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高端音响模态测试

2019-03-26 浏览: 2498

22bet www.extremefta.com

Bowers & Wilkins是一家英国高端音响设备制造商,本文将讲述Bowers & Wilkins公司如何在产品整体设计过程中高效地将仿真和实测结合,达到优化音箱设计的目的。仿真系统使用的是COMSOL公司的COMSOL Multiphysics,测量系统使用的是全场扫描式激光多普勒测振仪。

 

箱体设计所面临的难题

对于扬声器箱体设计而言,箱体本身没有声波辐射非常重要??傻贾孪涮宸渖ǖ幕朴腥?,必须避免或进行补偿:

·  扬声器后端的声波与前端的声波相位不同,可导致回波、时间滞后、混响等信号失真。

·  由于电动换能器(即扬声器所谓的驱动单元)的反作用力,引起箱体振动,从而发出声音。

·  箱体内锥体所辐射的声波经传输后可通过箱体壁泄漏。

 

    应对挑战    

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Cobianchi & Rousseau使用COMSOL Multiphysics精确模拟振动,并将不同的设计方案进行对比,重点关注喇叭的低频部分。利用激光多普勒测振仪测量箱体的结构声学,验证仿真结果。

箱体材料对音响的质量和性能有重大影响,他们的特有属性以及安装位置会影响扬声器箱体的声学特性。在设计过程中,很重要的一步就是对不同的组件和材料进行测试和优化,仅仅测试原型的性能既费时还昂贵。

测试完所有的设计方案是不太可能的。庆幸的是,对于仿真软件而言,只需在软件界面点击几下鼠标,改变虚拟模型的材料和设计即可。尽管如此,尤其是采用全新设计或材料时22bet不能仅仅依赖仿真手段。因为最好的虚拟模型是建立在物理模型之上,实测结果可用于验证其性能,并对如何进一步改进设计提出建设性建议。

本次测试对象B&W 800 Diamond是由桦木胶合板制成的箱体,MDF面板,铝制底座和驱动单元底座,钢和钕喇叭电机,以及水基胶接头。

 

将设计思想转化为仿真模型,模型建立 

      模拟仿真是用数值方法来求解数学方程。最先进的仿真工具具有直观的图形用户界面,工程师预定义材料属性、域和边界条件,而无需详细了解在后台使用了哪个方程或使用了哪种运算方法来求解它们。 从这个角度来看,似乎每个人都可以成为仿真工程师。

    然而,为了使仿真模型在计算时间、内存使用和精度方面更高效,则需要在开始仿真之前做一些准备工作:模型是否可以利用对称性?它是否可以简化?模型中是否有哪些区域比其它区域更重要?如果是,减小模型尺寸并提高感兴趣的区域模拟精度。这就是模拟工程师的经验发挥作用的地方,有助于优化运算时间和提高仿真精度。

 

    从CAD设计到几何模型     

最终的CAD设计是虚拟的新产品,包括所有细节如标签、装饰和微型螺丝等。这些细节大多不会影响产品的性能,但这些细节会使模型尺寸变大。仿真的第一步是将CAD设计导入仿真环境中,可以的话,去掉设计模型中前面提到的不必要细节。此外,仿真软件内含模型简化工具可简化CAD设计。

COMSOL能够与许多CAD程序进行通信,使CAD设计与几何模型的更改保持实时同步。此外,CAD设计中的参数可以在COMSOL GUI中进行控制,从而自动访问大量不同的设计选项。内置的CAD功能还可后期编辑几何图形。图2显示了COMSOL GUI中扬声器的模型几何形状和测量网格。由于对称性,只模拟了扬声器的一半。切割选取模型部分区域是一种内置的CAD功能。

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图2 COMSOL GUI里显示的音响的几何形状和测量网格


 

使用真实的材料属性进行逼真的仿真模拟

材料属性对仿真结果有重要影响,它们通常与温度相关或具有各向异性,如果达到某个标准这些特性就会完全改变(比如疲劳或者相变)。它们是模拟仿真将要解出的数学方程的系数。对于振动分析,定义弹性材料的特性。标准材料如铝或钢的属性,可从COMSOL的综合材料数据库获取。而其它材料,确切的材料属性往往是未知的,要么是因为制造商的保密,要么是还未经测量。 

    仿真是基于样板的特征频率分析来估算这些参数。 

这里箱体包边材料为胶合板和人造中密度纤维板(MDF),是木材和树脂的混合物。胶合板由不同的层组成,其中木材纤维具有各向异性。模拟仿真使研发工程师们能够考虑到材料的各向异性。本征频率分析提供了一组弹性常数,然后作为一种等效的正交各向异性材料,这些弹性常数用于箱体包边。当包边弯曲时,遵循这种曲率的坐标系统通常被定义为正交各向异性?;拱ㄗ枘崽匦?,并使用模态分析拟合技术评估阻尼参数。

由于胶接与整个几何尺寸相比较小,因此22bet使用特殊的边界条件来表示胶接,而不在几何图形中显示,这有助于简化运算,同时保持准确性。

 

分析箱体性能       

完成前期准备工作后,就开始研究整个箱体的振动。系统并不直接输出声音,但在其基础上,模拟仿真环境中的数据后处理功能,提供了根据已知的近似值(如瑞利积分)通过数值积分计算出声压或声功率的可能性。将瑞利积分频谱与箱体壁面加速度谱进行比较,显示所有振动模态均有声波辐射。

    到目前为止,该模型假定电机受力均匀,而实际上因为如下两种现象这个假设与频率有关。一种是代表传感器的单自由度振动特性,还有就是放在扬声器终端和驱动单元之间的电路,将音频频谱划分到不同的驱动单元,用于再现每一个频带。在这种情况下,可以将所谓的传递函数应用到结果中,以处理输出量并与实际相匹配。这些传递函数是由一个机电模型计算出来的,该模型将施加的电压与电机输出力联系起来。

 

使用创新性的测试技术用于创新产品开发

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PSV-500型扫描式激光测振仪,用于非接触式测量结构振动


由于扬声器的结构特性,其振动测量必须采用非接触式方法,而激光多普勒法是一种标准的非接触式测量方法,其通过收集被测表面反射光而得出被测表面的振动速度和/或加速度。PSV-500具有极高空间分辨率,系统全自动逐点扫描,仪器操作工作量不会随着测点密度增大而增加,测量结果可以直接与仿真结果进行对比。

传统的贴片式加速度计需要布线安装,并有附加质量影响,而且产生的耦合谐振通?;岬贾孪咝远人鹗?。SLDV能在不影响箱体力学性能的情况下检测出箱体表面的振动速度,在高达10 kHz带宽以内的频响曲线非常平坦,因为激光不存在耦合共振。

测量网格可以从仿真模型中导入,也可以自行手动定义??悸堑礁鞑獾阒涞南辔还叵?,将驱动单元的驱动电压相位作为参考相位。

两个最大且最重要的声源辐射表面是前挡板和包边。在这些表面自定义的测试网格中每一个点的振动速度,均使用激光多普勒扫描式测振仪测量。

 

测量结果证实模拟箱体的性能

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图4 左侧为实测模态振型(222 Hz),右侧为模拟振型(281 Hz)

 

为了便于比较,直接导入COMSOL公司的有限元网格作为Polytec激光测振仪的测量网格。将关键位置的实测加速度幅值谱图与模拟数值相对比,以验证模型。图4显示了第一个相关模态的振型。

仿真确定了重要峰值的主要区域,这些重要峰值是指刚体运动、基座板弯曲模态、前挡板和侧包边的相关模态。

虽然仿真结果与实测结果的振动幅值吻合度较好,但仿真结果估算的相关频率偏高,如图5所示。这种差异可能与仿真模型中的一些假设条件有关,比如边界条件的选择或将材料属性设置为体属性。

B&W的开发工程师相信,他们可以改进模型提高仿真与实测结果的匹配性。但他们也得考虑这样一个问题,即改进仿真模型不仅涉及到提升产品质量,还涉及到开发费用和时间成本的增加。

在这种情况下,他们得出结论是现有仿真结果足以预测箱体模型设计的质量。仿真还帮助工程师们深入了解箱体的物理效应,如不同的振动模态如何耦合,以及不同的面板位置对箱体性能的影响等。

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图5 箱体模拟频率函数(黑线)和实测频率函数(红线)

 

总结与展望

“模拟是对现实的假定,测量是对现实的观察。将这两种方法结合起来,就可以得到关于系统的全部信息?!?/span>

仿真是对现实的假定,因为每个网格点的一组物理参数均为假设。它们的精度受数学模型精度、输入参数精度、数值方法以及计算工作量限制。测量是对现实的观察,他们揭示了可能没有包含在模拟中,但需要产品原型作为测量对象,才能发现的效果。除了测量误差外,有些量无法通过测量得到,某些观测到的效应可能不易于解释,因为测量条件很难控制。

只有将这两种方法结合起来才能揭示系统的全部信息:将模型与测量值进行比较,才能帮助识别相关的主要物理现象,从而更深入地了解系统特性,而这些可指导设计工作。

一旦建立了一个能够在所需精度内复现所有相关数据的模型,就可以使用它自动批量处理所有设计选项和材料选择。

未来,振动测量还可以用于声学传播模型,测量的速度谱可作为纯声学模型中的输入量。然后,利用仿真软件可以预测任意周围物体和声学环境下声源产生的空间任意点处的声压。通过仿真软件与测量设备之间的数据交换,可以轻松解决这类传播问题。COMSOL Multiphysics和Polytec都可为该项目提供解决方案。




参考文献:

Modelling the Sound Radiation by Loudspeaker Cabinets”, M. Cobianchi,

Dr. M. Rousseau, B&W Group Ltd, Worthing, West Sussex, England, Comsol


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