仿真

本文首发于微信公众号「声学号角」 下图是一款典型扬声器支撑系统的Kms(x)，从Klippel一份文件中截取而来。以此为基础，对扬声器支撑系统的Kms(x)的设计/仿真/调整等，做一下解剖分析。 从位移Displacement 0点来看，定心支片（spider）的劲度（Stiffness）大于边（surround）的劲度（Stiffness）。基于一些经验的认知，劲度系数K边：支片≈（约等于）4：6或3：7比较合适。其实也不一定，这个如果后续有机会再单开一章分析探讨。 支片中间比较类似抛物线，在几何对称的前提下，上下K值差异较小。 3.边中间段比较平坦，变化很小。即便在几何对称的前提下，拉伸到极限时上下两端的K值差异也会较大。像图中所示，很有可能就是凹边（如果是半圆的话）。至于详细的具体原因，感兴趣的自己可以琢磨下。基于此，设计时边的行程就最好留有余量。当然冲程余量太大，径向支撑就会较差，设计上需要进行平衡。 4.如果Kms（x）曲线中间不平坦，如何调整？基于以上讨论，一般来说需要调整支片的可能性会较大。 如果Kms（x）曲线两侧不对称，如何调整？基于以上讨论，支片/边的调整都有可能需要。最好采用剪边/剪支片测试，或者仿真的方法来辅助验证问题点。 由于Kms（x）的仿真精确度还不够完美，可能和真实情况吻合度85%左右。和材料的粘弹性，以及材料成型时不均等都有关。可以作为大致的改善方向的参考。 大致就这些吧。 ’

本文首发于微信公众号「声学号角」 Klippel公司是我非常敬佩的公司。不只是因为它基本上垄断扬声器大信号非线性测试的市场。而是对扬声器各种特性会进行探究，精益求精。虽然可能是从他们最擅长的扬声器测试反过来再指导扬声器设计的。 下图是Klippel公司做过的一项研究，温度和扬声器Fs的关系。 尝试了两种不同材料的音盆复合边。绿色这条是施胶布边。紫色这条是泡沫边。 可以明显看出施胶布边的Fs对温度非常敏感，这也符合我们的经验预期。扬声器Fs基本上会随着温度上升而下降。也符合大多数材料的特性，材料随温度上升而强度变软。 之前有发邮件问过Klipple的研发团队，是否会考虑在后续的产品中增加温度监控。或者更进一步对测得的参数进行温度校准，校准到标准温度比如20℃之类的。因为扬声器直阻Re，共振频率Fs，总品质因子Qts，频响曲线，阻抗曲线等关键的参数都跟温度相关。 他们的答复是最新版的Klippel QC系统已经可以实时记录环境温度了，RD系统也会在一下版中跟进。购买一个温度传感器即可。不过对温度进行参数校准目前还在探讨中，因为研究还不够深入，到不了工程实用阶段。 我有多次发邮件询问过Klippel公司相关的扬声器测试问题。基本上1天之内都可以收到详细的回复。当然前提是问题要有质量有意义。遇到Klippel上的问题，可以先查Help或者官网资料。比较深入的，再发邮件咨询。因为他们团队规模不大，所以尽量不要用过于基础的问题打扰。操作的问题问klippel的代理商也可以。 以上是从实际测试角度进行的研究。如果从研发设计的角度呢？是否有可能预测到扬声器参数对外界温度的敏感程度？直阻Re肯定是没问题的，功率试验测量音圈温度设备的原理就是基于此。 其他参数，包括频响曲线则会相当麻烦，因为很多情况下用的都不是单一的均匀材料。 据我所知，有公司/单位有投入精力在做这块的工作。当然进展缓慢，问题确实比较复杂。 这个问题的解决是有实际工程价值的。想想看，如果一套音响，冬天的声音和夏天的声音完全不一样了。那如何对音质进行评定呢？稳定性又从何谈起呢？

本文首发于微信公众号「声学号角」 工程师的职责就是发现问题-分析问题-解决问题。当一个仿真工程师面临一个仿真分析的任务时，首先要做什么？查找资料去了解熟悉某些算法，还是到处搜索调查需要使用哪些软件？都不是！ 一个经验丰富的仿真分析工程师，第一需要做的时静下心来好好思考：这个问题涉及到哪些物理过程；每个物理过程如何用数学模型描述；各物理过程如何相互影响，反应在数学模型上又会如何；哪些可以用经验描述，哪些不能；需要提供哪些数据参数给到这个模型，以便能准确描述预想的工作状况。 整个思考的过程其实就是建模的过程。算法或者软件都只是辅助用来求解这个模型而已。建模是整个仿真分析工作中最核心的部分。融合了仿真工程师的理论知识和工程经验，与软件或者算法无关。 软件的使用只是整个仿真分析过程中的技术含量很低的一个环节。需要对软件输入的每一个参数都清楚知道这个参数的意义和作用，需要理解背后学科理论，有限元理论，以及偏微分方程求解方法，只是熟悉软件的操作界面是远远不够的。 仿真软件仅仅是庖丁手中那把宰牛刀而已。最有价值的是庖丁这个人。目无全牛方能游刃有余。

本文首发于微信公众号「声学号角」 通常的Bl(x)都是通过静态扫描得到的，和激励信号无关。 在实际运动过程中，音圈在磁场中运动会生成感应电流，且磁路中的铁件也会生成感应电流。根据楞次定律，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，即感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。 所以在实际运动过程中感应电流会略微影响磁场，从而影响Bl值。所以Bl（x）和激励信号的频率相关。 可以采用Comsol或者Ansoft Maxwell软件（属于Ansys公司）来进行仿真。 为减少计算规模，且只考虑扬声器低频段。在软件中仿真磁路，同时耦合运动微分方程，导入Kms（x）的曲线。 需要采用移动网格，否则很难收敛。 得到幅值1A，100Hz的激励电流下的Bl（x）循环。可以看到Bl（x）上下循环时变化较小，也就是运动过程中感应电流对磁场影响很小。 由此，也可以衍生出另一种扬声器低频失真仿真的方法。 得到位移的时域曲线 做快速傅里叶变换FFT。可以计算二次/三次谐波失真，最大位移，直流偏移等。如下图100Hz的激励信号，200Hz和300Hz的幅值/100Hz的幅值就是二次/三次谐波失真的数值。

本文首发于微信公众号「声学号角」 之前设计过一款低音扬声器单元，使用在闭箱中，箱体容积对比单元的Vas非常小。当时那款产品采用的是凹橡胶边，平板盆。在做可靠性功率试验时橡胶边破损。 经过调查，排除掉橡胶边因本身应力过大导致破损等等原因。 同时，发现一个比较奇特反常的现象，橡胶边在运动过程中产生异常形变。类似下图。 上图以及后面的案例均为非真实产品，仅作为示范说明。 初步怀疑异常形变的来源是闭箱内外的压力差。 想通过仿真来复现此现象。 很直接的想法是用流固耦合的方法来做。不过计算很容易不收敛，且计算规模非常大。所以最终考虑采用等效的空气压力来简化计算。 定义好橡胶边内外受到的空气压力（位移相关）。除静止状态外，内外存在压力差。 由于这是个强非线性过程，所以需要将网格划分得略细一些。 尤其注意转角处的网格划分，避免非真实情况的应力极度集中。 在纸盆处加载位移或者力 红色圈的是异常部位。黑色线条代表正常状况下应该形成的曲线。 从3D图中看得更明显 下面是动态的过程演示，显示可能稍微有点问题。 不过可以大致了解其运动过程中的状态。供各位参考。 最终的解决方案大家可以凭借设计经验自行判断。

本文首发于微信公众号「声学号角」 分布振动式扬声器DML是由NXT开发的一种平板扬声器。振动板近似无规则振动。前后同时辐射，是同相位的，不需要箱体。 下面是一些示意图。 指向性气球图。其偏轴响应避免了传统平板扬声器的缺陷和问题。 尝试制作了一个comsol app，将DML模型参数化，包括振动板的大小，激励源的大小和位置等等。当然因为扬声器模型和材料参数都是假设的，所以只是玩玩而已，对我个人来说可以算屠龙之技之一了。 可以通过修改振动板的尺寸，达到激励源的大小和位置来使得频响曲线延展更好，响应更平坦的目的。 可惜音质好像未受到大众市场的肯定，目前应用场景有限。希望扬声器这个行业多些类似的技术上的突破性创新，而不只是在结构外观上折腾。说不准哪天就引领潮流了呢。

本文首发于微信公众号「声学号角」 在对扬声器的三场耦合设置中，会遇到一个需要处理的问题：音圈骨架冲孔并非是轴对称的。 如果采用3d耦合求解，计算量会非常大，而且结果也会误差较大，从而并不划算。如果采用2d轴对称，就没法考虑骨架冲孔对整体频响曲线的影响。 下面介绍两种变通的办法，尽可能使得2d轴对称结果接近3d结果。当然要注意这些方法都是建立在妥协另一些方面的基础上的，所以需要明白其适用范围和适合的情况。比如这两种方法对冲孔对骨架强度的影响没法进行评估等等。 有两种处理方法： 1.在声场设置中，令孔左右两侧声压相等。等同于声场在此处是连续的。 2.在固体域骨架设置中，令孔上下位移相等。等同于骨架在此处是连续的。 当然凭借经验，如果判断不需要考虑此处的影响，比如常规低音，也可以直接无视，不做特殊处理。 同样的设置方式对支片（弹波）冲孔的处理是一样的。

本文首发于微信公众号「声学号角」 由于激励（电信号输入，通常是粉噪），以及边界条件过于复杂，很难抽象为简单的模型。准确的模拟需要考虑电场，磁场，热场，结构力学，流场等的耦合。音圈是主要热源，温度上升反过来又会造成音圈直阻上升，从而影响发热功率。磁路中的感应电流是次要热源 (金属件，包括T铁，夹板，短路环等会产生涡流，生成次级热源)，跟电信号激励的频率等又相关。音圈（热源）上下运动，振膜也跟着运动，空气也会参与强迫对流。 根据以上理论上可以构建出合适的物理模型，但是这么复杂的多物理场耦合模型是很难对实际产品进行求解的。还够不上精确的定量的工程实用价值。 Klippel构建了一个扬声器的热等效电路模型，但必须得有样机实测才能拟合出参数，对初期研发的作用不是那么大。 另外也有号称可以模拟扬声器散热的，基本上只是单独用热场，最多也就耦合电磁场进行近似计算。或者小信号激励&低温。当然这个可以定性地指导散热改善的方向。 需要进一步的探讨和研究。 附上一张对不同位置打孔的直观流动冷却图。 定性地分析当然也有一定的价值

本文首发于微信公众号「声学号角」 Ansys是一款非常强大的通用型有限元工具，当然可以用来做扬声器和音箱的仿真。 Ansys公司由于结构这块的产品非常成功，先后收购了很多公司。比如流体Fluent，CFX；电磁场Ansoft；直接建模软件Spaceclaim等等非常多。很多都是单场有限元仿真数一数二的。每款软件都擅长其特定的领域。 不过实话实说，ansys多物理场耦合这块进度相当缓慢。除了特定的几个模块，比如扬声器仿真能用上的声固耦合等，可以直接耦合（强耦合，直接联合方程组求解，求解的矩阵是耦合在一起的）之外，其他都只能单向耦合（弱耦合，把一个场的计算结果作为另一个场的边界条件），或者迭代耦合（多个场相互传递计算结果，很容易损失精度）。猜测原因之一可能是不同家的求解器很难完全匹配到一起。 随着研究的逐步深入，计算机软件和硬件的升级，多物理场耦合肯定是一个大的趋势。Ansys提出多物理场的概念应该很早了，可惜没能找到特别好的解决方案。 声场波动的示意图 指向性图 声压分布情况 音箱3D图完整导入Ansys中。可以看到，不同部件的3D图都是有做分块的，这样便于进行网格划分。网格划分好了，在减少计算量的同时，还可以提高计算精精确度。 传一个使用Ansys进行扬声器系统 (音箱) 的声场进行仿真的视频，供各位有兴趣的朋友、同行参考。 其中包含有详细的操作步骤。 当然啦，英文版的。

本文首发于微信公众号「声学号角」 在对扬声器进行声场仿真时，有时会遇到一个问题，仿真出来的频响曲线莫名其妙地出现在高频段出现一个谷。但实际产品并没有。之前那篇环状高音仿真的文章有提到这个问题。 这个问题的其中一种情况是磁隙中声场模型不符合实际情况造成。 原因在于音圈所在的磁隙非常狭窄，此时磁隙中的空气热粘滞效应不能忽略。 当然，需要考虑热粘滞效应的区域的部位可能还包括有其他狭窄且对频响会造成影响的部位。 对比常规线弹性声场模型、狭缝声场模型、热声场模型。10-20kHz频率响应。 可以看到10-11kHz的谷消除了。且10-12kHz灵敏度略有提升。 看起来考虑磁隙中的空气热粘滞效应，采用热声场模型，可以使得仿真更精确。当然计算量会略大一些，计算时间也会加长。 当然凭借经验，如果判断不需要考虑此处的影响，比如常规低音，也可以直接无视，不做特殊处理。