量。最后，还需要对虚拟音频系统进行人耳分析。这些听力测试对于最终评估音频性能非常关键，尤其是在空间再现效果方面。
结束语
我们建立的汽车音响系统多物理场仿真模型可以确定汽车内部的声音分布，甚至是最偏远的角落。所有影响车内声音的因素，无论多么细微，均被考虑在内。通过一种特殊的再现技术，还可以在电脑上实现虚拟音响系统可听化（也称为听觉化）。过去，扬声器系统的集成主要是在开发的后期阶段通过真实原型进行评估。这个过程会耗费大量的时间和资金，还给项目的进展带来了潜在风险。
借助现代仿真技术，我们可以在开发的早期阶段虚拟分析扬声器的最佳布局，并选择合适的组件。不同的 COMSOL Multiphysics 接口的耦合功能能够将汽车音响声学模拟的预测能力提升到一个新的水平。
关于作者
J. Svobodnik 博士是一位思想领袖、企业家、工程师和技术科学家。他在音频和声学应用领域工作超过了 25 年。Svobodnik 是 Konzept-X GmbH 公司的总经理和联合创始人，该公司是 COMSOL 认证咨询公司 ，专门为汽车音响和技术声学提供咨询服务和创新技术，同时也是多学科虚拟优化工业设计 M-voiD® 技术的开发者。Konzept-X 成立于 2011 年。
M-voiD 是 Alfred J. Svobodnik 在美国和其他国家的注册商标。
评论 (0)