音箱与系统设计

本文首发于微信公众号「声学号角」 分频器用的电阻和电容，一般都是选用现有的规格，其数值是预先固定好的。电感则可以根据实际需求进行设计和调整。 分频器用的电感线圈，需要满足直阻尽可能小，电感和频率/电流等输入无关特性。需要综合考虑直阻，对频率敏感程度，对电流敏感程度（磁饱和，失真），成本等等。 电感的理论计算有不少公式，但很难非常精准。尤其是如果有铁芯或者铁氧体芯等就更复杂了。 且电感一般和频率等相关。一般都是实测1kHz附近的电感。 电感量的偏移会造成分频点偏移，从而影响扬声器系统整体频响曲线和失真。 可以采用有限元的方法来计算电感，并对比验证不同种类的电感之间的差别。也采用1kHz附近的电感。 一、铁芯电感 铁芯磁导率和输入相关，且磁饱和点低，容易产生失真。 铁芯电感的电感值随频率变化非常大。 铁芯电感的电感值随激励电流变化。变化和电流方向无关。 二、空芯电感 一般自己DIY使用比较多，实际批量产品较少用。因为成本相对其他电感高不少。 空芯电感的电感值随频率变化很小。 空芯电感的电感值随激励电流变化很小。 三、铁氧体芯电感 同样的电感，圈数减少。或者说同样的圈数，可以获得更大的电感（同样情况下，文中提到的几种电感中，铁氧体芯电感的值最大）。 节约铜线，降低成本。 但当电流较大时，容易磁饱和。 四、硅钢片芯电感 非常理想的硅钢片芯电感，相对于空芯电感可以增大电感值。且受频率和电流影响较小。 五、其他电感 其他种类的电感在分频器上使用比较少，就不一一探讨了。

本文首发于微信公众号「声学号角」 苹果公司前段时间发布了其智能音箱产品HomePod。相信正式上市之后各家都会购买后进行拆解分析。 采用的是1个4寸低音+7个高音阵列+6+1麦克风阵列+苹果A8芯片的方案。 目前看起来HomePod主打的卖点是音质。现有的比如亚马逊Echo，谷歌Home，京东叮咚等等声音都不算特别好。不过苹果公司的智能语音这块的暂时还比不上google和微软的cortana。 低音单元我很熟悉，哈哈~ 具体的就不能透露了。 整体结构和常规低音单元类似，灵敏度要求相对较高，功率要求相对较大，冲程相对较大。 7个高音向内辐射，再通过类似号角/波导管的口向外辐射出来，意图达到360°的均匀覆盖。 当然有个疑问就是不同频率段的指向性是不同的。比如中低频段可能是360°均匀覆盖的，但在某些频段由于高音之间相互干涉，会导致出来的声场形成波瓣。还不清楚这款产品是否有解决这个问题。 而且声学路径扭曲，辐射方向短距离翻转180°，失真可能会略有增加 。 猜测HomePod应该具有自适应功能。比如音箱放在房间正中间和放在角落，或者多个音箱同时工作，对其指向性的要求是完全不一样的。 通过扬声器阵列和麦克风阵列大致探测出音箱自己在房间中的位置，然后调整算法控制扬声器阵列输出的指向性以符合环境要求。最粗糙的算法就是通过延时来计算每个方向音箱和墙面的距离。这种方式理论上应该是可行的，算法复杂度不知道怎么样。当然像亚马逊Echo这种只有一个高音的就算了。思科的会议系统也用到了类似的技术。 坐等上市后的拆机。

本文首发于微信公众号「声学号角」 汇总一些论文结论，以及一个案例的动态仿真 论文一： Philips公司的N.B. Roozen等人1998年发表了论文：“Reduction of Bass-Reflex Port Nonlinearities by Optimizing the Port Geometry” 入口端 出口端 可以看到湍流容易发生在出口处，从而引发气动噪声 各种倒相管曲线 仿真对比了不同形状曲线倒相管的湍流情况 论文二： JBL Professional公司的ALEX SALVATTI（已在苹果就职）等人2002年发表了论文：“Maximizing Performance from Loudspeaker Ports” 继续对比了不同形状倒相管的湍流情况，提出了新的曲线。以及对应的声场失真和大功率时的输出压缩。 需要在降低倒相管噪声和降低输出压缩中进行权衡。 论文三： Jean-Pierre Morkerken等人在2002年发表论文：“Vented-box geometry and low frequency reproduction: the aerodynamical approach” 提出了看起来有点特别的倒相管曲线 论文四： Harman International的Zachary Rapoport等人2004年发表了论文：“Analysis and Modeling of the Bi-Directional Fluid Flow in Loudspeaker Ports” 作者认为出口角度平均30°为最佳 动态仿真案例： 以某种已经优化过的曲率渐变的倒相管为例进行仿真，容易直观看到湍流的形成和发展 速度随时间分布 抓取其中一个瞬间 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 昨天在扬声器仿真微信群里有人提到微型音箱的3D仿真问题。我想了下，文字太多，还是直接在公众号里回复一下，也可以让更多的人看到和了解。 整个3D无源音箱的频响等如果需要用有限元来分析的话，讲讲我的思路。针对具体的案例，和想达到的效果，可以考虑不同的方案。 1.磁-力-声三场耦合。计算量比较大，设置时需要注意的事项很多，从而容易求解失败。一般工程应用不推荐。 2.力-声耦合。先拟合阻抗曲线，再加载和频率相关的电压到音圈上，分步耦合。为简化模型同时保证求解误差，可以尝试将振膜等抽壳进行计算。 3.单声场计算。磁和力学部分全部用集中参数表示，然后耦合到声场中。注意振膜内外的声压差即可。对微型音箱比较适用。微型扬声器一般来说在有效频带范围内可以不用分割振动的影响。 从计算规模以及网格划分等角度来说，微型音箱比常规音箱更简单。a.计算区域更小；b.结构模态可以不用太在意；c.不同区域尺寸跨度较小。当然某些细小结构最好考虑空气的热粘滞效应，采用热声学来进行仿真。

本文首发于微信公众号「声学号角」 气动噪声的精确模拟不是一件很容易的事情。汽车行业/飞机行业用得可能会相对较多。 气动噪声仿真软件可以采用Fluent，Virtual Lab（之前叫Sysnoise），ACTRAN等等。 扰动的气流速度可以用等效电路或其他音箱设计软件来近似得到。 以Fluent为例说明气动噪声模拟的大致思路。首先计算流体的流动，然后在此基础上计算声压。 声压是气压受到扰动后产生的变化，即气压的余压，相当于在气压上的叠加一个扰动引起的压强变化。 一般情况下不考虑声压对流体的反作用。 不同流体计算模型对应着不同气动噪声模型。Fluent中常用的宽频噪声模型，以及FWH模型，适用于不同的流体模型。 当然下面只是一个粗略的计算，可以算定性半定量的参考。 宽频噪声模型 FWH模型 简单的管噪的频带是非常宽且比较均匀的。采用稳态的湍流宽频噪声模型简化计算量是可以接受的。 KEF做的关于倒相管湍流CFD仿真： JBL发表的倒相管湍流的发展示意图： 附一个动车的气动噪声分布图

本文首发于微信公众号「声学号角」 做了一个宏大的尝试，将完整的扬声器系统的组件全部耦合进行仿真。包括箱体，倒相管/无源辐射器，吸音棉，分频器，压缩高音，低音，号角。 由于涉及到很多个物理场的相互耦合，固体，流体，声学，电路，磁场等等，如果再细致还需要考虑热的影响，目前比较靠谱的软件只有Comsol multiphysics。 以上是整个简化后无源音箱的模型，包含了和声学之间相关的所有部件。分频器是使用电路模块耦合进去的，未进行实体建模。分频器用的最简单的二分频，未做任何补偿。总体仅仅是个尝试，非实际产品。 添加空气域，包括PML层 将其参数化，并封装成APP，方便调试和进一步优化。 当然，这个完整的扬声器系统仿真模型的构建，以及计算的结果都是可疑的。多物理的耦合相当复杂，还存在很多的问题待解决。无论是建模，网格划分，耦合求解等等都是比较麻烦的事。 这是个很好的开始。后续可以继续就这个模型进行优化，并同时等待多物理场耦合的有限元仿真技术的大幅进度，以及计算硬件的发展… …

本文首发于微信公众号「声学号角」 一、前言 目前关于线阵列的资料比较少，主要是各家公司以及研究机构发布的一些论文，涉及波导管设计的几乎没有。 关于线阵列扬声器的专著还是推荐下王以真老先生的《线阵列扬声器系统》，汇总了各家线阵列的公开资料。虽然也差不多仅仅是汇总而已，关于理论和设计由来谈论很少。其中也涉及了少量波导管的东西。 http://item.jd.com/11152744.html 或者去图书馆借阅也可以 二、波导管设计的思路 波导管的主要目的是使得从压缩高音出来的声音变成线声源，让线阵列搭配起来的时候不会相互干涉。且线声源衰减会比点声源慢，因此投射距离更远。 波导管需要将压缩高音出来的声音，分成多个等声学路径一直到平面的出口。思路和压缩高音相位塞设计有类似的地方，相互之间也有耦合的联系。 三、谈谈各家波导管的设计及其优化思路 和压缩高音相位塞的设计一样，波导管设计存在很多种方法。分类方式和命名方式还没有规范，暂时以代表厂家的典型风格分类 以JBL为代表的 简单明了的设计方案，比较实用，声学路径容易做到一致，方便调节 以EV为代表的 从仿真结果来看，这款实际产品的设计，波导管声学路径不完全相同，边缘两侧的路径会略长，声波传导略慢。还有优化的空间。 由于波导管声学路径不完全相同，以及喉口位置设计的问题。频率往高频走，越来越难保持线声源，相互之间干涉严重。 3.以Nexo为代表的 个人觉得并没有太多技术上的优势，声学路径过于扭曲，失真可能会略大。 4.以L-Acoustic为代表的 最近这几年由于《我是歌手》《中国好声音》之类的电视节目在中国大火。 5.其他 其他形式的波导管也有不少，有各自不同的思路。有些还是蛮有意思的。可以自行研究，

本文首发于微信公众号「声学号角」 目前常用的分频器设计软件有leap,fine x-over，Lspcad等。 Leap的功能无疑是最强大的，只是使用起来略显繁琐，界面不太友好。 Fine x-over操作是最方便的，界面友好，功能实用。 Lspcad可以自由搭配各种元素，综合箱体和分频器的设计，调整元件参数后能马上看到结果，有点像一个封装好的扬声器系统专用等效电路计算软件。 原本有考虑用matlab+simulink做一个分频器设计的工具。只是考虑到目前的软件已经足够好用，所以一直没有做。其实分频器设计软件原理上并不复杂。考虑扬声器的阻抗（频率相关），可以求得分频网络的传递函数（频率相关）。通过传递函数可以求得扬声器两端电压（频率相关）。由电压再求得各个扬声器频率响应相加。再加上各家不同的优化算法。

本文首发于微信公众号「声学号角」 气动噪声的精确模拟是一件很困难的事。理论算法目前也还远远算不上完备。 有单用流场来计算的，个人觉得不是那么合理。噪声不仅仅来自于湍流，气压/流速和声压也没有直接的关系。声压是气压受到扰动后产生的变化，即气压的余压，相当于在气压上的叠加一个扰动引起的压强变化。快速变化的空气气压的精确仿真本身就比较困难了，其余压计算的可信度也会大打折扣。 关于倒相管噪声与形状优化这个问题，不同公司都有结合经验和一些理论的探索。常规都是圆口，出入口呈流线型圆滑过渡。也有认为长方形扁口会更好。还有些直接把倒相管做成一个很夸张的弧形。目前还没有一个统一的令大部分人都信服的可通用的设计方案。 气动噪声仿真软件可以采用Fluent，Virtual Lab（之前叫Sysnoise），ACTRAN等等。 扰动的气流速度可以用等效电路或其他音箱设计软件来近似得到。 贴一张JBL Professional论文中的一张图，来说明湍流的发展。 当然这个只是用2维来计算，而湍流是3维发展的，只能作为近似探讨。 等量子计算机出来直接瞬间求解偏微分方程？有可能。哈哈~