扬声器/耳机/麦克风电声设计研发，为什么我推荐COMSOL仿真?

详细信息

作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
平台推荐: 内容稀缺

8月前浏览3120

导读：大家好，我是辜磊，声学号角公众号主编，也是仿真秀的认证讲师。自2010年以来，我一直致力于扬声器和音箱的研发工作。曾几何时，我们主要依赖的仿真工具是免费的2D磁路仿真软件femm。真正的扬声器仿真之旅在2012年开始，跟着一位美籍华人同事学习如何使用Ansys。然而，时隔11年，我在仿真秀发布了自己原创声学仿真课程《如何成为电声高手-COMSOL声学仿真32讲》构建声学产品工程师知识体系，终于上架了，详情见后文。

一、我的电声仿真学习之路

1、自学电声仿真，我走了不少弯路

我记得我们当时使用的是APDL界面，操作起来相当复杂，需要自定义单元类型，自行转换量纲单位，这让我感觉像是在使用上世纪的软件。随后，公司购买了Ansys，我通过官方培训掌握了如何操作更友好的Workbench界面，并学习了一些其他行业的案例。然而，那时候扬声器和音箱的仿真还在初步阶段，仿真能力和真实测量结果能达到何种一致性还未知。在中国，从事电声相关仿真工作的人还很少，我主要参考了一些国外的英文论文，查看他们的扬声器和音箱仿真结果，并尝试着仿照其他行业的案例进行仿真。

我曾试图通过仿真复现一些扬声器的测试结果，但由于没有人指导，我走了不少弯路。然而，这也使我在摸索过程中掌握了更扎实的知识。我逐渐建立起了扬声器磁路、结构和频响的仿真模型。尽管当时频响的仿真准确度还有很大的提升空间，只能作为定性或半定量的参考。

2、开始接触Comsol

在2013年左右，我开始接触Comsol。公司和一个学校合作开发一款扬声器的仿真。虽然Comsol的官方案例中的扬声器模型相当简单，但我参考了这个案例，并结合我在Ansys中的仿真经验，逐步完善了整个扬声器和音箱的仿真模型。随着我在不同公司的工作经历和理论研究的深入，我将仿真范围扩展到了各种非线性、失真，以及耳机、麦克风、超声换能器等领域。我甚至使用Matlab APP的功能开发了一些用于扬声器和音箱设计和研发的工具。

在2016年，我创建了一个“声学号角”公众号。当我刚开始接触扬声器仿真时，我能获取的资源和信息非常有限，而且分散且无序。我感到非常困惑，比如我想做某种特性的仿真，但我并不清楚我能达到什么程度，哪些模型的简化是合理的，是否应该花大量的精力去解决。通过公众号我整理出了我的经验，为在扬声器仿真道路上努力研究的同行提供了参考。我相信这也拓宽了许多扬声器设计和开发工程师的视野。在此基础上，我还建立了三个微信群，为大家提供了一个技术与行业信息的交流分享平台。

3、电声仿真，我为什么推荐Comsol？

在众多的有限元和边界元仿真软件中，例如Ansys，Abaqus等，如果我只能推荐一个有限元仿真软件进行入门学习，我会推荐Comsol。原因有三：

1. 直观的图形界面：Comsol的工作流程图形化，用户友好，易于上手。Comsol提供了大量的模型和教程，帮助用户快速理解和掌握软件的使用。

2. 多物理场耦合：Comsol的另一个显著优点是它能够处理不同物理量的相互作用，使其成为研究复杂问题的理想工具。对于电声问题，声学、力学、电磁学、热学、流体等多个物理场的耦合是非常常见的，Comsol提供了这些领域之间的耦合接口。

3. 灵活的后处理：Comsol提供了丰富的后处理工具，例如对数据的可视化，对结果的导出等，这对于电声仿真的结果分析非常有利。

尽管如此，我必须强调不同的仿真工具有各自的特点和优点。选择哪种工具并不是一成不变的，而应根据具体的需求和条件来决定。在电声仿真领域，我们需要了解和掌握多种工具，以便根据问题的特性选择最合适的仿真工具。

二、基于COMSOL电声仿真案例演示

对于电声仿真来说，理解基本的物理原理，如电磁学、力学、声学等，以及它们之间的相互作用，是至关重要的。只有深入理解这些基本原理，我们才能准确地设置模型，解释结果，并应用这些结果解决实际问题。接下来我们看一个用Comsol 进行扬声器单元分析过程。

（一）开始设置

1、点击“模型向导”，在”选择空间维度”中选择”二维轴对称”，然后点击完成。

2、“选择物理场”中双击选择”磁场”、”声-固相互作用，频域”，然后点击研究；在”选择研究”中双击选择”稳态”，然后点击完成。

（二）参数定义和输入几何

1、右键点击”全局定义”，在弹出的菜单栏选择”参数”，为”全局定义”下增加”参数”，在”参数”设置中导入参数

2、在”几何”下增加”导入”，选择导入的扬声器结构图的文件，然后点击”导入”下的”文件名下”的”导入”按钮，导入图纸。

（三）指定部件的材料

1、在”材料”下增加”材料”，指定域内空气的材料为”内置材料”下的”Air”。

2. 在“材料”下增加”材料”，指定 T 铁和华司的材料为”AC/DC”下的”Soft Iron(with losses)”。

3、在“材料”下增加”材料”，指定纸盆 Cone 和防尘帽的材料为用户定义库中的”Composite”。

4、在“材料”下增加”材料”，指定弹波的材料为用户定义库中的”Cloth”。

5、在“材料”下增加”材料”，指定悬边的材料为用户定义库中的”Foam”。

6、在“材料”下增加”材料”，指定音圈线的材料为用户定义库中的”Coil”。

7、在“材料”下增加”材料”，指定音圈管的材料为用户定义库中的”Glass Fiber”。

（四）定义磁场系统

1、点击”磁场”，在设置的”域选择”下选择磁回系统、音圈、弹波和边界定义磁场作用域。

2、系统默认磁场中所有部件的本构关系为线性的，如需要非线性的，需要另外设置。

在”磁场”下增加”安培定律”，选择 T 铁和华司，在设置的”本构关系”下选择”HB 曲线”。

3、在”磁场”下增加”安培定律”，选择磁铁，设置”本构关系”为”剩余磁通密度”，并定义”剩余磁通密度”为 B0。

4、在”磁场”下增加”线圈”，定义设置下的”导体模型”为”均匀多匝”， ”线圈激励”为”电压”， ”线圈电压”为 Linper(V0)（由于输入的是交流电压，此定义使得稳态时电压为 0，频域时为 V0）， ”均匀多匝导线”下的”匝数”为 N0，线圈导线截面积为 S0。

5、由于线圈在磁场中运动时，会产生感应电动势，在”磁场”下增加”速度(洛沦兹项)”，选择音圈的线圈为它添加反电动势，设置的”速度(洛沦兹项)”下的”速度”选择速度

（五）定义固体力学

1、点击”固体力学”，设置中的”域选择”中选择纸盆(包括 Cone 和悬边)，防尘帽，弹波和音圈(包括骨架和线圈)，定义固体力学的作用域。

2、在”固体力学”下增加”体载荷”，选择音圈线圈，设置中”载荷类型”下的 Fv 选择 Lorentz 力贡献

3、在”固体力学”下增加”固定约束”，选择弹波和悬边与盆架(图中未体现出来)粘合的位置，为弹波和悬边增加约束。

4、由于振动部件都是非弹性材料，需要增加阻尼。

在”固体力学”的”线弹性材料”下增加”阻尼”，选择纸盆 Cone、防尘帽和音圈骨架，阻尼设置下的”阻尼类型”选择”各向同性损耗因子”。

5、在”固体力学”的”线弹性材料”下增加”阻尼”，选择弹波，阻尼设置下的”刚性阻尼参数”β定义为 Beta1（一般α为 0）。

6、在”固体力学”的”线弹性材料”下增加”阻尼”，选择悬边，阻尼设置下的”刚性阻尼参数”β定义为 Beta2。

（六）定义压力声学

1. 由于扬声器单元是安装在栈板上的，单元周围是无限大空气层，分析不可能计算无限大空气层，需要定义一个 PML 层（即环形区），声音达到 PML 层后，会被吸收，无法发射回来，可以看作是自由场。

在”定义”下增加”完美匹配层”，选择 PML 层（环形区域）

2. 点击”压力声学”，在设置的”域选择”下选择空气域作为压力声学的作用域。

3、如果需要了解单元在远场的声压和指向性，需要增加远场计算。

在”压力声学”下增加”远场计算”，在”边界选择”下选择上内环的内边界线，设置里”远场计算”下勾选 Z 平面内对称，” 积分类型”选全积分。

（七）网格划分

1、由于 PML 层内声压等是均匀减小的，可使用映射进行划分。

在”网格”下增加”映射”，选择环形区；设置的”域选择”下”几何实体层”选择域。

”映射”下增加”分布”，设置分布单元数，点击”构建选定对象”按钮划分网格。

网格划分的粗细，可点击”网格”下的”尺寸”，在设置下”单元尺寸”的”预定义”选择网格尺寸类型（极细化、超细化、较细化、细化、常规、粗化、较粗化、超粗化、极粗化）。

2、剩余的区域可用自由剖分，在”网格”下增加”自由三角形网格”，在设置的”域选择”下”几何实体层”选择剩余。

3、可对部分部件进行加密剖分。

在”自由三角形网格”下增加”尺寸”，选择 T 铁和华司，设置中”单元尺寸参数”下勾选”最大单元尺寸”，并设为 2mm。

4、如果各部件的边界处剖分还不够细，可增加设置。

在”网格”下增加”边界层”，边界选择下选所有边界，设置”边界层属性”下的”边界层数”为 3，第一层厚度为 0.2mm，点击”全部构建”按钮划分网格。

（八）研究设置和结果查看

1、由于稳态只计算磁场的物理场，需进行设置。

点击”研究”下的”稳态”，在设置中的”物理场和变量选择”下的”物理场接口”勾选掉压力声学和固体力学， ”多物理场” 勾选掉声-结构边界

2、在”研究”下增加”频域，线性扰动”，点击”研究设置”下的”频率”最右边的”范围”按钮，设置”范围”中的定义方法、起始频率、终止频率和间隔，点击替换按钮

点击”研究”，点击研究设置下的”=计算”按钮，运行计算

点击”结果”下”二维绘图组：磁通密度模”下的”表面”，在表面设置的”表达式”下定义”表达式”为 mf.normH（磁场模），” 待求表达式”下选择稳态解，点击”绘制”按钮，查看磁隙的磁通情况。

3、点击 ”结果 ”下 ”三维绘图组：磁通密度模 ”下的 ”表面 ”，在表面设置的 ”表达式 ”下定义 ”表达式 ”为 mf.normB/mf.normH/mu0_const（等效磁导率），”待求表达式”下选择稳态解，点击”绘制”按钮，查看 T 铁和华司的磁化效率。

点击”结果”下的其他项，可查看远场声压和振动部件的压力变形，这些项不需额外的设置。

4、在”结果”下增加”一维绘图组”，”一维绘图组”下增加”倍频带”，倍频带设置的”数据”下的”数据集”选择”解：研究 1/解 1(sol1){farf1}”， ”几何实体层”选择全局， ”y-轴数据”下的”表达式”定义为 pfar（0， 1）， ”绘制”下的”式样”选择连续，点击”绘制”按钮，查看 Z 轴上 1 米处的声压分布

5、在”结果”下增加”一维绘图组”， ”一维绘图组”下增加”全局”，全局设置的”y-轴数据”下的”表达式”定义为 abs （V0/mf.ICoil_1）（输入电压除以线圈电流），点击”绘制”按钮，查看电阻抗

6、在”结果”下增加”二维绘图组”， ”二维绘图组”下增加”方向性”，方向性设置的”数据”下的”数据集”选择”解：研究 1/解 1(sol1){farf1}”，点击”绘制”按钮，查看远场 360 度的指向性分布图；如果想查看上方 180 度的分布， ”计算”下的”限制”选择手动， ”φ启动”定义为-90， ”φ范围”定义为 180。