仿真

本文首发于微信公众号「声学号角」 之前有提到扬声器有效辐射面积Sd可以用Klippel Scanner测试得到，而且只是说用折环中间一半进行计算是不对的，尤其对微型扬声器/高音/压缩高音等小口径扬声器。 但并没有提到具体大致的折环参与的有效辐射面积比例有多少。所以今天就探讨下。 其仿真计算的原理就是将振膜整体运动移动的空气体积△V，除以其△x，即得到振膜的等效Sd。不同频率下的Sd是有差异的。 详细情况可以参考—— 扬声器有效振动质量Mms以及有效辐射面积Sd 为计算方便，模型采用简化版扬声器音盆组，不带胶水和粘接面的模型。 给音盆加载一个1mm的位移 计算就是用振动面的位移积分/位移，得到其有效辐射面积。折环参与辐射的面积超过1/2。 Cone OD 132 mm Surround OD 164 mm Sd*x 191.08 cm^2*mm x 1 mm Sd 191.08 cm^2 Efficient Diameter 155.9778 mm Surround Efficient Sd 74.93% 需要注意的是，不同形状折环的有效辐射面积是会有所差异的。感兴趣的可以自己试试看。 数学功底好的，也可以尝试下看能否得到比较规整折环的有效辐射面积的解析表达式。 扫频结果如下

本文首发于微信公众号「声学号角」 一般是输入380V三相交流电，通过内部电路，将充磁机内的超大电容充满电，达到预期的电压值，比如2.0到2.6kV附近。 然后瞬间放电，比如20ms左右，给充磁线圈一个瞬间的大电流。 短时间的充磁线圈电流迅速变化，会产生一个瞬间的大磁场给磁铁，使磁铁达到预期的剩余磁通密度。 通常的磁铁充磁退磁循环曲线 以一款铁氧体外磁式磁路充磁过程为例 磁路整体组装好，或者扬声器整体组装好，磁铁带T铁华司一起充磁。 磁路下方是充磁线圈，具体的线圈参数提供需求给专门的厂家订做。 充磁完成后的磁场分布 充磁完成后的磁力线分布 铁氧体磁铁磁通密度随充磁时间变化的曲线。 最终稳定的值就是磁铁剩余磁通密度Br，约等于0.35T。 H-B循环曲线 充磁过程磁场变化的动态演示

本文首发于微信公众号「声学号角」 之前有提到折环/支片等可以类比弹簧的部件参与有效振动的质量为其本身质量的1/3。前提：该部件为均匀均厚且各向同性的材质。具体推导过程可以参看南京大学《声学基础》第一章的内容。 扬声器有效振动质量Mms以及有效辐射面积Sd 但是由于《声学基础》教材上是采用带自重的理想弹簧模型，将这个模型套用到扬声器上是否需要进行修正？ 于是我做了一个很有意思的尝试。能否采用仿真的方式来验证这个理论的推导是否正确？ 模型采用简化版扬声器音盆组，不带胶水和粘接面的模型，为简化计算 采用两种方式进行扬声器有效振动质量Mms的仿真计算 采用共振频率Fs反推 Fs=2*π*sqrt(1/(Mms*Cms)) 2.采用加速度a反推 F=Mms*a Fs 35.007 Hz Cone mass 11.565 g Surround mass 1.0643 g Displacement 1.73E-03 m Cms 0.00173 m/N Mms from Fs 11.9477017 g F 1 N a 84 m/s^2 Mms from a 11.9047619 g 通过简单计算可以得到： 通过共振频率Fs计算出来的折环重量参与因子 35.96% 通过加速度a计算出来的折环重量参与因子 31.92% 以上计算都接近1/3，即33.3% 结论：采用均匀均厚的复合边，其有效的可以类比弹簧的重量，参与有效振动的质量近似为其本身质量的1/3的理论推导，是可以用在实际工程应用中的。

本文首发于微信公众号「声学号角」 轴对称的磁路仿真可以通过Finemotor，SpeaD，Femm等专用的扬声器行业软件来完成。 如果要做非轴对称的磁路仿真，就需要采用通用的有限元仿真软件。目前用的比较多的是Ansoft Maxwell（属于Ansys公司），以及COMSOL Multiphysics。 Ansys本身也有一个静磁场求解模块，不过功能较弱，用的较少。 Ansoft Maxwell 3维模拟需要先切开剖面，定义好电流流入和流出的截面。可以通过通入1A电流，计算线圈受力来得到Bl值。 Mawell可以同时两种方式来计算线圈受力。一种是体积分得到的洛伦兹力，一种是有限元常用的虚功法。如果两种方法计算得到的力接近，基本上可以认为求解收敛。 对比2维计算，已增加铁盆架模型，使求解更加精确。 Comsol Multiphysics Comsol的大体操作思路和Ansoft Maxwell是一样的，也需要将音圈切开，定义好电流流入边界和流出边界。 不过comsol没法自动计算线圈受的洛伦兹力，需要自行定义一个曲线坐标。 第一基矢为电流流线，第二基矢为线圈轴向，第三基矢为线圈法向。

本文首发于微信公众号「声学号角」 一般的参考书籍中很少专门提到扬声器有效振动质量Mms以及有效辐射面积Sd的具体计算方法。 实际操作过程中，大部分工程师都是采用假设折环正中一半的振动质量参与有效振动以及正中的尺寸参与有效辐射。 对大口径的低音喇叭来说，这种方法得到的扬声器有效振动质量以及有效辐射面积，大部分情况下足够近似。 但对某些特殊情况，或者微型扬声器/高音/压缩高音等小口径/对这两个参数非常敏感的产品则这种粗略的方法偏差较大。 本文希望探讨这两个扬声器的TS关键参数的具体表达方式，以及如何预测计算和实际测量。 一、扬声器有效振动质量Mms 折环/支片等可以类比弹簧的部件参与有效振动的质量为其本身质量的1/3。前提：该部件为均匀均厚且各项同性的材质。 具体推导过程可以参看南京大学《声学基础》第一章的内容。 二、扬声器有效辐射面积Sd 精确测量/预测扬声器有效辐射面积Sd是非常关键的，尤其对于微型扬声器/高音/压缩高音。 在这其中，Klippel公司做了一些工作。可以采用Klippel的Scanner模块对Sd进行精确测量。另外还有一些近似预估的测量方法。 当然，知晓其原理后，也可以通过有限元进行仿真预测。 其原理就是将振膜整体运动移动的空气体积△V，除以其△x，即得到振膜的等效Sd。不同频率下的Sd是略有差异的。 当然实际运动过程不会这么简单。大信号状态下的有效辐射面积会发生变化；存在分割振动的模态时，有效辐射面积也会发生变化。 但对小信号状态下的Sd预估是足够精确的。

本文首发于微信公众号「声学号角」 这次图和动态图比较多，应该容易看得懂 一、结构模态 1.扬声器Fs 一般是第一阶模态 2.晃动模态 一般是第二阶和第三阶模态。对轴对称喇叭来说，模态频率接近，振型旋转90°。 容易擦圈 这个频率点一般不是位移最大的时候 如果是类似下面的方形或者跑道型振膜，一般长轴晃动是第二阶，短轴晃动是第三阶 3.中频谷 音盆边缘谐振 4.节圆分割振动 会对频响曲线噪声峰峰谷谷的影响 5.非轴对称分割振动 一般情况下对扬声器频率响应影响不大。如果用2维轴对称会损失全部轴对称模态，或者1/2,1/4模型会损失部分轴对称模态。最近还和一位同事探讨过这个问题。 6. 结构强度 可以定性半定量地判断盆架或外壳的结构强度 对结构弱的位置进行增加加强筋，加厚之类的操作 参看【扬声器系统设计与仿真】扬声器振动结构仿真分析 可以采用Klippel的Scanner模块或者Polytec激光测振仪来进行验证，或直接判断 二、声模态 倒相箱的准确Fb计算 2.箱内驻波 可以通过改变箱体内尺寸，调整扬声器安装位置等方法来避免箱内驻波对频响曲线的影响 3.考虑吸音棉的影响 可以通过改变添加吸音棉等方法来避免箱内驻波对频响曲线的影响 下图是一定条件下空箱和增加吸音棉对扬声器频响影响的差异。可以看到某些频段增加吸音棉可以减少箱内驻波对扬声器频响的影响。 参看 【扬声器系统设计与仿真】箱体内驻波以及复杂开口箱fb仿真 三、声固耦合模态 也可以称为湿模态。 高音，压缩高音，微型扬声器等等需要考虑空气的耦合对模态的影响 当然这个就比较复杂了。耦合求解通常都不是什么容易的事情

本文首发于微信公众号「声学号角」 一、前言 本文将探讨各种结构非线性分析，以及其在扬声器仿真上的应用。不包括流固耦合、热膨胀、热塑形、压电效应、磁致伸缩等涉及其他物理场的模型分析，仅仅讨论结构场。 题外话：推荐一下张福学编的《现代压电学》 http://item.jd.com/10986209.html 流固耦合对扬声器的影响可以参考【扬声器系统设计与仿真】封闭扬声器系统空气劲度非线性计算和【扬声器仿真高阶应用】闭箱扬声器橡胶边在运动中异常形变 结构非线性来源很广，对仿真来说存在收敛问题，相对比较复杂。下面一 一分析 二、各种结构非线性来源 几何非线性 如果某个结构出现了大变形, 其变化的几何外形会导致非线性行为。通常扬声器的Kms（x）变化就是由此引发。 可以参考一款典型扬声器支撑系统的Kms(x)分析和【有限元】案例讲解结构非线性仿真不收敛解决技巧 材料非线性 通常的仿真都是把材料作为线弹性理想模型处理的。但实际材料存在非线性的应力－应变关系，比如扬声器上用的橡胶、施胶布等存在蠕变、粘弹性等，铝膜钛膜等金属的塑性。 可以参考扬声器Fs随激励信号变化和【有限元】金属塑性分析在扬声器上的应用 接触 当两接触体间互相接触或分离时会发生刚度的突然变化，此时也会出现非线性。常见的摩擦即属于此类。可以用在比如音箱卡扣连接上。 动态图不太清晰，可以点下面的视频播放 冲击 冲击属于高度非线性。常见应用在手机行业跌落失效分析，汽车行业碰撞失效分析，和军工行业子弹穿甲效果分析等。对于扬声器来说，可以对应用在音箱、扬声器单裸跌，带包装跌落试验的仿真上。需要采用显式动力学算法。 a. Solidworks。自带一个简单的跌落仿真模块，计算非常快。据说是偏门算法，结果不可信。 b. Comsol。 无显式算法，用瞬态的隐式算法，结果不可信。 c. Ansys。自带AutoDYN，也购买了LS-DYNA的求解器。求解时间较长。之前做一款扬声器单元带音箱前面板跌落仿真，在配置还不错的工作站上计算了将近24个小时。因为分析时间步要很非常小，比如10^(-8)s之类的。这是显式动力学算法特性决定的。 d.ABAQUS。说起结构非线性分析，不得不提ABAQUS。 显式分析和隐式分析可以无缝衔接，相互传递数据。 爆炸 仿真的方法有多种，包括无网格法。 裂纹 涉及断裂有限元。 单元生死 切削，材料CNC加工，焊接等。用Ansys和ABAQUS做的比较多。 三、感慨 越往深处学，想的越多，越能感觉到自己的无知。 独学而无友，则孤陋而寡闻。开通这个公众号，分享自己琢磨的一些东西，为的也是能和各位交流，拓展视野不至于坐井观天。 人生天地之间，若白驹过隙，忽然而已。

本文首发于微信公众号「声学号角」 一、前言 结构优化是仿真驱动设计理念的一个发展方向。 从力学原理出发，借助优化方法，通过优选材料分布方式、结构构型、构件尺寸等途径，帮助设计人员从众多可能设计中获得最优的结构形式。 二、各种结构优化方法 **经验优化：**根据以往经验，参考现有产品进行设计，实验或仿真对比不同方案。 尺寸优化：根据给定的设计目标和约束，确定结构参数的具体值的优化设计方法。可以把尺寸定义为变量，进行参数化扫描，看哪种尺寸得到的结果最符合要求。 形状优化：根据给定的性能指标和约束条件，确定产品结构的边界形状或者内部几何形状的设计方法。可用于扬声器音盆母线设计优化。 拓扑优化：根据给定的设计目标和约束，进行最优材料分布的优化设计方法。即本次采用的用来优化扬声器盆架的方法。 三、扬声器盆架优化实例 下面拿一个实际的扬声器盆架案例来说明，采用ansys做的。Comsol也能完成类似的优化，不过为了优化算法的通用性，参数设定会略繁琐。 为简化计算，取盆架未开窗的1/4模型 网格需要尽可能密，尽可能规整 下图是优化50%的计算结果。红色部分是建议去掉挖空的部分。 最终的样子 优化35% 优化20% 优化后的结果图导出的方法，具体操作步骤可以自行网上搜索。 可以据此进行扬声器盆架设计的优化。在保证足够的透气前提下，能尽可能的保证其强度最高。 需要注意的是具体的优化形状和盆架本身尺寸和材料相关，并非通用模型。 利用拓扑优化的盆架的结构应该能对盆架设计的形状有参考指导和启发意义，而不拘泥局限于常规的结构。

本文首发于微信公众号「声学号角」 众所周知，扬声器Fs随会激励信号变化。 比如用0.1V，0.2V，0.3V，0.5V，0.8V，1V，2V等不同电压对扬声器进行扫频时，得到的Fs是会产生变化的，并不恒定。 按照通常的经验来说，低音扬声器或者全频扬声器的Fs随电压变大而降低，高音扬声器Fs随电压变大而升高。当然这个只是一般情况。 下图是Klippel公司做的一项研究，是一款产品的位移响应曲线随激励信号变化。位移响应的峰值频率随激励信号变大而降低，而后再变大。 这个研究严格来说有个问题，就是位移响应的峰值频率并不等于共振频率f0，速度响应才是。不过如果整体阻尼很小的情况，即Q值比较大的时候，这两个值是非常接近的。感兴趣的朋友可以自行研究。 如果把材料，尤其是边和支片的材料都当成线弹性模型，理论上来说Fs不会发生变化，而这不符合实际情况。所以需要考虑粘弹性模型。大信号时还需要考虑Kms随几何形状的变化，比如上图中峰值频率转而变大的情况。 Klippel的小信号测试也考虑了蠕变模型的校准。 粘弹性的模型有很多。关于扬声器材料的粘弹性建模以及材料参数的测试，这块的工作有单位（尤其是高校或研究所）有投入精力在做。 基于目前情况，个人看法是测试扬声器Fs时，电压应该在保证精确度的前提下，尽可能小。尽可能让扬声器工作在小信号区域范围。当然实际工程应用中，最好对同类产品确定好统一的标准，方便生产线操作。

本文首发于微信公众号「声学号角」 扬声器音盆的形状和材料对频响曲线会造成非常大的影响。如果全靠实际开模来验证，需要大量模具费，且调整周期较长。经过校准的扬声器仿真模型，频响曲线的峰谷还是可以做到比较准确的，可以指导设计。 下图是一款消费类低音扬声器频响曲线。采用不同纸锥形状，仿真对比其对频响曲线的影响。 峰谷位置的吻合程度还是不错的。经过综合考虑，最终选择了绿色这款。 下面是一款中低音扬声器的不同材料频响曲线的仿真对比。蓝色是铝盆，绿色是凯夫拉盆。 铝盆杨氏模量更高，所以高频延展会更好；同时铝盆材料的密度更重，所以灵敏度会低约3dB左右。具体的选择可以综合考虑高频延展，灵敏度，价格，外形等等。最终选择了铝盆。 经过一些产品的仿真积累，结合实际的调整经验，对扬声器的前期设计开发有较好的指导作用。