Actran協助富士康優化Loudspeaker設計

揚聲器 (Loudspeaker) 作 為 日 常 生 活 中 無 處 不 在 的 聲學 裝 置，是 各 種 發 聲 產 品 中 不 可 或 缺 的 一 部 分 。 它 們 利 用 驅動單元 將 電 信 號 轉 換 為 聲音信號 ，通 過 振膜 類 似 活塞 的 運 動 驅 動 空 氣 ，從 而 產 生 可 聽 的 聲 音 。  儘 管 這 個 過 程 看 似 簡 單 ， 實 際 上 揚聲器 是 高 度 複 雜 的 裝 置 。

 

揚聲器的基本組成部分：

1. 音圈 (Voice Coil)：音圈是一個繞在磁場中的線圈，當電信號通過音圈時，會產生磁場，與永久磁鐵相互作用，驅動音膜震動。
2. 音膜 (Diaphragm/ Cone)：音膜是揚聲器的振動元件，當音圈震動時，音膜跟著震動，推動周圍的空氣產生聲波。音膜通常是圓錐形，材料多種多樣，例如紙、塑料或金屬。
3. 磁鐵 (Magnet)：揚聲器中的磁鐵提供穩定的磁場，音圈與磁鐵的相互作用產生震動，將電信號轉化為機械運動。
4. 懸邊 (Surround)：懸邊是音膜周圍的彈性材料，允許音膜在震動時能自由移動，同時保持其正確位置。
5. 框架 (Frame)：框架是揚聲器的支撐結構，固定所有部件並維持揚聲器的形狀。

Actran協助富士康優化Loudspeaker設計

揚聲器的工作原理：

揚聲器的基本工作原理是電磁感應。當電流信號傳入音圈時，會產生磁場，該磁場與永久磁鐵的磁場相互作用，驅動音圈向前或向後移動。音圈的運動帶動音膜震動，這些振動將能量傳遞給周圍的空氣，形成聲波，從而產生我們聽到的聲音。

Actran協助富士康優化Loudspeaker設計

揚聲器的分類：

1. 動圈揚聲器 (Dynamic Loudspeaker)：最常見的揚聲器類型，利用電磁感應原理工作。
2. 靜電揚聲器 (Electrostatic Loudspeaker)：利用靜電力驅動薄膜振動發聲。
3. 壓電揚聲器 (Piezoelectric Loudspeaker)：利用壓電材料在施加電壓時產生的機械變形來發聲，常用於高頻響應。

揚聲器的品質和設計直接影響到音質，根據應用需求，它們可以設計為各種形狀和大小，以滿足不同的音響需求。

 

 

驗 證 和 模 擬 揚 聲 器 的 過 程

製造聲音需要多種不同的元件協同工作，如磁極、聲線圈、擋板、隔膜、防塵罩和框架等，它們共同提供各種尺寸和音質的聲音輸出，並應用於各類產品中。 雖然模擬所有這些裝置系統成本高昂，但現在有些模型和方法能在保持準確性的同時提供更優異的性能。

Actran協助富士康優化Loudspeaker設計

富士康的工程師希望透過Actran 聲學 分析驗證這種方法，即利用Thiele-Small參數，逐步從簡單模型到成品 揚聲器 模型的建立和優化。

Thiele-Small參數描述了驅動系統的性能，包括電磁和機械參數。 這些參數用於建立簡化模型，包括七個基本參數以及線圈和振膜的實體模型。 然而，這些模型的建立要求考慮到線性性能和線圈的一維運動，而在高頻時，物體運動會呈現非線性，這可能導致模型在高頻時的反應不準確。在Actran中，可以輕鬆建立Thiele-Small模型，並且集成其他類型的建模，如多孔材料和穿孔板等。

第一部分是建立模型和振動的探索。富士康的工程師們首先建立了2D實體模型，並與Thiele-Small模型進行了比較。 隨後，他們擴展到3D參考模型，並將其聲學模型與包含腔體的模型進行對比，以類比簡化但完整的揚聲器設置。 這些比較和驗證增強了他們對模型準確性的信心。

 

Loudspeaker的驗證 上圖：2D實體模型vs. 3D Thiele-Small模型。下圖：帶腔和不帶腔的三維參考模型

 

在對簡化模型進行驗證後，工程師們進一步模擬了一個實際Loudspeaker系統，並與實測結果進行了比較。 結果顯示，在8500 Hz以下，模型的性能與實測值高度吻合，並能準確識別出由兩個空氣腔產生的共振峰。

Actran協助富士康優化Loudspeaker設計

實測驗證了實例模型。上：揚聲器幾何形狀(左)，揚聲器Actran模型(中)，網格切割(右)

 

第二部分是模擬和最終產品的應用。 最後一步是將這些模型應用於產品層面，分析並評估各種改進性能的措施。 這包括在Actran中使用穿孔板模型，以避免需要繪製布料的網格，並模擬三種不同的環境設置。

Actran協助富士康優化Loudspeaker設計

上圖：完成安裝的揚聲器的Actran模型。下圖：不同配置下的揚聲器性能

 

結論： Actran 提 供 了 對 揚聲器 (Loudspeaker) 在 複 雜 環 境 中 性 能 表 現 的 深 刻 洞 察，以 及 如 何 優化性能 的 方 向 ，更 可 以 進 一 步 探 討 音質問題 。 通 過 這 些  聲學 驗 證 和 建模流程， 富士康 的 工 程 師 們 確 立 了 在 元件 和 系 統 層 面 上 精 確 且 經 濟 地 模 擬 揚聲器 的 信 心 。

 

Actran協助富士康優化Loudspeaker設計

 

 

Actran 用 在 各 種 形 式 的 聲 學 模 型

 

常 見 應 用 的 產 業 Actran Acoustic 風扇 氣動噪音

• 航太:  經過駕駛艙和機身 、 發動機短艙內襯 、 機身和駕駛艙絕緣 、 ECS（環境控制系統） 、 APU 和 ECS 入口和出口消音器 、 後緣 、 聲納 、 直升機渦輪噪聲 、 起飛時火箭有效載荷的隨機動態響應的聲音傳輸 、 聲納。

 

• 車輛:  動力總成 、 裝飾設計 、 風噪聲 、 發動機部件 、 壓縮機 、 進氣歧管 、 空氣濾清器 、 閥蓋 、 擋板 、 電動機 、 揚聲器 、 消聲器 、 輪胎噪聲 、 消音器 、 高壓分配管道 、 馬達 、 齒輪箱。

 

• 消費品: 電話 、 免提電話通訊 、 耳機 、 揚聲器 、 助聽器 、 樂器 、 洗衣機 、 冰箱 、 吸塵器。

 

• 電子產品: 光碟硬碟等轉動裝置 、 手機 、 相機 、 液晶投影設備的風扇。

 

• 機械裝置: 渦輪機械 、 暖通空調 、 割草機和農業機械 、 排氣系統 、 馬達。

 

 

 

想 更 清 楚 的 了 解  Actran協助富士康優化Loudspeaker設計 Actran 的 細 節 ，歡 迎 來 電 (02)2712-8448 或 是 來 信。

If you want to know more details from Actran ,please contact Simhex.

 

 

 

延 伸 閱 讀

• 透過Actran分析新型風扇的氣動噪音
• Actran創建AVAS揚聲器聲學模型 
• 中華汽車透過Actran進行噪音之聲源估算和響應驗證
• Actran幫助現代汽車設計行人警示揚聲器
• Actran SEA解決太空發射器飛行的結構聲學疲勞
• Actran 聲學解決方案研討會
• Actran聲場分析 2023第二季培訓課程 
• Avio使用MSC Nastran和Actran確保太空發射器的結構可靠度
• 第二屆 2023 Actran聲學應用大賽
• CAE軟體 – Actran 進行噪音分析
• Actran SNGR 解決複雜的流場 聲學 問題
• 馬達噪音優化 – 解析如何利用Actran進行噪音優化
• Actran 2021 新功能發布要點！
• NVH分析 – 利用Actran輔助車身地板阻尼優化
• 電動車噪音 – 通用汽車向中高頻前進！