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音箱、喇叭等电声系统的仿真模拟

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发表于 2018-4-17 16:12:14 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 浙江
本帖最后由 CAE大拿 于 2018-4-17 16:35 编辑

     想象一个人,坐在咖啡厅里,手捧一杯拿铁,听着舒缓的音乐。身上每一个细胞都沉浸在美妙的音符中。生活在快速发展的21世纪,能够在美妙的声音中得到放松是一件多么惬意的事情。可惜市场上的音响设备品质良莠不齐,价格也是浮动区间非常大。作为普通消费者的我们,如果不是音乐发烧友,耳机、音箱的颜值以及价格就成了我们考虑的主要因素。但是即使我们的耳朵没有那么专业,灵敏度也稍差,也还是可以听出同一段音乐在不同的耳机或音箱中播放出来的差别。今天我们就来讨论一下音响系统声场分析的仿真建模方法,了解我们音响系统结构设计对声音的影响方式。

     一段音乐文件从混音➡️DSP➡️ DAC➡️放大器➡️音箱/耳机➡️人耳,每一个过程都会影响音质。再如频响曲线、相位响应曲线、延迟曲线、敏感度曲线、失真度、信噪比等等也是经常被用来说明声品质的专业术语。调音师可能会说出更多名词,但是其中的“频响曲线”最具争议和影响力。很多电声从业者认为,频响曲线反映了设备的工作状况,频率响应平直的喇叭声音不一定就好,但不平直的很难好听。当然有一些特殊调教的音响系统可能会出现比较奇特的频响函数,这些设备就不在我们的讨论范围内了。

一般而言,在音乐被播放出来的各个步骤中,音箱和耳机最难做到平直的传递函数。因为这里涉及到音箱和耳机设计中,空腔与振膜、箱体结构的声振耦合作用,这一作用将会改变一个喇叭在电路中表现出来的阻抗,从而影响电流及喇叭振膜的频响。振膜振动发声后,声音通过音响系统中曲折蜿蜒的空腔通道传播出来,有的频率上的声音得到了加强,而有些频率的声音可能会得到削弱。这一过程也会产生频响函数的变化。今天我们就来研究一下音箱、耳机的结构(包括安装壳体和声腔通道)设计对频响函数的影响。

我们先看一个简单的例子。一个电声系统,施加电压后,等效电路如下图所示:

    如果将ZE,VA一项展开,电路的表达如下图。

从上图可以看出,当电路中只有一个喇叭驱动单元时,力学电路和声学电路都比较简单。相当于只需要考虑喇叭驱动单元中的防尘罩、振膜、线圈等结构和振膜上方的空气流体的作用。力学等效电路和声学等效电路都比较简单。

    当把喇叭安装在耳机或者音箱中,力学电路和声学电路不仅要体现喇叭驱动单元的结构,还需要体现喇叭所安装的音箱或耳机的结构(材质、形状和空腔设计)。

    那么很容易的可以看出,如果是同样的喇叭驱动单元,一个是直接通电,另一个是安装在音响壳体中再通电,两种情况在电路中产生的电流大小是不同的。所以在相同的电压下,喇叭线圈中产生的电磁力随之不同。振膜的振动强度及声场大小也会发生变化。同时,空腔的设计又会改变传递函数及声场指向性。

我们再来看,当一个喇叭安装在障板上,它前方的声场和声学指向性是这样的:

    当把喇叭安装在音箱中,它前方的声场是这样的:

    感受到什么是安装效应了吧?把一个简单的驱动单元安装在音箱系统中,声场不再均匀,而是呈现出空间中的不均匀以及频响函数不再平直的特点。这如同去听一场音乐会,根据你买的票位置不同,价格也会相差数千元的原因。以上的声场图片都是通过Actran仿真分析计算得到。

    那么可能我们会有一个疑问:Actran是一款振动、噪声分析软件,它如何分析出喇叭线圈中的电流和电磁感应力呢?这里就不得不提及一下Thiele&Small(后文简称TS)参数了。这是一组用来描述喇叭驱动单元在低频的电力参数。根据这些参数,电声人员可以对音箱、耳机的设计对振膜振动、输入阻抗以及系统的声音输出进行预估。采用TS参数中的Re、Le和Bl来定义驱动单元的电力参数,并将Actran计算得到的音响结构和声学流体的力学阻抗反馈到等效电路中,这样就可以得到喇叭线圈中的等效电流和振膜的振动。因此,采用TS参数建立音响系统的完整模型,为Actran音响模型的线圈上定义一个输入电压,自然就可以得到振膜的振动响应以及音响系统的声学响应,从而得出声音vs电压的传递函数。

    可能有人要说,我们只是从供应商那里采购喇叭,具体喇叭内部我们也没有详细设计图,如何去进行仿真建模呢?别担心,Actran里还有一种基于TS参数的Modal driver缩减模型方法,进一步简化了喇叭驱动单元的建模。在仿真当中,我们仅需要定义TS等效参数和喇叭驱动单元的振膜形状就可以轻松考虑振膜前方音响流体域的作用,再也不用为无法获得驱动单元内部的构造以及内部材料参数而烦心。

    这种方法已经被应用到进行电声系统传递函数、敏感度以及声场指向性的仿真分析中。下面为大家展示的是Volvo对汽车喇叭音响的研究。我们想象一下,喇叭安装到车门上,喇叭的声场的指标还与当初的设计一致吗?

喇叭通电后,振膜在振动时会受到车门内部腔体以及车门内板附近的空气作用,所以它的振动应该与设计状态不同,声场也会产生变化。至于如何变化,我们可以通过实验和仿真来验证。

车门结构采用模态方法来定义,车门内空腔以及门附近的空气域采用声学有限元单元来建模。我们可以采用TS参数完整模型或TS ModalDriver缩减模型定义喇叭。再施加必要的结构约束和电压载荷,就可以进行喇叭在车门安装状态下的声场分析。


让我们来看一下仿真计算的结果吧。不管对于喇叭是采用完整模型还是Modal driver等效模型,传递函数相差并不大。但是喇叭驱动单元本身(下图绿色曲线)相对于考虑车门安装效应后的传递函数(下图红色和蓝色曲线),有非常明显的变化。这种变化就是车门(结构、腔体)以及外部空气流体对整个电声系统的影响。

将Actran仿真的结果与实验数据进行对比,如下图,吻合度非常好。通过声场云图、频响函数的分析,我们可以更直观的研究喇叭的安装效应,提出更有效的改善声场的方案。

为了提供更贴心的服务,Actran中又加入了音频制作功能。可以直接将原始声音文件通过传递函数后的效果制作成新的声音,让我们可以用耳朵去分辨哪种音响系统设计(体现为不同的传递函数)更适合我们的目标客户。其实,Actran不仅只会计算振动、声音这些冷冰冰的物理量,它还会以客户的角度来思考,做更多贴心的功能开发。

如果想了解更多Actran的功能,赶快联系我们(china@fft.be)吧。

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发表于 2018-9-26 14:25:52 | 显示全部楼层 来自 广东广州
Simdroid开发平台
actran不错的东西哟!这个板块咋这么冷?
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发表于 2018-9-26 14:34:07 | 显示全部楼层 来自 广东广州
大拿,能否说明下TS参数耦合到音圈的具体操作呀?是指定参数?还是要把音圈和磁路网格画出来?
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发表于 2020-4-2 14:48:58 | 显示全部楼层 来自 浙江杭州
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