聲阻抗的案例
揚聲器額定阻抗估算
01
—
阻抗曲線
之前在群里問過這個揚聲器額定阻抗估算的問題，沒得到非常滿意的答復。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，從而預估其額定功率。因為功率試驗的電壓是以額定阻抗為基準來計算的。
由最基礎的揚聲器等效電路可以得到：
阻抗模的表達式
繪制阻抗曲線
02
—
估算額定阻抗
對上述阻抗模的表達式進行求導操作，然后尋找導數為0的點，即極值點（極小值）。
通過計算，找到令下述表達式等于0對應的頻率。然后再將頻率點代入上述阻抗模的表達式即可找到額定阻抗。
確定了揚聲器的額定阻抗和其對應頻率的準確值，才能成功設計音箱的分頻網絡，從而求出每個揚聲器所能承受的最大功率，這對音箱設計是很關鍵的。 單對揚聲器單元本身來說，確定好額定阻抗也能對其承受功率有比較好的估計。
03
—
復雜模型
上述討論均基于簡化模型，未考慮復雜的電感模型，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
復雜模型得到解析解的方法可能會比較麻煩。不過基于同樣的原理，得到數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估。
這篇文章盡是公式，放兩張渦流仿真的動態圖吧。一個隨音圈位置變化，一個隨頻率變化。渦流效應會減少電感，但增加電阻損失。
展開 聲學基礎：聲波的特性介紹 附聲學基礎杜功煥下載
4
聲阻抗
媒質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：
聲阻抗的實數部分為聲阻，虛數部分為聲抗。而聲阻抗也可以用力阻抗表示，這時它等于力阻抗除以有關面積的平方。聲阻抗率是媒質中某一點的有效聲壓對該點的有效質點速度v 的比值：
在一自由平面聲波中，某點的有效聲壓p 對該點的有效質點速度v 的比值稱為特性阻抗。它等于媒質密度ρ0 和媒質中聲速c 的乘積。
在溫度為20℃和標準大氣壓時，空氣的特性阻抗大約為400Pa·s/m。
5
聲強
在某點按指定方向測定的聲強，是該點上在單位時間內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
聲能密度是媒質中無窮小部分的聲能與這部分媒質體積的比值。聲能密度的瞬時值、最大值、峰值分別稱為瞬時聲能密度、最大聲能密度和峰值聲能密度。聲場中某點總的平均聲能密度為
式中，p 為有效聲壓，ρ0 為媒質密度，c 為聲速。平均聲能密度必須說明是某一時刻的空間平均，還是某一點的時間平均，以免混淆。
7
聲源的聲功率
聲功率是單位時間內垂直通過指定面積的聲能。
展開 行業標準 | 5128 HATS列入電信設備測試標準
“我們擔心客戶試圖在未定義聲阻抗的頻率范圍內使用基于711的耳模擬器對產品進行測量，這給市場帶來了許多不確定性，” HBK電信音頻市場經理Lars Birger Nielsen說，“市場需求與批準的標準之間存在明顯的脫節。”
顯然，需要對
人耳的正確聲阻抗
進行更廣泛的定義，但是這需要進行長期的研究（超過十年），才能準確地將平均聲阻抗定義為20kHz。5128型HATS的耳模擬器已經達到了這個目標，
現已在P.57標準中定義
。
“我們相信，這對于業界最終能夠在整個人類音頻帶寬上測量通信設備而言
是一個巨大突破
，我們在日常生活中越來越依賴遠程通信，無論是為了商務還是娛樂，因此
確保最佳的音頻再現
會有所幫助，“HBK高級銷售副總裁Thomas Rosenkilde Anderson表示，“我們針對該領域的研究進行了重大投資并開發出了產品，可以幫助我們的許多客戶
提高產品質量
，我們對此感到自豪！”
您還可以通過如下方式聯系我們，了解更多產品與應用詳情：
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展開 我們真的需要新的聽力模擬標準嗎？
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多名志愿者進行了對比增強MRI掃描，借此將耳道幾何形狀的3D表示實現為實體幾何模型。通過基于圖像配準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計的阻抗探頭，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受試者的單個耳塞進行建模。阻抗探頭本身是使用兩個探頭麥克風創建的，一個用于測量響應，另一個用于充當聲源。這項研究得出的數據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，隨著這些研究計劃的完成，他們能夠確定成人耳道的平均幾何形狀和相應的平均聲阻抗。
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性時，我發現一個耳機的例子與我在網上找到的711測量值完全不同。它就是Westone W60通用型耳機，這是一款高端耳機，至今已問世多年。Westone W60的每個聽筒中有6個平衡電樞驅動器和3路無源分頻器。
這是我在網上找到的Westone W60的四個711測量值：
這是一起顯示的四個Westone W60 711頻響測量值：
本示例中我選擇了Westone W60，因為在擁有并聆聽了Westone W60一段時間后，在網上找到了它的測量值，我發現很難調和兩者之間的差異——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，其低音遠比實際聽起來要重，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 
如何定義可以代表普通人耳的實際形狀？
隨著對便攜式設備（例如手機、電話、耳機和音頻流設備）具有更好的音頻質量的需求不斷增長，顯然，傳統“711”耦合器的8kHz帶寬并不足夠，因此需要一種新的方法，在
整個音頻范圍內匹配人耳的聲阻抗。
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數聲阻抗復制到20kHz，需要更“擬人”的幾何形狀。
當然，問題在于，
每個耳朵都不一樣。那么，我們如何定義可以代表普通人耳的實際形狀呢？
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據，因為圖像中的耳道壁不夠清晰。通過在耳道中添加造影劑，這個問題得以解決，這樣就可以得到足夠高質量的圖像，以準確表征耳道。通過MRI掃描，他們能夠創建耳道幾何形狀的準確3D畫像，并可以將其轉換為實體幾何模型。
盡管志愿者耳道的總體形狀大致相似，他們之間的
細節差異很大。使用圖像配準方法進行幾何平均，用于確定沿耳道長度的平均輪廓，從而得到用作耳道設計基礎的平均3D模型。此處，我們將幾何平均值與測量的對象之一進行比較。如您所見，平均值保留了各個度量的關鍵特征，但消除了更多
隨機細節。
該過程的第二步是
確定平均聲阻抗。這需要使用專門設計的阻抗探頭，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，為每個志愿者模制單獨的耳塞。每個耳塞都設計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傳聲器探頭組件的，一個用于測量響應，另一個用于充當聲源。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和高聲阻抗。
展開 基于comsol進行共振薄膜聲學超材料的模態分析
研究背景：
從聲學超材料出現到薄膜型和薄板型聲學超材料局域共振隔聲機理的廣泛研究，其負等效質量和負等效密度特性打破了傳統吸隔聲材料質量定律的限制，為低頻吸隔聲提供了新途徑。由吸聲系數理論模型可知，薄膜型結構的吸聲性能與振型模態、相對聲阻抗率有關。對有無附加質量塊的薄膜型結構進行預應力模態分析，探討振型模態與吸聲系數曲線的對應關系。
研究內容：
由吸聲系數理論模型可知，薄膜型結構的吸聲性能與振型模態、相對聲阻抗率有關，對有無附加質量塊的薄膜型結構進行預應力模態分析，探討振型模態與吸聲系數曲線的對應關系。
圖1.薄膜型結構
圖2.無中心質量塊薄膜型結構的固有模態分析
圖3. 含中心質量塊薄膜型結構的固有模態分析
數值模擬：
分別對有無附加質量塊的薄膜型結構進行預應力模態分析，預應力模態仿真選取的聚酰亞胺薄膜彈性模量為 2.35GPa，泊松比為 0.38，選取的結構鋼質量塊彈性模量為 200GPa，泊松比為 0.30。進行COMSOL 預應力模態仿真時，圓形薄膜結構采用膜單元(Membrane)，薄膜中心質量塊結構進行添加質量處理，除邊界條件的設置外，還需在薄膜表面施加初始面應力 200N/m。仿真分析的步驟如下所示。
（1）建立幾何模型
圖4.幾何模型的構建
（2）設置物理場
圖5.物理場的設置
（3）模態分析
無附加質量塊張緊圓膜結構和附加圓形質量塊薄膜型結構的前6階固有頻率和模態振型仿真結果如圖。可以看出在comsol中利用膜單元對薄膜型結構的固有模態分析結果與原文中對應的十分準確。
圖6. 復現無中心質量塊薄膜型結構的固有模態
圖7.
展開 基于comsol熱黏性聲學模塊仿真聲學超材料的聲學特性
基于完全耦合的聲學熱力學方程和理論阻抗分析的模擬被用于揭示基礎物理和聲學性能，顯示出極好的一致性。
圖1.傳統微穿孔板與聲學超表面的結構示意圖
圖2.論文中阻抗分析和數值模擬的吸聲系數曲線
數值模擬：
在comsol中利用熱黏性聲學接口對聲學超材料的聲學特性進行仿真分析。建立的幾何模型如下所示。
圖3.幾何模型的構建
吸聲系數曲線的數值模擬值如下所示：
圖4.數值模擬中的吸聲系數
理論計算：
通過聲電類比法計算得到聲學超表面的吸聲系數，其理論計算如下：
首先由經典的微穿孔理論得到吸聲結構的聲阻抗和吸聲系數：
yc為環繞型腔體的等效聲阻抗：
在計算軟件中導入吸聲系數理論計算的公式，從而計算出吸聲系數曲線
吸聲系數曲線的理論計算值如下所示
圖5.理論計算得到的吸聲系數
綜上，理論計算和數值分析的吸聲系數曲線具有很好的一致性，同時與論文中的結果完全相同。
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”聯系我們
展開 我們真的需要新的聽力模擬標準嗎？
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多名志愿者進行了對比增強MRI掃描，借此將耳道幾何形狀的3D表示實現為實體幾何模型。通過基于圖像配準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計的阻抗探頭，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受試者的單個耳塞進行建模。阻抗探頭本身是使用兩個探頭麥克風創建的，一個用于測量響應，另一個用于充當聲源。這項研究得出的數據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，隨著這些研究計劃的完成，他們能夠確定成人耳道的平均幾何形狀和相應的平均聲阻抗。
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
之間的相關性時，我發現一個耳機的例子與我在網上找到的711測量值完全不同。它就是Westone W60通用型耳機，這是一款高端耳機，至今已問世多年。Westone W60的每個聽筒中有6個平衡電樞驅動器和3路無源分頻器。
展開 為什么你需要一臺全新5128型高頻頭和軀干模擬器？
測量人耳耳道解剖學構造時，我們還測量了每一只單耳的全音域聲阻抗，從而
測定人體平均聲阻抗。為達到高達20kHz耳膜模擬器響應頻率的精度（請牢記，20kHz聲波波長小于2cm），我們必須在設計和制程階段
采用前所未有的精確度。我們的目的是使
人造耳膜的大小更接近人耳耳膜。為此，我們開發了一款獨特的平直聲壓響應的新型?英寸預極化傳聲器和一款新型低噪聲前置放大器。一款兼具頻率響應與聲阻抗性能的新型耳膜模擬器最終得以問世。
模擬器也經過重新設計。我們采用幾何構造經過優化的定制型揚聲器元件和磁鐵系統，優化了揚聲器箱的體積，從而得到了
全音域嘴模擬器（低頻率和高頻率范圍內的響應頻率均有所擴展）。這也使得嘴模擬器發出的聲音在高頻衰減改善的情況下變得更響亮。這款新型嘴模擬器還配有一個內置放大器，可
簡化測量設置并降低系統成本。
還有哪些亮點？
5128型高頻頭和軀干模擬器配有一個包括電源輸入和嘴部信號輸入功能的連接器側面板，以及兩個恒流源驅動(CCLD)傳聲器連接器（CCLD傳聲器適用于價格便宜的BNC電纜、采集前端和適調系統）。
展開 【每日新文】基于折紙的可調寬帶聲衰減聲學超材料
本文通過理論、數值和實驗的方法對OBAM的聲衰減特性進行了廣泛的研究，并用傳輸損耗(TL)來量化OBAM的聲衰減特性。 通過利用手風琴折紙的單自由度特性，可以很容易地通過壓力來調節OBAM的聲音衰減。 采用傳遞矩陣法對OBAM的TL進行了解析計算，并與有限元法和聲阻抗法的計算結果進行了比較。結果表明，理論方法、數值方法和實驗方法具有良好的一致性，并且在中低頻段內可以通過壓力來方便地定量地調諧TL。 工作頻帶帶寬（TL大于10 dB)，有效衰減聲能90%以上，在271-790 Hz范圍內可達500 Hz,其中以λ為工作波長的OBAM厚度僅為1/18-1/6λ，顯示了OBAM在亞波長下強大的寬帶低頻消聲能力。此外，所提出的OBAM允許氣流滲透，具有很高的設計靈活性和可編程性，并且保持尺度無關、實時調整和不需要復雜的控制算法。 本研究為高效通風的有效可調諧寬頻帶隔聲衰減設備奠定了基礎。
OBAM的幾何設計：(A)聲學超材料的兩個主要部分，包括折紙諧振腔和波導管;(B)折紙諧振器的組成，由手風琴折紙、剛性上板、底座、密封腔組成；(C)手風琴折紙單元格的二維折痕圖和三維拓撲構型，左面板為二維折痕圖，右面板為三維拓撲構型。
OBAM原型的制作：(A)制作工藝，主要包括八個步驟。前7步是制作折紙諧振器原型，最后8步是形成OBAM原型；(B)一個典型的折紙諧振器原型的放大視圖，頂部有一個進氣軟管；(C)組裝折紙諧振器和波導管，形成OBAM原型。注意，這里我們使用聲阻抗管的主管作為波導
預測OBAM的傳輸損失：(A)使用傳遞矩陣法設置5個點來幫助研究聲壓關系。點1和點2分別為折紙諧振器在波導管上的前后點，點3和點4分別為聲波通過穿孔前后點，點5為折紙諧振器末端點；(B)有限元模型，左面板和右面板分別為物理場和網格設置。
展開 干貨丨北京航材院：航空發動機樹脂基復合材料的應用
圖4 民用渦扇發動機風扇機匣結構變化
3 聲襯
進氣風扇噪聲已成為現代大涵道比航空發動機噪聲的主要來源。在進氣道內鋪設聲襯是航空發動機消聲降噪的重要方式之一。聲襯所具有的穿孔板蜂窩結構可視為數個并聯的亥姆霍茲共振結構。當其共振頻率與噪聲頻率匹配時起到消聲效果。傳統單自由度聲襯噪聲吸收頻帶較窄，多自由度聲襯雖能拓寬吸聲頻帶，但也存在加工工藝復雜、尺寸較大、結構增重較多的問題。
基于以上問題，赫氏公司開發了商品名為Acousti-Cap的隔帽內嵌式蜂窩，如圖5所示。由表面穿孔柔性材料（如聚醚醚酮，PEEK）折疊成隔帽形狀嵌入蜂窩腔中膠粘定位，從而起到雙自由度聲襯中聲學隔膜的作用。蜂窩聲阻抗特性可以由以下3個因素調節：（a）蜂窩腔中隔帽數量；（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，聲襯整體結構強度較高。目前此蜂窩已用于通用電氣、羅·羅、CFM國際等公司生產的多型航空發動機，不僅減輕了質量而且實現了多達30%的噪聲衰減。
傳統進氣道消聲板為拼接分片式設計，拼接造成進氣道壁面聲阻抗不連續削弱了消聲效果。
展開 
設計仿真 | Actran幫助現代新能源汽車設計行人警示揚聲器
解 決 方 案
1) APAS模擬
現代工程師利用Actran軟件模擬喇叭，使用喇叭制造商提供的規格單中的Thiele/Small(T/S)參數進行建模，并將其與模擬喇叭內部腔體和外部的聲輻射空間的有限單元模型進行耦合。
喇叭的聲學有限元模型
Actran計算6000Hz以下車輛區域的聲壓和聲阻抗。
2）使用仿真結果優化喇叭設計
喇叭的背腔對頻譜特性的影響
現代通過Actran進行一系列參數研究，尋找各主要設計變量對聲場的影響。歐盟和美國法規要求，在1600Hz以下和800Hz以下至少分別發出一個頻率的警報聲音。APAS喇叭的驅動單元很小，因此滿足低頻聲音要求比較困難。同時實驗分析顯示，在400Hz以下的一個頻率可以較明顯的傳遞到乘客艙，這影響了乘客的舒適感。
展開 案例分享 | 現代新能源汽車行人警示揚聲器分析
MSC 解決方案
1) APAS模擬
現代工程師利用MSC Actran軟件模擬喇叭， 使用喇叭制造商提供的規格單中的Thiele/Small(T/S)參數進行建模，并將其與模擬喇叭內部腔體和外部的聲輻射空間的有限單元模型進行耦合。Actran計算6000Hz以下車輛區域的聲壓和聲阻抗。
喇叭的聲學有限元模型
2) 使用仿真結果優化喇叭設計
現代通過Actran進行一系列參數研究，尋找各主要設計變量對聲場的影響。歐盟和美國法規要 求，在1600Hz以下和800Hz以下至少分別發出一個頻率的警報聲音。APAS喇叭的驅動單元很小， 因此滿足低頻聲音要求比較困難。同時實驗分析顯示，在400Hz以下的一個頻率可以較明顯的傳遞到乘客艙，這影響了乘客的舒適感。接下來工程師 在喇叭上加入背腔設計，并做了數值仿真，通過 掃頻分析發現此時聲阻抗頻率從400Hz改變到490Hz，這一改變既可以滿足法規要求，同時也保證了成員的舒適性。
喇叭的背腔對頻譜特性的影響
聲波導管可以保護喇叭不受環境中水汽的影 響，而且在聲音調校方面起到重要作用。工程師使用Actran管道聲場仿真技術進行導管的設計以加強中頻1500Hz聲音傳播。同時喇叭內部覆蓋件和驅動單元之間的空間得到優化，以加強4400Hz附近的聲壓級。
展開 【科普系列】民用航空發動機樹脂基復合材料應用
圖4 民用渦扇發動機風扇機匣結構變化
3 聲襯
進氣風扇噪聲已成為現代大涵道比航空發動機噪聲的主要來源。在進氣道內鋪設聲襯是航空發動機消聲降噪的重要方式之一。聲襯所具有的穿孔板蜂窩結構可視為數個并聯的亥姆霍茲共振結構。當其共振頻率與噪聲頻率匹配時起到消聲效果。傳統單自由度聲襯噪聲吸收頻帶較窄，多自由度聲襯雖能拓寬吸聲頻帶，但也存在加工工藝復雜、尺寸較大、結構增重較多的問題。
基于以上問題，赫氏公司開發了商品名為Acousti-Cap的隔帽內嵌式蜂窩，如圖5所示。由表面穿孔柔性材料（如聚醚醚酮，PEEK）折疊成隔帽形狀嵌入蜂窩腔中膠粘定位，從而起到雙自由度聲襯中聲學隔膜的作用。蜂窩聲阻抗特性可以由以下3個因素調節：（a）蜂窩腔中隔帽數量；（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，聲襯整體結構強度較高。目前此蜂窩已用于通用電氣、羅·羅、CFM國際等公司生產的多型航空發動機，不僅減輕了質量而且實現了多達30%的噪聲衰減。
傳統進氣道消聲板為拼接分片式設計，拼接造成進氣道壁面聲阻抗不連續削弱了消聲效果。受益于復合材料進氣道無拼接聲襯設計，歐洲空中客車公司(Airbus)早期A320飛機發動機進氣道聲襯拼縫為3片15 cm，之后A340-600飛機發動機為2片7.5 cm寬。采用樹脂基復合材料整體成型工藝后，A380飛機發動機為環形無拼接聲襯（圖6）。
展開 用于現場測量吸聲的新方法
對非粘合聲學材料的直流阻力測量（頻率= 0Hz）已被對完全沾合且完成所有制造過程的產品進行現場聲阻抗頻譜的測量所取代。 為了滿足這一需求，Brüel & Kj?r已經向市場推出了一種先進的法蘭式的便攜式阻抗管，并提供測量面板阻抗，非線性和質量控制中的通過/失敗允差的方法步驟。
該便攜式管道可測量阻抗，這在內飾聲學中通常是不被評估的參數，內飾聲學主要測量吸聲系數。 然而，阻抗能給設計人員提供了評估和改進面板損耗能力所需的信息。
GKN航空零拼接面板的阻抗測試
吸聲控制是在汽車，卡車，火車和飛機以及室內聲學中得到可接受的艙室聲學的關鍵。 壁掛式吸音器是降低反射聲音百分比的一種方法。 大樣件的吸聲特性通常是在專用的混響室中測量，而小尺寸樣品可以被切割并放置到阻抗管中。 然而，最終安裝狀態并不總是與實驗室中測量的狀態相同。 由于吸聲材料的多樣性，安裝的吸聲裝置會表現得不同。 它也可能受到局部約束的影響（例如，通過材料密度的改變，或者對有效的空腔深度的改變）。 因此對這些吸聲裝置的現場聲學性能的測量最近得到了更大的關注，因為設計師們試圖最大限度地提高所安裝環境中的每一尺寸的潛在吸聲能力。
用于現場測量的可用方法包括Adrienne現場反射法和Microflown p-u探針法。 然而，這些程序僅測量給定裝置的吸聲系數頻譜，而Brüel & Kj?r管可測量吸聲和阻抗，能用于評估給定裝置的頻率相關的聲阻和聲抗成分。 至關重要的是，這些額外的信息可用于對裝置重新設計或改進，以提高單位面積的吸聲能力。
9737型便攜式阻抗計是一種用戶友好的，快速無損聲學材料測試的裝備
Brüel & Kj?r最近進行了一項研究，將法蘭阻抗管測量與混響室測量，及采用帶樣件固定器的傳統阻抗管測量的結果進行比較。
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