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多物理场仿真助力精确评估并优化麦克风与换能器设计
由于测量工具本身的缺陷，声学测量数据的准确性并非总是可靠。为了减少错误结果，人们针对麦克风和振动换能器等设备制定了专门的标准，规定了误差允许范围。除了符合标准，优秀的测量工具还能保证设备的误差范围始终保持一致。为了制造高质量设备，来自英国 Brüel＆Kjær 公司的研究团队使用多物理场仿真对麦克风和换能器设计进行了建模。
声学与振动测量的领导者：Brüel & Kjær 公司
Brüel & Kjær 是声学与振动测量行业的领导者，领先行业长达 40 余年，服务对象包括空客、美国国家航空航天局、法拉利等知名客户。他们向市场推出了工作标准麦克风及针对具体应用的定制麦克风等，覆盖从次声到超声波等频率范围。针对每款应用和各个频段，总有多种因素会影响麦克风设计的性能。
4134 型麦克风，膜片上方覆盖了网格保护层。
当声音进入麦克风后，声压波可使膜片振动，振动随即转换为声音分贝。这个过程意味着麦克风的建模需要同时考虑到紧密耦合装置中的力学、电气和声学现象——只有借助多物理场仿真工具才能实现。为了判断麦克风的设计是否具有良好的一致性和可靠性，Brüel & Kjær 在设备精度测试、新设计验证阶段采用了 COMSOL Multiphysics® 软件。
使用多物理场仿真评估麦克风设计
如下图所示，Brüel & Kjær 推出的 4134 型电容式麦克风是开发电容式麦克风时常用的原型。电容式麦克风建模涉及到对膜片运动、膜变形、共振频率以及粘滞与热声损耗进行模拟。由于麦克风尺寸小，纵横比大，因此热损耗和粘滞损耗会大大影响其性能。综合上述因素，一个准确的模型必须包含大量细节。
4134 型麦克风的几何模型显示了简化的扇形几何中的网格。
为了保持精确度，同时缩短计算时间，研究人员在计算热应力和共振频率时利用了模型的对称性。声压仿真可以采用相似的方法，但前提是声音沿膜片法向入射。若声波为非法向入射，则可以使用非对称边界条件。
完成了 4134 型麦克风的仿真验证后，研究人员还使用了难以在现实中观察到的参数对其他型号进行了模拟。例如，他们研究了通气孔对麦克风测量低频声音的能力的影响。仿真让 Brüel & Kjær 公司能够测试新型设计，并根据需求进行灵活更改。他们甚至可以具体案例具体分析，为客户量身打造定制设备。
优化振动换能器的设计
除了改良麦克风设计之外，Brüel & Kjær 的工程师还使用多物理场仿真对振动换能器设计进行优化与测试。他们的目标是创造一款拥有高内置电阻的设备，以适应恶劣的环境。为了实现这一目标，工程师必须设计出在所测振动范围内没有共振频率的设备。所需振动范围内的共振会破坏测量的准确性。
悬挂式压电振动换能器的仿真结果。
为了保证装置设计产生平滑的响应，研究人员尝试了不同的材料和几何组合。最终，通过增加一个机械滤波器，他们成功地设计了一款误差范围不超过 10％~12％ 的振动换能器，此数值完全在可接受的范围内。
缩小误差，完善测量
任何设备都不是完美的，但仿真打开了一条通向尽可能接近完美的通道。Brüel & Kjær 的工程师可以在不同情况下迅速对新设计进行有效测试，获得无法通过实验确定的结果。仿真为企业提供了特别的信息优势，不断推出创新设计，从而在竞争中保持领先地位。
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