音箱与系统设计

本文首发于微信公众号「声学号角」 在声学产品中，使用限幅器（Limiter/Compressor）是常见的做法，以避免过载并确保系统保护，一般主要是用于位移保护和温度保护。 通常也会被称为动态范围控制器dynamic range controllers(DRC)，或者叫动态压限。其增益会动态根据输入信号进行调整。 为平稳控制，增益需要随时间平滑变化，一般会有一个上升电平时间常数（attack），以及衰减电平时间常数（release）。 目前是基于线性系统，假设位移和电压成正比，模型相对比较简单。现在算法也可以演化到进行非线性系统的控制。 DRC包含的整个系统可以非常复杂，所以需要一些经验性的调试才能找到最优的参数。 扬声器简化示意模型 三星公司提出一种新颖的基于能量的限制器，使用物理模型控制扬声器中存储的总能量，以使得峰值位移保持在规定的范围内。号称这个技术可以对扬声器振膜的最大位移进行平稳而且精确的控制。 美国三星电子研究中心 Brunet Pascal等人在AES发表了论文 “Energy Limiter for Control of Diaphragm Displacement and Port Velocity” https://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=20958 点左下角“阅读原文”可以跳转 先基于密闭箱，再扩展到倒相箱，以限制倒相管中的空气速度，并避免湍流噪声。相信这个模型再扩展到控制无源辐射器的位移也是没问题的。 下图是扬声器/密闭箱的等效电路图 扬声器/密闭箱的运动微分方程组，含义在之前的文章中解释过很多遍，就不过多重复了。 u是随时间变化的输入电压，i是随时间变化的输入电流，Re是音圈直阻，Le是音圈电感，x代表位移，x’代表速度，x’‘代表加速度，Kms代表悬挂系统刚度，Rms代表力阻，Mms代表有效振动质量，Bl代表驱动力系数。 而能量和扬声器最大潜在位移是有直接关系的。扬声器内存储的能量为势能+动能+电能，如下面公式所示 当所有能量都集中在悬挂系统中的时候，即总能量都转换为势能时，位移最大。对于给定的能量，潜在最大位移表达式|Xsup|： 为了将位移限制在某个范围Xlim内，能量也必须受到限制 通过上面的讨论，可以说明监视和控制扬声器存储的能量，可以用来预测和限制扬声器的最大位移。 使用动态音乐信号激励的扬声器仿真： 当速度为0时，位移达到最大Xsup，这个时候的存储电能相对于机械能可以忽略不计。 整个信号处理的链路框架： 下面介绍下每个模块的功能和原理。 Loudspeaker Model扬声器模型：基于扬声器参数以及输入电压，可以得到音圈位移，速度和输入电流 Energy Computer能量计算器：基于前面提到的公式计算扬声器存储的总能量E Static Gain Computer静态增益计算器：通过能量计算需要调整的增益大小 线性限幅的结果： Temporal Gain Smoothing时域增益平滑：防止增益过快变化，影响声音质量。 直接瞬间调整增益： 对比稳态增益和平滑增益的响应曲线： Look-Ahead Delay前瞻延时：将电压输入进行延时。因为存在时域增益平滑，需要一小段时间来更改增益，为这个更改提供对应的时间。 同样的模型拓展到倒相箱，以限制倒相管中的空气速度，并避免湍流噪声。 倒相箱的模型会更复杂些： 其中Sd代表扬声器振膜的有效振动面积，Rap代表倒相管的声阻，Map代表倒相管的声质量，q指倒相管的体积速度（随时间变化），p指箱体中的声压（随时间变化） 仿真得到的随音乐信号激励的倒相管风速以及单元速度的动态变化： ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — KEF LS50 Meta音箱 英国音箱品牌KEF最近同时推出两种新的LS50系列的产品。其中包括LS50 Meta，更新了新的Uni-Q同轴扬声器单元。新的扬声器单元后面新增了一个声学超构材料吸收器。新的系列命名也是来源于超构材料的英文名词Metamaterial。 这款新型KEF Uni-Q扬声器应该是目前市面上第一个应用声学超构材料的消费级音箱产品。之前就有关注这个技术，没想到KEF居然真的整合到实际量产产品中了。 之前的文章也有介绍过KEF LS50系列的一些技术。 紧凑型双通道扬声器系统KEF LS50的开发 这个声学超构材料吸收器是与香港的Acoustic Metamaterials Group（AMG）公司合作开发的，利用了这家公司的超材料吸收技术（MAT）。号称这种合成材料具有超强的吸收能力，可以吸收99％的有害声音，在这种情况下，将其应用于全新的声学迷宫中，并进行了调整。可以吸收从后部发出的有害频率，减少不必要的因为谐振而产生的失真。 新型超构材料吸收技术（MAT）迷宫的详细透视图，多个通道是经过精心设计和优化的 动态演示图 应用了MAT吸收器迷宫的新型KEF Uni-Q扬声器的详细视图 02 — 声学超构材料吸收器原理解析 下面两个图是早期在中音/高音背面采用倒锥形号角/管，以最大程度地吸收向后的反射。 采用常规的声超构材料吸声，一般是利用亥姆霍兹谐振或者1/4波长管的谐振，但存在有效频带过窄的问题。 其中一种有效拓宽作用频带的方式是设计多个谐振器，然后让作用的频带相互叠加，这个可以提供一个比较宽的整体吸声。 这种提供宽带的连续吸声超构材料的阻抗为： 其中Zmeta是其声表面阻抗，Z0是特征阻抗，f是频率，fc是低频截止频率 其吸声系数A为： 其吸声特性和无限长号角对比如下图所示，是更优的。而且实际工程应用不可能做到无限长号角。 最初的设计如下图，是一个柱装的超构材料，低频截止频率fc为312Hz。 吸声系数：蓝色-超构材料，橙色-吸音棉，红色-整体综合结果 但在实际Uni-Q同轴扬声器应用时，会限制低音和高音扬声器的磁路设计，而且超构材料的壁面会减小高音背腔的有效容积。所以考虑做成一个扁状的超构材料放在低音磁路后面。位置如下图所示。 两种形态的超构材料3d图 扁状超构材料做了双层，其有效低频截至频率为620Hz 每个通道的声压响应 620Hz的声压分布情况 通道数越多，其吸声的响应会越平滑。但同样总截面积情况下，管道非常多的时候，说明每根管道会非常细，这个时候热粘滞阻尼会变大。 从仿真来看，30根管道是比较折中的方案。 实际的Demo，总厚度11mm 仿真和实测的结果吻合得非常好 倒指数型号角，和锥形导管+扁状超构材料 填充了聚酯纤维的吸声响应对比 对这个声学超构材料吸收器的仿真结果直观展示：

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 智能音箱的音频框架 智能音箱中的音频框架主要类似下图所示 可点击查看大图 智能音箱中的音频硬件可大致分为几个子系统： 麦克风阵列 扬声器系统 信号处理系统 智能音箱中的音频软件可能包含的算法模块： VAD 语音检测 ANS 降噪算法 AEC 回声消除 BF 波束成形 声源定位 音效处理 扬声器保护 非线性主动控制 等等 智能音箱中的音频信号主要路径包括: 上行。麦克风阵列感应语音信号，再经过数字化处理，上传给IVA（音频识别技术）进行信号处理和命令解释。 下行。服务器将数字音频内容传输给设备，再将数字信号转变为模拟信号，并通过扬声器系统进行播放。 其他通过AUX（音频输入输出接口）/蓝牙/wifi等方式，和常规音箱一致。 02 — 智能音箱的测试 如上述讨论，智能音箱中的音频系统有非常多组件，包括麦克风阵列，A/D和D/A转换器，功放，扬声器，数字信号处理，音频编解码等。另外还有波束成形，回声消除，唤醒词识别等多个系统级功能。 一般需要测试每个部件以及子系统，同时最重要的是测试智能音箱整体的系统端到端的性能。 A/D和D/A转换器一般与音频分析仪的采样率不一致，需要做一定的补偿再分析。 频率响应是衡量音频设备最重要的指标。频率响应是一种传递函数的测量。对于DUT(被测设备)，频率响应代表输出与频率相关的幅值和相位。通常将在特定频率（如1kHz）下的幅值设定为参考值，归一化为0dB。 目前智能音箱还是一个新的产品系列，没有一个测试的行业标准。 智能音箱输入路径测试： 可以在固定长宽（比如1m*1m）的桌面上放置被测智能音箱，在距离桌面一定距离和角度放置仿真嘴（模拟人嘴位置）。由于仿真嘴频响曲线不平坦，所以需要提前测试做一定的校准。或者直接使用监听音箱代替。再读取录音文件。 智能音箱输出路径测试： 将数字音频内容从服务器传输至音箱，再将数字信号转变为模拟信号，并通过扬声器系统进行播放。 需要采集播放出来的声音信号，再与原音频文件进行对比。这个属于开环测试。 整体开环测试框架

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 压缩高音简介 压缩高音之所以叫压缩高音(或者压缩驱动器)，是因为通过相位塞和号角对扬声器单元驱动的空气进行压缩，提升其输出声功率 下图是简单的原理和结构说明。其压缩比为Sd/St。 02 — 直接辐射扬声器和压缩高音的效率对比 •压缩高音有点类似功放，放大输入信号。 •设计上的问题(声场谐振，振膜分割振动等)或者物料和装配的公差也同样很容易成倍地反应到最终的频响和失真上。 •所以一款好的压缩高音对设计/物料/装配的要求比较高。 03 — 有效工作频段和膜片分割振动 3寸钛膜，激光扫描 04 — 压缩高音结构 目前主要有两种压缩高音结构： •向后辐射球顶振膜压缩高音。 •振膜材料以纯钛膜或钛膜+复合边为主。 •向前辐射环状振膜压缩高音 •振膜材料以PEN，Kapton等材料为主。 05 — 频率响应下限 06 — 频率响应上限 07 — 常规相位塞设计 •振膜和相位塞之间的间隙应尽可能小，在考虑振膜的位移以及部件和装配的公差前提下。 •在号角喉口增加相位塞后，振膜各处到达出口出的声学路径差减小了很多。 •障碍尺寸最好小于最高频率波长的一半，否则声波之间会产生不必要的干涉。声速按340m/s，那么20kHz声波波长为17mm，波长一半为8.5mm。一般尽可能做到10mm以下。 08 — 压缩高音相位塞设计 •为得到良好的频率响应，除了增加膜片强度/密度和阻尼外 •还需要综合考虑相位塞通道数量，通道宽度和通道形状 •一般采用模态抑制法设计+有限元仿真优化 09 — 压缩高音非线性来源 •磁路系统非线性 Ø力系数非线性Bl(x) Ø电感非线性Le(x) •振动系统非线性 Ø劲度系数非线性Kms(x) Ø振膜分割振动 •声场非线性 Ø前腔空气刚度非线性Cmf(x,p) Ø前腔空气粘性损耗非线性Rmf(x,f) Ø前腔声质量非线性Mmf(x,p) Ø号角中声速随高声压变化C(p) 10 — 前腔声场非线性 当振膜运动向相位塞或者声压增加时，压缩腔中的空气变得更"硬"(刚度增加)。 当振膜运动向相位塞或者频率升高时，压缩腔中的空气粘性损耗增加 当振膜运动向相位塞或者声压增加时，压缩腔中的空气等效质量也会随之增加。 11 — 压缩高音仿真 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 KEF LS50是一款非常经典的音箱。叫Hi-Fi音箱也好，监听音箱也好，称谓不那么重要。 其中包含了大量的专利技术，以及仿真的支撑。 是大量工程师研发努力所取得的成果。 音箱的造型综合考虑了ID设计和声学特性优化 扬声器是KEF开发的经典Uni-Q同轴共点单元。 折环特有的形状，铝镁合金音盆的曲线弧度，高音的相位塞等等。 下图是扬声器的部件爆炸图 低音单元的响应可以通过集总参数快速进行计算并优化。 音箱外壳振动的位移和造成的声压仿真 音箱内部的声压分布 初期样品的倒相管近场频响测试结果 箱体内部空气的声模态，或者说驻波 采用声学有限元耦合边界元仿真音箱外壳的衍射效应 仿真对比不同的倒相管造成的湍流。 倒相管的设计是为了和腔体内部空气形成赫姆霍兹共鸣腔，提升低频响应。但倒相管出口位置的湍流会在高声压级下产生噪声。这个问题之前已经反复探讨过了。 扩张的管道，相比于直管，可以减少湍流噪声。通过有限元模拟，可以预测最优的管口尺寸以及扩张率，以降低噪声和大输出下的功率压缩。 整个音箱的内部外部构造 音箱系统的频响曲线 KEF用了类似同轴技术的音箱产品，如下面链接所示

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 号角波导简介 号角和波导之间没有非常明确的分界线 号角和波导的主要作用： •通过增加声负载来提升效率 •指向性和声压覆盖控制 02 — 直接辐射扬声器和带号角压缩高音的效率对比 •带号角压缩高音有点类似功放，放大输入信号。 •设计上的问题(声场谐振等)或者物料和装配的公差也同样很容易成倍地反应到最终的频响和失真上。 03 — 韦伯斯特方程 平面波方程 •韦伯斯特方程是针对平面波传播推导得到的 •方程基于的某些假设偏离了真实号角中声波传播 04 — 无限长号角声阻抗 双曲线号角的声阻抗最优，抛物线号角的声阻抗最差 05 — 有限长号角声阻抗 06 — 恒指向性号角 号角波束宽度 07 — 号角声传播非线性 在高声压的情况下，空气变得更"硬"，声速也将增加。声速C=C(p)。这是号角声场非线性的主要来源，也称之为声传播失真。 上图是仿真在行波管中(声压幅值不变)，高声压下不同距离接收到的声波波形。 可以看出，距离越远，波形畸变越严重。由此可以看出，在可行的前提下，号角长度应该尽可能短，以降低失真，尤其是高声压下的失真 08 — 号角波导仿真 •优化线阵列上的波导管 •计算恒指向性号角波束宽度 09 — 号角波导一体的样品 10 — 号角演进 11 — 波导演进 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 这是在2019深圳国际音响展暨声学楼十四周年年会上做的报告。对扬声器音箱的相关仿真做了梳理。本文中关联了之前的相关文章。供参考。 01 — 个人简介 毕业于华中科技大学物理系。 先后在国光，PSS，Harman，Tymphany从事消费类和专业类扬声器和音箱，以及相位塞，号角，波导等声学组件的开发。•现任华为音频系统主任工程师。负责音频系统新技术方向探索和关键新技术原型开发和仿真。 创建了一个微信公众号(声学世界)，同时建立了三个微信群来分享声学音频技术和产品。 通过仿真可以优化设计，缩短新产品的原型开发周期，并探索新的技术方向。 02 — 磁路和TS参数 创建ComsolAPP仿真扬声器磁路非线性BL(x)和Le(x)，以及喇叭TS参数，类似Finemotor 反磁装配 动态感应电流分布 退磁温度 3d磁路 【扬声器系统设计与仿真】扬声器磁路系统仿真以及单元设计 使用Femm进行轴对称磁路非线性仿真 磁钢退磁温度计算 【小工具】磁路中磁钢耐温估算 非线性磁铁仿真参数定义 反磁组装新工艺 音圈对磁路作用力 非轴对称磁路仿真 03 — 结构仿真 分析扬声器振动系统劲度系数非线性Kms(x) 共振频率Fs，晃动模态，分割振动 盆架/音箱壳的振动分析 华司铆合(金属塑性) 塑胶卡扣（摩擦接触） 折环褶皱失稳（屈曲） 音圈规设计优化 跌落仿真（显式动力学） 【扬声器系统设计与仿真】扬声器振动结构仿真分析 【有限元】案例讲解结构非线性仿真不收敛解决技巧 【扬声器仿真高阶应用】各种结构非线性分析在扬声器仿真的应用 模态分析在扬声器设计优化中的作用 扬声器跌落仿真 复合边褶皱的初步探究 扬声器折环褶皱失稳现象分析 【有限元】金属塑性分析在扬声器上的应用 卡扣仿真 通过仿真优化音圈规设计 渐进式定芯支片 蝶式定芯支片 一款典型低音扬声器的振膜振动实测和分析 04 — 声场耦合仿真 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 常规线阵波导&号角 常规线阵音箱上使用的波导和号角是分离开的。方便单独设计。声波从振膜发出，通过相位塞出来，然后经过波导管的通道形成平面波，最后通过号角控制指向性辐射出去。 下图是我之前设计的一款线阵上用的常规波导+号角 如果可以缩短声传播路径，一般来说失真也会降低，设计更加紧凑。 02 — 波导号角一体化 以马田音响公司Martin Audio为代表的。这种方式类似号角的阵列。或者说一侧使用号角的方法来设计，一侧使用波导的方法来设计。 其他的变种形式： 上述图片最后两种是我个人设计的。 模型设计和模具开发由于需要同时考虑号角和波导两个因素，所以会比常规设计要复杂。 03 — 相位塞和波导管一体化 JBL新一代线阵列VTX A12上用到的压缩高音，采用了相位塞和波导管一体化的设计。 我按照其原理，大致做了个模型，非实际产品。当然不太精准。进行了仿真。直到20kHz都能基本保证出口近似平面波。 从结构上来说，整体高度更短，更精简，部件更少，装配误差的影响更小。 从声学性能上来说，其声学路径也更短更直，不那么扭曲，失真也相对会更低。 生产成本也更低。 唯一缺点就是设计成本会更高，因为不能通用。不同尺寸的系统这个一体化的相位塞波导都需要重新设计。 花瓣形相位塞 另一种专利技术 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」 Leap是一款功能强大的扬声器仿真软件，除常规的TS集中参数外，也可计算声衍射，驻波等的影响。只是可惜N年没更新，估计也应该没啥技术支持了。 其中自带了很多箱体的模型。如果觉得不过瘾，也可以导入自定义的箱体模型。 比如，可以在这个位置导入obj文件： 不过可能是格式问题，Leap不是很支持其他3d软件转成的obj格式。需要手动写点，写面，尺寸还得改用英寸，换算起来比较麻烦。 可以参考Leap自带的帮助文档，有详细描述具体的操作步骤。在这一页附近。 自建的一款专业箱obj模型导入。 附自带案例模型obj文件： OBJ Import file for EncShop Date: Mar/05/2003, Author: C. Strahm AppNote02 Speaker Array Multi-Enclosure, No Arc Units are Inches. v +20.000 +50.000 +00.000 v -20.000 +50.000 +00.000 v +20.000 -50.000 +00.000 v -20.000 -50.000 +00.000 v +20.000 +48.000 -24.000 v -20.000 +48.000 -24.000 v +20.000 -48.000 -24.000 v -20.000 -48.000 -24.000 f 1 2 4 3 f 1 3 7 5 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 http://www.jblpro.com/www/products/tour-sound/vtx-a-series/vtx-a12#.Waf4846GNPY VTX A12的横向指向性控制频率范围250Hz-20kHz。这个是经过精心和设调教计的，背后的故事很多。 尤其印象深刻的是还是最新推出的新一代线阵列VTX A12上用到的压缩高音，采用了相位塞和波导管一体化的设计。 按照其原理，大致做了个模型进行仿真，非实际产品。当然不太精准。直到20kHz都能基本保证出口近似平面波。 从结构上来说，整体高度更短，更精简，部件更少，装配误差的影响更小。 从声学性能上来说，其声学路径也更短更直，不那么扭曲，失真也相对会更低。 生产成本也更低。 唯一缺点就是设计成本会更高，因为不能通用。不同尺寸的系统这个一体化的相位塞波导都需要重新设计。 花瓣形相位塞 新的吊挂方式，非常方便 新的VTX A8也是同样的结构。从3个压缩高音减小到2个压缩高音。 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。