看见声音：仿真揭示音箱设计对扬声器性能的影响
L-Acoustics 为竞技场和音乐厅定制音响系统。为了提高低音反射式扬声器的设计进程，他们使用 仿真技术模拟了音箱的箱体和通风口的设计对扬声器的声音输出和品质的影响。
作者 Alan Petrillo
2021 年 9 月
当观众融入到现场演出中，成为节目的一部分时，这样的现场活动是最令人难忘的。无论是交响乐、歌剧、足球比赛还是音乐节，当观众的情绪与演出融为一体时，他们将会拥有更强烈的体验。与观众建立联系是每位表演者的愿望，然而，仅凭一己之力，他们难以实现这一目标。
现场演出为我们带来精彩的视听体验，离不开幕后工作人员的努力付出，包括舞台工作和布景设计。我们的目光专注于舞台和布景，虽然有许多重要的设备我们未必能看得见，但我们确实可以听到它们的声音。
L-Acoustics 是 一家致力于为现场演出提供震撼视听效果的全球性公司。对于典型的音乐会常客或体育迷来说，尽管他们可能没有听过说 L-Acoustics，但在某些现场，他们或许已经听过 L-Acoustics 的声音。L-Acoustics 总部位于法国，已经为超过 80 个国家和地区的 10000 多个场所提供过音响系统，在全球排名前 20 位的音乐节中，半数以上都采用了他们的设备。
出色的性能源自对工艺的不懈追求。L-Acoustics 一直坚持产品的持续改进和优化，才能满足不同的演出需求。扬声器音箱的尺寸和形状会对音质产生很大的影响。为了确保观众能够完全沉浸在演出的氛围中，L-Acoustics 的工程师们通过仿真技术以说明箱体和通风口设计对声学输出和线性的影响。
正如现场表演者通过娴熟的演奏带给我们美妙的音乐，多物理场仿真让 L-Acoustics “看到”了低音反射式扬声器单元中塑造声音的力量。
L-Acoustics 的愿景：像激光一样的声音
您可能发现，从加利福尼亚的好莱坞露天剧场到日本的樱花园，许多历史悠久且知名度高的场所均应用了 L-Acoustics 的音响系统，而 L-Acoustics 至今成立还不到 40 年。1984 年，物理学家 Christian Heil 创立了 L-Acoustics 公司，并于 1992 年推出了 V-DOSC 线 源阵列技术，迅速成为专业扬声器系统的全球标准。线源阵列以一种极度聚焦和可控的方式（类似于用激光引导光的方式）投射声音。激光的能量与其精确性密不可分，扬声器也是如此。
“我们希望尽可能地开发一款线声源扬声器，”L-Acoustics 公司声学研究主管 Yoachim Horyn 介绍，“我们尝试消除任何比预期更高的频率或谐波发出的能量。无论增加多少输入功率，我们都希望只是提高音量而保持音质不变。” 然而，失真只是其中一个问题，在频率发射时，还可能会出现非线性的全局输出损耗。
除了扬声器驱动器自身的设计，箱 体设计也对其性能起着重要的作用。例如，低音反射式箱体设计了一个亥姆霍兹谐振器的通风口。通过将扬声器箱体 的内部空间与外部空气相连通，谐振器可以帮助回收向音箱内部发射的部分能 量，防止其流失。此设计虽然可以提高功率，但也可能会引入湍流，使扬声器的输出失真，并有可能导致高达数分贝的声 损耗。尽管存在这种风险，但谐振器所具 有的潜在优势仍使其成为 L-Acoustics 用于扩声的一个重要工具。
“我们的扬声器必须具有非常高的 输出声能，谐振器设计不当可能会因为 湍流而损失超过一半的输出，因此设计 有效的通风口非常重要。”Horyn 团队的声学工程师 Yves Pene 解释说。
通过木制箱体模型、黏土及注入 烟雾模拟测试音箱通风口的声损耗
“多年来，研发团队一直面临着通风口设计与试验的挑战。”Horyn 解释，“我们无法准确预测高排气量对音箱所造成的损失。”这意味着每一次对音箱或谐振器通风口的设计进行调整后，团队必须重新建立和测试木制音箱模型。有时，他们也会使用黏土快速改变通风口或内部通道的形状。这个过程非常耗 时，并且即使是一个完整的物理原型也无法提供他们需要的所有数据。
“测量声损耗和失真的过程很有趣，但你不一定能发现问题所在。”Horyn 说，“有时候，问题可能来自音箱或通风口中某个你没考虑到的位置。难以通过木制模型准确地找出问题所在。”L-Acoustics 团队想出了一个有趣的方法来解决这个问题。“我们过去的做法是将音箱的一些面板做成透明的，通过向扬声器内注入烟雾来观察湍流。”Horyn 说道。
虽然透明面板对模型测试很有帮助，但其制作过程仍然十分耗时。“在设计和构建模型时，从设计图纸到实际测试需要花费数周的时间，”Horyn 解释，“而且通常需要多次调整才能得到我们想要的设计。”
现在和未来项目的仿真
为了帮助 L-Acoustics 团队避免在木工制作上耗时过多，将精力主要放 回在声学工程的研究上，Yves Pene 将 光投向了多物理场仿真。他在 2020 年向国际音频工程协会发表的研究论文（参考文献 1）中提到，他的目标是对给定扬声器、音箱体积和端口设计的通风口系统中的非线性声损耗进行建模和 预测。仿真结合了扬声器驱动器运动和由此产生的流体运动的耦合效应，包括 湍流和相关现象。Pene 开发了这个模型以测试四种不同的扬声器通风口设计 （图 4）对给定扬声器和音箱的影响。
为了验证仿真结果，他们对一个带有可拆卸通风口的扬声器音箱进行了后 续试验测试。测试结果与仿真的预测结果非常吻合：预测的声损耗与现场实际 测量值的偏差不到 1 dB。“我们对结果非常满意。”Pene 说道。
Pene 的仿真项目成功地揭示了仅依靠原型设计无法洞察的一些细节。在 L-Acoustics 的研发工作流程中引入仿真，有望在未来获得更多的益处。正如该 团队在研究报告中所提及的，通过仿真，可以获得音箱模型和通风口设计在测试中更详细的速度值和涡量分布。由此可以了解模型的每个表面是如何产生湍流并影响整体音质的。这种深入细节的方法向团队展示了过去从没考虑过的失真来源。
例如，流体运动图显示，通风口在音 箱中的位置对整体气流流动产生了意想不到的重要影响。这一发现表明研究团队应该更加关注通风口的位置和形状。 团队借助仿真，明确了进一步研究和改进的新方向。
在使用仿真之前，L-Acoustics 工 程师通常需要等待数周才能看到每个物 理模型的测试结果，这说明他们需要耗 费大量的时间在模型设计上，但最终不 一定都能用得上。现在，正如 Horyn 所 解释的，“我们的研发团队每天都会通 过仿真对他们的构想进行验证测试，因 此在构建任何模型之前，我们可以高效 地对新的设计方案进行预测。然后建模以保证在首次测试时能够符合我们的构 想。”Pene 补充道。
L-Acoustics 利用仿真为更多的工程师赋能
仿真技术除了应用于该项目，Yves Pene 还将这项技术引入到低音反射式音箱的设计中，为团队带来了更广泛的 益处。声学研发团队的其中一项工作是确保他们开发的工具能够被有效地使 用，他们通过 COMSOL Multiphysics® 中的 App 开发器，从模型中建立专门的用户界面，这可以在 整个公司内广泛地推广使用。“我们越来越多地使用 App 开发器，”Horyn 说，“在这个项目 结束时，声学工程团队基于 Yves 的多物 理场模型建立了一个使用方便的仿真应 用程序。用户只需定义他们项目所需的 特定参数即可，因为其他的数值已经在仿 真应用程序中设置好了”。
通过部署产品 COMSOL Server ™ 可以将该仿真应用程序发送到其他团队成员，用户可以自行访问和进行仿真。Horyn 表示，“应用程序开发功能非常方便，它以合理的价格让更多人享受到仿真技术的好处。”
练习，练习，再练习：对性能的追求永无止境
最出色的专业音响系统是被听见，而不是被看见。然而，被现场音乐包围，听众彷佛和表演者融为一体的感觉，可以通过许多幕后人员的努力和专业设备来实现。无论是麦克风、功放，还是信号处理器和扬声器，都能使观众沉 浸在现场声音的氛围里。和音乐家们一样，L-Acoustics 的声学工程师们明白，台上一分钟，台下十年功，这是永无止境的不懈追求。Yoachim Horyn 和 Yves Pene 已经通过仿真完成了他们的设计和研究工作，现在，他们正利用它进行更深度的探索改进：“时刻准备着，突破将在不远处”。
参考文献
- Pene, Y. Horyn, and C. Combet, “Non-linear acoustic losses prediction in vented loudspeaker using computational fluid dynamic simulation”,Audio Engineering Society, Paper 10359, 2020.https://www.aes.org/e-lib/browse.cfm?elib=20776