扬声器仿真进阶

本文首发于微信公众号「声学号角」 在之前的文章中有谈到过，密闭箱空气的劲度系数是不对称的。对产品开发来说，要从最终的系统来考虑。 【扬声器系统设计与仿真】封闭扬声器系统空气劲度非线性计算 向下运动时，密闭箱空气的劲度系数增加；向上运动时，密闭箱空气的劲度系数减小。 以一款实际产品开发过程中遇到的问题为例进行说明。 问题简单描述说明：一10寸低音单元，箱体净容积12L，密闭箱，装箱后低频段总谐波失真THD比扬声器单元大很多。对10寸低音单元来说，12L过于小。 问题分析 经过初步分析，怀疑和闭箱空气劲度系数非线性上下不对称相关。 扬声器单元Kms(x)还是比较对称的 装12L闭箱后Kms(x)上下对称性非常差 尝试方案 因为装闭箱之后Kms(x)的非线性表现是，向下Kms比向上Kms更大。所以尝试在折环内侧打硬胶Y358AB。 Kms(x)测试结果 下图中黑色是现有样品，蓝色是现有样品折环内侧加胶后。 可以看到折环内侧加胶之后，装箱后的Kms(x)对称性提高很多。 THD测试结果 下图中红色是现有样品，绿色是现有样品折环内侧加胶后。 分别对比5V/10V/15V可以看到折环内侧加胶之后，装箱后的低频段总谐波失真THD(包括单独的二次和三次谐波失真)降低明显。 总结 闭箱空气本身的Kms(x)的非线性表现是，向下Kms比向上Kms更大。 当采用闭箱设计时，要从整个系统的角度考虑Kms(x)的对称性。尤其是闭箱容积Vb<Vas时。 闭箱用单元Kms(x)设计成向上Kms比向下Kms更大有可能失真更低。 最后参照上述思路，改善方法修改橡胶边的设计，达到了比较理想的效果。 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。

本文首发于微信公众号「声学号角」 Comsol中可以很方便进行多物理场的耦合。可参看： 【扬声器系统设计与仿真】扬声器声场以及多场耦合仿真 完整扬声器系统仿真的虚拟样机尝试 很多常规的扬声器产品都是轴对称的，可以采用2d轴对称的办法来进行仿真。即便是磁/结构/声三场全耦合，其计算难度也不算太大。 但现在还是有很多产品并非轴对称，需要采用3d模型来进行仿真。如果直接3d的磁/结构/声三场全耦合，其计算难度很大，求解复杂。所以需要尽可能降低3D模型的耦合难度。 有多种办法，简化越厉害，仿真准确度损失会越多。可以考虑： 根据产品对称性，采用1/2或者1/4模型 磁路部分先模拟得到洛伦兹力，以及阻抗曲线，再加载到振动系统中。进行分步仿真。磁路部分也可以采用2d来进行等效简化。 振膜采用壳模型，虚拟一个厚度。 直接用仿真得到的TS集中参数，得到振膜的位移/速度/加速度，加载到声场上。 ….. 频响曲线： 1m处声压级公式可以采用—— subst(acsh.ffc1.Lp_pfar,x,0,y,0,z,1) 或者10*log10(0.5*(pfar(0,0,1))*conj(pfar(0,0,1))/acsh.pref_SPL^2) 或者倍频程带的方法pfar(0,0,1) 以上公式默认Z轴是轴对称轴。如果不是，请自行调整。 阻抗曲线： 某一频率点远场声压级指向性： 像颗花生 位移： 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — AES论文 本文基于Faital公司的Marco Baratelli,等人在AES上发表的论文《FEM thermal model of a compression driver: comparison with experimental results》。 Faital是一家意大利专门从事扬声器单元研发和生产的公司。之前有发过这家公司的简介视频。 几个扬声器相关介绍的视频 02 — 建立热模型 扬声器发热功率可以近似表示为: V代表输入电压，Re(Tc)代表和温度相关的直阻。 η代表扬声器效率。压缩高音理论效率可以达到50%。一般扬声器单元的效率很难超过7% (约 100dB/(1m 1W)。 直阻Re(Tc)可以表示为： 音圈常用材料铜或铝的系数： 大功率状态下，音圈直阻的上升会造成明显的输入压缩，见之前的讨论： 扬声器热功率压缩 磁回路中的涡流也会贡献一部分发热。也可以通过有限元进行模拟。不过通常来说占比较小。 热量的传递包含三种方式：热传导，热对流，热辐射。尤其要注意，热对流对于扬声器散热起了非常关键的作用。所以不能忽视。 钕铁硼的开始永久退磁的居里温度较低，所以设计的时候要留意磁钢的退磁温度。 磁钢退磁温度计算 【小工具】磁路中磁钢耐温估算 03 — 压缩高音的有限元热模拟 首先要考虑热传导和热辐射。传导系数和辐射系数可以查阅相关资料和文献。 由于压缩高音的振幅很小，所以可以考虑使用自然对流。流体定义为空气流速很小的层流。 该方法也适用于振幅很小的常规高音。但对一般的低音和全频扬声器单元不适用，因为强迫对流模型计算非常复杂。 音圈温度的测量通过监控音圈直阻来得到。T铁的温度通过热电偶读取。 对比仿真和实测结果。吻合得非常不错。 这是一个不错的扬声器热仿真的方法，不过也要注意应用的局限。 可以同时参考我之前关于扬声器散热仿真分析的文章。 扬声器散热仿真 扬声器散热与改善 分频器散热分析 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。

本文首发于微信公众号「声学号角」 号角扬声器的声场非线性失真，主要来源是前室空气的非线性和号角喉口部分大振幅声波的传播。 声波在号角的传播过程中，会引发前腔空气的膨胀和压缩。由于膨胀压缩过程变换非常快，可以近似看成一个绝热过程。绝热过程中，振膜运动时，前腔体积变化，压强也会变化，造成非线性失真。 当声压非常大的时候，声波在号角内的传播过程中，不同位置的压力大小不一造成传播速度的差异，容易造成波形的失真。主要是二次谐波失真。 以随意一款号角为例，在喉口加载1000Hz的正弦波进行仿真（未考虑前腔失真）。 声压传播 声场中某一点的声压时域曲线。能看到最开始的一个周期是未达到稳定状态的。 可以用comsol简单做快速傅里叶变换，具体的操作请参考之前讲comsol技巧的文章。 也可以改用matlab或者origin之类更专业的软件来进行FFT处理。 一般情况下都是二次谐波（对应这个是2000Hz响应）略高。 波导管也会存在类似的声场非线性失真问题，所以其路径不要太过于扭曲 线阵列音箱上使用的波导管优化 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。

本文首发于微信公众号「声学号角」 以一种向前辐射环状压缩高音振膜为例说明如何进行仿真： 其他形状也有很多，仅作案例参考。 下表是上述模型不同厚度的，不同边宽的高分子振膜第一阶响应频率f0和第二阶响应频率。 一般来说，都是希望第一阶频率越低越好，第二阶频率越高越好。很明显，这两个是存在矛盾的，只能做一个平衡。 其他模态，比如分割振动之类的，需要确保其大于可用的频段，比如大于20kHz之类。 下面再看看另一种向前辐射球顶状压缩高音振膜： 振膜f0 1021Hz。由于一般压缩高音材料单一且均匀，所以其f0的计算相对通常的扬声器会更准确。下图模型中已添加音膜胶水模型，以更接近真实情况。 某频率点下，磁声固耦合状态下，振膜的振动情况： 可以看到骨架强度不够，需要加厚。 其他向后辐射的压缩高音振膜，或者其他种类的，都可以做类似的仿真分析。 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 异常现象 有一款18寸的超低音喇叭测试DIS的时候，发现输入功率较大时，直流偏移异常大，上下的行程非常不对称。出现了输入电压越大，向下的行程越小，甚至根本不会向下运动。 不同电压激励下，上下位移分布 不同电压激励下，直流偏移 02 — 原因分析 按常规理论来说，直流偏移主要来源于BL(x)，Kms(x)，Le(x)的上下非对称性。 所以检查非线性参数曲线。发现对称性还不错。 BL(x) Kms(x) Le(x) 所以，用我自己开发的扬声器非线性仿真工具做了下研究。 扬声器系统低频谐波失真仿真 V1.0发布 导入Klippel LSI测试结果。 确实复现到了Klippel DIS的实测结果。 直流偏移的最大点在约2倍Fs附近。一般来说这个频率点附近的直流偏移和BL(x)关系比较大。 在仿真工具中，将BL(x)假设为完全线性。发现直流偏移减小很多。 所以最终可以确定是BL(x)的非线性造成的直流偏移异常。 03 — 改善方法 尝试重新设计音圈，增加BL(x)的线性。其他地方不做变更。 仿真出来的直流偏移小很多。 虽然样品还没最终做出来，但是我非常有信心可以解决改善这个问题。 当然，最根本的原因我没写出来。留作供思考。比如，为什么直流偏移是向上，而不是向下？即便上下完全对称。 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 来源 本文主要来源于klippel公司William Cardenas, Wolfgang Klippel发表的论文《Optimal Material Parameter Estimation by Fitting Finite Element Simulations to Loudspeaker Measurements》 下载链接 http://www.klippel.de/fileadmin/klippel/Files/Know_How/Literature/Papers/Optimal%20Material%20Parameter%20Estimation%20by%20Fitting%20Finite%20Element%20Simulations%20to%20Loudspeaker%20Measurements.pdf 嫌复制链接麻烦的，可以点击文末左下角“阅读原文”跳转下载。 Klippel官网上有相当多扬声器/音箱的原理/设计/测试等资料。强烈建议有学习欲望的朋友多看看。 看英文有困难的朋友可以优先看中文资料。 http://www.klippel.de/material-in-other-languages/chinese-%E4%B8%AD%E6%96%87%E8%B5%84%E6%96%99.html 02 — 材料参数的测试 频率响应和指向性等与扬声器音质直接相关的重要特性，主要由振膜悬边等部件的尺寸，几何形状，材料参数等决定。 尺寸和几何形状比较容易通过一些手段来测量和验证。 关于一般性的材料参数的测试，我之前有专门写过文章。 材料参数测试 这种方法的局限在于，测试样品和最终成型的产品材料参数可能会发生变化。且材料参数很多时候是和激励频率相关的。 文章通过将FEA模型拟合到现有的激光振动测量仪来解决该问题并提供最佳材料参数。 03 — 拟合有限元模拟和扬声器实测结果 根据某些经验，我们知道，材料参数中杨氏模量和阻尼实际是会随频率发生变化的。 Klippel公司正在准备新的模块来拟合有限元模拟和扬声器实测结果，来得到实际产品中杨氏模量和阻尼和频率的关系。 下图左侧是预估的材料参数模拟和实测的对比结果，右侧是校准过材料参数的模拟实测结果。可以看到吻合的效果非常好。 下图是在不同频率下，仿真和实测的膜片振动情况的对比。 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 话题引入 话题来源于一次微信群的探讨。 我引出了一个问题。比如说有两个同样产品，除了悬挂系统不一样，其余一样。下图中是两种方案的Kms(x)对比。大家觉得哪种更好？ 请各位忽略我灵魂画手的画风。 假设图中最大位移就比较接近额定功率时候扬声器的最大位移。 02 — 谈论 在群里大家各抒己见，谈论算是比较热烈。 我个人倾向于蓝色方案。红色方案小功率状态下失真很低。但大功率下Kms在某个位移下急剧突变。会造成大功率下失真增加较多。 而且不只是二三次谐波失真的问题。可能会造成高次谐波增加。对人耳听感造成不适。 一个例子就是当弹波没限幅时，出现的扯边声。也有些叫“牛音”。折环被拉到极限就会出现Kms(x)突变。 下图是俞锦元先生在他的著作《扬声器设计与制作》中的对这种现象的描述。 一般来说，常见的解决方案是增大折环冲程，或者减小弹波冲程，以避免这种异常的声音。 03 — Klippel的说明 后来，有朋友在微信群里贴出了Klippel教授一份PPT中关于类似话题的探讨。 从图中可以看到。位移5mm以下，硬限幅三次谐波失真更高。如果高于5mm，有可能刚好会反过来。 另外要注意的是，硬限幅在位移较大的时候，高次谐波会比软限幅明显高。这种现象对听感的影响是很明显的。 和前面我们的定性分析也是接近的。 严格来说，回到最前边的话题。软限幅和硬限幅并不能完全说哪一种最好。还是要结合产品的使用条件来进行判断。 这个话题主要是提醒大家善用非线性的分析结果。不是光把左右做对称，中间做平就行。需要多维度综合考量。 （比心） 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 简介 介绍最新AES New York 2018，145th International Pro Audio Convention 仍然是之前介绍新AES大会的文中提到的一篇文章。 “Evaluation of efficiency and voltage sensitivity in horn drivers”（评估号角扬声器的效率和灵敏度）。 仍然是Alexander Voishvillo的汇报。重新评估了号角扬声器的效率和灵敏度。 按传统理解，当号角扬声器声负载阻抗等于音圈直阻时，输出效率最大为50%。 这样就可以得到效率最高时的相位塞入口的面积。 Sd/St即为压缩高音的压缩比。 但声辐射阻抗并不能仅仅等同于电阻，会随频率变化。 2004年 Don Keele 在AES 上发布了论文 “Maximum Efficiency of Compression Drivers”（压缩驱动器的最大效率）。 02 — 建模和测试 文中挑选了JBL一款压缩高音2432K来进行建模和测试。这款高音有用到JBL最新的线阵VTX A8和A12中。 在行波管中实测的频响曲线 单元效率 单元的效率用输出声功率/输入电功率表示。 最大效率大致在820Hz附近，22%。 在行波管中仿真的频响曲线。和实测比较吻合。高频峰谷的差异，主要是没有考虑膜片的分割振动影响。 在行波管中仿真的单元效率。和实测比较吻合。 当把磁间隙中的B值从1.85T提升到最理想的2.2T时，在行波管中仿真的频响曲线如下图。所以一般来说，压缩高音需要尽可能提升磁间隙中B值。 效率的差异 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 新结构压缩高音 介绍最新AES New York 2018，145th International Pro Audio Convention 仍然是之前介绍新AES大会的文中提到的一篇文章。 “Horn Driver Based on Annular Diaphragm and the Side-Firing Compression Chamber”（基于环形膜片和侧面辐射腔体的压缩高音） 作者Alexander Voishvillo是JBL Pro的杰出工程师(Distinguished Engineer)。本次论文主要分享了一种新的环状压缩高音的设计。 新结构剖面图 相对于传统结构会略简单。对相位塞部件的精度要求也会相对低一些。 02 — 对比不同侧面辐射前腔 下图是最终选定的前腔空气模型。大概一半的膜片是直接辐射的。 仿真带一个标准Holland-Newell号角的远场频响曲线 前腔全部打开，膜片直接辐射 仿真带号角的远场频响曲线 从3kHz开始频响持续下跌的原因是膜片不同位置振动辐射的声波相位干涉造成。 前腔局部打开，膜片小部分直接辐射 仿真带号角的远场频响曲线 从11kHz开始频响快速下跌，的原因是膜片不同位置振动辐射的声波相位干涉造成。 文中还做了一些细致的理论推导，感兴趣的朋友可以自行查阅。 最终的实际产品和测试用到的号角 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。