个人笔记本电脑中会传出音乐；智能手表会发出响亮的”叮叮……”声提醒用户收到新信息；手机会发出“哔哔哔……”的警报声呼叫主人。无论设备的大小如何，消费者都希望获得出色的音质。随着电子产品尺寸的不断减小，设计精巧的微型扬声器越来越重要。仿真软件可以帮助您设计出拥有最佳音质的最小化微型扬声器。
设计微型扬声器的挑战
借助平板电脑和智能手机，消费者可以随时随地收听和收听流媒体服务，音乐应用和播客。此外，截至 2019 年全球移动数据流量的 78％。人们总是希望获得最佳音质，即使他们的设备变得更小，更便携。经过精心计划和精心设计的微型扬声器，可带来出色的音质。
微型扬声器的小框架使其成为设计上的挑战。对于任何一个扬声器来说，要想发出如此高的声音都不容易，尤其是在这种尺寸的扬声器中。当面对过高的声压级（SPL）时，精致的振膜甚至会破裂，从而导致扬声器烧毁。除了将易碎的振膜考虑在内，声学工程师还需要创建一种设计，避免由于过大的电流导致音圈和振膜熔化。
借助仿真软件，工程师可以在整个设计开发周期中进行多次测试并改进微型扬声器设计，从而大大减少对实际样机制作的需求，节省了时间和金钱。与传统的实际样机设计和测试相比，这种虚拟循环设计的另一个优势是，可以使您更深入地了解影响微型扬声器性能的因素。我们可以在仿真模型的任一位置、任一频率测量任意的物理量，获得大量有价值的信息，而这些信息无法通过物理测试获得。
下面，我们使用 COMSOLMultiphysics® 软件和附加的声学模块，将Ole Wolff微型扬声器的特性与扬声器仿真进行了比较。
微型扬声器的电磁、力学、振动和热黏性分析
模型概述
OWS-1943-8CP 微型扬声器是 Ole Wolff 停产的一款微型扬声器，它由几个不同的部分组成，包括：
- 振膜
- 音圈
- 磁铁
- 极片
- 前板
- 后通风口
由于尺寸很小，微型扬声器的布局与传统扬声器有所不同。例如，振膜通常同时充当防尘帽和弹波。它们也非常小：此处模拟的微型扬声器的直径约为 19 毫米，高度约为 2.8 毫米，比美分硬币还小！
OWS-1943T-8CP微型扬声器，图示为扬声器带前板的俯视图和仰视图。该几何图形的版权由Ole Wolff Elektronik A / S所有。
微型扬声器的横截面示意图。
电磁分析
大多数微型扬声器使用永磁体在音圈周围产生磁场。由于法拉第定律，当音频信号作为交流电施加到音圈时，在音圈中会产生电磁力。这种交变力使振膜沿扬声器的轴线方向振动，产生压力波并传播到周围环境中，从而产生声音。由于微型扬声器对给定音频信号的响应将是微型扬声器的电磁、力学、振动和声学特性的组合，因此 COMSOL Multiphysics 多物理场仿真软件非常适合分析此类高度耦合的多物理场问题。
首先，分析电磁电路，因为该电磁电路会产生激发振动膜片的力。
扬声器驱动器的电磁分析。仿真结果显示了模型的磁通密度，饱和区域用红色表示。
通过电磁分析，我们可以深入了解扬声器的性能；例如，判断是否在极片处到磁饱和；识别由于电流流过音圈而产生的涡流；或确定音圈上的感应力如何随着音圈沿扬声器轴线的移动而变化（一个重要的参数为 BL（x）），这会影响当施加较大信号时，扬声器如何产生声音信号失真。
BL 参数与线圈位移的关系；BL（x）。
力学性能分析
理想情况下，当振膜移开或靠近磁体时，振膜的柔度（刚度的倒数）应保持恒定。当较大的声音信号施加到扬声器并且此位移变得足够大时，顺性（也称为 CMS（x））的变化或非线性会导致声音信号失真。为了对此进行评估，我们将利用 COMSOL Multiphysics 的非线性分析功能，来分析几何非线性将如何影响膜片的刚度。
为了测试模型的准确性，我们可以在物理测量结果与模型预测结果之间进行比较。这种比较通常被称为相关性，并且在不同阶段非常普遍地用于获得对模型有效性的置信度。由下图可以看到，音圈正位移时（膜片移离磁体），模型和测量值之间存在良好的匹配。
实测的 Ole Wolff 微型扬声器（蓝色）和 COMSOL Multiphysics 模型（绿色）。
振动声学分析
一旦知道了系统的电磁特性，就有可能在较小声信号激励下对微型扬声器进行振动声学分析。在此分析中，音圈上产生的电磁力与惯性力、振膜产生的机械力和空气产生的压力相抵。
结构和声学的耦合响应或声振响应，将改变流过音圈的电流在某特定位置转换成的 SPL。测试中可用的物理测量值中，可用于比较的最直接的测量值之一是扬声器的总阻抗。阻抗是音圈在施加电压时对电流的反作用的量度，并且与施加该电压的频率有很大的相关性。
实测的 Ole Wolff 微型扬声器阻抗（蓝色）和 COMSOL Multiphysics 模型（绿色）。
在上图中，您可以看到 950 Hz 处的主峰，模型的阻抗与实际微型扬声器的阻抗几乎完美匹配。该峰值称为共振频率，在该频率下扬声器越来越无法为给定的输入信号生成声音输出。共振频率也是扬声器的第一声振模式，它与膜片的刚度和音圈的总质量有关。在 7300 Hz 附近还有一个较小的峰值，这是由后腔和径向模式之间的相互作用引起的。对于该峰值，模型对阻尼的预测不足，显示出较窄的峰值。这是因为后腔中的热黏性损耗非常重要，这将在后面讨论。即使存在微小差异，仿真结果仍然与实际模型高度一致。
仿真模型的音圈和振膜在 1000 Hz 时起到活塞的作用（左），其振膜和音圈在 11,200 Hz 时扭曲（右）。
从振动声学分析中，我们还可以获得频率增加时振膜的变形或运动情况。在低频下，振膜会出现变形，其中振膜的中央大部分都以刚性活塞方式工作，从而推动空气来回运动。随着频率的增加，高阶模可能会被激发，使振膜的振动效果变差，从而降低微型扬声器发出的声音。这种现象称为振膜分割，它是设计隔膜形状和材料的主要驱动力之一。在上面的动画中，您可以在颜色图中看到两个频率下的振动位移。左图显示了该型号的振膜和音圈在 1000 Hz 时接近理想活塞的状态，而右图显示了在 11200 Hz 下的扭曲，振膜中心和音圈并不再如刚体般运作。
实际微型扬声器在39毫米处测得的SPL（蓝色），通过COMSOL Multiphysics仿真得到的结果（绿色）和包含热黏性分析的结果（红色）。
在微型扬声器前方 39 毫米处评估的 SPL 也是检查模型准确性的良好指标。这就是扬声器的响应。如上图所示，从低频到 5000 Hz，该模型显示了较好的吻合性。在 7300 Hz 附近的模拟和测量值之间的差异表明该模型对阻尼的预测不足，并且可能与热黏性损耗有关，此处并未考虑该损耗（绿色曲线）。
热黏性分析
有一项值得注意的是热黏效应，尤其是在设计微型扬声器时。由于声边界层中的热损耗和黏性损耗，声波在散布成小结构后变得更弱。
为了获得与实际微型扬声器的SPL更吻合的结果，可以使用 COMSOL Multiphysics 进行另一项研究，同时考虑后腔的热黏性声学特性。在上图（红色曲线）中，您可以看到 COMSOL Multiphysics 的模拟结果（包括热黏性分析）与实际微型扬声器的结果更加匹配。热黏性建模是评估小型电子设备中损耗的一种非常强大且可预测的方法，但是这种精度通常需要较长的计算时间。
带有模型的 Ole Wolff 微型扬声器。
在本篇博客文章中，我们以一个工业示例展示了一种分析模型的可行方法，以及如何从分析中得到有意义的结果，并推进设计过程。当使用复杂模型时，较好的做法是在复杂性不断增加的不同阶段与测量进行关联。基于扬声器的几何形状和一组相对简单的假设，使用 COMSOL Multiphysics 可以实现较高的相关性。通过相关性可以了解模型的哪些部分已达到较高的准确性，以及哪些部分可能需要更详细的建模方法。COMSOL Multiphysics 是一款成熟的仿真软件，可针对不同级别的复杂模型，分析其工业应用并做出准确的预测。
下一步
单击下面的按钮，您可以查看案例下载库的模型示例，尝试对该工业应用的微型扬声器模型进行建模，并分析多种重要的多物理场特性。请注意，您将需要一个 COMSOL Access 帐户和有效的软件许可证才能下载 MPH 文件。
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