由于測量工具本身的缺陷，聲學測量數據的準確性并非總是可靠。為了減少錯誤結果，人們針對麥克風和振動換能器等設備制定了專門的標準，規定了誤差允許范圍。除了符合標準，優秀的測量工具還能保證設備的誤差范圍始終保持一致。為了制造高質量設備，來自英國 Brüel＆Kj?r 公司的研究團隊使用多物理場仿真對麥克風和換能器設計進行了建模。

聲學與振動測量的領導者：Brüel & Kj?r 公司

Brüel & Kj?r 是聲學與振動測量行業的領導者，領先行業長達 40 余年，服務對象包括空客、美國國家航空航天局、法拉利等知名客戶。他們向市場推出了工作標準麥克風及針對具體應用的定制麥克風等，覆蓋從次聲到超聲波等頻率范圍。針對每款應用和各個頻段，總有多種因素會影響麥克風設計的性能。

4134 型麥克風，膜片上方覆蓋了網格保護層。

當聲音進入麥克風后，聲壓波可使膜片振動，振動隨即轉換為聲音分貝。這個過程意味著麥克風的建模需要同時考慮到緊密耦合裝置中的力學、電氣和聲學現象——只有借助多物理場仿真工具才能實現。為了判斷麥克風的設計是否具有良好的一致性和可靠性，Brüel & Kj?r 在設備精度測試、新設計驗證階段采用了 COMSOL Multiphysics? 軟件。

使用多物理場仿真評估麥克風設計

如下圖所示，Brüel & Kj?r 推出的 4134 型電容式麥克風是開發電容式麥克風時常用的原型。電容式麥克風建模涉及到對膜片運動、膜變形、共振頻率以及粘滯與熱聲損耗進行模擬。由于麥克風尺寸小，縱橫比大，因此熱損耗和粘滯損耗會大大影響其性能。綜合上述因素，一個準確的模型必須包含大量細節。

4134 型麥克風的幾何模型顯示了簡化的扇形幾何中的網格。

為了保持精確度，同時縮短計算時間，研究人員在計算熱應力和共振頻率時利用了模型的對稱性。聲壓仿真可以采用相似的方法，但前提是聲音沿膜片法向入射。若聲波為非法向入射，則可以使用非對稱邊界條件。

完成了 4134 型麥克風的仿真驗證后，研究人員還使用了難以在現實中觀察到的參數對其他型號進行了模擬。例如，他們研究了通氣孔對麥克風測量低頻聲音的能力的影響。仿真讓 Brüel & Kj?r 公司能夠測試新型設計，并根據需求進行靈活更改。他們甚至可以具體案例具體分析，為客戶量身打造定制設備。

優化振動換能器的設計

除了改良麥克風設計之外，Brüel & Kj?r 的工程師還使用多物理場仿真對振動換能器設計進行優化與測試。他們的目標是創造一款擁有高內置電阻的設備，以適應惡劣的環境。為了實現這一目標，工程師必須設計出在所測振動范圍內沒有共振頻率的設備。所需振動范圍內的共振會破壞測量的準確性。

懸掛式壓電振動換能器的仿真結果。

為了保證裝置設計產生平滑的響應，研究人員嘗試了不同的材料和幾何組合。最終，通過增加一個機械濾波器，他們成功地設計了一款誤差范圍不超過 10％~12％ 的振動換能器，此數值完全在可接受的范圍內。

縮小誤差，完善測量

任何設備都不是完美的，但仿真打開了一條通向盡可能接近完美的通道。Brüel & Kj?r 的工程師可以在不同情況下迅速對新設計進行有效測試，獲得無法通過實驗確定的結果。仿真為企業提供了特別的信息優勢，不斷推出創新設計，從而在競爭中保持領先地位。

來源：COMSOL