仿真助力扬声器开发的 6 个示例

扬声器通常被内置在条形音箱、电视、耳机和助听器等各种类型的产品中。设计开发新型的改进的扬声器——不影响原来的音质，甚至改善音质——需要对其进行测试。仿真软件可帮助研发团队进行设计和测试，并且比单独进行原型设计成本更低、速度更快，对于这种强耦合的问题，需要多物理场仿真才能准确表述真实的世界。下面，我们介绍使用多物理场仿真开发扬声器的 6 个产品领域。

1. 家庭娱乐系统

带沉浸式音频的电视机

2014 年，杜比实验室将杜比全景声扬声器 (Dolby Atmos^®enabled speaker，DAES)技术推向市场。最初，这些产品只被应用在家庭影院系统和条形音箱中，后来，他们又想将 DAES 直接用在电视机中。于是，他们计划设计一款能够装入薄型电视机的 DAES 扬声器，同时仍为消费者提供“最佳听音点”覆盖。

配置了杜比全景声 (Dolby Atmos®) 扬声器电视机的房间内的声压级 (SPL) 图。图片由杜比实验室提供。

在设计过程中，杜比的仿真工程师使用了有限元-边界元（FEM-BEM）联用的方法来优化扬声器声学反射器的拓扑结构（FEM），并分析了它的定向响应(BEM)。基于仿真结果，他们构建了物理原型，然后使用近场扫描仪进行了测试。经过验证，杜比团队确定集成声学反射器确实可以显著改善用于薄型电视机的 DAES 技术。

有关该仿真设计的详细内容，您可以阅读这篇用户故事：为家庭娱乐系统开发支持 Dolby Atmos^®的超薄扬声器技术。

条形音箱

三星美国研究中心在加利福尼亚州设有专门的音频实验室，他们设计、开发和测试音频产品。为了优化电视和条形音箱扬声器设计，该团队需要解决三个主要问题：

1. 频率响应
2. 声分布
3. 非线性

带家庭娱乐系统的客厅扬声器的辐射模式或空间响应图。图片由三星美国研究院提供。

三星团队选择使用仿真来研究扬声器中的各个组件，例如波导、外壳和换能器，以及完整的扬声器设备。然后，他们基于仿真结果开发了扬声器的物理原型，并在消声室中对其进行了测试以验证结果。为了进一步简化开发过程，三星团队使用 COMSOL 软件构建了仿真 App，并将他们分发给他们的换能器设计师。

您可以通过下面链接阅读完整的用户故事（并观看相关视频）：三星采用仿真技术改善扬声器设计。

2. 耳机

虚拟现实游戏

Valve Corporation 是视频游戏技术开发的行业领先者，他们委托 Tectonic Audio Labs 帮助开发虚拟现实 (VR) 耳机，为其终端用户提供真实的体验感。为此，Tectonic 团队设计了一款基于平衡模式辐射器 (BMR) 技术的最先进的扬声器。

与传统扬声器不同，BMR 扬声器在扬声器振膜中包含了弯曲波，而不是避开它们。它们还可以处理高频，这是理想的均匀的声音传播。

BMR 扬声器的全耦合模型。图片由 Tectonic Audio Labs 提供。

通过对 BMR 扬声器内部发生的电磁、机械和声学现象进行多物理场仿真，Tectonic 团队能够优化其模型弯曲行为、音圈和悬架几何形状。BMR 扬声器随后被安装到 VR 耳机中并推向市场，现在它已经成为 VR 游戏的领先产品。

想要了解有关该仿真设计的详细内容，可以阅读全文：为虚拟现实游戏设计沉浸式音频的黄金标准。

静电学

Warwick Audio Technologies (WAT) 和 COMSOL 认证顾问 Xi Engineering 设计开发了一种用于耳机的静电换能器。静电换能器能够提供更高的清晰度、更少的失真和更宽的带宽——这些有益的特性传统上只有高端耳机才有。

WAT 和 Xi 团队选择声学仿真来研究其静电换能器组件的个别材料和设计参数，并利用他们的模型构建了仿真 App，以研究参数变化如何影响他们的设计。最终，他们开发出了一款高精度静电层压板 (HPEL) 换能器，这是一项基于超薄振膜和单个导电板（而不是一对）的专利技术，非常适合静电耳机。

WAT和Xi团队设计的HPEL换能器。图片由Warwick Audio Technologies提供。

这篇用户故事收录在COMSOL News2017 ，欢迎阅读全文：演绎最动听的旋律：当新型换能器遇见静电耳机。

3. 助听器

Knowles Corporation 是助听器换能器的领先供应商。他们一直在努力解决的一个问题是助听器声反馈现象——当本应向耳道内传递的声音或振动被助听器的麦克风接收后，经放大器回传，便会产生不必要的振荡。为了优化他们的设计并加快他们的原型制作过程，Knowles 团队开发了助听器换能器的振动声学模型，可以完整的描述助听器的声学、机械和电磁行为。然后，他们通过物理测试验证了他们的模型，并与助听器行业的其他公司分享了他们的发现。

“到目前为止，验证和优化助听器设计既是科学又是艺术。很高兴我们将看到新的助听器设计将受益于这些模型。”

– Brenno Varanda，Knowles Corp 的高级电声工程师

有关这个设计的详细报道，请阅读COMSOL News2017：站在助听器研究领域的前沿。

4. 汽车

哈曼国际（HARMAN International）是三星电子有限公司的子公司，专门为豪华汽车开发音频系统。这些车通常安装了信息娱乐系统，可为最终用户提供个性化的聆听体验。为了确保这些系统尽可能输出最佳音频，HARMAN 团队在设计过程的早期就使用了仿真来考虑不同的组件、声学和独特的汽车配置。例如车门的刚度如何影响汽车的声学效果，以及车厢内的声压级 (SPL) 如何随扬声器放置而变化。

增强的汽车环境后座中的声场。图片由哈曼国际提供。

此外，哈曼团队开发并管理了一个经过验证的仿真 App 库，以使整个公司的工程师可以使用这些 App 轻松预测许多不同汽车配置和聆听条件下的扬声器性能。

阅读全文：仿真 App 助力汽车音频系统设计。

5. 便携式音箱

Sonos 公司为消费者设计便携式扬声器。对这些扬声器的一项重要要求：需要它们能够“开箱即用”。Sonos 团队借助仿真来解释其扬声器设计中的三个主要因素：

1. 疲劳
2. 环境条件
3. 用户处理

通过仿真，他们能够确保他们的扬声器足够耐用，能够承受一定的压力。

点击下方链接，阅读完整故事并观看主题演讲视频：使用仿真开发可靠的音频转换器。

6. 一般制造

B&C Speakers 是一家扬声器驱动器设计制造商。他们通过使用多物理场仿真，能够分析这些设备设计中固有的电磁学、力学、声学和热力学。B&C Speakers 扬声器驱动器还被用于各种不同的音频产品制造过程中。

欢迎观看主题演讲视频：多物理场仿真分析扬声器驱动器。

轮到你了！

COMSOL 案例库中包含了 20 多个教学模型，其中包含扬声器和扬声器组件。您可以选择并跟随其中一个教程尝试在 COMSOL Multiphysics^®软件中模拟自己的扬声器。案例库中的所有文件都是开放权限的，欢迎浏览！

祝你建模愉快！

Dolby Atmos 是 Dolby Laboratories Licensing Corporation 的注册商标。