聲阻抗
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-08-31
聲阻抗的視頻教程
ABAQUS案例—ABAQUS中聲固耦合、聲輻射分析方法精講
對于邊界阻抗技術(shù)，實(shí)質(zhì)上屬于無反射邊界條件。然而當(dāng)用此來模擬結(jié)構(gòu)外部的區(qū)域時(shí)，結(jié)構(gòu)與輻射表面的距離必須足夠大（通常取聲波波長的1/3）。聲學(xué)無限單元計(jì)算公式與聲輻射阻抗邊界的計(jì)算有幾個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別：無限單元采用更高階的差值函數(shù)，而聲輻射邊界則采用一階差值函數(shù)。雖然無限元計(jì)算每個(gè)單元的花費(fèi)更高，但是無限單元的要比阻抗邊界精確很多，因此通過減小無限元的單元規(guī)模，從而可以大大的降低結(jié)構(gòu)總的計(jì)算時(shí)間。
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聲阻抗的實(shí)例教程
01
—
阻抗曲線
之前在群里問過這個(gè)揚(yáng)聲器額定阻抗估算的問題，沒得到非常滿意的答復(fù)。就自己琢磨研究了一下。最開始是希望能通過估算額定阻抗，從而預(yù)估其額定功率。因?yàn)楣β试囼?yàn)的電壓是以額定阻抗為基準(zhǔn)來計(jì)算的。
由最基礎(chǔ)的揚(yáng)聲器等效電路可以得到：
阻抗模的表達(dá)式
繪制阻抗曲線
02
—
估算額定阻抗
對上述阻抗模的表達(dá)式進(jìn)行求導(dǎo)操作，然后尋找導(dǎo)數(shù)為0的點(diǎn)，即極值點(diǎn)（極小值）。
通過計(jì)算，找到令下述表達(dá)式等于0對應(yīng)的頻率。然后再將頻率點(diǎn)代入上述阻抗模的表達(dá)式即可找到額定阻抗。
確定了揚(yáng)聲器的額定阻抗和其對應(yīng)頻率的準(zhǔn)確值，才能成功設(shè)計(jì)音箱的分頻網(wǎng)絡(luò)，從而求出每個(gè)揚(yáng)聲器所能承受的最大功率，這對音箱設(shè)計(jì)是很關(guān)鍵的。 單對揚(yáng)聲器單元本身來說，確定好額定阻抗也能對其承受功率有比較好的估計(jì)。
03
—
復(fù)雜模型
上述討論均基于簡化模型，未考慮復(fù)雜的電感模型，比如LR-2模型，LEACH模型，或WRIGHT模型等。
LEACH模型
LR-2模型
WRIGHT模型
LR-3模型
復(fù)雜模型得到解析解的方法可能會(huì)比較麻煩。不過基于同樣的原理，得到數(shù)值解是很簡單的事情。
總的來說，這種方式只能做為一種粗略的預(yù)估。
這篇文章盡是公式，放兩張渦流仿真的動(dòng)態(tài)圖吧。一個(gè)隨音圈位置變化，一個(gè)隨頻率變化。渦流效應(yīng)會(huì)減少電感，但增加電阻損失。
展開 4
聲阻抗
媒質(zhì)在一定表面上的聲阻抗，是該表面上的平均有效聲壓p 對通過該表面上的有效體積速度u 的比值：
聲阻抗的實(shí)數(shù)部分為聲阻，虛數(shù)部分為聲抗。而聲阻抗也可以用力阻抗表示，這時(shí)它等于力阻抗除以有關(guān)面積的平方。聲阻抗率是媒質(zhì)中某一點(diǎn)的有效聲壓對該點(diǎn)的有效質(zhì)點(diǎn)速度v 的比值：
在一自由平面聲波中，某點(diǎn)的有效聲壓p 對該點(diǎn)的有效質(zhì)點(diǎn)速度v 的比值稱為特性阻抗。它等于媒質(zhì)密度ρ0 和媒質(zhì)中聲速c 的乘積。
在溫度為20℃和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，空氣的特性阻抗大約為400Pa·s/m。
5
聲強(qiáng)
在某點(diǎn)按指定方向測定的聲強(qiáng)，是該點(diǎn)上在單位時(shí)間內(nèi)通過與指定方向垂直的單位面積的聲能平均值。在自由平面聲波或球面波的情況，聲波在傳播方向上的聲強(qiáng)為
式中，p 為有效聲壓，ρ0 為空氣密度，c 為空氣你中的聲速。
6
聲能密度
聲能密度是媒質(zhì)中無窮小部分的聲能與這部分媒質(zhì)體積的比值。聲能密度的瞬時(shí)值、最大值、峰值分別稱為瞬時(shí)聲能密度、最大聲能密度和峰值聲能密度。聲場中某點(diǎn)總的平均聲能密度為
式中，p 為有效聲壓，ρ0 為媒質(zhì)密度，c 為聲速。平均聲能密度必須說明是某一時(shí)刻的空間平均，還是某一點(diǎn)的時(shí)間平均，以免混淆。
7
聲源的聲功率
聲功率是單位時(shí)間內(nèi)垂直通過指定面積的聲能。
展開 “我們擔(dān)心客戶試圖在未定義聲阻抗的頻率范圍內(nèi)使用基于711的耳模擬器對產(chǎn)品進(jìn)行測量，這給市場帶來了許多不確定性，” HBK電信音頻市場經(jīng)理Lars Birger Nielsen說，“市場需求與批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)之間存在明顯的脫節(jié)。”
顯然，需要對
人耳的正確聲阻抗
進(jìn)行更廣泛的定義，但是這需要進(jìn)行長期的研究（超過十年），才能準(zhǔn)確地將平均聲阻抗定義為20kHz。5128型HATS的耳模擬器已經(jīng)達(dá)到了這個(gè)目標(biāo)，
現(xiàn)已在P.57標(biāo)準(zhǔn)中定義
。
“我們相信，這對于業(yè)界最終能夠在整個(gè)人類音頻帶寬上測量通信設(shè)備而言
是一個(gè)巨大突破
，我們在日常生活中越來越依賴遠(yuǎn)程通信，無論是為了商務(wù)還是娛樂，因此
確保最佳的音頻再現(xiàn)
會(huì)有所幫助，“HBK高級銷售副總裁Thomas Rosenkilde Anderson表示，“我們針對該領(lǐng)域的研究進(jìn)行了重大投資并開發(fā)出了產(chǎn)品，可以幫助我們的許多客戶
提高產(chǎn)品質(zhì)量
，我們對此感到自豪！”
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展開 首先，確定成人的平均耳道幾何形狀，然后測量和確定平均聲阻抗。
為了確定平均耳道幾何形狀，研究人員對40多名志愿者進(jìn)行了對比增強(qiáng)MRI掃描，借此將耳道幾何形狀的3D表示實(shí)現(xiàn)為實(shí)體幾何模型。通過基于圖像配準(zhǔn)算法的幾何平均來確定沿耳道長度方向的平均輪廓，從而生成成人平均耳道的3D模型。
下一步是通過該MRI研究確定32位受試者的平均聲阻抗。該階段要用到特殊設(shè)計(jì)的阻抗探頭，該阻抗探頭需在耳道中精確定位，使用MRI測量中提取的幾何形狀對每個(gè)受試者的單個(gè)耳塞進(jìn)行建模。阻抗探頭本身是使用兩個(gè)探頭麥克風(fēng)創(chuàng)建的，一個(gè)用于測量響應(yīng)，另一個(gè)用于充當(dāng)聲源。這項(xiàng)研究得出的數(shù)據(jù)提供了一系列阻抗曲線，用于得出平均聲阻抗曲線。
簡而言之，隨著這些研究計(jì)劃的完成，他們能夠確定成人耳道的平均幾何形狀和相應(yīng)的平均聲阻抗。
主觀分析與客觀分析之間的差異
談到主觀分析與客觀分析之間的相關(guān)性時(shí)，我發(fā)現(xiàn)一個(gè)耳機(jī)的例子與我在網(wǎng)上找到的711測量值完全不同。它就是Westone W60通用型耳機(jī)，這是一款高端耳機(jī)，至今已問世多年。Westone W60的每個(gè)聽筒中有6個(gè)平衡電樞驅(qū)動(dòng)器和3路無源分頻器。
這是我在網(wǎng)上找到的Westone W60的四個(gè)711測量值：
這是一起顯示的四個(gè)Westone W60 711頻響測量值：
本示例中我選擇了Westone W60，因?yàn)樵趽碛胁Ⅰ雎犃薟estone W60一段時(shí)間后，在網(wǎng)上找到了它的測量值，我發(fā)現(xiàn)很難調(diào)和兩者之間的差異——我所聽到的與我所看到的測量之間的差異。
測量一和測量二顯示，其低音遠(yuǎn)比實(shí)際聽起來要重，尤其是測量一，全部具有711的高幅值共鳴，從而定義了大部分高音。
展開 隨著對便攜式設(shè)備（例如手機(jī)、電話、耳機(jī)和音頻流設(shè)備）具有更好的音頻質(zhì)量的需求不斷增長，顯然，傳統(tǒng)“711”耦合器的8kHz帶寬并不足夠，因此需要一種新的方法，在
整個(gè)音頻范圍內(nèi)匹配人耳的聲阻抗。
初步研究表明，3.3型耳模擬器的幾何形狀過于簡單，因此無法將人耳的復(fù)數(shù)聲阻抗復(fù)制到20kHz，需要更“擬人”的幾何形狀。
當(dāng)然，問題在于，
每個(gè)耳朵都不一樣。那么，我們?nèi)绾味x可以代表普通人耳的實(shí)際形狀呢？
我們需要
確定平均幾何形狀和阻抗，對平均幾何形狀的追求始于40多名志愿者的MRI掃描，他們來自不同年齡、種族和性別。初步的MRI掃描并未得到好的數(shù)據(jù)，因?yàn)閳D像中的耳道壁不夠清晰。通過在耳道中添加造影劑，這個(gè)問題得以解決，這樣就可以得到足夠高質(zhì)量的圖像，以準(zhǔn)確表征耳道。通過MRI掃描，他們能夠創(chuàng)建耳道幾何形狀的準(zhǔn)確3D畫像，并可以將其轉(zhuǎn)換為實(shí)體幾何模型。
盡管志愿者耳道的總體形狀大致相似，他們之間的
細(xì)節(jié)差異很大。使用圖像配準(zhǔn)方法進(jìn)行幾何平均，用于確定沿耳道長度的平均輪廓，從而得到用作耳道設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的平均3D模型。此處，我們將幾何平均值與測量的對象之一進(jìn)行比較。如您所見，平均值保留了各個(gè)度量的關(guān)鍵特征，但消除了更多
隨機(jī)細(xì)節(jié)。
該過程的第二步是
確定平均聲阻抗。這需要使用專門設(shè)計(jì)的阻抗探頭，該探頭需要能在耳道中精確定位。為此，使用從MRI測量中提取的幾何形狀，為每個(gè)志愿者模制單獨(dú)的耳塞。每個(gè)耳塞都設(shè)計(jì)為將探頭盡可能地靠近距鼓膜19mm的公共參考平面。阻抗探頭本身是使用兩個(gè)傳聲器探頭組件的，一個(gè)用于測量響應(yīng)，另一個(gè)用于充當(dāng)聲源。測量探頭外殼中的盤管可在探頭尖端提供平滑的頻率響應(yīng)和高聲阻抗。
展開 
聲阻抗的最新內(nèi)容
軟件內(nèi)置涵蓋多孔吸聲材料、纖維復(fù)合材料、彈性體等 120 + 類材料的聲學(xué)特性數(shù)據(jù)庫，支持自定義材料參數(shù)擬合，結(jié)合 1D/2D/3D 多維度單元庫（含無限元、邊界元、周期性結(jié)構(gòu)單元），可高效處理復(fù)雜邊界條件（如非均勻聲場、運(yùn)動(dòng)邊界、聲阻抗邊界），計(jì)算精度滿足 ISO 3744/3745 等國際聲學(xué)測試標(biāo)準(zhǔn)要求。
聲學(xué)材料測試：提供阻抗管和實(shí)驗(yàn)室法材料吸隔聲測試設(shè)備，用于測量聲學(xué)材料的聲阻抗、導(dǎo)納、吸聲系數(shù)等參數(shù)，滿足不同標(biāo)準(zhǔn)和頻率范圍的測試需求。
電聲測試：提供完整的電聲測試系統(tǒng)，包括傳聲器、耦合腔、人工嘴、人工耳等，以及電聲測量分析軟件，確保電聲器件聲學(xué)參數(shù)的精確測量。
這項(xiàng)研究得出的數(shù)據(jù)提供了一系列阻抗曲線，用于得出平均聲阻抗曲線。
簡而言之，隨著這些研究計(jì)劃的完成，他們能夠確定成人耳道的平均幾何形狀和相應(yīng)的平均聲阻抗。
主觀分析與客觀分析之間的差異
談到主觀分析與客觀分析之間的相關(guān)性時(shí)，我發(fā)現(xiàn)一個(gè)耳機(jī)的例子與我在網(wǎng)上找到的711測量值完全不同。
計(jì)算兩個(gè)傳聲器的傳遞函數(shù)，可以計(jì)算出反射系數(shù)、吸聲系數(shù)和聲阻抗率等聲學(xué)量。
圖4 阻抗管示意圖：2傳聲器
3.2 ASTM2611-17
在阻抗管中用四個(gè)傳聲器法測試聲學(xué)材料的隔聲量，通過將測試樣件安裝在管中，激勵(lì)源產(chǎn)生平面波，在前管（傳聲筒）靠近樣品的兩個(gè)位置測試聲壓，求得兩個(gè)傳聲器信號(hào)的聲壓傳遞函數(shù)。
圖3.幾何模型的構(gòu)建
吸聲系數(shù)曲線的數(shù)值模擬值如下所示：
圖4.數(shù)值模擬中的吸聲系數(shù)
理論計(jì)算：
通過聲電類比法計(jì)算得到聲學(xué)超表面的吸聲系數(shù)，其理論計(jì)算如下：
首先由經(jīng)典的微穿孔理論得到吸聲結(jié)構(gòu)的聲阻抗和吸聲系數(shù)：
yc為環(huán)繞型腔體的等效聲阻抗：
在計(jì)算軟件中導(dǎo)入吸聲系數(shù)理論計(jì)算的公式，從而計(jì)算出吸聲系數(shù)曲線
靈敏度：靈敏度對于揚(yáng)聲器來說，就是從電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)的靈敏度，對于麥克風(fēng)來說就是從聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的靈敏度
頻率響應(yīng)：頻率響應(yīng)包含了幅值響應(yīng)、相位響應(yīng)、輸出響應(yīng)以及幅值線性度
非線性失真：常見的是諧波失真、互調(diào)失真和差頻失真
（點(diǎn)擊這里，查看諧波失真、互調(diào)失真及差頻失真的定義、公式及比較）
指向性：包括揚(yáng)聲器發(fā)送聲音的方向性，傳聲器接收聲音的方向性
阻抗曲線：主要是針對揚(yáng)聲器的交流阻抗特性測試
首先要?jiǎng)?chuàng)建接觸屬性Acoustic impedance ，Impedance是聲阻抗，Admittance是聲導(dǎo)納，它們互為倒數(shù)，都是復(fù)數(shù)值。如果將導(dǎo)納設(shè)為0，則為剛性壁面屬性，與不加任何邊界條件效果相同。編輯Interaction中Nonreflecting為設(shè)置完全吸收邊界條件的選項(xiàng)。
7.
由吸聲系數(shù)理論模型可知，薄膜型結(jié)構(gòu)的吸聲性能與振型模態(tài)、相對聲阻抗率有關(guān)。對有無附加質(zhì)量塊的薄膜型結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，探討振型模態(tài)與吸聲系數(shù)曲線的對應(yīng)關(guān)系。
研究內(nèi)容：
由吸聲系數(shù)理論模型可知，薄膜型結(jié)構(gòu)的吸聲性能與振型模態(tài)、相對聲阻抗率有關(guān)，對有無附加質(zhì)量塊的薄膜型結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，探討振型模態(tài)與吸聲系數(shù)曲線的對應(yīng)關(guān)系。
蜂窩聲阻抗特性可以由以下3個(gè)因素調(diào)節(jié)：（a）蜂窩腔中隔帽數(shù)量；（b）蜂窩腔中隔帽位置；（c）不同種類聲阻抗特性隔帽。相比傳統(tǒng)多自由度聲襯，采用該種蜂窩制備聲襯厚度較薄所需安裝空間小，聲襯整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。目前此蜂窩已用于通用電氣、羅·羅、CFM國際等公司生產(chǎn)的多型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅減輕了質(zhì)量而且實(shí)現(xiàn)了多達(dá)30%的噪聲衰減。
注意，這里我們使用聲阻抗管的主管作為波導(dǎo)
預(yù)測OBAM的傳輸損失：(A)使用傳遞矩陣法設(shè)置5個(gè)點(diǎn)來幫助研究聲壓關(guān)系。點(diǎn)1和點(diǎn)2分別為折紙諧振器在波導(dǎo)管上的前后點(diǎn)，點(diǎn)3和點(diǎn)4分別為聲波通過穿孔前后點(diǎn)，點(diǎn)5為折紙諧振器末端點(diǎn)；(B)有限元模型，左面板和右面板分別為物理場和網(wǎng)格設(shè)置。聲阻抗設(shè)置在折紙諧振器的末端。
