為什么要優化揚聲器組件？

無論是用于家庭影院系統、健身房、家庭野餐還是音樂會場地，揚聲器都要表現出最佳的性能。為了設計高性能揚聲器，我們可以使用仿真優化它的各種組件。例如，我們可以使用 COMSOL Multiphysics 軟件對高音罩和波導、磁路和彈波（也叫定位支片）進行形狀或拓撲優化。

下面，我們來查看關于這些組件優化的三個例子……

1.優化高頻揚聲器

高頻揚聲器是一種小型、輕便的喇叭驅動器，目的是產生高頻聲（約 2kHz 至約 20kHz）。在英文中，非常貼切地將它命名為小鳥、發出的鳴叫聲 “tweet tweet”。

理想的高頻揚聲器驅動器能得到平坦的靈敏度曲線，無論聽眾的位置如何，聲音都是一樣的（它具有全向輻射特性）。然而，所有揚聲器驅動器設計中都會遇到聲盆分裂和波束效應，這將對高頻揚聲器的質量產生負面影響。物理定律只是對高頻揚聲器的理想程度設定了一個極限。最佳高頻揚聲器設計將具有平坦的頻率響應和盡可能多的空間覆蓋范圍。

通過使用形狀優化改變高音揚聲器組件的形狀，您可以提高高頻揚聲器的整體性能。使用 COMSOL Multiphysics 提供的高音罩和波導管形狀優化教程模型，您可以學習如何對高音罩和波導管進行形狀優化，以得到其最優的空間和頻率響應。這些優化需要在一定頻率以及空間范圍內進行。該教程顯示了設置此問題的步驟。

高頻揚聲器的主要部件。

這個揚聲器模型的主要組成部分包括：

波導

球頂

多孔吸聲體

音圈

懸架

音圈骨架

懸架、球頂和音圈都是用 COMSOL 中的 固體力學 和殼 接口模擬的。Thiele–Small模擬電路用于包含驅動器的電磁特性。高頻揚聲器通常含有一個泡沫件，在設計中用來避免激發不同的動態效應（如共振和圓頂柔性模式），因此該模型中添加了一個這樣的泡沫件。此外，模型中還添加了結構阻尼。

結果

在該模型中，通過與初始高頻揚聲器形狀的性能進行比較，分析了優化后高頻揚聲器設計的性能。下面，您可以查看兩個高頻揚聲器軸上1m處的聲壓級（SPL）。平坦的目標SPL由黑色的水平虛線表示。請注意，優化的高頻揚聲器在5 kHz至20 kHz的期望頻率范圍內產生幾乎平坦的響應。此外，每個設置都顯示了兩組曲線。這兩組曲線展示了使用兩種不同的方法計算模型中的遠場響應。

1m 處的軸上 SPL

接下來，我們可以比較在 20kHz 的最大頻率下工作時優化的和初始的高頻揚聲器設計。由此，我們可以看到 SPL 分布和兩個高音罩、音圈骨架和懸架的結構變形。如下圖所示，高亮部分結果表明與優化設計相比，初始設計在球頂和音圈骨架會發生更大的變形（也稱為聲盆分裂）。

在圖中，可以看到在最高頻率下初始高頻揚聲器設計（左）和優化高頻揚聲器設計（右）的變形。

最后，我們還可以研究兩種設計的方向性，如下圖所示。方向性圖在一個圖中突出顯示了頻率和空間響應。方向性優化的區域用灰色框標記。從圖中可以看出，響應在頻率上是平坦的，同時具有從大約 -10° 到 +10° 的均勻空間覆蓋。

初始設計（左）和優化設計（右）的方向性圖。這里，各種顏色代表與目標 SPL 的偏差。黑線代表 +-3dB 和 +-6dB 的限值。

總的來說，這個教程強調了一種使用形狀優化來優化高頻揚聲器設計性能的方法。想嘗試一下自己設計嗎？從 COMSOL 案例庫下載模型文檔和MPH文件，詳細了解如何建立高音罩和波導形狀優化模型。

2.揚聲器磁路的優化

揚聲器驅動器中包含磁路，將磁通量集中到氣隙中。在氣隙內，線圈垂直于磁力線放置，并連接到揚聲器的音圈骨架和球頂。當交流電通過線圈時，電磁力引起線圈運動。正如預期的那樣，揚聲器薄膜會接收這種運動，與周圍的空氣相互作用，并在此過程中產生聲波。

設計良好的磁路通常由鐵磁極片和頂板組成，它們能夠：

使集中在線圈上的磁通量最大

在整個線圈上提供均勻的磁場

磁路的性能也通常由BL參數（力因子）來表征。在磁路中，BL是氣隙中磁通量與線圈長度的乘積。高性能磁路具有大的 BL 參數，但也希望BL參數對于不同的音圈位置x是恒定的。這就是為什么該參數通常被表示為 BL（x）。平坦的 BL（x） 曲線通常會導致較小的失真，因為它會導致揚聲器系統的該部分的線性度。這里，使用拓撲優化來優化磁路。

磁路仿真

使用磁路拓撲優化教程模型，可以對磁路組件執行兩種不同的拓撲優化研究。第一個優化研究是為了得到輕質的磁路設計，該磁路設計在氣隙中具有強磁場強度，并且在靜止位置具有最大的BL系數。第二個優化研究的目的是產生具有平坦BL（x）曲線的磁路。第一種設計非常適合高頻工作的揚聲器（如高頻揚聲器），而第二種設計非常適合低頻工作的揚聲器（如低頻揚聲器）。

0:10揚聲器磁路的優化幾何形狀，可得到平坦的 BL（x） 曲線（左）。特寫動畫，展示了優化磁路形狀的步驟（右）。請注意，使用拓撲優化 ，該算法可以在灰色區域自由添加或移除鐵和空氣。

這兩種優化設計都與傳統磁路設計進行了比較，證明了性能的提高。優化的設計還能減少鐵的用量。

此外，還創建了一個驗證模型來驗證在磁路的第二種優化研究中生成的設計。

結果

在下圖中，我們可以查看兩種優化設計中的磁通量密度模值（頂行）和輸出材料體積因子（底行）。請注意，左欄中的圖像表示第一種拓撲優化研究（高BL靜態設計）的磁路設計結果，右欄中的圖像表示第二種優化研究（平坦 BL（x） 設計）的設計結果。

正如預期的那樣，兩個結果都表明優化的磁路由兩個獨立的部分組成：

連接到磁體底部的中心部件（極片或磁軛）

連接到磁體頂部（頂板）的分離部分

在下圖中，我們可以看到所有不同磁路模型的 BL（x） 曲線。

在這個圖中，我們可以看到靜止位置時 BL 系數最大的磁路（深藍色）、BL 曲線平坦的磁路（綠色）、驗證模型（紅色）和傳統磁路（淺藍色）的BL（x）曲線。注：傳統磁路設計的BL（x）曲線結果基于是揚聲器驅動器模型。

注意，這里顯示的結果只是案例教程的一部分。使用 COMSOL Multiphysics，設計工程師可以設置自己的優化問題，考慮各種設計標準；例如，固定裝置的位置、特殊的幾何限制或系統的總重量。優化問題的結果通常會激發和產生創新的想法，然后可以進一步完善。我們可以查看 COMSOL 案例庫中的磁路的拓撲優化模型，獲取如何執行這兩項拓撲優化研究的詳細說明，并查看其他結果。

3.增強揚聲器的懸架系統

在揚聲器中，懸架系統設計用于固定聲盆和防塵罩，并穩定音圈。在大多數揚聲器設計中，懸架系統由懸邊和彈波組成。下面，我們可以查看懸架系統以及普通揚聲器設計中的其他主要組件。

含懸架系統的典型揚聲器設計。

當工作在不同的頻率時，揚聲器的音圈會上下移動。在高頻時，位移相對較小，但在低頻時，位移明顯。當音圈的位移很大時，順性 CMS（x） 沿線圈路徑變化。彈簧會因越來越大的變形而變硬。這種變化，或稱為非線性，會導致揚聲器設計中的失真效應。第二個例子中，在拓撲優化示例中處理了驅動力因子 BL（x） 的非線性。

在這里，可以看到音圈在高頻（左）和低頻（右）激勵下的位移。當以高頻激勵時，音圈的位移很小（在平坦區域工作），但是當以低頻激勵時，線圈的位移很大。注意：在兩幅圖像中，頻率用紅色曲線表示，音圈用藍色曲線表示。

無論音圈的運動范圍如何，都可以創建線性運動的揚聲器懸架系統。怎么做呢？通過改變定位支片的形狀。

定位支片的設計優化

揚聲器懸架系統中的定位支片是一個薄膜狀的機械部件。它們通常由織物制成，呈之字形。你可能已經猜到了，它是以與它相似的八條腿的蜘蛛命名的。

使用揚聲器定位支片優化教程模型，我們可以學習如何通過形狀優化輕松更改支片的形狀。

該模型包括兩項研究：

傳統定位支片的性能（用于比較）

形狀優化以及優化后支片的性能

傳統定位支片設計（左）和形狀優化后的定位支片（右）。

結果

仿真結果顯示了傳統設計（藍點）、優化設計（綠點）和理想化設計（灰線）的力與位移（左）和順性曲線（右）。在這兩種情況下，優化設計與理想化設計非常接近。

在這個模型中，目標是得到一個平坦的順性曲線。然而，通常希望具有一定程度的非線性，使得彈簧在大變形時變得堅硬，但是卻可以確保 CMS（x） 曲線對稱。開發工程師在運行他們的優化模型時可以自由設置此類和其他目標。想了解更多關于這個模型的信息嗎？查看揚聲器定位支片優化模型教程，嘗試自己動手模擬。