扬声器的形状优化和拓扑优化

背景

压缩高音相位塞的声学形状优化

初始轴对称压缩高音相位塞的几何形状，其形状优化边界为蓝色，见下图。

优化后的几何形状，以及16kHz下1/4截面的声压分布情况

初始状态，和优化后相位塞管道的频率响应。可以优化后的设计看到有效抑制了一些谐振的模态。

低音扬声器音盆的振动声学耦合形状优化

由于音盆的边界也是空气的声学边界，进行形状优化时计算比较复杂。所以采用的是通过增加空气负载质量，以及瑞利积分来计算远场声压级。

当然瑞利积分是假设是平面膜片，以及无限大障板的情况，与实际情况会有一定的偏差。但误差一般而言不会特别明显，且频率响应的趋势应该是一致的。当然也可以直接声固耦合求解，只是计算量会大很多。

下图中红色是初始的音盆轮廓，灰色是优化后的音盆轮廓。

使用瑞利积分计算的1m轴线处的优化前后频率响应曲线。在较高频率段声压级提升。

当然这个研究也是存在局限的：

1. 只考虑了轴向响应，没有考虑离轴响应，即指向性的影响，评估不够全面。

2. 优化后的音盆锥体不具有恒定厚度，制造可能会存在困难。

但是还是对设计有较大帮助，指明了方向。可以再进一步进行参数优化以确定可工程化的细节设计。

低音扬声器磁路的形状优化

参考的是Comsol官方自带的磁路拓扑优化案例，改为使用形状优化。

磁路拓扑优化

红色是准备进行形状优化的边界。

优化后的T铁底部形状

低音扬声器盆架的拓扑优化和形状优化

拓扑优化：盆架去掉50%的初始物料，在轻量化以及透气前提下，使得刚度尽量大。

形状优化：肋条形状有了一些变化。红色是优化前局部厚度，绿色是优化后局部厚度。

不过图中可能看得不太显性。筋条设计也不太符合经验。模型可能还需要进一步调试。

可以参看我之前做的。

【扬声器仿真高阶应用】扬声器盆架设计的拓扑优化

同样也需要进一步进行参数优化才能真正用于实际产品的生产。

低音扬声器导热的拓扑优化

输入到扬声器的电能，除了部分转换为声能之外，大部分都变成了热能，造成温度上升。

温度提升会造成热压缩，降低输出的声压级，以及改变导磁、折环/弹波的弹性等，从而TS参数也会有所变化。

下图是针对散热器的拓扑优化的温度分布情况

高音扬声器的声学拓扑优化

高音相位塞的设计是直接通过声学拓扑优化得到，如下图灰色部件所示

优化前后的频率响应对比，高频更平坦，且输出声压级更大。

说明

优化目前还不能完全取代理论和经验设计，但能对设计方向作出合适的指导，值得深入研究。或许能探索出一些常规手段不那么容易找到的解决方案。