Comsol电声多物理场仿真入门建议

本文首发于微信公众号「声学号角」

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有限元仿真软件

有限元边界元仿真软件很多，如Ansys，Abaqus等。针对电声仿真来说，如果只能推荐一个有限元仿真软件入门的话，我会推荐Comsol Multiphysics。

Comsol界面友好，前后处理方便，各种函数和表达式使用灵活，多物理场耦合强大，案例库全面。

虽然某些单物理场求解稳定性以及复杂网格划分对比其他软件还有一定提升空间。

但瑕不掩瑜，Comsol是一款非常优秀的通用有限元仿真软件。也越来越多研究和工业应用开始使用Comsol。

中文官网地址：

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有限元仿真理论知识准备

有限元理论的书籍非常多，感兴趣的可以挑一些经典的看看。

着重推荐Comsol技术总监王刚博士写的《COMSOL Multiphysics工程实践与理论仿真》。这本书可以加深对多物理场仿真建模的分析和理解，而不是针对单独的操作。

再推荐Carl Q. Howard的《Acoustic analyses using Matlab and Ansys》给英语好且对有限元求解的内部细节感兴趣的朋友。

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Comsol入门案例

建议从结构力学最简单的案例开始，可以参考下面这篇文章。掌握有限元分析最基础的流程，以及熟悉Comsol操作界面。

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电声多物理场仿真入门案例

Comsol官网的声学模块介绍和声学案例库

电声相关的案例库Comsol软件自带有，包含扬声器、麦克风、音箱、耳机、助听器等模型。已经涵盖了大部分常规的电声仿真模型。

简要介绍下各个模型：

扬声器驱动器 - 频域分析
推荐刚入门的优先学习和研究这个模型。
演示了如何对动圈扬声器进行建模。模型分析包含总电阻抗和额定驱动电压下的轴上声压级随频率的变化情况。使用“磁场”接口和“声-结构相互作用”多物理场接口来建立模型。

B&K 4134 电容麦克风
几何参数和材料参数均取自实际的麦克风。对比仿真频响与实际麦克风的测量数据。并计算膜变形、压力、速度、电场，以及机械热的底噪。
轴对称电容麦克风
一个简化的轴对称电容麦克风，包含相关的物理场、特定几何和材料参数的灵敏度分析。它求解的是全耦合声-电-机械系统有限元模型，在频域中使用了线性扰动求解器。

戴在仿真人耳上的耳机
模型演示一个耳罩式耳机与通用仿真人耳的耦合分析。
这个模型之前文章介绍过。目前的模型还有些地方处理和实际产品有差异，所以结果比较奇怪。耳机有限元仿真确实比较复杂。
耳机声场分布有限元仿真

扬声器驱动器 - 瞬态分析
仿真分析包含磁系统中软铁的非线性特性、结构中的几何非线性，以及音圈进出磁隙时由于拓扑变化引起的非线性效应。输出包含总谐波失真 (THD) 、互调失真 (IMD)以及动态 BL 曲线。
扬声器驱动器集总模型
这是一个动圈扬声器模型，通过集总参数模拟来表示扬声器电气元件和机械元件的特性。Thiele-Small 参数（小信号参数）用作集总模型的输入，集总模型由“电路”接口表示。该集总模型与描述周围空气域的二维轴对称压力声学模型相耦合。模型的输出包括阻抗和辐射声功率等。

有两个模型，一个采用“电路”接口，另一个采用“集总机械系统”接口对扬声器机械部件（如移动质量Mms、悬挂柔度Cms和机械损耗Rnms）进行建模。

与测试装置（含 0.4cc 耦合器）相连的接收器集总模型
Knowles ED23146 动铁(平衡电枢）扬声器连接到一个测试装置，该装置由 50 mm（直径 1 mm）的耳模管和 0.4cc 耦合器组成。通过集总 SPICE 网络建模，并连接到管入口处的有限元域。
这个模型应该是用于助听器的。
含完全声振耦合的接收器集总模型
和上面的模型类似，采用Knowles TEC-30033 动铁(平衡电枢）。增加考虑声振特性，以及与隔振系统的多物理场模型进行耦合，从而实现完整的系统分析。
OW 微型扬声器：仿真及其与测量的相关性
仿真微型扬声器的电磁、机械和声学特性。从扬声器的几何形状着手，使用轴对称电磁模型来表征音圈和电磁电路的频率相关响应。在三维模型中分析扬声器的振动声学响应，并将分析结果与测量数据进行比较。
这个模型之前也介绍过。
COMSOL Multiphysics 5.5新的微型扬声器案例

压电微机电系统 (MEMS) 扬声器，该扬声器由四个三角形膜组成，其中使用一层锆钛酸铅 (PZT) 材料。