扬声器仿真进阶

本文首发于微信公众号「声学号角」 一、前言 结构优化是仿真驱动设计理念的一个发展方向。 从力学原理出发，借助优化方法，通过优选材料分布方式、结构构型、构件尺寸等途径，帮助设计人员从众多可能设计中获得最优的结构形式。 二、各种结构优化方法 **经验优化：**根据以往经验，参考现有产品进行设计，实验或仿真对比不同方案。 尺寸优化：根据给定的设计目标和约束，确定结构参数的具体值的优化设计方法。可以把尺寸定义为变量，进行参数化扫描，看哪种尺寸得到的结果最符合要求。 形状优化：根据给定的性能指标和约束条件，确定产品结构的边界形状或者内部几何形状的设计方法。可用于扬声器音盆母线设计优化。 拓扑优化：根据给定的设计目标和约束，进行最优材料分布的优化设计方法。即本次采用的用来优化扬声器盆架的方法。 三、扬声器盆架优化实例 下面拿一个实际的扬声器盆架案例来说明，采用ansys做的。Comsol也能完成类似的优化，不过为了优化算法的通用性，参数设定会略繁琐。 为简化计算，取盆架未开窗的1/4模型 网格需要尽可能密，尽可能规整 下图是优化50%的计算结果。红色部分是建议去掉挖空的部分。 最终的样子 优化35% 优化20% 优化后的结果图导出的方法，具体操作步骤可以自行网上搜索。 可以据此进行扬声器盆架设计的优化。在保证足够的透气前提下，能尽可能的保证其强度最高。 需要注意的是具体的优化形状和盆架本身尺寸和材料相关，并非通用模型。 利用拓扑优化的盆架的结构应该能对盆架设计的形状有参考指导和启发意义，而不拘泥局限于常规的结构。

本文首发于微信公众号「声学号角」 下图是一款典型扬声器支撑系统的Kms(x)，从Klippel一份文件中截取而来。以此为基础，对扬声器支撑系统的Kms(x)的设计/仿真/调整等，做一下解剖分析。 从位移Displacement 0点来看，定心支片（spider）的劲度（Stiffness）大于边（surround）的劲度（Stiffness）。基于一些经验的认知，劲度系数K边：支片≈（约等于）4：6或3：7比较合适。其实也不一定，这个如果后续有机会再单开一章分析探讨。 支片中间比较类似抛物线，在几何对称的前提下，上下K值差异较小。 3.边中间段比较平坦，变化很小。即便在几何对称的前提下，拉伸到极限时上下两端的K值差异也会较大。像图中所示，很有可能就是凹边（如果是半圆的话）。至于详细的具体原因，感兴趣的自己可以琢磨下。基于此，设计时边的行程就最好留有余量。当然冲程余量太大，径向支撑就会较差，设计上需要进行平衡。 4.如果Kms（x）曲线中间不平坦，如何调整？基于以上讨论，一般来说需要调整支片的可能性会较大。 如果Kms（x）曲线两侧不对称，如何调整？基于以上讨论，支片/边的调整都有可能需要。最好采用剪边/剪支片测试，或者仿真的方法来辅助验证问题点。 由于Kms（x）的仿真精确度还不够完美，可能和真实情况吻合度85%左右。和材料的粘弹性，以及材料成型时不均等都有关。可以作为大致的改善方向的参考。 大致就这些吧。 ’

本文首发于微信公众号「声学号角」 Klippel公司是我非常敬佩的公司。不只是因为它基本上垄断扬声器大信号非线性测试的市场。而是对扬声器各种特性会进行探究，精益求精。虽然可能是从他们最擅长的扬声器测试反过来再指导扬声器设计的。 下图是Klippel公司做过的一项研究，温度和扬声器Fs的关系。 尝试了两种不同材料的音盆复合边。绿色这条是施胶布边。紫色这条是泡沫边。 可以明显看出施胶布边的Fs对温度非常敏感，这也符合我们的经验预期。扬声器Fs基本上会随着温度上升而下降。也符合大多数材料的特性，材料随温度上升而强度变软。 之前有发邮件问过Klipple的研发团队，是否会考虑在后续的产品中增加温度监控。或者更进一步对测得的参数进行温度校准，校准到标准温度比如20℃之类的。因为扬声器直阻Re，共振频率Fs，总品质因子Qts，频响曲线，阻抗曲线等关键的参数都跟温度相关。 他们的答复是最新版的Klippel QC系统已经可以实时记录环境温度了，RD系统也会在一下版中跟进。购买一个温度传感器即可。不过对温度进行参数校准目前还在探讨中，因为研究还不够深入，到不了工程实用阶段。 我有多次发邮件询问过Klippel公司相关的扬声器测试问题。基本上1天之内都可以收到详细的回复。当然前提是问题要有质量有意义。遇到Klippel上的问题，可以先查Help或者官网资料。比较深入的，再发邮件咨询。因为他们团队规模不大，所以尽量不要用过于基础的问题打扰。操作的问题问klippel的代理商也可以。 以上是从实际测试角度进行的研究。如果从研发设计的角度呢？是否有可能预测到扬声器参数对外界温度的敏感程度？直阻Re肯定是没问题的，功率试验测量音圈温度设备的原理就是基于此。 其他参数，包括频响曲线则会相当麻烦，因为很多情况下用的都不是单一的均匀材料。 据我所知，有公司/单位有投入精力在做这块的工作。当然进展缓慢，问题确实比较复杂。 这个问题的解决是有实际工程价值的。想想看，如果一套音响，冬天的声音和夏天的声音完全不一样了。那如何对音质进行评定呢？稳定性又从何谈起呢？

本文首发于微信公众号「声学号角」 通常的Bl(x)都是通过静态扫描得到的，和激励信号无关。 在实际运动过程中，音圈在磁场中运动会生成感应电流，且磁路中的铁件也会生成感应电流。根据楞次定律，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，即感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。 所以在实际运动过程中感应电流会略微影响磁场，从而影响Bl值。所以Bl（x）和激励信号的频率相关。 可以采用Comsol或者Ansoft Maxwell软件（属于Ansys公司）来进行仿真。 为减少计算规模，且只考虑扬声器低频段。在软件中仿真磁路，同时耦合运动微分方程，导入Kms（x）的曲线。 需要采用移动网格，否则很难收敛。 得到幅值1A，100Hz的激励电流下的Bl（x）循环。可以看到Bl（x）上下循环时变化较小，也就是运动过程中感应电流对磁场影响很小。 由此，也可以衍生出另一种扬声器低频失真仿真的方法。 得到位移的时域曲线 做快速傅里叶变换FFT。可以计算二次/三次谐波失真，最大位移，直流偏移等。如下图100Hz的激励信号，200Hz和300Hz的幅值/100Hz的幅值就是二次/三次谐波失真的数值。

本文首发于微信公众号「声学号角」 分布振动式扬声器DML是由NXT开发的一种平板扬声器。振动板近似无规则振动。前后同时辐射，是同相位的，不需要箱体。 下面是一些示意图。 指向性气球图。其偏轴响应避免了传统平板扬声器的缺陷和问题。 尝试制作了一个comsol app，将DML模型参数化，包括振动板的大小，激励源的大小和位置等等。当然因为扬声器模型和材料参数都是假设的，所以只是玩玩而已，对我个人来说可以算屠龙之技之一了。 可以通过修改振动板的尺寸，达到激励源的大小和位置来使得频响曲线延展更好，响应更平坦的目的。 可惜音质好像未受到大众市场的肯定，目前应用场景有限。希望扬声器这个行业多些类似的技术上的突破性创新，而不只是在结构外观上折腾。说不准哪天就引领潮流了呢。

本文首发于微信公众号「声学号角」 由于激励（电信号输入，通常是粉噪），以及边界条件过于复杂，很难抽象为简单的模型。准确的模拟需要考虑电场，磁场，热场，结构力学，流场等的耦合。音圈是主要热源，温度上升反过来又会造成音圈直阻上升，从而影响发热功率。磁路中的感应电流是次要热源 (金属件，包括T铁，夹板，短路环等会产生涡流，生成次级热源)，跟电信号激励的频率等又相关。音圈（热源）上下运动，振膜也跟着运动，空气也会参与强迫对流。 根据以上理论上可以构建出合适的物理模型，但是这么复杂的多物理场耦合模型是很难对实际产品进行求解的。还够不上精确的定量的工程实用价值。 Klippel构建了一个扬声器的热等效电路模型，但必须得有样机实测才能拟合出参数，对初期研发的作用不是那么大。 另外也有号称可以模拟扬声器散热的，基本上只是单独用热场，最多也就耦合电磁场进行近似计算。或者小信号激励&低温。当然这个可以定性地指导散热改善的方向。 需要进一步的探讨和研究。 附上一张对不同位置打孔的直观流动冷却图。 定性地分析当然也有一定的价值

本文首发于微信公众号「声学号角」 音圈规在扬声器的装配过程中是非常关键的一个夹具。 除了音圈规的尺寸需要考虑好部件和夹具本身的公差配合外，还需要考虑其他方面的影响。 如果音圈规太松，无法绷紧音圈，所以目前常用的音圈规设计都是加钢圈弹簧的，同时音圈规开槽。 但弹簧的位置，粗细，以及音圈规开槽的大小对音圈规的使用，以及扬声器的装配都会产生影响。 目前行业中主要都是靠经验和实际样品来验证。 其实可以尝试使用仿真的工具来优化音圈规设计。 下图是我个人最近为一款新的低音扬声器产品设计的音圈规。已经优化过钢圈弹簧的位置，粗细，以及音圈规开槽的宽度。 下图是模拟人手捏合音圈规时的变形结果。 再贴一张未变形，只显示位移大小的位移分布云图。以方便对比。 当然，以上只是目前用得最普遍的音圈规设计样式。 还有其他各种不同的设计样式。 试贴出几例。 都是优化之前的。可以看到音圈规上下的位移并不一致。使用的时候就不会那么顺畅。

本文首发于微信公众号「声学号角」 主要通过分析一个扬声器Kms(x)仿真不收敛的解决案例，来讨论下有限元非线性计算时应该注意的事项，以及非线性计算时求解器设置。供各位参考。 昨天一个朋友用comsol分析一款支片（弹波）的Kms（x）时，用最大位移5mm计算时，收到一个错误提示：“达到最大牛顿迭代次数”。只能计算到2mm。我花了点时间帮助他解决了一下。就以此为案例，解剖下麻雀。 Comsol复杂模型的默认网格划分/默认求解能力和非线性的计算能力相比较与其他软件如Ansys或者ABAQUS是存在一定差距的，所以网格和求解器在求解复杂非线性模型时需要根据有限元计算理论进行一定的手动调整。 首先介绍下，Kms(x)的仿真分析大致有两种思路：1.给定一个力，然后计算位移，力/位移就是Kms。2.给定一个位移，然后计算其他刚性部件的反作用力，力/位移就是Kms。这两种思路对应的有限元软件内部算法也略有差异，不过一般使用专业软件不需要考虑那么深。 以下讨论的解决技巧不局限于comsol,对其他软件进行非线性仿真时出现不收敛也是适用的。 我的解决思路是这样的： 1. 检查结果。支片在2mm时显然未拉伸至最大，所以不是因为变形过大造成不收敛。 2. 检查求解记录。通过查看求解器的收敛曲线，发现未相对误差经过25次迭代之后未达到0.001，从而显示不收敛。 3. 检查参数。这个案例用的是给定一个位移，然后计算反作用力的方法。Comsol采用参数化扫描时，需要避开位移0点，否则Kms计算会出错。所以位移设置修改为从-5.01mm计算到5mm。 4. 检查物理场边界/载荷设置。加载位移时，除需要计算方向指定位移外，将其他方向的位移设置为0。防止计算误差导致在理论上不可能有位移的方向移动。 5. 检查网格。网格足够密。适当调稀疏了点，够用就好。 6. 检查求解器设置。这是这个案例最关键的部分。首先将最大迭代数从默认25修改为50，发现相对误差还是大于0.001。所以再考虑将相对容差从默认0.001调整为0.002，当然这个会损失一定的精度。具体见下面的图。 7. 顺利求解完成。从结果来看，精度的损失是可以接收的，Kms(x)曲线光滑且走势符合预期。当然其中经过多次参数尝试和调整。不过大体思路就是这样。遇到类似问题的朋友也可以照此解决。 最后，以comsol的结构非线性求解为例，大体讲解下求解器的相关设置。有兴趣的可以按下F1多看看官方的帮助文档，这个是最专业的。 默认采用的是直接求解法，存在多个求解器。直接法一般是通过牛顿迭代法，转化为线性问题，然后直接暴力展开矩阵求解。这种方法比较稳定，鲁棒性强，不过内存占用较多。 也可以修改为迭代求解，同样存在多个求解器。相对直接求解，可以减少内存开销，计算速度一般情况下会略快。不过相对更容易不收敛，不如直接法稳定。需要一个比较好的初始预估值，不然结果容易发散。 考虑不同非线性程度，可以考虑不同的非线性方法。默认就是定常的牛顿法。形状畸变比较严重的结构，需要考虑使用比如自动高度非线性牛顿法。遇到不收敛的情况，有时也需要适当调整阻尼因子，以增加收敛性和鲁棒性。 通常情况下非线性不收敛可以参考本案例，检查好参数/物理场设置/网格/求解器即可。求解器优先选用默认的直接法求解，遇到问题优先调整迭代次数，还有问题再调整相对容差，最后再考虑更换求解方式或者调整其他参数。当然具体需要结合收敛曲线分析判断。