扬声器/耳机/麦克风电声设计研发，为什么我推荐COMSOL仿真?

导读：大家好，我是辜磊，声学号角公 众号主编，也是仿真秀的认证讲师。自2010年以来，我一直致力于扬声器和音箱的研发工作。曾几何时，我们主要依赖的仿真工具是免费的2D磁路仿真软件femm。真正的扬声器仿真之旅在2012年开始，跟着一位美籍华人同事学习如何使用Ansys。然而，时隔11年，我在仿真秀发布了自己原创声学仿真课程《如何成为电声高手-COMSOL声学仿真32讲》构建声学产品工程师知识体系，终于上架了，详情见后文。

一、我的电声仿真学习之路

1、自学电声仿真，我走了不少弯路

我记得我们当时使用的是APDL界面，操作起来相当复杂，需要自定义单元类型，自行转换量纲单位，这让我感觉像是在使用上世纪的软件。随后，公司购买了Ansys，我通过官方培训掌握了如何操作更友好的Workbench界面，并学习了一些其他行业的案例。然而，那时候扬声器和音箱的仿真还在初步阶段，仿真能力和真实测量结果能达到何种一致性还未知。在中国，从事电声相关仿真工作的人还很少，我主要参考了一些国外的英文论文，查看他们的扬声器和音箱仿真结果，并尝试着仿照其他行业的案例进行仿真。

我曾试图通过仿真复现一些扬声器的测试结果，但由于没有人指导，我走了不少弯路。然而，这也使我在摸索过程中掌握了更扎实的知识。我逐渐建立起了扬声器磁路、结构和频响的仿真模型。尽管当时频响的仿真准确度还有很大的提升空间，只能作为定性或半定量的参考。

2、开始接触Comsol

在2013年左右，我开始接触Comsol。公司和一个学校合作开发一款扬声器的仿真。虽然Comsol的官方案例中的扬声器模型相当简单，但我参考了这个案例，并结合我在Ansys中的仿真经验，逐步完善了整个扬声器和音箱的仿真模型。随着我在不同公司的工作经历和理论研究的深入，我将仿真范围扩展到了各种非线性、失真，以及耳机、麦克风、超声换能器等领域。我甚至使用Matlab APP的功能开发了一些用于扬声器和音箱设计和研发的工具。

在2016年，我创建了一个“声学号角”公众 号。当我刚开始接触扬声器仿真时，我能获取的资源和信息非常有限，而且分散且无序。我感到非常困惑，比如我想做某种特性的仿真，但我并不清楚我能达到什么程度，哪些模型的简化是合理的，是否应该花大量的精力去解决。通过公 众号我整理出了我的经验，为在扬声器仿真道路上努力研究的同行提供了参考。我相信这也拓宽了许多扬声器设计和开发工程师的视野。在此基础上，我还建立了三个微 信群，为大家提供了一个技术与行业信息的交流分享平台。

3、电声仿真，我为什么推荐Comsol？

在众多的有限元和边界元仿真软件中，例如Ansys，Abaqus等，如果我只能推荐一个有限元仿真软件进行入门学习，我会推荐Comsol。原因有三：

1. 直观的图形界面：Comsol的工作流程图形化，用户友好，易于上手。Comsol提供了大量的模型和教程，帮助用户快速理解和掌握软件的使用。

2. 多物理场耦合：Comsol的另一个显著优点是它能够处理不同物理量的相互作用，使其成为研究复杂问题的理想工具。对于电声问题，声学、力学、电磁学、热学、流体等多个物理场的耦合是非常常见的，Comsol提供了这些领域之间的耦合接口。

3. 灵活的后处理：Comsol提供了丰富的后处理工具，例如对数据的可视化，对结果的导出等，这对于电声仿真的结果分析非常有利。

尽管如此，我必须强调不同的仿真工具有各自的特点和优点。选择哪种工具并不是一成不变的，而应根据具体的需求和条件来决定。在电声仿真领域，我们需要了解和掌握多种工具，以便根据问题的特性选择最合适的仿真工具。

二、基于COMSOL电声仿真案例演示

对于电声仿真来说，理解基本的物理原理，如电磁学、力学、声学等，以及它们之间的相互作用，是至关重要的。只有深入理解这些基本原理，我们才能准确地设置模型，解释结果，并应用这些结果解决实际问题。接下来我们看一个用Comsol 进行扬声器单元分析过程。

（一）开始设置

1、点击“模型向导”， 在”选择空间维度”中选择”二维轴对称”， 然后点击完成。

2、“选择物理场”中双击选择”磁场”、”声-固相互作用，频域”，然后点击研究；在”选择研究”中双击选择”稳态”，然后点 击完成。

（二）参数定义和输入几何

1、右键点击”全局定义”， 在弹出的菜单栏选择”参数”， 为”全局定义”下增加”参数”， 在”参数”设置中导入参数

（三）指定部件的材料

1、在”材料”下增加”材料”， 指定域内空气的材料为”内置材料”下的”Air”。

2. 在“材料”下增加”材料”， 指定 T 铁和华司的材料为”AC/DC”下的”Soft Iron(with losses)”。

3、在“材料”下增加”材料”， 指定纸盆 Cone 和防尘帽的材料为用户定义库中的”Composite”。

4、在“材料”下增加”材料”， 指定弹波的材料为用户定义库中的”Cloth”。

5、在“材料”下增加”材料”， 指定悬边的材料为用户定义库中的”Foam”。

6、在“材料”下增加”材料”， 指定音圈线的材料为用户定义库中的”Coil”。

7、在“材料”下增加”材料”， 指定音圈管的材料为用户定义库中的”Glass Fiber”。

（四）定义磁场系统

1、点击”磁场”， 在设置的”域选择”下选择磁回系统、音圈、弹波和边界定义磁场作用域。

2、系统默认磁场中所有部件的本构关系为线性的， 如需要非线性的， 需要另外设置。

在”磁场”下增加”安培定律”， 选择 T 铁和华司， 在设置的”本构关系”下选择”HB 曲线”。

3、在”磁场”下增加”安培定律”， 选择磁铁， 设置”本构关系”为”剩余磁通密度”， 并定义”剩余磁通密度”为 B0。

4、在”磁场”下增加”线圈”， 定义设置下的”导体模型”为”均匀多匝”， ”线圈激励”为”电压”， ”线圈电压”为 Linper(V0)（由 于输入的是交流电压， 此定义使得稳态时电压为 0， 频域时为 V0）， ”均匀多匝导线”下的”匝数”为 N0， 线圈导线截 面积为 S0。

5、由于线圈在磁场中运动时，会产生感应电动势，在”磁场”下增加”速度(洛沦兹项)”，选择音圈的线圈为它添加反电动 势， 设置的”速度(洛沦兹项)”下的”速度”选择速度

（五）定义固体力学

1、点击”固体力学”， 设置中的”域选择”中选择纸盆(包括 Cone 和悬边)， 防尘帽， 弹波和音圈(包括骨架和线圈)， 定义 固体力学的作用域。

2、在”固体力学”下增加”体载荷”， 选择音圈线圈， 设置中”载荷类型”下的 Fv 选择 Lorentz 力贡献

3、在”固体力学”下增加”固定约束”， 选择弹波和悬边与盆架(图中未体现出来)粘合的位置， 为弹波和悬边增加约束。

4、由于振动部件都是非弹性材料， 需要增加阻尼。

在”固体力学”的”线弹性材料”下增加”阻尼”， 选择纸盆 Cone、防尘帽和音圈骨架， 阻尼设置下的”阻尼类型”选择”各 向同性损耗因子”。

5、在”固体力学”的”线弹性材料”下增加”阻尼”， 选择弹波， 阻尼设置下的”刚性阻尼参数”β定义为 Beta1（一般α为 0）。

6、在”固体力学”的”线弹性材料”下增加”阻尼”， 选择悬边， 阻尼设置下的”刚性阻尼参数”β定义为 Beta2。

（六）定义压力声学

1.   由于扬声器单元是安装在栈板上的，单元周围是无限大空气层，分析不可能计算无限大空气层，需要定义一个 PML 层（即环形区）， 声音达到 PML 层后， 会被吸收， 无法发射回来， 可以看作是自由场。

在”定义”下增加”完美匹配层”， 选择 PML 层（环形区域）

2. 点击”压力声学”， 在设置的”域选择”下选择空气域作为压力声学的作用域。

3、如果需要了解单元在远场的声压和指向性， 需要增加远场计算。

在”压力声学”下增加”远场计算”，在”边界选择”下选择上内环的内边界线，设置里”远场计算”下勾选 Z 平面内对称，” 积分类型”选全积分。

（七）网格划分

1、由于 PML 层内声压等是均匀减小的， 可使用映射进行划分。

在”网格”下增加”映射”， 选择环形区；设置的”域选择”下”几何实体层”选择域。

”映射”下增加”分布”， 设置分布单元数， 点击”构建选定对象”按钮划分网格。

网格划分的粗细， 可点击”网格”下的”尺寸”， 在设置下”单元尺寸”的”预定义”选择网格尺寸类型（极细化、超细化、 较细化、细化、常规、粗化、较粗化、超粗化、极粗化）。

2、剩余的区域可用自由剖分， 在”网格”下增加”自由三角形网格”， 在设置的”域选择”下”几何实体层”选择剩余。

3、可对部分部件进行加密剖分。

在”自由三角形网格”下增加”尺寸”，选择 T 铁和华司，设置中”单元尺寸参数”下勾选”最大单元尺寸”，并设为 2mm。

4、如果各部件的边界处剖分还不够细， 可增加设置。

在”网格”下增加”边界层”， 边界选择下选所有边界， 设置”边界层属性”下的”边界层数”为 3， 第一层厚度为 0.2mm， 点击”全部构建”按钮划分网格。

（八）研究设置和结果查看

1、由于稳态只计算磁场的物理场， 需进行设置。

点击”研究”下的”稳态”， 在设置中的”物理场和变量选择”下的”物理场接口”勾选掉压力声学和固体力学， ”多物理场” 勾选掉声-结构边界

2、在”研究”下增加”频域，线性扰动”，点击”研究设置”下的”频率”最右边的”范围”按钮，设置”范围”中的定义方法、起始 频率、终止频率和间隔， 点击替换按钮

点击”研究”， 点击研究设置下的”=计算”按钮， 运行计算

点击”结果”下”二维绘图组：磁通密度模”下的”表面”，在表面设置的”表达式”下定义”表达式”为 mf.normH（磁场模），” 待求表达式”下选择稳态解， 点击”绘制”按钮， 查看磁隙的磁通情况。

3、点 击 ”结 果 ”下 ”三 维 绘 图 组 ：磁 通 密 度 模 ”下 的 ”表 面 ”， 在 表 面 设 置 的 ”表 达 式 ”下 定 义 ”表 达 式 ”为 mf.normB/mf.normH/mu0_const（等效磁导率），”待求表达式”下选择稳态解，点击”绘制”按钮，查看 T 铁和华司的 磁化效率。

点击”结果”下的其他项， 可查看远场声压和振动部件的压力变形， 这些项不需额外的设置。

4、在”结果”下增加”一维绘图组”，”一维绘图组”下增加”倍频带”，倍频带设置的”数据”下的”数据集”选择”解：研究 1/解 1(sol1){farf1}”， ”几何实体层”选择全局， ”y-轴数据”下的”表达式”定义为  pfar（0， 1）， ”绘制”下的”式样”选择连续， 点击”绘制”按钮， 查看 Z 轴上 1 米处的声压分布

5、在”结果”下增加”一维绘图组”， ”一维绘图组”下增加”全局”， 全局设置的”y-轴数据”下的”表达式”定义为  abs （V0/mf.ICoil_1）（输入电压除以线圈电流）， 点击”绘制”按钮， 查看电阻抗

6、在”结果”下增加”二维绘图组”， ”二维绘图组”下增加”方向性”， 方向性设置的”数据”下的”数据集”选择”解：研究 1/解 1(sol1){farf1}”， 点击”绘制”按钮， 查看远场 360 度的指向性分布图；如果想查看上方 180 度的分布， ”计算”下的”限 制”选择手动， ”φ启动”定义为-90， ”φ范围”定义为 180。

三、如何成为电声仿真高手

以上案例是用Comsol 进行扬声器单元分析过程，已经收录在我的视频课程《如何成为电声高手-COMSOL声学仿真32讲》中。本课程主要涉及到的软件为Comsol 6.1和Microcap 12，将详解电声原理、扬声器Comsol设计仿真和麦克风、耳机超声换能器设计仿真应用等。

本课程分3个章节录制，每一章节都是单独一套课程，在仿真秀声学号角专栏可以单独订阅和试看。

以下是全套课程安排：

《如何成为电声高手-COMSOL声学仿真32讲》

可开电子发票，赠送答疑专栏

提供vip群交流，课程可反复回看

（1）电声产品（扬声器、麦克风、音箱、耳机、超声换能器）研发工程师

（2）电声企业其他人员

（3）从事电声研究的师生

3、你会得到什么

（1）扎实学习电声学的理论知识

（2）理解电声系统的整体架构

（3）掌握使用Comsol进行电声仿真的方法

（4）掌握电力声类比和利用Microcap进行电声产品等效电路仿真的方法

（5）掌握各类扬声器的设计和仿真方法，动圈式扬声器、微型扬声器、动铁扬声器、带式扬声器、静电扬声器、号角扬声器等。

（6）掌握各类扬声器系统（音箱）的设计和仿真方法，封闭式音箱、开口箱、无源辐射器音箱、带通箱、侧出音箱等。

（7）掌握扬声器系统中无源分频器的设计和计算方法。

（8）理解有源扬声器系统的框架。

（9）对扬声器阵列进行仿真。

（10）熟悉各类麦克风的设计和仿真方法

（11）对麦克风阵列的仿真以及相关信号处理的方法有深入理解

（12） 能够进行耳机的频响、麦克风阵列指向性、被动降噪的仿真方法

（13） 精通超声换能器的设计和仿真方法

（14）了解电声测试的原理

（15）精通音质评价的科学方法

（16）对气动噪声，如耳机风噪倒相管和侧出音风噪的仿真有深入的知识

（17）对参量阵扬声器定向发声的机理有一定的理解