設(shè)計(jì)仿真 | Actran助力富士康優(yōu)化揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)

揚(yáng)聲器在我們生活中無(wú)處不在，是發(fā)聲產(chǎn)品的重要組成部分。它的工作原理是使用驅(qū)動(dòng)單元將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)，這其中產(chǎn)生了一個(gè)類似活塞的運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)振膜，最后振膜驅(qū)動(dòng)空氣產(chǎn)生聲音。工作原理雖然簡(jiǎn)單，但它們實(shí)際上是復(fù)雜的裝置。

為了制造聲音，需要幾個(gè)不同的組件，如磁極、聲線圈、擋板、隔膜、防塵罩和框架等一起工作，以提供各種尺寸的動(dòng)聽的聲音，并作為眾多產(chǎn)品的一部分。仿真所有裝置系統(tǒng)雖然是可能的，但成本過(guò)于昂貴。目前，有一些模型可以使用一些方法在保持準(zhǔn)確性的同時(shí)提供更好性能。富士康工程師希望驗(yàn)證這種方法，即利用Thiele-Small參數(shù)，逐步驗(yàn)證揚(yáng)聲器模型，從簡(jiǎn)單模型到成品。

Thiele-Small參數(shù)是描述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的一系列可測(cè)量的屬性，包括電磁參數(shù)和機(jī)械參數(shù)。簡(jiǎn)化模型由這七個(gè)參數(shù)和線圈和振膜的實(shí)體模型組成。然而，該模型的所需條件是線性性能和線圈的一維運(yùn)動(dòng)，物體的運(yùn)動(dòng)在高頻時(shí)中會(huì)表現(xiàn)出非線性，導(dǎo)致該模型在高頻時(shí)的響應(yīng)不準(zhǔn)確。Thiele-Small模型可以在Actran中輕松創(chuàng)建，并且它們的集成允許工程師利用其他類型的建模，例如多孔材料，穿孔板等。

圖1 驗(yàn)證和模擬揚(yáng)聲器的過(guò)程

PART01

建立模型（以及振動(dòng)）

對(duì)于簡(jiǎn)單的模型，富士康的工程師首先建立了一個(gè)2D實(shí)體模型，與Thiele-Small模型進(jìn)行比較，然后用這個(gè)模型創(chuàng)建一個(gè)3D參考模型。最后，他們添加了一個(gè)腔體來(lái)構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)化的揚(yáng)聲器設(shè)置。

圖2 揚(yáng)聲器的驗(yàn)證 上圖：2D實(shí)體模型vs. 3D Thiele-Small模型。下圖：帶腔和不帶腔的三維參考模型

我們首先對(duì)2D模型和Thiele-Small模型進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)它們?cè)?000 Hz之前非常吻合，但Thiele-Small模型總體上更符合預(yù)期。下一步，建立一個(gè)3D參考模型，并將其與包含腔的模型進(jìn)行比較，以模擬簡(jiǎn)化但完整的揚(yáng)聲器設(shè)置。這兩種模型吻合得很好，為這一過(guò)程帶來(lái)了更多信心。

在對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行驗(yàn)證后，對(duì)一個(gè)實(shí)例揚(yáng)聲器系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。在8500 Hz以內(nèi)，該模型的性能與測(cè)量值吻合良好。該模型識(shí)別出了由于兩個(gè)空氣腔的存在而產(chǎn)生的共振峰。

圖3 實(shí)測(cè)驗(yàn)證了實(shí)例模型。上：揚(yáng)聲器幾何形狀(左)，揚(yáng)聲器Actran模型(中)，網(wǎng)格切割(右)

PART02

仿真與最終產(chǎn)品

該過(guò)程的最后一步是在產(chǎn)品層面應(yīng)用它來(lái)分析和評(píng)估添加的各種能夠獲得更好性能的措施。在這種情況下，模擬三種環(huán)境:(1)揚(yáng)聲器直接連接到設(shè)備外部，(2)揚(yáng)聲器放置在外殼內(nèi)，(3)與前一種一樣，在外殼內(nèi)存在網(wǎng)格。在Actran中使用穿孔板模型以避免繪制布料的網(wǎng)格。

圖4 上圖：完成安裝的揚(yáng)聲器的Actran模型。下圖：不同配置下的揚(yáng)聲器性能

盡管沒有對(duì)這些模型進(jìn)行測(cè)量，但它們提供了很多關(guān)于揚(yáng)聲器在復(fù)雜環(huán)境中的表現(xiàn)以及在何處可以獲得性能的見解。通過(guò)驗(yàn)證模型和建立流程，富士康的工程師們對(duì)Actran在組件和系統(tǒng)層面上準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地仿真揚(yáng)聲器獲得了信心。