文章

本文首发于微信公众号「声学号角」 COMSOL Multiphysics 5.5将在本月正式对外发布。虽然不会是像从4.4版到5.0版这种革命性的跨越，但很多模块的演进和优化是值得期待的。 01 — 形状和拓扑优化 Comsol之前的版本中已经有不少对优化算法的支持。 Comsol优化功能简介 本次主要增强了优化模块中的形状和拓扑优化。在5.5版中，简化了形状优化设置，使用户可以更轻松地执行优化研究。移动边界已由多项式参数化，并且内置了对壳厚度优化的支持。拓扑优化具有新的平滑操作，可实现更好的几何输出。 COMSOL Multiphysics 5.5优化模块中钣金支架的形状优化 02 — 参数化的2d工程图 终于支持了2d图的参数化。 设计模块的重大更新是带有尺寸标注的新参数化草图绘制工具的形式。该界面类似于任何CAD软件中可用的草绘工具，具有类似平行，垂直，重合等尺寸和约束。可以更轻松容易地实现参数化扫描，或者参数优化。而不用LiveLink实时链接其他的3d软件，也不用考虑软件相互之间的版本兼容问题。 03 — 声学模块 用于声学模拟的新求解器技术允许用户使用有限元方法分析更高的频率，以及有效地计算固体和流体中的超声传播。这项新技术还将让结构力学和MEMS模块受益。 在声学模拟中，基于时间显式不连续Galerkin方法的新功能可以对固体和流体中的超声传播进行高效的多核计算，包括具有阻尼和各向异性的现实材料。 对于频域仿真，用于波传播分析的专用求解器可以使用有限元方法处理更高的频率（更短的波长）。新的求解器可用于分析封闭的结构，例如车厢内部的结构以及其他声学模拟。 简单来说，通过优化后的专用求解器，有可能对更大的尺寸进行更精确的波动声学的仿真，而不是使用近似的几何声学。 之前提到的耳机有限元仿真案例也可以期待一下。 耳机声场分布有限元仿真 04 — 其他Comsol Complier COMSOL Compiler是去年5.4版增加的新模块。通过COMSOL Compiler，用户可以使用带有使用Application Builder构建的专用用户界面的COMSOL Multiphysics模型创建独立的应用程序。 COMSOL Runtime 最新版本的COMSOL Compiler具有新的编译选项，可生成最小尺寸的文件，以便于分发。用户首次启动使用新编译选项的应用程序时，需要时可从COMSOL网站下载并安装COMSOL Runtime。 这一点的更新和Matlab 的APP以及对应runtime类似。 之前的5.4版本是直接将runtime打包在可执行程序里，文件就会很大。 新版本的APP编译后只有几M，非常轻量化。 Add-Ins Add-Ins可以让用户直接在Multiphysics界面中嵌入应用程序，看起来类似于Chrome等浏览器的扩展。 或许将来可以做成APP Store，那将是一个大的生态体系。随便瞎想一下。 05 — 其他 电磁学中的AC / DC模块：现在可以与复合材料模块结合使用，以分析薄结构中的分层材料。 新的金属处理模块使COMSOL Multiphysics环境中的金属相变分析可在焊接，热处理和金属增材制造中使用。 金属加工模块可以预测由于金属中有意或无意的热驱动相变而导致的变形，应力和应变。该模块可以与任何其他COMSOL产品结合使用，可以进行包括金属相变在内的任何多物理场分析。比如将其与例如用于散热的传热模块，用于感应淬火的AC / DC模块以及用于对材料性能进行高度预测性分析的非线性结构材料模块相结合。 革命性的更新还需要一点点耐心。期待一下吧。 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」 01 — ICA 2019 第23届国际声学大会 ICA 2019已于9月9日至13日在德国Aachen的Eurogress举办结束。由德国声学学会组织。内容涵盖声学前沿研究的各个方面。 2 — 参展商 认识的部分参展商公司 Brüel & Kjaer GmbH CAE Software und Systems GmbH Comsol Multiphysics GmbH d&b audiotechnik GmbH DataKustik GmbH GRAS-Tippkemper GmbH & Co. KG HEAD acoustics GmbH Industrial Acoustics Company GmbH Microflown Technologies B.V. NTi Audio GmbH ODEON A/S 03 — 相关论文 官网地址： http://www.ica2019.org 论文的地址，可以公开免费下载： http://pub.dega-akustik.de/ICA2019/data/index.html 大家可以按需下载自己感兴趣的话题 主题分类： 01 A - Physical aspects for active control of noise and vibration 01 B - Applications of active control of noise and vibration ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 苹果公司新发布了入耳式耳机AirPods Pro 宣传术语中有一句：“自适应均衡功能可根据你的耳形自动调整音乐播放，带来细腻一致的聆听体验，让你尽享非凡音质。” 今天来揭秘一下。 大致的原理是通过内置的麦克风计算不同耳道形状，以及不同佩戴方式的声泄漏，来动态调整EQ。使得不同人的耳道和不同佩戴方式在耳膜处收到的频响曲线都是一致的。 耳机与人耳的声学耦合取决于许多因素， 用户头和耳朵的位置，大小，和耳垫材料等等。 紧配和松配的差异，尤其是低频 通过放置一个在耳机和耳朵之间的空腔内，扬声器附近的微型麦克风，然后 测量从扬声器端子到麦克风的传递函数。就可以获得声耦合的影响。基于这些测量的结果，可以将个性化EQ应用于每个用户。 近场麦克风放置的位置如下图所示。 近场麦克风的频率响应曲线。低频段20Hz-800Hz和耳道内一致，中高频段走势相似但响度不同。 密闭后腔 开放后腔 10位受试者的近场麦克风响应传递函数，浅灰色-左耳，黑色-右耳，各3次重复佩戴测量 下图是Olive等人提出的耳机目标响应曲线 做了EQ之后的耳道内响应以及近场麦克风响应曲线 EQ的实现流程 黑色-无EQ，点线-EQ后，灰色-目标曲线 另外，从主观听音结果来看，自适应EQ校准实现了有效的收益。 同样的方法，或许对入耳式耳机的效果会更好。因为麦克风和耳膜更近。 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」 01 — 集总参数 常规动圈扬声器的集总参数研究已经比较完善成熟。但压缩驱动器的集总参数准确建模存在一定的困难。 以相位塞通道为例，电力声类比，可以采用基尔霍夫（电路）定律进行分析。 声学模型 力学模型 电学模型 02 — 压缩驱动器 压缩驱动器单元剖视图 压缩驱动器系统示意图 03 — 集总参数建模压缩驱动器 建模一个压缩驱动器，出口S4直径1.4英寸（约36mm），球顶膜片直径86mm。示意图如上。 膜片有效面积S0，相位塞入口面积S3，其压缩比S0/S3。S1代表膜片折环。 磁场用B表示，磁场驱动通电音圈上下运动，F为洛伦兹力。 V0代表前腔容积，V1代表折环下的密闭腔体容积。 如果给驱动单元增加行波管，再测试分析。行波管会提供一个稳定的辐射负载。 其中ρ为空气密度，c为声速，S4是行波管管口面积。 首先忽略所有声学组件，专注电学和力学模型。和常规的动圈扬声器一样。不做过多阐释。 电磁力驱动音圈 力学振动模型 电力耦合模型 检查模型，和实测的阻抗对比。谐振频率Fs=625Hz。 简单的声固耦合模型 前腔声学顺性，V为容积 忽略相位塞的复杂结构，以及假设相位塞通道横截面面积线性增加。 波数k=w/c，相位塞通道长度L，Smo为出口面积，Sth为入口面积。 先不考虑增加号角或行波管进行测试，直接自由辐射。使用声学边界元BEM对辐射进行建模。 压缩驱动器的简化建模 仿真实测的频响和阻抗对比 更精确的模型。考虑后腔的声学路径，会增加额外的声质量。 可以看到阻抗的吻合程度更好，说明是有效的 可以看到高频的频率响应匹配还不够好。 使用激光对膜片振动进行测量，发现膜片在高频段发声了分割振动，不再是活塞振动。 将测量到的膜片速度均一化后，得到下图绿色的曲线。对仿真得到的频响曲线进行补偿。发现吻合程度提升了很多。 集总参数建模的优点是计算速度，以及可以快速优化设计。缺点是精度受限。实际研发中要灵活使用。 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」 01 — 模型来源 模型来自和Comosl朋友的沟通。他们的声学团队正在构建一个耳机声场分布的有限元仿真模型。 模型的示意图 在典型的测量环境中模拟耳机。耳机与耳朵紧密耦合，近似压力场，因此无法用扬声器的自由场来评估仿真。 模型中使用人工头和耳朵来相对准确地表示使用条件。上图中显示了头戴式耳机与通用人工耳的耦合。 02 — 物理场设置 具有人皮肤阻抗的声边界 Comsol有自带皮肤阻抗声边界 使用多孔弹性波对耳机上的泡棉进行建模，并耦合到声场模型。 耳机外壳中的穿孔板和调音纸/网布，采用内部穿孔板进行模拟 耳机耦合到人工耳耦合和简化的耳道。 耳鼓的阻抗可以在模型中专门考虑。 耳机的扬声器单元采用TS集总参数表示，以缩小计算规模。这个和常规扬声器或音箱仿真类似。 03 — 声场仿真结果 不同频率下的皮肤表面声压级 耳膜处频率响应曲线 04 — 补充说明 这个只是初步的模型，相关设置还存在调整的空间。可以看到仿真出来的频响有疑问。还未和实测产品，相关文献，或者其他仿真方法进行对比。而且计算量相当大。 可能会在下一个版本Comsol 5.5中正式推出此案例。可以期待一下。应该不会需要很久了。 常规都是采用等效电路对耳机进行仿真，相关的理论和工具也非常成熟。 采用有限元仿真建立耳机的模型是一个非常有益的补充。可以对人头/人耳的结构尺寸的影响进行定量评估。对漏音的计算也会更加准确。 后续或许还有可能耦合人头骨的模型，对骨传导耳机进行建模仿真。 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」 这是一个非常简单的示例，仿真使用扳手拧紧螺栓的过程。供仿真刚入门的朋友参考。 介绍“模型开发器”的工作流程： 首先打开“模型向导”，并添加固体力学物理场选项 然后导入几何 选择 steel作为材料 接下来，通过创建模型来探索其他关键步骤 定义载荷的参数和边界条件 在“图形”窗口中选择几何实体 定义“网格”和“研究”最后，通过数值和可视化来检查结果 双击Comsol软件图标 选择”模型向导“ 选择模型维度”三维“ 选择物理场”固体力学“ 选择研究”稳态“，然后点击”完成“ 参数: 定义作用力大小，直接输入即可 几何模型： 导入几何模型。3d模型建议使用x_t格式。2d模型建议使用dxf格式。 右键“几何1”，选择“导入” 材料定义： 案例材料使用结构钢 右键材料-从库中添加材料 找到Structural Steel-添加到组件1 默认选择所有域 物理场定义： 右键固体力学，选择“固定约束”和“边界载荷” 固定一端边界，另一端加载力 划分网格： 入门简单可以使用物理场控制，软件自动划分网格。然后点击研究计算。 应力分布 位移分布 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」 差分驱动单元是JBL专业音箱类产品普遍使用的一项专利技术。 与传统的单线圈设计相比，差分驱动技术可以提供更好的散热，更低的功率压缩和更高的动态范围。这种设计方案对磁路的非线性失真改善是相当明显的，实际产品听感也更清晰明朗。实际听过的不少人说有一种通透感，尤其是大动态时候对比常规产品。 其详细结构可以参考JBL Pro官网： http://www.jblpro.com/www/jbl-story/innovation/technology/transducers/differential-drive#.WFzX5lV96Hs 散热器集成到驱动器的铸铝框架中，并且钕铁硼磁体被放置在驱动器的双音圈组件内部。很多关键性能参数都大大提高，包括最大的功率输出和失真。 当然，还有一些缺点是官方不愿意提及的： 效率相对来说会比传统结构略低。也就是说灵敏度比常规产品低。 原因也很简单，整个磁回路的磁阻增加了。磁隙中的B值相对较低。 双音圈会略重，且底部音圈离振动系统的悬挂部分（边和弹波）比较远，比常规产品更容易擦圈。虽然实际产品目前并没有这个问题，但风险会更高点。 贵。零部件数量增加，装配所需要的工序增加。 世上没有十全十美的方案，关键是要取得一个均衡点。 上下双线圈磁路原理图 对应的等效电路 线圈之间的距离对BL(x)的影响： 从以上仿真也可以很明显看出，对称性更好的磁路效率更低。 在目前的时间节点，如果采用非线性补偿的方法，或许对称性差但是效率高的磁路是一个更好的选择。 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」 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 1.倒相箱/侧出音音箱等频响/阻抗/位移曲线仿真，全耦合，分步耦合，集总参数（等效电路/公式）声场仿真等 2.振膜可以考虑做成壳模型 3.在声固耦合边界，固体沿着交界面法向的加速度作用于流体，声压以法向单位面积载荷作用于固体 结合仿真调整扬声器音盆 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 压缩高音相对于通常的动圈扬声器单元在设计上会更复杂一些。其换能效率非常高。 JBL的D2压缩高音单元是其专利产品，全称：双振膜双音圈压缩高音。实际听音，声音非常通透，不燥，相对于纯钛膜片来说。因为阻尼相对来说会较高。 详细资料可以参考JBL Professional的官方网站 http://cn.jblpro.com/china/jbl-story/innovation/technology/transducers/d2#.WEom-9V96Hs 点击文末左下角“阅读原文”即可跳转到网页。 优势：相当于2个压缩高音单元，灵敏度高6dB；且由于结构上下对称，谐波失真会有所降低；优化设计之后，还可以提升高频扩展；由于共用了部分组件，重量也会比直接两个单元轻。 二次谐波会降低较多，我实测验证过。感兴趣的可以买来试试。详细的原理分析，我目前只有一些不成熟的猜测，应该是减少了前腔和相位塞中空气的非线性。 、 下面是一个部件拆解的实物图片。 D2单元有用在JBL的线阵列VTX25和VTX20上。还有其他一些高端音箱也有在应用。 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」 第二届AES国际耳机技术大会刚于2019年8月29日在美国加利福尼亚州旧金山结束。 AES国际耳机技术大会 会议中有发表一篇论文“Design and electroacoustic analysis of a piezoelectric MEMS in-ear headphone”（压电MEMS入耳式耳机的设计与电声分析）。作者是来自德国的Andreas Männchen等人。 文中深入探讨了带有压电MEMS扬声器的入耳式耳机演示样品。演示样品包括，MEMS扬声器，耳机外壳，信号处理和应用特定的功放。研究的主要焦点在于MEMS耳机的详尽电声分析，包括电阻抗测量，各种声学测量以及压电MEMS驱动器的热行为研究。结果表明该技术在入耳式应用中具有很高的潜力，并认为在未来的改进中可以提供更好的声学性能。 压电MEMS扬声器样品简图 4片三角形的悬臂压电薄片，组成一个4mm*4mm的正方形。每片压电片由15um厚的多晶硅和2um的PZT（压电锆钛酸铅）组成。 压电片之间留9um间隙，以便机械解耦，并提供尽可能大的驱动位移。间隙非常窄，考虑空气的热粘性，空气泄露很小，可以忽略。所以虽然压电片之间有间隙，但可以当成一个整体。这样机电效率可以提升，并且不需要额外的柔性膜片。 压电MEMS入耳式耳机样品简图 前后腔设计和DSP调试和常规耳机是一样。 不过功放需要特殊定制。因为需要至少等于音频信号交流电压幅度的正向直流偏置电压，并且放大器必须能够稳定地驱动相对高的容性负载。 演示样品实物图片 阻抗幅值和相位曲线，激励电压1V直流偏置/ 0.2V交流 阻抗呈现容性。幅值斜率约-6dB/oct。从77kΩ@20Hz到84Ω@20kHz。相位基本保持-90°，除了9.3kHz出现一个谐振。电容约等于99nF。 声压级频响曲线测试结果，包含和不包含DSP。 频率响应测试的耳模拟器是根据IEC 60318-4采用GRAS RA0401。因为低频阻抗非常大，所以虽然激励电压需要较高10V，其功耗相对常规耳机其实会更小。 转换为相对于1mW功率的灵敏度 失真，1V不带DSP 失真，1V 带DSP 失真，10V 带DSP 1V激励时，失真还可接受。10V激励时中频失真较高。 主要是2次谐波失真，应该是存在一个非对称的非线性因素。很有可能是压电片本身的形状和材料等特性造成的。 互调失真 温度上升测量 无外壳，仅仅是压电MEMS扬声器。 器件表面增加了一层哑光黑色薄膜喷漆，以提高热辐射率。 在最恶劣的条件下，20kHz，10V直流，10V交流正弦信号激励下，172秒后最高温度稳定在27.2°，温度仅上升6.5℃。 这也是采用压电MEMS扬声器的优势之一，温升很低。 未来改善的方向 提高灵敏度。 改善压电片的形状和材料特性。可以提高输出的声压级或者缩小尺寸。 降低失真 增加机械阻尼，需要找到对应的材料和工艺 改变压电MEMS的设计，比如采用双向压电片，或许可以降低偶次谐波失真和互调失真。 自适应的非线性补偿。构建压电MEMS耳机的模型，通过音频算法来补偿失真。 改变压电材料。比如采用铝氮化钪（AlScN）等。这种材料已被证明具有高压电线性，可进一步降低非线性失真。此外，预计AlScN的材料变化会增加传感器灵敏度并消除对直流偏置的需求。可以提高输出的声压级或者缩小尺寸。且电容显着减小，从而简化了放大器电子元件。 除了耳机之外，压电MEMS扬声器也有可能应用在可穿戴设备，助听器，智能手机接收器以及智能手机或平板电脑等移动设备。 上面是我的个人微信，加我的时候请表明身份，注明来意。