Actran協助富士康優化Loudspeaker設計

揚聲器(Loudspeaker)是不可或缺的聲學裝置，將電信號轉換為聲音信號，通過振膜驅動空氣產生聲音。在Actran中建立精確的揚聲器模型，經過比對顯示其性能準確且可信，能有效分析和優化揚聲器在各種環境下的聲學與音質表現。

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

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。
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。
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。
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。
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。

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。

揚聲器的分類

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。
靜電揚聲器 (Electrostatic Loudspeaker) ：利用靜電力驅動薄膜振動發聲。
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。

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。

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。

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。