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科技纵览：仿真让扬声器的设计有了思想

发布时间：2021-10-19 09:30编辑：家电维修网阅读：( )字号： 大 中 小

是国际科技期刊界卓着的时间写作和报道的一盏明灯。多次取得美国国度杂志期刊大奖。

浙江中科电声研发核心的探讨职员使用多物理场仿真领悟本领，使电声工程师正在扬声器样品造造出来之前就能预测其厉重特质，从而帮帮他们更高效、更经济地计划出高本能、高品德的扬声器。

当咱们正在驾车观光中享福车载音笑带来的俊美岁月时，当咱们通过手机与家人挚友夷愉地闲话时，也许咱们不会认识到，电声行业一经和咱们的生存息息闭联，并给咱们带来了无尽的享福和极大的方便。扬声器、音箱、传声器、耳机等电声器件能够授与、转换、传输、重放和丈量声响等，使人们以声响的形式通报消息和宣传文明艺术。

电声器件自觉明今后，一经走过了百年经过。跟着转移通讯、便携式电子筑筑、家用电器和互联网等家产的急速成长，近20年来电声家产无间露出焕发成长的态势，但同时也面对着越来越多的挑衅。人们对产物的质地，越发是声响品德的央求正在无间晋升，对电声器件的本能央求也越来越高。举动环球最大的电声器件坐蓐国和出口国，中国电声器件的研发计划厉重照旧依赖人为阅历、重复试样和无间调治产物本能的本领。这种守旧的研发计划本领不光花消人力和物力，况且往往花费很长的开采周期，难以计划造作出理思的高品德产物。

浙江中科电声研发核心（以下简称中科电声）是一家戮力于电声器件改进计划的研发机构，正在电声产物数值仿真领悟及辅帮计划范畴饰演着紧急的脚色，负担着时间探讨、行使、商酌和培训等多项劳动，帮帮工程师和研发职员特别深化地剖释电声器件。

扬声器的组织看似简易，其劳动道理却涉及力学、电磁学、振动、声学及传热学等多个慎密连合的物理范畴以及丰富的物理题目。比方，正在电磁场领悟中，因为扬声器磁道包蕴硬磁和软磁质料，所以必要商量明显的电涡流题目以及正在高功率输入时的线圈转移题目；正在振动体例领悟中，必要商量扬声器的几何非线性和粘弹性等题目。



图1.左：动圈式扬声器图片。右：榜样扬声器的2D轴对称图，显示了个中的厉重零件。

扬声器正在放音时，振动体例的振动有时会与信号振动不相仿，也便是一样所讲的扬声器非线性特色，这一特色的强弱与扬声器发出的声响是否“好听”直接闭联，是以仿真领悟和改革扬声器非线性特质是电声企业正在高品德扬声器计划造作中必要特地珍视和治理的困难。正在扬声器劳动经过中，从磁道到振动体例再到声场，各个闭节都邑影响扬声器的非线性，表正在呈现的扬声器非线性失真特质不应仅看这些非线性形势的叠加，而应归结为是它们互相之间耦合影响的结果。是以，扬声器非线性失真特质的仿真准备是扬声器仿真范畴的要害性困难。



图2.完善和确切地仿真扬声器涉及准静磁场、组织力学、压力声学、粘热声学、流体、温度等多物理场，它们之间又是互相耦合的，且正在大功率劳动时还存正在较强的非线性形势。这是一个丰富的多物理场耦合领悟题目。

中科电声的研发团队使用多物理场仿真软件正在扬声器的非线性仿真范畴获得了冲破性发扬。“扬声器非线性特质的仿真领悟是一个榜样的多物理场耦合领悟题目，因为多闭节中的较强非线性特质，以是必要采用及时转移网格时间并正在需要时重划网格，况且正在时域领悟时又涉及到频域领悟，对付如许丰富的题目，COMSOL Multiphysics是咱们的最佳采用。”中科电声主任温周斌博士如是说道。温周斌和他的团队归纳应用COMSOL Multiphysics的电磁场、组织力学、压力声学等模块，筑筑了包蕴扬声器各式非线性特质正在内的完善的有限元模子，正在转移网格和重划网格等性能支柱下，使用瞬态领悟本领领悟取得了扬声器劳动中的一系列非线性特质。



图3.通过仿真准备可直观地看到扬声器劳动时所发作的声场，图中显示的是某个岁月的声压漫衍。

影响扬声器特质的仿真领悟精度的要素有许多，除了仿真领悟模子和本领除表，输入确切的扬声器振动部件的几何模子（图纸）和得到精确的扬声工具料参数也异常紧急。与此同时，扬声器的计划图纸与本质产物往往会存正在较大分别，扬声器造作商及其部件供应商的坐蓐造造工艺和流程对扬声器产物的质地和相仿性都邑有很大影响。无论是微型扬声器的振膜，照旧汽车扬声器的纸盆和定心支片，采用的质料分别，加工造造流程分别，做出来的部件都邑有所分别；纵使是统一批产物，因为扬声器造作商的坐蓐筑筑、工艺流程以及所采用的部件等的分别，产物的特质也会有所差异。过去对扬声器产物及其部件的质地统治厉重依赖工程师的阅历及感官来推断，是以难以量化。这种形式既无法得到扬声器部件确实切几何模子尺寸，也无法得知质料的物理特质参数，更无法将质料的本质与造造出来的扬声器特质筑筑定量的干系联系。

温周斌博士率领团队从多个宗旨入手，探讨实在有用的扬声器仿真领悟本领。一方面，基于COMSOL Multiphysics，充足施展该软件平台的强健性能；另一方面，从电声企业的研发计划到坐蓐造作的各个闭节查找题目，寻找治理计划。他们用扫描仪正确丈量扬声器部件的几何模子，并对计划模子实行改正，得到了很好的仿真结果。“纸盆等部件的质料特质很难用现有仪器筑筑来丈量，但咱们能够通过仿真模仿的形式来反推质料参数。”温博士说道，“仿真不是简易地利用软件东西。正在工程执行中不行一律基于理思条款，必必要与电声企业的坐蓐工艺相连合。”现正在，中科电声采用仿真领悟本领，能够确切预测扬声器劳动经过中的各个厉重物理量，不但能缩短计划周期，还能大幅晋升产物德地。仿真计划连合工程师阅历，正正在逐渐革新电声企业的研发及坐蓐形式。



图4.左：声压级（SPL）的仿真领悟结果和丈量结果。右：总谐波失真（THD）的仿真领悟结果和丈量结果。通过仿真可确切预测扬声器的各式紧急特质和厉重题目，并从中挖掘发作这些题方针要害要素，从而改革和完备计划。

中科电声为多家电声行业当先企业供给时间任职。姑苏上声电子有限公司（以下简称姑苏上声）是中科电声的紧急客户和协作伙伴之一，厉重从事中高端汽车扬声器的计划和造作，并为德国公多、美国福特和日本丰田等国际着名汽车企业供给车用扬声器。正在和中科电声协作的几年间，姑苏上声从仿真计划中受益匪浅。基于仿真的预判与验证性能，不但通过预案领悟和评审闭节晋升了公司本身产物的计划秤谌，况且通过筑筑对供应商的统治流程，对供应商供给的产物部件质地实行了厉苛节造。

“与中科电声协作发展仿线年今后，全部团队对扬声器的剖释无间加深。”姑苏上声副总司理柴国强说道，“仿真让扬声器的计划有了思思。”从根基学问、物理观念、有限元本领的进修，到操作流程确实立，再到详细产物的仿真和丈量验证，姑苏上声急速、体例、全部地左右了仿真计划新时间，大猛进步了行使时间研发才气。

对付中科电声来说，仿真领悟本领特别体例化、流程化，领悟精度进一步晋升，这从某种水准上来说也是正在无间挑衅自身。“咱们懂得客户的产物，再遵循产物无间调治模子。”温周斌说道。通过无间改正和验证仿真领悟本领，中科电声的探讨职员无间总结阅历，一经逐渐筑筑起针对全部扬声器体例特质的仿真领悟本领，并将其行使于分别规格、分别组织、分别材质的扬声器仿真领悟和辅帮计划的工程项目中。目前，中科电声的研发收获已被用于十多家电声企业。


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