由于測(cè)量工具本身的缺陷，聲學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并非總是可靠。為了減少錯(cuò)誤結(jié)果，人們針對(duì)麥克風(fēng)和振動(dòng)換能器等設(shè)備制定了專門的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了誤差允許范圍。除了符合標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)秀的測(cè)量工具還能保證設(shè)備的誤差范圍始終保持一致。為了制造高質(zhì)量設(shè)備，來(lái)自英國(guó) Brüel＆Kjær 公司的研究團(tuán)隊(duì)使用多物理場(chǎng)仿真對(duì)麥克風(fēng)和換能器設(shè)計(jì)進(jìn)行了建模。

聲學(xué)與振動(dòng)測(cè)量的領(lǐng)導(dǎo)者：Brüel & Kjær 公司

Brüel & Kjær 是聲學(xué)與振動(dòng)測(cè)量行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，領(lǐng)先行業(yè)長(zhǎng)達(dá) 40 余年，服務(wù)對(duì)象包括空客、美國(guó)國(guó)家航空航天局、法拉利等知名客戶。他們向市場(chǎng)推出了工作標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)及針對(duì)具體應(yīng)用的定制麥克風(fēng)等，覆蓋從次聲到超聲波等頻率范圍。針對(duì)每款應(yīng)用和各個(gè)頻段，總有多種因素會(huì)影響麥克風(fēng)設(shè)計(jì)的性能。

4134 型麥克風(fēng)，膜片上方覆蓋了網(wǎng)格保護(hù)層。

當(dāng)聲音進(jìn)入麥克風(fēng)后，聲壓波可使膜片振動(dòng)，振動(dòng)隨即轉(zhuǎn)換為聲音分貝。這個(gè)過程意味著麥克風(fēng)的建模需要同時(shí)考慮到緊密耦合裝置中的力學(xué)、電氣和聲學(xué)現(xiàn)象——只有借助多物理場(chǎng)仿真工具才能實(shí)現(xiàn)。為了判斷麥克風(fēng)的設(shè)計(jì)是否具有良好的一致性和可靠性，Brüel & Kjær 在設(shè)備精度測(cè)試、新設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段采用了 COMSOL Multiphysics® 軟件。

使用多物理場(chǎng)仿真評(píng)估麥克風(fēng)設(shè)計(jì)

如下圖所示，Brüel & Kjær 推出的 4134 型電容式麥克風(fēng)是開發(fā)電容式麥克風(fēng)時(shí)常用的原型。電容式麥克風(fēng)建模涉及到對(duì)膜片運(yùn)動(dòng)、膜變形、共振頻率以及粘滯與熱聲損耗進(jìn)行模擬。由于麥克風(fēng)尺寸小，縱橫比大，因此熱損耗和粘滯損耗會(huì)大大影響其性能。綜合上述因素，一個(gè)準(zhǔn)確的模型必須包含大量細(xì)節(jié)。

4134 型麥克風(fēng)的幾何模型顯示了簡(jiǎn)化的扇形幾何中的網(wǎng)格。

為了保持精確度，同時(shí)縮短計(jì)算時(shí)間，研究人員在計(jì)算熱應(yīng)力和共振頻率時(shí)利用了模型的對(duì)稱性。聲壓仿真可以采用相似的方法，但前提是聲音沿膜片法向入射。若聲波為非法向入射，則可以使用非對(duì)稱邊界條件。

完成了 4134 型麥克風(fēng)的仿真驗(yàn)證后，研究人員還使用了難以在現(xiàn)實(shí)中觀察到的參數(shù)對(duì)其他型號(hào)進(jìn)行了模擬。例如，他們研究了通氣孔對(duì)麥克風(fēng)測(cè)量低頻聲音的能力的影響。仿真讓 Brüel & Kjær 公司能夠測(cè)試新型設(shè)計(jì)，并根據(jù)需求進(jìn)行靈活更改。他們甚至可以具體案例具體分析，為客戶量身打造定制設(shè)備。

優(yōu)化振動(dòng)換能器的設(shè)計(jì)

除了改良麥克風(fēng)設(shè)計(jì)之外，Brüel & Kjær 的工程師還使用多物理場(chǎng)仿真對(duì)振動(dòng)換能器設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化與測(cè)試。他們的目標(biāo)是創(chuàng)造一款擁有高內(nèi)置電阻的設(shè)備，以適應(yīng)惡劣的環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，工程師必須設(shè)計(jì)出在所測(cè)振動(dòng)范圍內(nèi)沒有共振頻率的設(shè)備。所需振動(dòng)范圍內(nèi)的共振會(huì)破壞測(cè)量的準(zhǔn)確性。

懸掛式壓電振動(dòng)換能器的仿真結(jié)果。

為了保證裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)生平滑的響應(yīng)，研究人員嘗試了不同的材料和幾何組合。最終，通過增加一個(gè)機(jī)械濾波器，他們成功地設(shè)計(jì)了一款誤差范圍不超過 10％~12％ 的振動(dòng)換能器，此數(shù)值完全在可接受的范圍內(nèi)。

縮小誤差，完善測(cè)量

任何設(shè)備都不是完美的，但仿真打開了一條通向盡可能接近完美的通道。Brüel & Kjær 的工程師可以在不同情況下迅速對(duì)新設(shè)計(jì)進(jìn)行有效測(cè)試，獲得無(wú)法通過實(shí)驗(yàn)確定的結(jié)果。仿真為企業(yè)提供了特別的信息優(yōu)勢(shì)，不斷推出創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而在競(jìng)爭(zhēng)中保持領(lǐng)先地位。

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