揚聲器設計與仿真-聲固耦合

01

聲固耦合


當一個振動的結構體驅動了傳遞聲壓波的氣體或液體(流體)時,就會有聲音產生。振動著的物體可以是板、膜或固體。流體介質中的壓力波也會在固體中產生振動。這個過程也被稱為聲-結構相互作用。這個相互作用是雙向的。


對“聲-結構相互作用”的研究涉及到兩個不同領域的物理學分支的相互結合:聲學和結構力學。在某些情況下,流體中的聲壓波和固體的振動都強到足以發生顯著的相互影響,從而產生雙向的耦合。


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在聲固耦合邊界

  • 固體沿著交界面法向的加速度作用于流體

  • 聲壓以法向單位面積載荷作用于固體



02


雙向聲固耦合


揚聲器中,音圈的上下移使揚聲器的振膜發生振動。這會使周圍的空氣產生壓力變化,并產生能讓人聽到的聲音信號。揚聲器振膜周圍的空氣也會影響圓錐體本身的運動;其中的一個例子就是所謂的“附加質量”。

揚聲器空氣隨動質量計算


在揚聲器的設計和優化過程中,就必須要考慮到這些影響。


從上一節聲固耦合圖示中,可以清楚的知道聲固耦合原理。那么我們可以自己動手進行雙向聲固耦合。


 以Comsol自帶的揚聲器模型為例進行說明。聲固耦合在單獨的多物理場耦合模塊中設置。如下圖所示。


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既然進行手動耦合,那么先刪除這個聲結構邊界。然后在聲場中定義法向加速度邊界,在到固體力學中加載邊界的聲壓。

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和軟件自動耦合結果對比,結果是完全一致的。只存在非常微小的數值計算誤差。


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03


拓展


手動聲固耦合除了加深對軟件計算背后的原理的理解之外,還有一個額外的好處。當可以認為聲場對固體振動影響很小時,可以手動進行單向的固體到聲場的耦合。 Comsol自帶的聲固耦合多物理場耦合模塊中沒有可以選擇的地方。


可以刪除上述加載到固體力學中的聲壓,即完成單向聲固耦合。這個技巧對大規模的3d模型求解時可以減小計算規模。


其他軟件未自帶的多物理場耦合,也可以參考內部參數定義,自行調用進行耦合。


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