文章

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 小工具更新优化 前几天（除夕那天）我发了篇文章，分享了两个小的扬声器计算工具。一个是音圈计算，一个是音箱计算。 公开自己写的两个小工具 这几天做了一些界面的优化，使用起来更方便清晰。更新V1.0版。 “音圈计算 V1.0.exe"和“音箱计算 V1.0.exe"的下载链接如下： 链接：https://pan.baidu.com/s/1kWjZXwb 密码：d1mw 同样需要安装matlab运行环境。 下载并运行“MyAppInstaller_web.exe” 链接：https://pan.baidu.com/s/1eTrAQtW 密码：jgkh 02 — 音圈计算 03 — 音箱计算 TS参数 频响曲线和阻抗曲线 位移曲线和风速曲线

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 运行环境 公开自己写的两个小工具，试试水，供参考。 由于软件是使用Matlab编程的，需要安装matlab运行环境(免费)。安装方法从以下中选一种即可。 在线安装 下载并运行“MyAppInstaller_web.exe” 链接：https://pan.baidu.com/s/1eTrAQtW 密码：jgkh 官网下载安装 https://cn.mathworks.com/products/compiler/matlab-runtime.html http://ssd.mathworks.com/supportfiles/downloads/R2017b/deployment_files/R2017b/installers/win64/MCR_R2017b_win64_installer.exe 免费软件，体积比较大，请有点耐心，或者网速快。 02 — 音圈计算 下载并运行“音圈计算.exe” 链接：https://pan.baidu.com/s/1qZGYVY8 密码：tqa0 可以计算铜线/铜包铝线CCAW/铝线，以及圆线/扁线，包括双并线。 03 — 音箱计算 下载并运行“音箱计算.exe” 链接：https://pan.baidu.com/s/1o9JLpvc 密码：tj1n 可以计算闭箱，开口箱(倒相箱)，无源辐射器的频响/位移/阻抗。 把闭箱箱体容积加得非常大，就可以计算扬声器单元状态。 另外，可以看出，当无源辐射器顺性较大时，单从频响曲线来看，效果是和开口箱接近的。 使用过程中有问题可以在文章下面反馈。我也不一定会回复。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — Klippel Scanner计算频响曲线 一款常见单元的Klippel Scanner计算得到的频响曲线，AAL和Total SPL。 其Total SPL1k以后的谷位非常深，根本不像实际的产品。 另外以两款环状膜片压缩高音为例进行说明。 下面是测试方法图示： 两款不同压缩高音，Klippel Scanner计算的频响曲线如下： 其中蓝色是Total SPL频响，红色是Scanner计算AAL频响。 02 — 频响曲线差异分析 和产品实测的频响曲线对比来看，计算和实测频响曲线存在一定差异。 首先，从测试方法来说 半透明材料的反射率是一个问题。 高频段计算需要更密集的取点。 另外更重要的，从原理来考虑： 激光测试的膜片位移只是音圈运动方向的位移。垂直音圈方向的位移并不能被测量。因而其高频段的实际结构振动与Scanner测试是存在一定差异的。 另外，从Scanner计算频响的方式来说，是采用对每一点的声压贡献进行瑞利积分得到的。这种积分方式，相对于考虑声传播过程的方式(比如利用有限元方法求解)，会存在一定差异，尤其是在高频段，因为没有考虑声波传递过程。当膜片较深时，差异会更大。所以深锥低音扬声器的高频计算和实测差异会比较大。 通过模拟Scanner使用的积分方法和声学波动有限元两种计算方式，可以复现以上现象。 03 — 结论 每一种测量/仿真方法都有其局限性。不必过于迷信某一种。要清楚其局限到底在哪，背后的原理是什么。这样才能把工具用好，发挥其最大的功能。 Klippel Scanner适合测量单一方向的位移。但与激光方向有较大偏转的位移就不能很好的测量。 另外，对于半透明膜片，有稀疏孔洞的非连续性材料（比如支片），或者表面粗糙的物体，激光测量的重复性也会较差。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 声固耦合 当一个振动的结构体驱动了传递声压波的气体或液体（流体）时，就会有声音产生。振动着的物体可以是板、膜或固体。流体介质中的压力波也会在固体中产生振动。这个过程也被称为声-结构相互作用。这个相互作用是双向的。 对“声-结构相互作用”的研究涉及到两个不同领域的物理学分支的相互结合：声学和结构力学。在某些情况下，流体中的声压波和固体的振动都强到足以发生显著的相互影响，从而产生双向的耦合。 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 02 — 双向声固耦合 扬声器中，音圈的上下移使扬声器的振膜发生振动。这会使周围的空气产生压力变化，并产生能让人听到的声音信号。扬声器振膜周围的空气也会影响圆锥体本身的运动；其中的一个例子就是所谓的“附加质量”。 扬声器空气随动质量计算 在扬声器的设计和优化过程中，就必须要考虑到这些影响。 从上一节声固耦合图示中，可以清楚的知道声固耦合原理。那么我们可以自己动手进行双向声固耦合。 以Comsol自带的扬声器模型为例进行说明。声固耦合在单独的多物理场耦合模块中设置。如下图所示。 既然进行手动耦合，那么先删除这个声结构边界。然后在声场中定义法向加速度边界，在到固体力学中加载边界的声压。 和软件自动耦合结果对比，结果是完全一致的。只存在非常微小的数值计算误差。 03 — 拓展 手动声固耦合除了加深对软件计算背后的原理的理解之外，还有一个额外的好处。当可以认为声场对固体振动影响很小时，可以手动进行单向的固体到声场的耦合。 Comsol自带的声固耦合多物理场耦合模块中没有可以选择的地方。 可以删除上述加载到固体力学中的声压，即完成单向声固耦合。这个技巧对大规模的3d模型求解时可以减小计算规模。 其他软件未自带的多物理场耦合，也可以参考内部参数定义，自行调用进行耦合。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 压缩高音简介 压缩高音相对于直接辐射扬声器，其物理原理上更复杂，涉及的参量较多。仅采用集总参数分析偏差会较大。 下图是简单的原理和结构说明。压缩比为Sd/St。 还有很多特性在之前的文章中都提过，就不重复了。 02 — 常规非线性 磁路系统非线性 主要来源是力系数非线性Bl(x)和电感非线性Le(x)，和常规直接辐射扬声器类似 振动系统非线性 劲度系数非线性Kms(x)，主要影响低频 振膜分割振动，主要影响高频 和常规直接辐射扬声器类似 03 — 压缩腔声场非线性 对照着前面压缩高音的简单结构图，可以得到其等效电路如下所示。红圈框住的部分代表压缩腔，正是压缩高音声场非线性的主要来源。 压缩腔空气刚度非线性Cmf(x,p) 压缩腔空气刚度随着振膜位移和声压变化。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)。 不同声压情况下，Cmf随腔体高度变化见下图。常规腔体高度在0.3-0.6mm左右。以这个值为中心，上下运动时是非常不对称的。腔体高度增加对减少失真有好处，但同时对高频输出不利(前腔在等效电路中相当于存在一个旁路电容)。 压缩腔空气粘性损耗非线性Rmf(x,f) 压缩腔空气粘性损耗随着振膜位移和频率变化。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。 不同频率下，Rmf随腔体高度变化见下图。同样也是非常不对称的。 压缩腔声质量非线性Mmf(x,p) 压缩腔空气刚度随着振膜位移和声压变化。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。 不同频率下，Mmf随腔体高度变化见下图。可以看出等效质量和频率关系非常小。 04 — 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。 下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。 一款产品高声压下号角入口和出口实测频响和2次谐波见下图。其谐波从入口到出口增加的部分就是号角造成的影响。

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。压缩比为Sd/St。 压缩高音有点类似功放，放大输入信号。设计上的问题(声波谐振，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。 【扬声器系统设计与仿真】压缩驱动头以及号角仿真 压缩高音相位塞设计 目前主要的两种压缩高音结构： 向后辐射球顶振膜压缩高音。 振膜材料以纯钛模或钛模+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。 02 — 部分压缩高音专利 EdwardWente, Bell Telephone Labs, 1929 AlbertThuras, Bell Telephone Labs, 1929 凹铝膜片，励磁磁路，斜纹边 LionelCornwell and William Woolf, 1934 内外绕音圈，斜纹边 LeeBostwick, Bell Telephone Labs, 1933 球顶膜片，励磁 LeeBostwick, Bell Telephone Labs, 1933 同轴扬声器 EdwardWente, Bell Telephone Labs, 1933 AlbertThuras, Bell Telephone Labs, 1936 两侧辐射 EdwardWente, Bell Telephone Labs, 1936 ...

本文首发于微信公众号「声学号角」 之前不是说在撸程序嘛。分享下已经撸完的。 以下程序全部都已经编译成exe，用起来比较方便。文件也不大，才1M多点。不过需要安装matlab运行环境“MCRInstaller.exe”（免费软件，体积比较大，可以在matlab官网下载）。 音圈计算软件 可以计算铜线/铜包铝线CCAW/铝线，以及圆线/扁线 恒指向性号角计算软件 输出号角坐标点 拓展阅读： 【扬声器系统设计与仿真】压缩驱动头以及号角仿真 【资料分享】号角扬声器相关AES论文 号角和波导的技术演变 TS参数计算软件 低频谐波失真仿真软件 把之前做的低频谐波失真仿真程序整理了一下，编译了出来 拓展阅读： 【扬声器系统设计与仿真】扬声器失真仿真 【扬声器仿真高阶应用】Bl(x)和激励频率的关系，兼论另一种扬声器低频失真仿真方法 一种新的扬声器单元低频非线性模型的迭代求解法 使用不同激励信号进行扬声器低频失真的数值仿真

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 音圈对磁路作用力 众所周知，磁场对通电音圈会产生洛伦兹力，从而使得音圈上下运动。但把音圈和磁路作为一个整体，磁路对音圈的洛伦兹力是内部力。所以音圈对磁路必然存在反作用力。也有固定音圈，磁路振动的做法，就是灵敏度够呛。 磁路（包括磁钢和铁件）受到的力是和音圈受力BLI大小相等，方向相反的 。音圈对磁路的力不是洛伦兹力，是磁路中极化电流产生的电磁力。可以用麦克斯韦张量积分，另外ansoft还可以用虚功法来求力。虚功力比张量积分求解精度高。 从我之前后台收集到的答复来看，很多人还是有误解的。 下面两张图是微信群中蒋元武博士分享的动铁电磁力计算的方法。蒋元武快毕业了，欢迎各大公司抢。 02 — 电磁力的计算方法 洛伦兹力 运动电荷或通电线圈在磁场中所受到的力称为洛伦兹力。洛伦兹力计算公式只能计算体积力，就是大家熟悉的F=BL*I。其物理意义十分明显，且计算十分方便。 麦克斯韦张量积分 麦克斯韦张量积分计算的是表面张力，需要做闭合积分面。总的力由面积分计算。2维计算时，曲面退化成曲线。张量积分对网格等要求较高。用张量来算好处在于可以求得表面应力分布。 2d轴对称模型中计算公式 3d模型中计算公式 虚功力 虚功法，或者说虚位移法对体积力和面积力均可以计算。根据能量守恒原理，磁场中储能的增加量则等于机械能与电能的总和。 我做了一个简单的表格，汇总相关的磁场仿真软件和电磁力计算方法。 软件 电磁力计算方法 洛伦兹力 麦克斯韦张量积分 虚功力 Comsol √ √ - Ansoft(Ansys) √ - √ Jmag √ √ - Femm √ √ - 评价 磁场对音圈的力 对网格等要求较高 从能量守恒角度

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — 阻抗曲线 之前在群里问过这个扬声器额定阻抗估算的问题，没得到非常满意的答复。就自己琢磨研究了一下。最开始是希望能通过估算额定阻抗，从而预估其额定功率。因为功率试验的电压是以额定阻抗为基准来计算的。 由最基础的扬声器等效电路可以得到： 阻抗模的表达式 绘制阻抗曲线 02 — 估算额定阻抗 对上述阻抗模的表达式进行求导操作，然后寻找导数为0的点，即极值点（极小值）。 通过计算，找到令下述表达式等于0对应的频率。然后再将频率点代入上述阻抗模的表达式即可找到额定阻抗。 确定了扬声器的额定阻抗和其对应频率的准确值，才能成功设计音箱的分频网络，从而求出每个扬声器所能承受的最大功率，这对音箱设计是很关键的。 单对扬声器单元本身来说，确定好额定阻抗也能对其承受功率有比较好的估计。 03 — 复杂模型 上述讨论均基于简化模型，未考虑复杂的电感模型，比如LR-2模型，LEACH模型，或WRIGHT模型等。 LEACH模型 LR-2模型 WRIGHT模型 LR-3模型 复杂模型得到解析解的方法可能会比较麻烦。不过基于同样的原理，得到数值解是很简单的事情。 总的来说，这种方式只能做为一种粗略的预估。 这篇文章尽是公式，放两张涡流仿真的动态图吧。一个随音圈位置变化，一个随频率变化。涡流效应会减少电感，但增加电阻损失。

本文首发于微信公众号「声学号角」 01 — Comsol 5.3a COMSOL MULTIPHYSICS最近12月份刚刚发布了5.3a版，谈谈和扬声器仿真相关的更新。 总感觉Comsol最近这些年每一个版本的更新都能给我不少惊喜。好多是期盼已久的新功能。下面一个个来说。 02 — 电磁场更新 用于磁场分析的混合边界元-有限元法 (BEM-FEM) 混合 FEM-BEM 模型可基于 FEM 方法模拟非线性各向异性磁材料，并使用磁场，无电流，边界元 接口来模拟周围空间。 非线性永磁铁定义 我很早在文章和群里都吐槽过，终于增加这个功能了。 非线性磁铁仿真参数定义 03 — 结构力学更新 集总机械系统 通过集总参数模拟来表示电子和机械扬声器分量的特性，其中使用 Thiele-Small 参数（小信号参数）作为集总模型的输入。移动质量、悬挂系统的柔性和机械损耗等机械扬声器分量可以通过集总机械系统接口进行建模。 04 — 声场更新 用于声学和声-结构相互作用的混合边界元-有限元法 (BEM-FEM) 可以将边界元接口与基于有限元法 (FEM) 的物理场接口无缝耦合，例如通过声-结构边界 多物理场耦合与振动结构相互耦合，以及通过新的“声学 BEM-FEM 边界”多物理场耦合与 FEM 声学域相结合。 采用这种混合方法，可以根据建模需要，采取最适合的 FEM 或 BEM 方法。例如，振动结构的内部域可以用 FEM 建模，由此可使用更通用的材料属性，而外部域则用 BEM 建模，由于它更适合对较大的域或无限域建模。 使用 BEM 时，只需对与相关建模域相邻的表面进行网格剖分。这样做可以显著减少对大体积进行网格剖分的需求，因此，基于 BEM 的接口尤其适用于模拟包含复杂 CAD 几何的辐射和散射问题。