便携式扬声器的设计与优化

以下文章来源于COMSOL ,作者Thomas Forrister

在 20 世纪 70 至 80 年代,音乐爱好者们会在他们的房间中都安装立体声系统。大体积的方形扬声器是这些立体声系统的基本设备。如今,扬声器设计出现了一个新的趋势:消费者希望扬声器的功能既强大又便于携带,并且能够连接到家中和移动中的设备。要设计复杂但重量轻的扬声器,可以通过优化扬声器组件的拓扑结构来实现,例如扬声器驱动器中的磁路。

扬声器设计中便携性的优势

目前的扬声器具可以兼容各种音频输入和更广阔的频率范围,这使他们能够与虚拟助手进行交互;能够无线播放音乐;并能够连接到其他部件,例如超重低音扬声器(低音炮)。这些技术进步创造了新的设计需求。例如,一些扬声器是防水的,因此可以在淋浴时或游泳池旁使用。或许是消费者更加关心的问题:希望扬声器设计能够经久耐用,方便他们可以随时使用该产品(随取随用)。

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左:大约 1980 年代,一个去除了外框格栅的扬声器。图片来自 PT35 自己的作品。过Wikimedia Commons 获得 CC BY-SA 3.0许可。右图:采用蓝牙®无线技术的现代便携式扬声器示例。图片来自 TAKKA@PPRS 自己的作品。通过 Flickr Creative Commons CC BY-SA 2.0 获得许可。

随着消费者偏好的变化,便携性几乎成为一个设计要求。工程师需要设计更小、更轻的扬声器,以保持音质和性能标准。为了最大限度地提高扬声器的性能,同时使其总质量最小,我们可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件及其附加的组件优化模块对其进行拓扑优化。

使用 COMSOL Multiphysics® 优化磁路设计

在扬声器驱动器中,磁路将磁通量集中到气隙中。垂直于磁力线缠绕的线圈被放置在气隙中,并被直接连接到扬声器的振膜上。当电流流过线圈时,电磁力引起运动。振膜接收这种运动,并与空气相互作用,产生声波。

磁路由一个铁轭构成,它执行两个重要功能:

  1. 最大化集中在线圈上的磁通量
  2. 在线圈上提供均匀的磁场

在这个示例中,电路的几何形状类似于扬声器驱动器模型中的几何形状。由原 B-H 曲线推导出铁的非线性相对磁导率,可以很方便地表示铁的本构关系。

这为拓扑优化奠定了基础,在拓扑优化中,渗透率将很容易与控制变量场结合,以驱动优化过程。

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要确定磁路铁轭的最佳形状,可以使用拓扑优化。

磁路性能的典型灵敏值是 BL 参数或力因子,它是气隙中磁通量和线圈长度的乘积。BL 参数越大,磁路的性能越高。对于多目标研究,我们可以将 BL 参数和铁轭的重量看作目标参数,将组件的扫描形状作为控制变量和参数,建立函数关系。

找到拓扑优化解决方案后,我们可以提取优化的几何图形并对其进行重构,以便进行进一步分析。

磁路的性能评估和设计

原始几何形状包括一个体积为 37cm³ 的铁域,特别是铁轭的下臂。在前两项研究中,我们分析了初始(次优)电路配置的磁场,并通过将磁场与标准 B-H 公式进行比较来验证非线性相对磁导率方法。

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左:原始几何形状(红色:铁,蓝色:空气)。右图:初始配置的磁通量密度范数和线。

磁路的拓扑优化

通过添加优化 接口,我们可以进一步减小铁轭的体积,同时保持高磁性能。

第三项研究从两步拓扑优化开始,始终寻求最高可能的 BL 并从铁体积大约为 52cm³ 的“完整”圆柱形环开始。前一个条件作为线圈 域上的一个整体目标来实现;后者作为积分不等式约束,要求轭的体积尽可能接近目标体积。

研究3 的目标是将体积减小到 37cm³,结果与原始几何形状非常相似,证实原始几何形状确实已经接近最优。研究4寻求以更小几何形状获得最佳性能,表示为整个体积的 50% 填充系数;即 26cm³。

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左图:优化的几何形状,其中铁轭下臂的体积为 26cm³。右图:优化配置的磁通密度范数和线。

两项研究的结果具有可比性。尽管具有优化拓扑的几何体更小,但性能没有任何降低。

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磁通量密度范数的三维旋转图,显示最终优化的几何形状。

以上这些研究表明,拓扑优化可用于为扬声器组件找到可能最佳的形状和约束参数。

在准备对优化配置进行进一步分析时,优化分析的最终形状可以作为独立的几何图形导出。

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左图:定义了最佳铁/空气阈值的等高线图。右图:作为几何对象导入的优化几何形状。

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