為什么要優(yōu)化揚(yáng)聲器組件？

無(wú)論是用于家庭影院系統(tǒng)、健身房、家庭野餐還是音樂(lè)會(huì)場(chǎng)地，揚(yáng)聲器都要表現(xiàn)出最佳的性能。為了設(shè)計(jì)高性能揚(yáng)聲器，我們可以使用仿真優(yōu)化它的各種組件。例如，我們可以使用 COMSOL Multiphysics 軟件對(duì)高音罩和波導(dǎo)、磁路和彈波（也叫定位支片）進(jìn)行形狀或拓?fù)鋬?yōu)化。

下面，我們來(lái)查看關(guān)于這些組件優(yōu)化的三個(gè)例子……

1.優(yōu)化高頻揚(yáng)聲器

高頻揚(yáng)聲器是一種小型、輕便的喇叭驅(qū)動(dòng)器，目的是產(chǎn)生高頻聲（約 2kHz 至約 20kHz）。在英文中，非常貼切地將它命名為小鳥(niǎo)、發(fā)出的鳴叫聲 “tweet tweet”。

理想的高頻揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器能得到平坦的靈敏度曲線，無(wú)論聽(tīng)眾的位置如何，聲音都是一樣的（它具有全向輻射特性）。然而，所有揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中都會(huì)遇到聲盆分裂和波束效應(yīng)，這將對(duì)高頻揚(yáng)聲器的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。物理定律只是對(duì)高頻揚(yáng)聲器的理想程度設(shè)定了一個(gè)極限。最佳高頻揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)將具有平坦的頻率響應(yīng)和盡可能多的空間覆蓋范圍。

通過(guò)使用形狀優(yōu)化改變高音揚(yáng)聲器組件的形狀，您可以提高高頻揚(yáng)聲器的整體性能。使用 COMSOL Multiphysics 提供的高音罩和波導(dǎo)管形狀優(yōu)化教程模型，您可以學(xué)習(xí)如何對(duì)高音罩和波導(dǎo)管進(jìn)行形狀優(yōu)化，以得到其最優(yōu)的空間和頻率響應(yīng)。這些優(yōu)化需要在一定頻率以及空間范圍內(nèi)進(jìn)行。該教程顯示了設(shè)置此問(wèn)題的步驟。

高頻揚(yáng)聲器的主要部件。

這個(gè)揚(yáng)聲器模型的主要組成部分包括：

波導(dǎo)

球頂

多孔吸聲體

音圈

懸架

音圈骨架

懸架、球頂和音圈都是用 COMSOL 中的 固體力學(xué) 和殼 接口模擬的。Thiele–Small模擬電路用于包含驅(qū)動(dòng)器的電磁特性。高頻揚(yáng)聲器通常含有一個(gè)泡沫件，在設(shè)計(jì)中用來(lái)避免激發(fā)不同的動(dòng)態(tài)效應(yīng)（如共振和圓頂柔性模式），因此該模型中添加了一個(gè)這樣的泡沫件。此外，模型中還添加了結(jié)構(gòu)阻尼。

結(jié)果

在該模型中，通過(guò)與初始高頻揚(yáng)聲器形狀的性能進(jìn)行比較，分析了優(yōu)化后高頻揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)的性能。下面，您可以查看兩個(gè)高頻揚(yáng)聲器軸上1m處的聲壓級(jí)（SPL）。平坦的目標(biāo)SPL由黑色的水平虛線表示。請(qǐng)注意，優(yōu)化的高頻揚(yáng)聲器在5 kHz至20 kHz的期望頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生幾乎平坦的響應(yīng)。此外，每個(gè)設(shè)置都顯示了兩組曲線。這兩組曲線展示了使用兩種不同的方法計(jì)算模型中的遠(yuǎn)場(chǎng)響應(yīng)。

1m 處的軸上 SPL

接下來(lái)，我們可以比較在 20kHz 的最大頻率下工作時(shí)優(yōu)化的和初始的高頻揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)。由此，我們可以看到 SPL 分布和兩個(gè)高音罩、音圈骨架和懸架的結(jié)構(gòu)變形。如下圖所示，高亮部分結(jié)果表明與優(yōu)化設(shè)計(jì)相比，初始設(shè)計(jì)在球頂和音圈骨架會(huì)發(fā)生更大的變形（也稱(chēng)為聲盆分裂）。

在圖中，可以看到在最高頻率下初始高頻揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)（左）和優(yōu)化高頻揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)（右）的變形。

最后，我們還可以研究?jī)煞N設(shè)計(jì)的方向性，如下圖所示。方向性圖在一個(gè)圖中突出顯示了頻率和空間響應(yīng)。方向性?xún)?yōu)化的區(qū)域用灰色框標(biāo)記。從圖中可以看出，響應(yīng)在頻率上是平坦的，同時(shí)具有從大約 -10° 到 +10° 的均勻空間覆蓋。

初始設(shè)計(jì)（左）和優(yōu)化設(shè)計(jì)（右）的方向性圖。這里，各種顏色代表與目標(biāo) SPL 的偏差。黑線代表 +-3dB 和 +-6dB 的限值。

總的來(lái)說(shuō)，這個(gè)教程強(qiáng)調(diào)了一種使用形狀優(yōu)化來(lái)優(yōu)化高頻揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)性能的方法。想嘗試一下自己設(shè)計(jì)嗎？從 COMSOL 案例庫(kù)下載模型文檔和MPH文件，詳細(xì)了解如何建立高音罩和波導(dǎo)形狀優(yōu)化模型。

2.揚(yáng)聲器磁路的優(yōu)化

揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器中包含磁路，將磁通量集中到氣隙中。在氣隙內(nèi)，線圈垂直于磁力線放置，并連接到揚(yáng)聲器的音圈骨架和球頂。當(dāng)交流電通過(guò)線圈時(shí)，電磁力引起線圈運(yùn)動(dòng)。正如預(yù)期的那樣，揚(yáng)聲器薄膜會(huì)接收這種運(yùn)動(dòng)，與周?chē)目諝庀嗷プ饔茫⒃诖诉^(guò)程中產(chǎn)生聲波。

設(shè)計(jì)良好的磁路通常由鐵磁極片和頂板組成，它們能夠：

使集中在線圈上的磁通量最大

在整個(gè)線圈上提供均勻的磁場(chǎng)

磁路的性能也通常由BL參數(shù)（力因子）來(lái)表征。在磁路中，BL是氣隙中磁通量與線圈長(zhǎng)度的乘積。高性能磁路具有大的 BL 參數(shù)，但也希望BL參數(shù)對(duì)于不同的音圈位置x是恒定的。這就是為什么該參數(shù)通常被表示為 BL（x）。平坦的 BL（x） 曲線通常會(huì)導(dǎo)致較小的失真，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致?lián)P聲器系統(tǒng)的該部分的線性度。這里，使用拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)優(yōu)化磁路。

磁路仿真

使用磁路拓?fù)鋬?yōu)化教程模型，可以對(duì)磁路組件執(zhí)行兩種不同的拓?fù)鋬?yōu)化研究。第一個(gè)優(yōu)化研究是為了得到輕質(zhì)的磁路設(shè)計(jì)，該磁路設(shè)計(jì)在氣隙中具有強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，并且在靜止位置具有最大的BL系數(shù)。第二個(gè)優(yōu)化研究的目的是產(chǎn)生具有平坦BL（x）曲線的磁路。第一種設(shè)計(jì)非常適合高頻工作的揚(yáng)聲器（如高頻揚(yáng)聲器），而第二種設(shè)計(jì)非常適合低頻工作的揚(yáng)聲器（如低頻揚(yáng)聲器）。

0:10揚(yáng)聲器磁路的優(yōu)化幾何形狀，可得到平坦的 BL（x） 曲線（左）。特寫(xiě)動(dòng)畫(huà)，展示了優(yōu)化磁路形狀的步驟（右）。請(qǐng)注意，使用拓?fù)鋬?yōu)化 ，該算法可以在灰色區(qū)域自由添加或移除鐵和空氣。

這兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)都與傳統(tǒng)磁路設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較，證明了性能的提高。優(yōu)化的設(shè)計(jì)還能減少鐵的用量。

此外，還創(chuàng)建了一個(gè)驗(yàn)證模型來(lái)驗(yàn)證在磁路的第二種優(yōu)化研究中生成的設(shè)計(jì)。

結(jié)果

在下圖中，我們可以查看兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)中的磁通量密度模值（頂行）和輸出材料體積因子（底行）。請(qǐng)注意，左欄中的圖像表示第一種拓?fù)鋬?yōu)化研究（高BL靜態(tài)設(shè)計(jì)）的磁路設(shè)計(jì)結(jié)果，右欄中的圖像表示第二種優(yōu)化研究（平坦 BL（x） 設(shè)計(jì)）的設(shè)計(jì)結(jié)果。

正如預(yù)期的那樣，兩個(gè)結(jié)果都表明優(yōu)化的磁路由兩個(gè)獨(dú)立的部分組成：

連接到磁體底部的中心部件（極片或磁軛）

連接到磁體頂部（頂板）的分離部分

在下圖中，我們可以看到所有不同磁路模型的 BL（x） 曲線。

在這個(gè)圖中，我們可以看到靜止位置時(shí) BL 系數(shù)最大的磁路（深藍(lán)色）、BL 曲線平坦的磁路（綠色）、驗(yàn)證模型（紅色）和傳統(tǒng)磁路（淺藍(lán)色）的BL（x）曲線。注：傳統(tǒng)磁路設(shè)計(jì)的BL（x）曲線結(jié)果基于是揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器模型。

注意，這里顯示的結(jié)果只是案例教程的一部分。使用 COMSOL Multiphysics，設(shè)計(jì)工程師可以設(shè)置自己的優(yōu)化問(wèn)題，考慮各種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；例如，固定裝置的位置、特殊的幾何限制或系統(tǒng)的總重量。優(yōu)化問(wèn)題的結(jié)果通常會(huì)激發(fā)和產(chǎn)生創(chuàng)新的想法，然后可以進(jìn)一步完善。我們可以查看 COMSOL 案例庫(kù)中的磁路的拓?fù)鋬?yōu)化模型，獲取如何執(zhí)行這兩項(xiàng)拓?fù)鋬?yōu)化研究的詳細(xì)說(shuō)明，并查看其他結(jié)果。

3.增強(qiáng)揚(yáng)聲器的懸架系統(tǒng)

在揚(yáng)聲器中，懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于固定聲盆和防塵罩，并穩(wěn)定音圈。在大多數(shù)揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)中，懸架系統(tǒng)由懸邊和彈波組成。下面，我們可以查看懸架系統(tǒng)以及普通揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)中的其他主要組件。

含懸架系統(tǒng)的典型揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)。

當(dāng)工作在不同的頻率時(shí)，揚(yáng)聲器的音圈會(huì)上下移動(dòng)。在高頻時(shí)，位移相對(duì)較小，但在低頻時(shí)，位移明顯。當(dāng)音圈的位移很大時(shí)，順性 CMS（x） 沿線圈路徑變化。彈簧會(huì)因越來(lái)越大的變形而變硬。這種變化，或稱(chēng)為非線性，會(huì)導(dǎo)致?lián)P聲器設(shè)計(jì)中的失真效應(yīng)。第二個(gè)例子中，在拓?fù)鋬?yōu)化示例中處理了驅(qū)動(dòng)力因子 BL（x） 的非線性。

在這里，可以看到音圈在高頻（左）和低頻（右）激勵(lì)下的位移。當(dāng)以高頻激勵(lì)時(shí)，音圈的位移很?。ㄔ谄教箙^(qū)域工作），但是當(dāng)以低頻激勵(lì)時(shí)，線圈的位移很大。注意：在兩幅圖像中，頻率用紅色曲線表示，音圈用藍(lán)色曲線表示。

無(wú)論音圈的運(yùn)動(dòng)范圍如何，都可以創(chuàng)建線性運(yùn)動(dòng)的揚(yáng)聲器懸架系統(tǒng)。怎么做呢？通過(guò)改變定位支片的形狀。

定位支片的設(shè)計(jì)優(yōu)化

揚(yáng)聲器懸架系統(tǒng)中的定位支片是一個(gè)薄膜狀的機(jī)械部件。它們通常由織物制成，呈之字形。你可能已經(jīng)猜到了，它是以與它相似的八條腿的蜘蛛命名的。

使用揚(yáng)聲器定位支片優(yōu)化教程模型，我們可以學(xué)習(xí)如何通過(guò)形狀優(yōu)化輕松更改支片的形狀。

該模型包括兩項(xiàng)研究：

傳統(tǒng)定位支片的性能（用于比較）

形狀優(yōu)化以及優(yōu)化后支片的性能

傳統(tǒng)定位支片設(shè)計(jì)（左）和形狀優(yōu)化后的定位支片（右）。

結(jié)果

仿真結(jié)果顯示了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)（藍(lán)點(diǎn)）、優(yōu)化設(shè)計(jì)（綠點(diǎn)）和理想化設(shè)計(jì)（灰線）的力與位移（左）和順性曲線（右）。在這兩種情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)與理想化設(shè)計(jì)非常接近。

在這個(gè)模型中，目標(biāo)是得到一個(gè)平坦的順性曲線。然而，通常希望具有一定程度的非線性，使得彈簧在大變形時(shí)變得堅(jiān)硬，但是卻可以確保 CMS（x） 曲線對(duì)稱(chēng)。開(kāi)發(fā)工程師在運(yùn)行他們的優(yōu)化模型時(shí)可以自由設(shè)置此類(lèi)和其他目標(biāo)。想了解更多關(guān)于這個(gè)模型的信息嗎？查看揚(yáng)聲器定位支片優(yōu)化模型教程，嘗試自己動(dòng)手模擬。