Elementuppbrytning i Comsol

[HenrikE]

Jag har roat mig med att simulera högtalarelement i Comsol. Jag har inget mål med simuleringarna utan bara leker lite för att det är skoj. Jag tänkte att om jag tycker det är skoj så är det stor chans att det är fler som tycker likadant

Jag kör med denna geometrin:

geometri.png (16.83 KiB) Visad 5950 gånger

Om simuleringen:
Den är gjord i 2D, med radiell symmetri (fattigsmans-3D kan man säga, full 3D tar vansinnigt mycket minne och tid).
Övre halvsfären är luft, och jag låter den räkna ut ljudtrycket i fjärrfält.
Området bakom konen är inte med alls.
Motorn med magnet osv är ersatt av en kraft på talspolen, F=BL*Uin/sqrt(Re^2+(2*pi*freq*Le)^2)

Det är en 8-tummare i aluminium. Kanten är gummi, talspolen är i koppar. Spidern skippade jag.

Hur ser konens acceleration ut vid olika frekvenser? Blå kurva visar talspolens acceleration, och grön visar konens ytterkant.

konacceleration.png (63.88 KiB) Visad 5950 gånger

När frekvensen ökar laggar kanten efter med och mer. Vid minimat för talspolens rörelse vid 3kHz står talspolen nästan stilla medan kanten svänger som sjutton:

konrörelse3k.png (28.63 KiB) Visad 5950 gånger

Drar vi upp frekvensen lite till, till kantens topp vid 4.4 kHz ser det ut så här:

konrörelse4.4k.png (28.66 KiB) Visad 5950 gånger

Ljudtryck i fjärrfält som funktion av frekvens blir så här, kurvorna är för 0, 30 och 60 grader.

spl.png (65.41 KiB) Visad 5950 gånger

Jämför med en Seas L22rnx/p:

seasl22.png (59.88 KiB) Visad 5950 gånger

Nu är då frågan, vad mer kan man testa?

[Perfector]

Man kan testa om teorin funkar i praktiken och bygga nåt och sedan mäta på det.

[paa]

Man kan prova en kon som inte är konisk utan välvd, som dom av någon märklig anledning brukar vara.

[HenrikE]

Man kan testa om teorin funkar i praktiken och bygga nåt och sedan mäta på det.

Jo det kan man ju göra. Lite klurigt att mäta konrörelsen väldigt lokalt, men det går kanske om man sätter en mätmikrofon jättenära.

Man kan prova en kon som inte är konisk utan välvd, som dom av någon märklig anledning brukar vara.

Bra idé! Det blir såhär då:

geometri_välvd.png (27.16 KiB) Visad 5923 gånger

Resultat:

konacceleration_valvd.png (63.98 KiB) Visad 5923 gånger

konrörelse_välvd3.8k.png (37.18 KiB) Visad 5923 gånger

spl_valvd.png (71.08 KiB) Visad 5923 gånger

Uppbrytningen blir klart annorlunda, toppen i känsligheten blir inte lika hög.
Det räcker för ikväll, gonatt!

[HenrikE]

Varför har vissa element fasplugg?

Geometri, samma som välvda konen men dammkåpan är utbytt mot en fasplugg (som inte rör sig). Luften är blåmarkerad:

geom_fasplugg.png (7.9 KiB) Visad 5867 gånger

Ljud i fjärrfält:

spl_fasplugg.png (61.94 KiB) Visad 5867 gånger

Vid låga frekvenser verkar faspluggen inte göra något. Vid högre däremot blir det en liten skillnad, där verkar faspluggen förbättra spridningen något.

[Michael]

Lite klurigt att mäta konrörelsen väldigt lokalt, men det går kanske om man sätter en mätmikrofon jättenära.

Finns instrument med laser som kan göra det.

//Michael

[HenrikE]

Lite klurigt att mäta konrörelsen väldigt lokalt, men det går kanske om man sätter en mätmikrofon jättenära.

Finns instrument med laser som kan göra det.

//Michael

Jovisst, men vem har sådana prylar hemma?

[Michael]

Kanske inte hemma, men en kompis har det på jobbet.

//Michael

[DQ-20]

Man kan prova en kon som inte är konisk utan välvd, som dom av någon märklig anledning brukar vara.

Ironi? I vilket fall så skulle det vara kul att se simuleringar av modeller som mer liknar verkliga högtalarkoner (i material som normalt bryter upp inom passbandet). Sådana koner lutar brant in mot talspolen och blir flackare ju närmare kantupphängningen man kommer. Det är väl någon form av exponentialfunktion kan jag tänka.

/DQ-20

[paa]

Det är väl någon form av exponentialfunktion kan jag tänka.
/DQ-20

Kan kanske vara en hyperbolisk form också.

[HenrikE]

Man kan prova en kon som inte är konisk utan välvd, som dom av någon märklig anledning brukar vara.

Ironi? I vilket fall så skulle det vara kul att se simuleringar av modeller som mer liknar verkliga högtalarkoner (i material som normalt bryter upp inom passbandet). Sådana koner lutar brant in mot talspolen och blir flackare ju närmare kantupphängningen man kommer. Det är väl någon form av exponentialfunktion kan jag tänka.

/DQ-20

Det provar jag gärna. Har du möjligen en bild eller kan länka till något lämpligt ställe där man kan se formen du tänker på?
Koner kommer i väldigt många former. Seas L22:an jag jämförde med tidigare verkar ha helt (eller väldigt nära, svårt att se på bild) konisk form. Mina Seas Excel 6.5" med magnesiumkon är helt koniska.
Några exempel, dessa är ganska lika formerna jag har provat:
https://www.madisoundspeakerstore.com/approx-6-7-woofers-eton/eton-arcosia-7-318-7-magnesium-cone-silver-black/
https://www.madisoundspeakerstore.com/images/products/secondary/sb17crc35-04-2.jpg
https://www.madisoundspeakerstore.com/approx-4-fullrange/seas-prestige-fu10rb-h1600-04-4-full-range/


Jag har valt att simulera metallkoner eftersom det är lätt att hitta materialparametrar för dem. Mjuka konmaterial som papper osv har olika egenskaper beroende på vilken blandning det är, och det finns ju hur många kombinationer som helst. Comsol har inget sådant i sitt materialbibliotek och jag har sökt lite men inte hittat någon bra annan källa. Om man hittar något så är det materialparametrar för att räkna statisk deformation (Youngs modul, Possions tal osv) och för metaller som har liten intern dämpning kommer man långt med det. Men det funkar dåligt att ignorera dämpning för de mjuka materialen. Och just dämpningen i olika material är det jättesvårt att hitta siffror för. Man får nästan prova sig fram. Börjar vi sen titta på anisotropiska material (alltså där parametrarna är riktningsberoende som i kolfiberväv eller kevlar) blir det riktigt kul. Det går fortfarande att simulera men den enkla modellen med bara Youngs modul och Poissons tal räcker inte till längre. Mer läsning för den som är intresserad: https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_elasticity#Anisotropic_homogeneous_media

[paa]

Läs om NAWI i punkt 5.4 i detta dokument:
http://www.radiomuseum.org/forumdata/us ... peaker.pdf

och här:
http://www.medienstimmen.de/exzerpte/au ... sprechers/

[DQ-20]

Det är väl någon form av exponentialfunktion kan jag tänka.
/DQ-20

Kan kanske vara en hyperbolisk form också.

Ja, det är det om man tänker på ytan. Jag tänkte mest på tvärsnittet som man ser i bilderna. SEAS P-21LTS och de element som Ino använder för t.ex. pi60 har ju sådan form eftersom de är avsedda att generera böjvågor för att behålla bra spridning från en 8" även lite högre upp i frekvens. Sådana membran tillverkas ju knappt nuförtiden, i synnerhet inte i polypropylen. Pistongtänkandet verkar dominera. I koniska membran av hårda material går ju inte uppbrytningarna att använda konstruktivt eftersom de bryter upp så okontrollerat. Det var länge sedan man fick lust att säga "vilken utsökt kurvatur" om ett 8"-membran.

/DQ-20

[HenrikE]

Så nu har jag kört simulering av en rejält välvd kon också.

Geometri:

geom_mycketkurvad.png (18.71 KiB) Visad 5547 gånger

Konacceleration, samma som innan att blå kurva visar centrum, och grön visar ytterkanten.

konacc_mycketkurvad.png (56.51 KiB) Visad 5547 gånger

Och ljudtryck i fjärrfält:

spl_mycketkurvad.png (73.93 KiB) Visad 5547 gånger

Skillnaden blev inte jättestor jämfört med den mindre välvda versionen, men den uppför sig lite snyggare i området 3-4 kHz.

Är det förresten någon som vet hur materialtjockleken på konen brukar vara fördelad? Är det samma tjocklek nära talspolen som vid kanten, eller är det olika? Nu sätter jag bara tjockleken till något som ger en rimlig rörlig massa. Jag har kört 0.25mm i alla simuleringarna och för detta fallet ger det en rörlig massa på 33g.

[Maarten]

Snyggt jobb! Känns som att det skulle vara värdefull metod med rätt indata.

[petersteindl]

Snyggt jobb! Känns som att det skulle vara värdefull metod med rätt indata.

Om man jobbar med att få sina modeller så likt verkligheten man kan komma om man även inkluderar toleranser så stämmer simuleringar i jämförelse med mätningar inom +/- 1 dB. Det är normalt sett inom toleransområdet som fabrikanter av högtalarelement specar.

Då man fått högtalarelementmodellerna tillräckligt bra så är det bara att tuta och köra med högtalarlådorna och simulering av direktljudet samt ljudspridning i alla vinklar både horisontellt och vertikalt.

Till slut så har man ett enastående utvecklingsverktyg. Det gäller dock att ha kraftfull dator eller göra simulering via datorkluster på molnet.

Mvh
Peter

[HenrikE]

Snyggt jobb! Känns som att det skulle vara värdefull metod med rätt indata.

Om man jobbar med att få sina modeller så likt verkligheten man kan komma om man även inkluderar toleranser så stämmer simuleringar i jämförelse med mätningar inom +/- 1 dB. Det är normalt sett inom toleransområdet som fabrikanter av högtalarelement specar.

Då man fått högtalarelementmodellerna tillräckligt bra så är det bara att tuta och köra med högtalarlådorna och simulering av direktljudet samt ljudspridning i alla vinklar både horisontellt och vertikalt.

Till slut så har man ett enastående utvecklingsverktyg. Det gäller dock att ha kraftfull dator eller göra simulering via datorkluster på molnet.

Mvh
Peter

Min plan för fortsättningen av det här är att bygga en riktigt detaljerad 3d-modell av mig själv, mitt lyssningsrum och mina favoritskivor. Sen ska modell-jag få sitta och lyssna på mina mer eller mindre lyckade modell-högtalare.
På så sätt slipper jag tex:
- att bygga högtalare på riktigt (sparar tid, pengar och plats)
- att lyssna på dem på riktigt (ingen risk för besvikelse om det inte låter bra)
Bara fördelar alltså!

[petersteindl]

Ja, det är populärt med VR nu.

[Nattlorden]

Om man inte tänker lyssna på högtalarna, så kan man väl strunta i detta steget och läsa innehållet i .wav-filerna direkt?

[HenrikE]

Nä bygga egna högtalarelement har jag inga planer på. Simuleringarna håller jag på med mest för att det är kul men också för att lära mig mer om Comsol. Jag kör det ganska mycket på jobbet men mina olika simuleringar där tenderar att bli ganska lika varandra och använda ungefär samma delar av programmet. Kul att utforska andra möjligheter helt enkelt.

Hur som helst har jag provat att simulera lite spridning från element i ett komplett kabinett också. Det går definitivt att göra men det måste göras i 3D om det ska bli nåt bra, och då ökar kraven på datorn rejält. Burken jag kör på har bara 8 GB minne och det kommer man inte långt med om man vill köra med korta våglängder och stora luftvolymer. En högtalare med lite luft runtomkring blir ju precis så. Sen tar varje körning mycket längre tid, en klar glädjedödare när man bara sitter och leker lite..

[petersteindl]

Nä bygga egna högtalarelement har jag inga planer på. Simuleringarna håller jag på med mest för att det är kul men också för att lära mig mer om Comsol. Jag kör det ganska mycket på jobbet men mina olika simuleringar där tenderar att bli ganska lika varandra och använda ungefär samma delar av programmet. Kul att utforska andra möjligheter helt enkelt.

Hur som helst har jag provat att simulera lite spridning från element i ett komplett kabinett också. Det går definitivt att göra men det måste göras i 3D om det ska bli nåt bra, och då ökar kraven på datorn rejält. Burken jag kör på har bara 8 GB minne och det kommer man inte långt med om man vill köra med korta våglängder och stora luftvolymer. En högtalare med lite luft runtomkring blir ju precis så. Sen tar varje körning mycket längre tid, en klar glädjedödare när man bara sitter och leker lite..

Vi simulerar i 3D på molnet. Varje simulering får stå och puttra över natten. Egentligen behövs det 10-30 TB RAM-minne om man skall köra hemifrån på 1 dator. I kluster på molnet funkar det bra. Det går att få anmärkningsvärt bra överensstämmelse med mätningar irl.

Med vänlig hälsning
Peter

[HenrikE]

Nä bygga egna högtalarelement har jag inga planer på. Simuleringarna håller jag på med mest för att det är kul men också för att lära mig mer om Comsol. Jag kör det ganska mycket på jobbet men mina olika simuleringar där tenderar att bli ganska lika varandra och använda ungefär samma delar av programmet. Kul att utforska andra möjligheter helt enkelt.

Hur som helst har jag provat att simulera lite spridning från element i ett komplett kabinett också. Det går definitivt att göra men det måste göras i 3D om det ska bli nåt bra, och då ökar kraven på datorn rejält. Burken jag kör på har bara 8 GB minne och det kommer man inte långt med om man vill köra med korta våglängder och stora luftvolymer. En högtalare med lite luft runtomkring blir ju precis så. Sen tar varje körning mycket längre tid, en klar glädjedödare när man bara sitter och leker lite..

Vi simulerar i 3D på molnet. Varje simulering får stå och puttra över natten. Egentligen behövs det 10-30 TB RAM-minne om man skall köra hemifrån på 1 dator. I kluster på molnet funkar det bra. Det går att få anmärkningsvärt bra överensstämmelse med mätningar irl.

Med vänlig hälsning
Peter

Låter riktigt skoj det där! Tar en ensam simulering en hel natt, eller hinner ni köra en serie där någon vald parameter ändras? Är det Comsol ni kör?

[petersteindl]

Nä bygga egna högtalarelement har jag inga planer på. Simuleringarna håller jag på med mest för att det är kul men också för att lära mig mer om Comsol. Jag kör det ganska mycket på jobbet men mina olika simuleringar där tenderar att bli ganska lika varandra och använda ungefär samma delar av programmet. Kul att utforska andra möjligheter helt enkelt.

Hur som helst har jag provat att simulera lite spridning från element i ett komplett kabinett också. Det går definitivt att göra men det måste göras i 3D om det ska bli nåt bra, och då ökar kraven på datorn rejält. Burken jag kör på har bara 8 GB minne och det kommer man inte långt med om man vill köra med korta våglängder och stora luftvolymer. En högtalare med lite luft runtomkring blir ju precis så. Sen tar varje körning mycket längre tid, en klar glädjedödare när man bara sitter och leker lite..

Vi simulerar i 3D på molnet. Varje simulering får stå och puttra över natten. Egentligen behövs det 10-30 TB RAM-minne om man skall köra hemifrån på 1 dator. I kluster på molnet funkar det bra. Det går att få anmärkningsvärt bra överensstämmelse med mätningar irl.

Med vänlig hälsning
Peter

Låter riktigt skoj det där! Tar en ensam simulering en hel natt, eller hinner ni köra en serie där någon vald parameter ändras? Är det Comsol ni kör?

Japp, det är Comsol. Installerad på en server i München om jag minns rätt. Vi styr Comsol med MatLab. Vi kan köra en skur av simuleringar eller en ensam. Jag har två Civ.ing. anställda i företaget för att simulera. En är inriktad på mekanikcad och caddar fram lådkonfigurationer alltefter mina och lilltrolls önskningar. Det gäller att få fram användbara mesh. Vi har hundratals simuleringar på Bremens nya centerhögtalare. Just nu har den 4 basar i mycket speciell konfiguration där centern är placerad mot vägg eller vägg och golv eller vägg och tak.

Då det gäller Bremen 3D8 så har vi i efterhand simulerat och jämfört med våra mätningar som är på 70-90 punkter runtomkring högtalaren i kvartssfär. Då kan vi jämföra mätning mot simulering i varje punkt och jämföra. Ligger vi inom +/- 1 dB så har vi nått långt. För att komma dit så måste alla parametrar i högtalarelementen stämma i modellerna, även dämpmaterialets egenskaper och i princip alla detaljer måste in i modellen. Jag tror att vi med basarna ligger i närheten. Snart sätter vi igång med diskanterna.

Med vänlig hälsning
Peter

[paa]

Det är ju bra att kunna simulera, så man inte behöver bygga så många prototyper.
Men om man har serieprodukten framför sig, så är det väl enklare att mäta på den än att simulera, Peter är det inte så?

[petersteindl]

Det är ju bra att kunna simulera, så man inte behöver bygga så många prototyper.
Men om man har serieprodukten framför sig, så är det väl enklare att mäta på den än att simulera, Peter är det inte så?

Jo, så är det. Nu har vi 3D8 och har gjort mycket ingående mätningar i ungefär 90 punkter på kvartssfär. Jag vet ganska väl hur slutresultatet ser ut. Vid simulering så är det stor fördel att veta vad man håller på med och att kunna checka av att simuleringsmodellerna man använder sig av stämmer med verkligheten. Därför har vi först byggt matematiska modeller av de flesta ingående parametrar hos 3D8. Hur ser skjuvningen ut i upphängning t.ex. Hur ser de matematiska formlerna ut för fårull. Vilka egenskaper har de lim som används för att limma ihop delarna i högtalarelementet. Vilka är toleranserna. Osv. Hur formulerar man virvelströmsförluster i returkretsen hos högtalarelementets motor. Vilka egenskaper måste man ha kontroll över vid uppbrytning av membranen. Osv. Dessa förutom alla andra vanliga egenskaper som man lägger in i modellerna bör man ha ett hum om. Till slut kommer simulering i närheten av mätning. Sedan bestämmer man sig för vilka egenskaper man vill att högtalaren skall ha. Då får man först tänka till och sedan simulera. Är det saker man inte förstår så kan man få en aha-upplevelse vid simulering. Sedan gör industridesignern sitt och då får man simulera igen och ge förslag på vissa förändringar. Till slut görs en 3D-print och element och dämpmaterial monteras och sedan görs mätningar enligt ett utarbetat koncept och därefter appliceras de simulerade delningsfiltren och mätning görs igen och eventuella justeringar görs och sedan mätning igen. Till slut sker lyssning och eventuell justering. Kanske och troligtvis en ny 3D-print.

För mig gäller det att skapa pålitliga utvecklingsprocedurer så att man kan kommunicera med industridesigner, akustikdesigner, produktion och kvalitetskontroll men även material sourcing och snabbt kunna ta fram nästkommande modeller.

Mvh
Peter

[HenrikE]

Jätteintressant läsning, kul med en inblick i hur det går till att utveckla en ny högtalare professionellt. Tack för att du delar med dig!

[darkg]

Men 3d-printen mäter bara som produktionshögtalarna i högre frekvenser va?

[petersteindl]

Men 3d-printen mäter bara som produktionshögtalarna i högre frekvenser va?

Va? Kan du förklara varför en 3D-printning inte enligt dig skulle funka vid lägre frekvenser.

Med vänlig hälsning
Peter

[darkg]

Ja, som du vet är jag inte blyg för att ge mig ut på hal is, så mina antaganden är inte så anspråksfulla. Jo, äggskalen är ju av märkvärdig plast, och det finns väl en anledning till det! Sådan var ångan i min hjärnas maskin. Hade de fungerat lika bra med vanlig termoplast hade du väl satsat på det.

[petersteindl]

Ja, som du vet är jag inte blyg för att ge mig ut på hal is, så mina antaganden är inte så anspråksfulla. Jo, äggskalen är ju av märkvärdig plast, och det finns väl en anledning till det! Sådan var ångan i min hjärnas maskin. Hade de fungerat lika bra med vanlig termoplast hade du väl satsat på det.

Skalet i 3D8 är 15 mm tjockt och att formpressa till sådan godstjocklek är inte görligt. Man kan 3D-printa med ganska häftiga material t.ex. nylon blandad med aluminiumoxidpulver. Det blir styvt och tungt. Tippar att densiteten hamnar på 1,2-1,3. Det blir något dyrare än att 3D-printa med vanligt nylon. Vissa material som man 3D-printar är inte formbeständiga, andra är det. Man får välja material som är någorlunda lika det man sedan vill använda i produktion.

Med vänlig hälsning
Peter