你还记得你参加的第一场演唱会吗？一想起我的第一次经历，仿佛又回到了 2007 年 12 月 30 日。当时，我坐在一个拥挤的中型剧院里，手里拿着海报，房间里回荡着倒计时声：5、4、3、2、1!然后，美国创作型歌手 Fergie 走了出来。我将永远记住这一天，这让我对未来几年的现场音乐充满了期待。放置在剧院周围的扬声器让我欣赏了一场完美的音乐会，即使我的座位在会场的后面。
为什么要优化扬声器组件？
无论是用于家庭影院系统、健身房、家庭野餐还是音乐会场地，扬声器都要表现出最佳的性能。为了设计高性能扬声器，我们可以使用仿真优化它的各种组件。例如，我们可以使用 COMSOL Multiphysics 软件对高音罩和波导、磁路和弹波（也叫定位支片）进行形状或拓扑优化。
下面，我们来查看关于这些组件优化的三个例子……
1.优化高频扬声器
高频扬声器是一种小型、轻便的喇叭驱动器，目的是产生高频声(约 2kHz 至约 20kHz)。在英文中，非常贴切地将它命名为小鸟、发出的鸣叫声 “tweet tweet”。
理想的高频扬声器驱动器能得到平坦的灵敏度曲线，无论听众的位置如何，声音都是一样的(它具有全向辐射特性)。然而，所有扬声器驱动器设计中都会遇到声盆分裂和波束效应，这将对高频扬声器的质量产生负面影响。物理定律只是对高频扬声器的理想程度设定了一个极限。最佳高频扬声器设计将具有平坦的频率响应和尽可能多的空间覆盖范围。
通过使用形状优化改变高音扬声器组件的形状，您可以提高高频扬声器的整体性能。使用 COMSOL Multiphysics 提供的高音罩和波导管形状优化教程模型，您可以学习如何对高音罩和波导管进行形状优化，以得到其最优的空间和频率响应。这些优化需要在一定频率以及空间范围内进行。该教程显示了设置此问题的步骤。
高频扬声器的主要部件。
这个扬声器模型的主要组成部分包括:
- 波导
- 球顶
- 多孔吸声体
- 音圈
- 悬架
- 音圈骨架
悬架、球顶和音圈都是用 COMSOL 中的固体力学和壳接口模拟的。Thiele–Small模拟电路用于包含驱动器的电磁特性。高频扬声器通常含有一个泡沫件，在设计中用来避免激发不同的动态效应(如共振和圆顶柔性模式)，因此该模型中添加了一个这样的泡沫件。此外，模型中还添加了结构阻尼。
结果
在该模型中，通过与初始高频扬声器形状的性能进行比较，分析了优化后高频扬声器设计的性能。下面，您可以查看两个高频扬声器轴上1m处的声压级(SPL)。平坦的目标SPL由黑色的水平虚线表示。请注意，优化的高频扬声器在5 kHz至20 kHz的期望频率范围内产生几乎平坦的响应。此外，每个设置都显示了两组曲线。这两组曲线展示了使用两种不同的方法计算模型中的远场响应。
1m 处的轴上 SPL
接下来，我们可以比较在 20kHz 的最大频率下工作时优化的和初始的高频扬声器设计。由此，我们可以看到 SPL 分布和两个高音罩、音圈骨架和悬架的结构变形。如下图所示，高亮部分结果表明与优化设计相比，初始设计在球顶和音圈骨架会发生更大的变形(也称为声盆分裂)。
在图中，可以看到在最高频率下初始高频扬声器设计(左)和优化高频扬声器设计(右)的变形。
最后，我们还可以研究两种设计的方向性，如下图所示。方向性图在一个图中突出显示了频率和空间响应。方向性优化的区域用灰色框标记。从图中可以看出，响应在频率上是平坦的，同时具有从大约 -10° 到 +10° 的均匀空间覆盖。
初始设计(左)和优化设计(右)的方向性图。这里，各种颜色代表与目标 SPL 的偏差。黑线代表 +-3dB 和 +-6dB 的限值。
总的来说，这个教程强调了一种使用形状优化来优化高频扬声器设计性能的方法。想尝试一下自己设计吗？从 COMSOL 案例库下载模型文档和MPH文件，详细了解如何建立高音罩和波导形状优化模型。
2.扬声器磁路的优化
扬声器驱动器中包含磁路，将磁通量集中到气隙中。在气隙内，线圈垂直于磁力线放置，并连接到扬声器的音圈骨架和球顶。当交流电通过线圈时，电磁力引起线圈运动。正如预期的那样，扬声器薄膜会接收这种运动，与周围的空气相互作用，并在此过程中产生声波。
设计良好的磁路通常由铁磁极片和顶板组成，它们能够:
- 使集中在线圈上的磁通量最大
- 在整个线圈上提供均匀的磁场
磁路的性能也通常由BL参数(力因子)来表征。在磁路中，BL是气隙中磁通量与线圈长度的乘积。高性能磁路具有大的 BL 参数，但也希望BL参数对于不同的音圈位置x是恒定的。这就是为什么该参数通常被表示为 BL(x)。平坦的 BL(x) 曲线通常会导致较小的失真，因为它会导致扬声器系统的该部分的线性度。这里，使用拓扑优化来优化磁路。
磁路仿真
使用磁路拓扑优化教程模型，可以对磁路组件执行两种不同的拓扑优化研究。第一个优化研究是为了得到轻质的磁路设计，该磁路设计在气隙中具有强磁场强度，并且在静止位置具有最大的BL系数。第二个优化研究的目的是产生具有平坦BL(x)曲线的磁路。第一种设计非常适合高频工作的扬声器(如高频扬声器)，而第二种设计非常适合低频工作的扬声器(如低频扬声器)。
扬声器磁路的优化几何形状，可得到平坦的 BL(x) 曲线(左)。特写动画，展示了优化磁路形状的步骤(右)。请注意，使用拓扑优化，该算法可以在灰色区域自由添加或移除铁和空气。
这两种优化设计都与传统磁路设计进行了比较，证明了性能的提高。优化的设计还能减少铁的用量。
此外，还创建了一个验证模型来验证在磁路的第二种优化研究中生成的设计。
结果
在下图中，我们可以查看两种优化设计中的磁通量密度模值(顶行)和输出材料体积因子(底行)。请注意，左栏中的图像表示第一种拓扑优化研究(高BL静态设计)的磁路设计结果，右栏中的图像表示第二种优化研究(平坦 BL(x) 设计)的设计结果。
正如预期的那样，两个结果都表明优化的磁路由两个独立的部分组成:
- 连接到磁体底部的中心部件(极片或磁轭)
- 连接到磁体顶部(顶板)的分离部分
在下图中，我们可以看到所有不同磁路模型的 BL(x) 曲线。
在这个图中，我们可以看到静止位置时 BL 系数最大的磁路(深蓝色)、BL 曲线平坦的磁路(绿色)、验证模型(红色)和传统磁路(浅蓝色)的BL(x)曲线。注:传统磁路设计的BL(x)曲线结果基于是扬声器驱动器模型。
注意，这里显示的结果只是案例教程的一部分。使用 COMSOL Multiphysics，设计工程师可以设置自己的优化问题，考虑各种设计标准；例如，固定装置的位置、特殊的几何限制或系统的总重量。优化问题的结果通常会激发和产生创新的想法，然后可以进一步完善。我们可以查看 COMSOL 案例库中的磁路的拓扑优化模型，获取如何执行这两项拓扑优化研究的详细说明，并查看其他结果。
3.增强扬声器的悬架系统
在扬声器中，悬架系统设计用于固定声盆和防尘罩，并稳定音圈。在大多数扬声器设计中，悬架系统由悬边和弹波组成。下面，我们可以查看悬架系统以及普通扬声器设计中的其他主要组件。
含悬架系统的典型扬声器设计。
当工作在不同的频率时，扬声器的音圈会上下移动。在高频时，位移相对较小，但在低频时，位移明显。当音圈的位移很大时，顺性 CMS(x) 沿线圈路径变化。弹簧会因越来越大的变形而变硬。这种变化，或称为非线性，会导致扬声器设计中的失真效应。第二个例子中，在拓扑优化示例中处理了驱动力因子 BL(x) 的非线性。
在这里，可以看到音圈在高频(左)和低频(右)激励下的位移。当以高频激励时，音圈的位移很小(在平坦区域工作)，但是当以低频激励时，线圈的位移很大。注意:在两幅图像中，频率用红色曲线表示，音圈用蓝色曲线表示。
无论音圈的运动范围如何，都可以创建线性运动的扬声器悬架系统。怎么做呢？通过改变定位支片的形状。
定位支片的设计优化
扬声器悬架系统中的定位支片是一个薄膜状的机械部件。它们通常由织物制成，呈之字形。你可能已经猜到了，它是以与它相似的八条腿的蜘蛛命名的。
使用扬声器定位支片优化教程模型，我们可以学习如何通过形状优化轻松更改支片的形状。
该模型包括两项研究:
- 传统定位支片的性能(用于比较)
- 形状优化以及优化后支片的性能
传统定位支片设计(左)和形状优化后的定位支片(右)。
结果
仿真结果显示了传统设计(蓝点)、优化设计(绿点)和理想化设计(灰线)的力与位移(左)和顺性曲线(右)。在这两种情况下，优化设计与理想化设计非常接近。
在这个模型中，目标是得到一个平坦的顺性曲线。然而，通常希望具有一定程度的非线性，使得弹簧在大变形时变得坚硬，但是却可以确保 CMS(x) 曲线对称。开发工程师在运行他们的优化模型时可以自由设置此类和其他目标。想了解更多关于这个模型的信息吗？查看扬声器定位支片优化模型教程，尝试自己动手模拟。
后续步骤
了解有关优化模块的更多信息，使用该模块可以对你的设计进行形状、拓扑和参数优化研究，而不考虑物理场或应用领域:
拓展阅读
在COMSOL博客上阅读扬声器建模的其他示例:
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