Bowers&Wilkins是一家英國高端音響設備制造商，本文將講述Bowers&Wilkins公司如何在產品整體設計過程中高效地將仿真和實測結合，達到優化音箱設計的目的。仿真系統使用的是COMSOL公司的COMSOLMultiphysics，測量系統使用的是全場掃描式激光多普勒測振儀。箱體設計所面臨的難題對于揚聲器箱體設計而言，箱體本身沒有聲波輻射非常重要?？蓪е孪潴w輻射聲波的機制有三種，必須避免或進行補償：·揚聲器后端的聲波與前端的聲波相位不同，可導致回波、時間滯后、混響等信號失真?！び捎陔妱訐Q能器（即揚聲器所謂的驅動單元）的反作用力，引起箱體振動，從而發出聲音?！は潴w內錐體所輻射的聲波經傳輸后可通過箱體壁泄漏。應對挑戰Cobianchi&Rousseau使用COMSOLMultiphysics精確模擬振動，并將不同的設計方案進行對比，重點關注喇叭的低頻部分。利用激光多普勒測振儀測量箱體的結構聲學，驗證仿真結果。箱體材料對音響的質量和性能有重大影響，他們的特有屬性以及安裝位置會影響揚聲器箱體的聲學特性。在設計過程中，很重要的一步就是對不同的組件和材料進行測試和優化，僅僅測試原型的性能既費時還昂貴。測試完所有的設計方案是不太可能的。慶幸的是，對于仿真軟件而言，只需在軟件界面點擊幾下鼠標，改變虛擬模型的材料和設計即可。盡管如此，尤其是采用全新設計或材料時我們不能僅僅依賴仿真手段。因為最好的虛擬模型是建立在物理模型之上，實測結果可用于驗證其性能，并對如何進一步改進設計提出建設性建議。本次測試對象B&W800Diamond是由樺木膠合板制成的箱體，MDF面板，鋁制底座和驅動單元底座，鋼和釹喇叭電機，以及水基膠接頭。將設計思想轉化為仿真模型，模型建立模擬仿真是用數值方法來求解數學方程。最先進的仿真工具具有直觀的圖形用戶界面，工程師預定義材料屬性、域和邊界條件，而無需詳細了解在后臺使用了哪個方程或使用了哪種運算方法來求解它們。從這個角度來看，似乎每個人都可以成為仿真工程師。然而，為了使仿真模型在計算時間、內存使用和精度方面更高效，則需要在開始仿真之前做一些準備工作：模型是否可以利用對稱性？它是否可以簡化？模型中是否有哪些區域比其它區域更重要？如果是，減小模型尺寸并提高感興趣的區域模擬精度。這就是模擬工程師的經驗發揮作用的地方，有助于優化運算時間和提高仿真精度。從CAD設計到幾何模型最終的CAD設計是虛擬的新產品，包括所有細節如標簽、裝飾和微型螺絲等。這些細節大多不會影響產品的性能，但這些細節會使模型尺寸變大。仿真的第一步是將CAD設計導入仿真環境中，可以的話，去掉設計模型中前面提到的不必要細節。此外，仿真軟件內含模型簡化工具可簡化CAD設計。COMSOL能夠與許多CAD程序進行通信，使CAD設計與幾何模型的更改保持實時同步。此外，CAD設計中的參數可以在COMSOLGUI中進行控制，從而自動訪問大量不同的設計選項。內置的CAD功能還可后期編輯幾何圖形。圖2顯示了COMSOLGUI中揚聲器的模型幾何形狀和測量網格。由于對稱性，只模擬了揚聲器的一半。切割選取模型部分區域是一種內置的CAD功能。圖2COMSOLGUI里顯示的音響的幾何形狀和測量網格使用真實的材料屬性進行逼真的仿真模擬材料屬性對仿真結果有重要影響，它們通常與溫度相關或具有各向異性，如果達到某個標準這些特性就會完全改變（比如疲勞或者相變）。它們是模擬仿真將要解出的數學方程的系數。對于振動分析，定義彈性材料的特性。標準材料如鋁或鋼的屬性，可從COMSOL的綜合材料數據庫獲取。而其它材料，確切的材料屬性往往是未知的，要么是因為制造商的保密，要么是還未經測量。仿真是基于樣板的特征頻率分析來估算這些參數。這里箱體包邊材料為膠合板和人造中密度纖維板（MDF），是木材和樹脂的混合物。膠合板由不同的層組成，其中木材纖維具有各向異性。模擬仿真使研發工程師們能夠考慮到材料的各向異性。本征頻率分析提供了一組彈性常數，然后作為一種等效的正交各向異性材料，這些彈性常數用于箱體包邊。當包邊彎曲時，遵循這種曲率的坐標系統通常被定義為正交各向異性。還包括阻尼特性，并使用模態分析擬合技術評估阻尼參數。由于膠接與整個幾何尺寸相比較小，因此我們使用特殊的邊界條件來表示膠接，而不在幾何圖形中顯示，這有助于簡化運算，同時保持準確性。分析箱體性能完成前期準備工作后，就開始研究整個箱體的振動。系統并不直接輸出聲音，但在其基礎上，模擬仿真環境中的數據后處理功能，提供了根據已知的近似值（如瑞利積分）通過數值積分計算出聲壓或聲功率的可能性。將瑞利積分頻譜與箱體壁面加速度譜進行比較，顯示所有振動模態均有聲波輻射。到目前為止，該模型假定電機受力均勻，而實際上因為如下兩種現象這個假設與頻率有關。一種是代表傳感器的單自由度振動特性，還有就是放在揚聲器終端和驅動單元之間的電路，將音頻頻譜劃分到不同的驅動單元，用于再現每一個頻帶。在這種情況下，可以將所謂的傳遞函數應用到結果中，以處理輸出量并與實際相匹配。這些傳遞函數是由一個機電模型計算出來的，該模型將施加的電壓與電機輸出力聯系起來。使用創新性的測試技術用于創新產品開發PSV-500型掃描式激光測振儀，用于非接觸式測量結構振動由于揚聲器的結構特性，其振動測量必須采用非接觸式方法，而激光多普勒法是一種標準的非接觸式測量方法，其通過收集被測表面反射光而得出被測表面的振動速度和/或加速度。PSV-500具有極高空間分辨率，系統全自動逐點掃描，儀器操作工作量不會隨著測點密度增大而增加，測量結果可以直接與仿真結果進行對比。傳統的貼片式加速度計需要布線安裝，并有附加質量影響，而且產生的耦合諧振通常會導致線性度損失。SLDV能在不影響箱體力學性能的情況下檢測出箱體表面的振動速度，在高達10kHz帶寬以內的頻響曲線非常平坦，因為激光不存在耦合共振。測量網格可以從仿真模型中導入，也可以自行手動定義?？紤]到各測點之間的相位關系，將驅動單元的驅動電壓相位作為參考相位。兩個最大且最重要的聲源輻射表面是前擋板和包邊。在這些表面自定義的測試網格中每一個點的振動速度，均使用激光多普勒掃描式測振儀測量。測量結果證實模擬箱體的性能圖4左側為實測模態振型（222Hz），右側為模擬振型（281Hz）為了便于比較，直接導入COMSOL公司的有限元網格作為Polytec激光測振儀的測量網格。將關鍵位置的實測加速度幅值譜圖與模擬數值相對比，以驗證模型。圖4顯示了第一個相關模態的振型。仿真確定了重要峰值的主要區域，這些重要峰值是指剛體運動、基座板彎曲模態、前擋板和側包邊的相關模態。雖然仿真結果與實測結果的振動幅值吻合度較好，但仿真結果估算的相關頻率偏高，如圖5所示。這種差異可能與仿真模型中的一些假設條件有關，比如邊界條件的選擇或將材料屬性設置為體屬性。B&W的開發工程師相信，他們可以改進模型提高仿真與實測結果的匹配性。但他們也得考慮這樣一個問題，即改進仿真模型不僅涉及到提升產品質量，還涉及到開發費用和時間成本的增加。在這種情況下，他們得出結論是現有仿真結果足以預測箱體模型設計的質量。仿真還幫助工程師們深入了解箱體的物理效應，如不同的振動模態如何耦合，以及不同的面板位置對箱體性能的影響等。圖5箱體模擬頻率函數（黑線）和實測頻率函數（紅線）總結與展望“模擬是對現實的假定，測量是對現實的觀察。將這兩種方法結合起來，就可以得到關于系統的全部信息?！狈抡媸菍ΜF實的假定，因為每個網格點的一組物理參數均為假設。它們的精度受數學模型精度、輸入參數精度、數值方法以及計算工作量限制。測量是對現實的觀察，他們揭示了可能沒有包含在模擬中，但需要產品原型作為測量對象，才能發現的效果。除了測量誤差外，有些量無法通過測量得到，某些觀測到的效應可能不易于解釋，因為測量條件很難控制。只有將這兩種方法結合起來才能揭示系統的全部信息：將模型與測量值進行比較，才能幫助識別相關的主要物理現象，從而更深入地了解系統特性，而這些可指導設計工作。一旦建立了一個能夠在所需精度內復現所有相關數據的模型，就可以使用它自動批量處理所有設計選項和材料選擇。未來，振動測量還可以用于聲學傳播模型，測量的速度譜可作為純聲學模型中的輸入量。然后，利用仿真軟件可以預測任意周圍物體和聲學環境下聲源產生的空間任意點處的聲壓。通過仿真軟件與測量設備之間的數據交換，可以輕松解決這類傳播問題。COMSOLMultiphysics和Polytec都可為該項目提供解決方案。參考文獻：ModellingtheSoundRadiationbyLoudspeakerCabinets”,M.Cobianchi,Dr.M.Rousseau,B&WGroupLtd,Worthing,WestSussex,England,Comsol
超聲焊接技術與傳統的焊接技術（如粘接或熱焊接等）相比，超聲焊接不會對材料性能造成任何影響。此外，超聲焊接技術還可以多層焊接，多個工藝步驟（焊接、切割和穿孔等）可同時進行。德國卡爾斯巴德的HerrmannUltrasonics公司，專業從事熱塑性材料的超聲焊接，為塑料、包裝和無紡布等行業的客戶提供廣泛的超聲焊接解決方案。它是如何工作的？超聲焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。超聲波作用于熱塑性的塑料接觸面時，會產生每秒幾萬次的高頻振動，這種達到一定振幅的高頻振動，通過上焊件把超聲能量傳送到焊區，由于焊區聲阻大而產生局部高溫，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體。一旦達到預期的焊接程度，超聲波停止作用，同時仍舊會有一定的壓力施加于兩個工件上，使剛剛焊接好的部分冷卻、固化，從而形成緊密地結合。圖1超聲焊接堆棧組件（A壓電轉換器，B變幅桿，C換能器）高焊接質量要求焊縫要滿足穩定、優質和美觀等良好焊接效果的前提，是焊接工具必須同時適用于焊接工藝和材料。在赫爾曼超聲波下，對所有的堆棧組件分別進行獨立測試，其中振幅測量最為重要。振幅測量根據部件的不同，采用單點式或掃描式振動測量。換能器和變幅桿是商用標準組件，其輸出固定的標稱振幅值。我們采用CLV緊湊型激光測振儀來測量振動幅值，確保其振幅在規定范圍內。為確保良好的焊接工藝，換能器作為提供相應超聲振幅的獨立部件，必須與工件完全匹配。利用三維CAD模型（圖2），通過工件原型化來開發和設計超聲換能器。在有限元模型分析的幫助下，不斷優化其振動性能直到其滿足規定參數，至此，換能器才能投入生產。圖2換能器有限元模型的動態特性（上半部分）和換能器的應變分布（下半部分）圖3超聲換能器測試現場布局圖4超聲換能器表面的振幅分布使用PSV掃描式激光測振儀來測量超聲換能器成品。圖3是測試現場布局，左側為PSV掃描頭，右側為安裝在合適支架上的超聲換能器，中間為PSV軟件界面，顯示了超聲換能器實時視頻圖像和測量數據。PSV系統測量了特定頻率下超聲換能器表面選定測點的振幅（圖4）。本次試驗專門配置的軟件為測量節省了不少時間，且操作安全，并可提供測試文檔。測得的振幅分布與有限元模型再次進行比較，必要時，對超聲換能器進一步優化。
