扬声器设计基础

本文首发于微信公众号「声学号角」 众所周知，扬声器Fs随会激励信号变化。 比如用0.1V，0.2V，0.3V，0.5V，0.8V，1V，2V等不同电压对扬声器进行扫频时，得到的Fs是会产生变化的，并不恒定。 按照通常的经验来说，低音扬声器或者全频扬声器的Fs随电压变大而降低，高音扬声器Fs随电压变大而升高。当然这个只是一般情况。 下图是Klippel公司做的一项研究，是一款产品的位移响应曲线随激励信号变化。位移响应的峰值频率随激励信号变大而降低，而后再变大。 这个研究严格来说有个问题，就是位移响应的峰值频率并不等于共振频率f0，速度响应才是。不过如果整体阻尼很小的情况，即Q值比较大的时候，这两个值是非常接近的。感兴趣的朋友可以自行研究。 如果把材料，尤其是边和支片的材料都当成线弹性模型，理论上来说Fs不会发生变化，而这不符合实际情况。所以需要考虑粘弹性模型。大信号时还需要考虑Kms随几何形状的变化，比如上图中峰值频率转而变大的情况。 Klippel的小信号测试也考虑了蠕变模型的校准。 粘弹性的模型有很多。关于扬声器材料的粘弹性建模以及材料参数的测试，这块的工作有单位（尤其是高校或研究所）有投入精力在做。 基于目前情况，个人看法是测试扬声器Fs时，电压应该在保证精确度的前提下，尽可能小。尽可能让扬声器工作在小信号区域范围。当然实际工程应用中，最好对同类产品确定好统一的标准，方便生产线操作。

本文首发于微信公众号「声学号角」 扬声器音盆的形状和材料对频响曲线会造成非常大的影响。如果全靠实际开模来验证，需要大量模具费，且调整周期较长。经过校准的扬声器仿真模型，频响曲线的峰谷还是可以做到比较准确的，可以指导设计。 下图是一款消费类低音扬声器频响曲线。采用不同纸锥形状，仿真对比其对频响曲线的影响。 峰谷位置的吻合程度还是不错的。经过综合考虑，最终选择了绿色这款。 下面是一款中低音扬声器的不同材料频响曲线的仿真对比。蓝色是铝盆，绿色是凯夫拉盆。 铝盆杨氏模量更高，所以高频延展会更好；同时铝盆材料的密度更重，所以灵敏度会低约3dB左右。具体的选择可以综合考虑高频延展，灵敏度，价格，外形等等。最终选择了铝盆。 经过一些产品的仿真积累，结合实际的调整经验，对扬声器的前期设计开发有较好的指导作用。

本文首发于微信公众号「声学号角」 工程师的职责就是发现问题-分析问题-解决问题。当一个仿真工程师面临一个仿真分析的任务时，首先要做什么？查找资料去了解熟悉某些算法，还是到处搜索调查需要使用哪些软件？都不是！ 一个经验丰富的仿真分析工程师，第一需要做的时静下心来好好思考：这个问题涉及到哪些物理过程；每个物理过程如何用数学模型描述；各物理过程如何相互影响，反应在数学模型上又会如何；哪些可以用经验描述，哪些不能；需要提供哪些数据参数给到这个模型，以便能准确描述预想的工作状况。 整个思考的过程其实就是建模的过程。算法或者软件都只是辅助用来求解这个模型而已。建模是整个仿真分析工作中最核心的部分。融合了仿真工程师的理论知识和工程经验，与软件或者算法无关。 软件的使用只是整个仿真分析过程中的技术含量很低的一个环节。需要对软件输入的每一个参数都清楚知道这个参数的意义和作用，需要理解背后学科理论，有限元理论，以及偏微分方程求解方法，只是熟悉软件的操作界面是远远不够的。 仿真软件仅仅是庖丁手中那把宰牛刀而已。最有价值的是庖丁这个人。目无全牛方能游刃有余。

本文首发于微信公众号「声学号角」 之前设计过一款低音扬声器单元，使用在闭箱中，箱体容积对比单元的Vas非常小。当时那款产品采用的是凹橡胶边，平板盆。在做可靠性功率试验时橡胶边破损。 经过调查，排除掉橡胶边因本身应力过大导致破损等等原因。 同时，发现一个比较奇特反常的现象，橡胶边在运动过程中产生异常形变。类似下图。 上图以及后面的案例均为非真实产品，仅作为示范说明。 初步怀疑异常形变的来源是闭箱内外的压力差。 想通过仿真来复现此现象。 很直接的想法是用流固耦合的方法来做。不过计算很容易不收敛，且计算规模非常大。所以最终考虑采用等效的空气压力来简化计算。 定义好橡胶边内外受到的空气压力（位移相关）。除静止状态外，内外存在压力差。 由于这是个强非线性过程，所以需要将网格划分得略细一些。 尤其注意转角处的网格划分，避免非真实情况的应力极度集中。 在纸盆处加载位移或者力 红色圈的是异常部位。黑色线条代表正常状况下应该形成的曲线。 从3D图中看得更明显 下面是动态的过程演示，显示可能稍微有点问题。 不过可以大致了解其运动过程中的状态。供各位参考。 最终的解决方案大家可以凭借设计经验自行判断。

本文首发于微信公众号「声学号角」 在对扬声器的三场耦合设置中，会遇到一个需要处理的问题：音圈骨架冲孔并非是轴对称的。 如果采用3d耦合求解，计算量会非常大，而且结果也会误差较大，从而并不划算。如果采用2d轴对称，就没法考虑骨架冲孔对整体频响曲线的影响。 下面介绍两种变通的办法，尽可能使得2d轴对称结果接近3d结果。当然要注意这些方法都是建立在妥协另一些方面的基础上的，所以需要明白其适用范围和适合的情况。比如这两种方法对冲孔对骨架强度的影响没法进行评估等等。 有两种处理方法： 1.在声场设置中，令孔左右两侧声压相等。等同于声场在此处是连续的。 2.在固体域骨架设置中，令孔上下位移相等。等同于骨架在此处是连续的。 当然凭借经验，如果判断不需要考虑此处的影响，比如常规低音，也可以直接无视，不做特殊处理。 同样的设置方式对支片（弹波）冲孔的处理是一样的。

本文首发于微信公众号「声学号角」 Ansys是一款非常强大的通用型有限元工具，当然可以用来做扬声器和音箱的仿真。 Ansys公司由于结构这块的产品非常成功，先后收购了很多公司。比如流体Fluent，CFX；电磁场Ansoft；直接建模软件Spaceclaim等等非常多。很多都是单场有限元仿真数一数二的。每款软件都擅长其特定的领域。 不过实话实说，ansys多物理场耦合这块进度相当缓慢。除了特定的几个模块，比如扬声器仿真能用上的声固耦合等，可以直接耦合（强耦合，直接联合方程组求解，求解的矩阵是耦合在一起的）之外，其他都只能单向耦合（弱耦合，把一个场的计算结果作为另一个场的边界条件），或者迭代耦合（多个场相互传递计算结果，很容易损失精度）。猜测原因之一可能是不同家的求解器很难完全匹配到一起。 随着研究的逐步深入，计算机软件和硬件的升级，多物理场耦合肯定是一个大的趋势。Ansys提出多物理场的概念应该很早了，可惜没能找到特别好的解决方案。 声场波动的示意图 指向性图 声压分布情况 音箱3D图完整导入Ansys中。可以看到，不同部件的3D图都是有做分块的，这样便于进行网格划分。网格划分好了，在减少计算量的同时，还可以提高计算精精确度。 传一个使用Ansys进行扬声器系统 (音箱) 的声场进行仿真的视频，供各位有兴趣的朋友、同行参考。 其中包含有详细的操作步骤。 当然啦，英文版的。

本文首发于微信公众号「声学号角」 在对扬声器进行声场仿真时，有时会遇到一个问题，仿真出来的频响曲线莫名其妙地出现在高频段出现一个谷。但实际产品并没有。之前那篇环状高音仿真的文章有提到这个问题。 这个问题的其中一种情况是磁隙中声场模型不符合实际情况造成。 原因在于音圈所在的磁隙非常狭窄，此时磁隙中的空气热粘滞效应不能忽略。 当然，需要考虑热粘滞效应的区域的部位可能还包括有其他狭窄且对频响会造成影响的部位。 对比常规线弹性声场模型、狭缝声场模型、热声场模型。10-20kHz频率响应。 可以看到10-11kHz的谷消除了。且10-12kHz灵敏度略有提升。 看起来考虑磁隙中的空气热粘滞效应，采用热声场模型，可以使得仿真更精确。当然计算量会略大一些，计算时间也会加长。 当然凭借经验，如果判断不需要考虑此处的影响，比如常规低音，也可以直接无视，不做特殊处理。

本文首发于微信公众号「声学号角」 前段时间，一位同事聊起说在找一款高音，高频段需要延伸至40kHz。我想起Tymphany有几款尖鼻子环状高音，当时看到的时候，印象非常深刻，就去其官网上找了下。 其中一款的图片和频响。 尝试用仿真的手段来探究下。 下面是一款环状高音20000Hz，声场声压分布的2d/3d动态示意图。 下图是仿真得到的频响曲线。高频延展相当不错。 可以看到11kHz附近有个小的谷。事实上这个谷是仿真模型是磁隙中声场模型不符合实际情况造成。关于这个谷后续单独拿出来讨论。 由此看来，环状高音可以增加音膜结构强度，扩展高频。当然振动面积会略有缩小，灵敏度会略低一点。其实压缩高音也有类似的设计，也是基于类似的考量。 环状高音的音膜材料，音膜几何形状，以及相位塞都会对曲线产生较大影响。想要获得高延展且平坦的响应不是件容易的事。

本文首发于微信公众号「声学号角」 曾经有设想过扬声器相关仿真工作开展，以通过仿真驱动设计向更少成本，更高性能，领先他人一步发展。 A. 仿真的优势和必要性： 1. 节省开发费用，用更小的成本得到更好的性能。 2. 节省开发时间，减小打样次数，指导改善方向。 3. 支撑更深入更前沿的研究。 B. 仿真平台的搭建 1. 公司的支持。包括资金/人员/场地/仪器设备的配备等，这个是需要大量前期投入的。 2.软件准备。Comsol ，ANSYS,matlab，simulink，microcap，Klippel （包括LPM LSI TRF MPM SPM PWTDIS Scanner SIM等模块）等。 3.硬件准备。消音室，Klippel DA 主机，高精度激光，高精度麦克风，拉力机等。 C．仿真流程 1. 材料参数测试并进行汇总和维护。 2. 制作仿真标准流程和通用模板，以便非专职仿真的设计工程师使用。 3. 更高阶更前沿的探索，建立更复杂更精确的物理模型，寻找更合适的求解算法。

本文首发于微信公众号「声学号角」 【一位朋友的投稿。他是科班硕士，一线大公司研发经验。理论功底和仿真水平都很好。 欢迎各位来稿。(●’◡’●)】 【公式较多，直接粘贴会打乱格式，所以转换成图片。把“微管严格解与近似解绘图MATLAB代码”复制在最后了，供参考。】 背景介绍： 声学短管是设计动铁单元时经常会遇到的一种结构。无论是单体本身的导声管还是ITE或者BTE的模拟声管，我们都需要更为精确的结构模型以获得精确的模拟结果。对于声学管模型在ER 076B; ER122A; ER167中都有论述。本篇报告主要针对短声管（即声管长度小于波长的十分之一）的建模。建模时主要考虑三个方面：粘滞媒质的运动方程，管末端修正以及声管本身的微小体积顺性修正。 附录： 微管严格解与近似解绘图MATLAB代码 %%%%%Impedancefor micro-tube(strict solution&approximate solution) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%by Qing Wang clear; f=(10:10:20000);%frequency from 10Hz to 20kHz k=(1-j)*(1.2*3.14*f/1.8*100000).^0.5; a=besselj(0,k.*0.00055245);%0 bessel function b=besselj(1,k.*0.00055245);%1 bessel function t0=f./f;% 1 t1=(2*b)./(k.*a*0.00055245); z=(-j*2*1.2*f.*0.0012/(0.00055245^2)).*((t0-t1).^-1);%acoustic impedance z0=abs(real(z));%acoustic resistance z1=abs(imag(z));%acoustic reactance %%%%%drawing%%%%% figure;h=plot(f,z0);gridon; xlabel(‘Frequency’);ylabel(‘Acoustic Resistance’);title(‘Acoustic Resistance’); set(h,‘LineSmoothing’,‘on’) figure;h=plot(f,z1);gridon; xlabel(‘Frequency’);ylabel(‘Acoustic Reactance’);title(‘Acoustic Reactance’); set(h,‘LineSmoothing’,‘on’) %%%%%dataexporting%%%%% z0=z0’;z1=z1’;f=f’;