扬声器振动的相位分解分析

今天，我们欢迎来宾博客雷内·克里斯滕森（RenéChristensen）dynaudio a/s。

在评估扬声器性能时，轴上音压水平的下降和/或峰可能是相分量不幸分布的结果。为了克服这一点，我们使用一种相位分解技术，该技术将总表面振动分为三个组件，这取决于它们如何在任意观察点中对声压的贡献。要么添加，减去或不造成压力。

扬声器振动和声音

扬声器性能中常用的度量是声压水平作为轴上观察点中频率的函数。如果在某个频率下，与相邻频率相比，总位移会降低，则所得的声压水平将在该频率下具有相应的倾角。但是，相反不一定是正确的。换句话说，声音压力的下降可能并不总是是整体位移较低的结果。相反，可能是振动表面的一部分对所得的声压水平负面影响。

相分解简介

通过将相分解施加到振动上，可以暴露出振动的潜在性质。分解将总位移分为三个部分，每个部分都会增加，从中减去或对观察点中的声压没有影响。该技术至少有一个软件包，但是这里预期的输入是从激光振动仪而不是模拟振动中测量的数据。

第三方软件可用于启用Comsol多物理学作为扫描软件的输入的导出位移数据，但是在这里我将向您展示如何仅使用整个分析comsol多物理学和声学模块。

瑞利（Rayleigh）积分评估不可或缺的积分

作为起点，我们假设振动表面是平坦的，并将其放置在无限大的挡板中。由于只有正常位移有助于声音发电，我们将表面正常对齐\ mathbf {n}使用z轴，表示这个位移相分子\ Mathbf {W}。这与Comsol多物理公约一致。

假定以灰色显示的扁平辐射表面积将其放置在无限的挡板中。

对于这种情况，平坦的振动表面，可以通过所谓的声音水平计算。瑞利积分（有关该主题的更高级文本，请参见任何标准的声学教科书，例如傅立叶声学，E。G。Williams）：

这里，\ pmb {p}（p）是观察点中的压力相相p，，，，\欧米茄是角频率，\ rho是流体介质的密度，\ mathbf {w}（q）是位移相位问在振动表面积上s，，，，k是波数，r是距离某个点的距离问在辐射表面到观测点p。

如果空气负荷较低，也就是说，流体施加在振动表面上的力足够小，以至于它们对表面振动的影响可以忽略不计，则无需包括声学域。在这种情况下，可以通过纯粹的结构模拟确定声压。

相量预测

假设所涉及的几何形状足够平坦，可以接受瑞利积分方法，则可以将表面振动分为三个组成部分：

1. 相位组件，对声压产生积极贡献
2. 抗阶段成分，对声压产生负面影响
3. 正交或相位外部分量，在选定的观察点中既不会增加或从声音中添加或减去

可以通过查看相关的相位图来确定相分量问在观测点的振动表面到压力的相位p。

位移之间的相位关系问和观察点的压力p。

由于这里的压力是通过雷利积分发现的，因此位移和压力之间的标志差首先是由红色箭头指示的π弧度的相移所考虑的。现在，考虑一个同相位移组件的含义：相位内位移组件的相应通过相移的相位恰好匹配由声波从表面上的局部点传播到的距离的距离，从而导致压力的相位。观察点。这个相位差异的kr由蓝色箭头表示。

位移的阶段\ arg（\ mathbf {w}（q））在与同相轴未对齐的情况下显示。通过投影\ mathbf {w}（q）在同相轴上，我们可以确定其同相分量。我们可以以类似的方式找到相似和反相的投影。前者处于同相分量的正交状态，后者是π弧度偏移到同相分量。通过视觉检查，我们可以观察到将有一个非零的隔离投影，该投影大于相位投影，但没有针对所讨论的表面点和观察点的抗相分量。

分析是在整个表面上进行的，以获得三个振动成分。随后可以将每个组件馈回瑞利积分，以计算其各自的声压分量。根据定义，隔离表面振动自然没有相应的声压贡献。这种位移只是在所讨论的观察点中简单地消除了声学。

让我们回顾一下一些模拟示例：一个振动磁盘和另一个扬声器。

振动磁盘示例

首先，我们将用振动磁盘作为测试案例说明相位分解技术，可以通过视觉检查找到单个相组件。

我们选择了一个远距离观察点，远离磁盘。让我们考虑以下四个数字之一中显示的总板振动。较大的振动具有一个特定的相位，而较小的板的相反相位。对于轴上观测点，位移的较大部分必须为内相。可以通过考虑“极端”情况，即整个振动只有一个阶段，可以实现这一点。这样的振动必须完全促进观察点轴上并远离板表面的声压。

我们已将相位分解技术应用于总位移，并发现了预期的同相组件。由于其余的位移位于同相分量的相对阶段，因此必须是抗相分量。Comsol多物理学中的分析证实了这一点。

最后，由于总位移完全由相常和反相组件组成，因此隔离组成分必须为零。这也是我们通过相分解发现的。

振动盘的位移成分，用于轴上观察点。

请注意，如果我们选择另一个观察点（例如，离轴和/或非常接近板），我们将获得与上面显示的相同总位移相比，我们将获得不同的位移组件。

扬声器示例

接下来，我们将相位分解技术用于放置在挡板中的3英寸驱动器。我们进行了一个完整的2D轴对称敏捷声模拟，以进行广泛的频率范围。电磁系统以集量的方式包括在内，因此可以直接施加输入电压。

以4.5 kHz的频率说明了表面位移成分。总位移模式似乎相当简单，但是视觉检查无法揭示单个相组件。

扬声器表面的位移成分在4.5 kHz处，用于轴上观察点。

就像上一个示例一样，我们选择了一个观察点的轴和几个半径远离表面。同相分量集中在内部拓扑周围或锥体周围，而在表面的外部没有相相的位移，所谓的环绕。抗相分量集中在表面的周围部分周围。

这意味着，如果发现反相位移不可接受，则周围是研究（材料和/或拓扑）的部分。周围也是在此特定频率下的唯一贡献者。

我应该注意，相分解的位移组件没有径向成分，因为该分析假定了平坦的振动表面。因此，由于总振动具有轴向和径向成分，因此它们不准确地列为总振动。但是，该分析仍然可以洞悉振动模式以及单个组件如何影响所选观察点中所得的声压。

通过将位移组件馈回瑞利积分，我们可以找到个体压力贡献。

扬声器驱动程序的声压水平组件。

我们可以看到，在低频率下，总位移由同相运动主导，但在大约4 kHz以上，反相分量从压力中减去。相分解技术提供的见解可以帮助工程决策，在某些情况下，可能有必要进行设计更改。

总结思想

相位分解技术当然不限于扬声器分析。任何相当平坦的振动结构都可以分析。实际上，为了对辐射声音进行估计而不必包括声学域，尤其是如果振动表面上的空气载荷可以忽略不计，这是有利的。然后可以在分析中添加相位分解作为进一步的层。

特别感谢Comsol A/S的声学模块技术产品经理Mads Herring Jensen，以帮助实施。

关于客人作家

雷内·克里斯滕森（RenéChristensen）一直在与Vibroyatics合作，为少数公司（例如Delta，Oticon A/S和Icapture APS）合作了大约十年。他拥有助听器声学博士学位，重点是粘效效应。雷内（René）最近加入了丹麦扬声器公司的研发部门dynaudio a/s他的主要职责是开发和优化驱动因素的“汽车”和“家庭”线条，波导和橱柜的设计以及未来产品的概念工作。乐动体育app无法登录