Avancerad simulering av baffeldiffraktion - FEM

Hur funkar tekniken bakom bra hifi?

Moderator: Redaktörer

Användarvisningsbild
onni
 
Inlägg: 107
Blev medlem: 2007-03-01

Avancerad simulering av baffeldiffraktion - FEM

Inläggav onni » 2014-02-04 01:10

Hej!

Jag är beräkningsingenjör och jobbar en del med FEM-programvaror, framförallt COMSOL Multiphysics. Jag har skymtat en del akustiktillämpningar i dokumentationen: Portad låda. Optimera horn-form. Subwoofer respons i halvsfär. Och tänkt att det borde vara intressant att testa lite själv. I den här tråden tänkte jag försöka räkna lite diffraktion och jämföra former på bafflar och högtalare.

Det började med att jag funderade på hur jag ska sätta elementen i högtalarna jag bygger åt farsan, därför ger jag mig på det först. För att ha något att jämföra med så har jag kört lite simuleringar i förträffliga Edge och tittat på den här bilden.

Exempel 1: Cylinder (D=400 mm) med högtalarelementet (d=80 mm) i änden.

Resultat från Edge (on-axis, 15 deg off och 30 deg off):
Bild

Resultat från COMSOL:
Bild
Väldigt lika resultat, förutom att COMSOL-simuleringen visar lite vågighet för låga frekvenser.
Jag var tvungen att välja en längd, vilken blev 0.5 m i det här fallet (återkommer med en jämförelse på längder av cylindern om det är intressant). Elementet är i det här fallet helt plant och flush med baffeln. Såhär ser ljudtrycksnivån i en 1m-sfär runt högtalaren ut för 250, 1000 och 4000Hz:
Bild
Bild
Bild
Det syns väldigt tydligt att högre frekvenser ger en tydligare riktningsverkan.

Exempel 2: Sfäriska högtalare (D=400 mm, d=80)
Tidigare har jag byggt sfäriska högtalare (efter att ha sett att det ska leda till små problem med diffraktion) och gjorde därför simuleringar av sådana:
Bild
Som ni ser är geometrin inte helt idealiserad, jag har lagt till en liten plan förlängning av konen för att få med kanten av elementet som skruvas fast i sfären.

Här är konen (på högtalarelementet) fortfarande plan som tidigare (och som figuren visade):
Bild
On-axis (0 deg) är som väntat fin, men vid 30 grader off-axis är det väldigt illa, värre än för cylindern som jag trodde var värsta möjliga alternativ. Såhär ser spridningen ut för 8 kHz:
Bild

Och här har jag lagt till en enkel form på konen:
Bild

Vilket ger följande kurvor:
Bild

Och spridning vid 8 kHz:
Bild
Intressant att skillnaden är så stor!


Sammanfattningsvis:
- Det verkar gå alldeles utmärkt att simulera diffraktion i COMSOLs grundpaket (Pressure acoustics, frequency domain).
- Konens form är avgörande för diffraktionen.

För er som är intresserade av inställningarna i simuleringen:
- Jag satt en acceleration på konen (på 10 m/s^2 i z-led). Osäker på om detta är bästa sättet att skapa ljudet.
- Insidan av lådan simuleras också, som ni kan se i figurerna.
- Dessa simuleringar har varit axi-symmetriska (2D). Jag ska övergå till 3D (rätblock), det blir dock längre beräkningstider.
- Modellerna använder Perfectly matched layer för att få beteendet i ett oändligt väldämpat rum.
- Väggarna är oändligt styva (alltså ej med i modellen).



Vad mer vill ni se? Jag kommer räkna på den låda jag ska bygga, några andra önskemål? Andra tillämpningar? Rumsakustik?

/Anton

EDIT1: Bytte rubrik så att fler förstår vad det handlar om.
Senast redigerad av onni 2014-02-04 13:28, redigerad totalt 1 gång.

Användarvisningsbild
Elfsberg
 
Inlägg: 2272
Blev medlem: 2012-01-12

Inläggav Elfsberg » 2014-02-04 12:03

Skulle du kunna simulera olika typer av avfasningar av lådans kanter?
Guru QM60 & Ino bs60, Anaview AMS1000, Topping E30 & CamillaDSP / Guru QM10 mk 1, Anaview ALA0080
Hifiman Sundara, Sennheiser PXC-550 II, Hidisz S9 Pro (Schiit Audio Magni 2)

Användarvisningsbild
paa
Sökaren
 
Inlägg: 35947
Blev medlem: 2005-01-10

Inläggav paa » 2014-02-04 12:17

Elfsberg skrev:Skulle du kunna simulera olika typer av avfasningar av lådans kanter?

+1, jätteintressant.

Hämta gärna inspiration från den tyska testen som Phon har lagt här:

Fasade kanter 1
Fasade kanter 2
Fasade kanter 3
Medlem på forumet för hifi; Faktiskt.se, numera Faktiskt.io sedan jan 10, 2005
Numera pensionär.
Vi har sålt Sonic Design till Winn Scandinavia, vilka driver bl.a Ljudfokus och BRL.

Användarvisningsbild
onni
 
Inlägg: 107
Blev medlem: 2007-03-01

Inläggav onni » 2014-02-04 13:27

Elfsberg skrev:Skulle du kunna simulera olika typer av avfasningar av lådans kanter?

Absolut! Är det ok att jag fortsätter med den cylindriska modellen eftersom att den ger störst effekt on-axis?

Vilka typer ska jag testa?

paa skrev:
Elfsberg skrev:Skulle du kunna simulera olika typer av avfasningar av lådans kanter?

+1, jätteintressant.

Hämta gärna inspiration från den tyska testen som Phon har lagt här:

Fasade kanter 1
Fasade kanter 2
Fasade kanter 3

Intressant! Jag plockar några av dessa och kör några ännu extremare, låter det bra?

/Anton

Användarvisningsbild
paa
Sökaren
 
Inlägg: 35947
Blev medlem: 2005-01-10

Inläggav paa » 2014-02-04 13:58

Ta med den på 45 grader och 12,7 mm fasbredd som ser så bra ut i det tyska testet så man får något som kopplar ihop testerna. Samt någon av avrundningarna dom testade också, kanske 25mm rundning, samt vad mer du finner som ger förbättringar utifrån detta. Skarp kant måste naturligtvis vara med som utgångspunkt.

Om man ska koncentrera sig på fasningens inverkan, kanske inte elementet ska sitta så det ger maximalt ojämnt resultat, utan tvärtom, så det ger så jämn frekvensgång som möjligt. Flytta det ur centrum på den cirkulära baffeln till där det ger bäst resultat innan du lägger på faserna.
Medlem på forumet för hifi; Faktiskt.se, numera Faktiskt.io sedan jan 10, 2005
Numera pensionär.
Vi har sålt Sonic Design till Winn Scandinavia, vilka driver bl.a Ljudfokus och BRL.

Användarvisningsbild
Martin
Vågledaren/redaktör
 
Inlägg: 10118
Blev medlem: 2003-08-24
Ort: Nykvarn

Inläggav Martin » 2014-02-04 14:12

Härligt jobb! :)

Vad mer vill ni se? Jag kommer räkna på den låda jag ska bygga, några andra önskemål? Andra tillämpningar? Rumsakustik?


Waveguides på diskanter vore intressant. Hur det påverkar spridningen.
MEK - MetallElementKlubben

Användarvisningsbild
Fjonkalicious
Colonel Mustard
 
Inlägg: 18067
Blev medlem: 2007-09-02
Ort: Skåne

Inläggav Fjonkalicious » 2014-02-04 15:15

Mycket tufft onni! Keep up the good work!
Head of Design - Acoustic Illusion AB

Användarvisningsbild
PontusEriksson
 
Inlägg: 1698
Blev medlem: 2008-04-01
Ort: Eskilstuna

Inläggav PontusEriksson » 2014-02-04 15:59

Rätblocksformad låda kanske?

Användarvisningsbild
Elfsberg
 
Inlägg: 2272
Blev medlem: 2012-01-12

Inläggav Elfsberg » 2014-02-04 20:15

Ja.
Den typen av låda som vi faktiskt använder är den som är intressant.. :-)
Men givetvis får du göra vilka simuleringar du vill, kanske hittar du på något användbart.
Guru QM60 & Ino bs60, Anaview AMS1000, Topping E30 & CamillaDSP / Guru QM10 mk 1, Anaview ALA0080
Hifiman Sundara, Sennheiser PXC-550 II, Hidisz S9 Pro (Schiit Audio Magni 2)

Användarvisningsbild
Elfsberg
 
Inlägg: 2272
Blev medlem: 2012-01-12

Inläggav Elfsberg » 2014-02-04 20:20

onni skrev:
Vilka typer ska jag testa?
/Anton


Jag har några förslag:

olika storlekar/längder på avfasningar, i olika grader placerade på olika breda bafflar som är utstrålade av några olika stora element/boomers. :-)

Typ

30 cm bred baffel, 45 graders fasad kant om 3 cm, 8" boomer
Guru QM60 & Ino bs60, Anaview AMS1000, Topping E30 & CamillaDSP / Guru QM10 mk 1, Anaview ALA0080
Hifiman Sundara, Sennheiser PXC-550 II, Hidisz S9 Pro (Schiit Audio Magni 2)

Användarvisningsbild
onni
 
Inlägg: 107
Blev medlem: 2007-03-01

Resultat med rundningar 5-100 mm, cylindrisk högtalare

Inläggav onni » 2014-02-04 22:43

Jag håller på att bygga en modell med en högtalare formad som ett rätblock (140 mm bred front och sedan golden ratio för de andra två måtten), högtalarelementet centrerat på baffeln (ger korta beräkningstider p.g.a. dubbel symmetri).

Men först: Här kommer resultat från simuleringar av 400 mm (diameter) cylinder med 80 mm (plan) kon mitt på. Rundningen är 5, 12.5, 25, 50 och 100 mm. Alla figurer har samma skala.

Bild
Ingen rundning.

Bild
5 mm rundning.

Bild
12.5 mm rundning.

Bild
25 mm rundning.

Bild
50 mm rundning.

Bild
100 mm rundning.

Effekten är som ni ser knappt märkbar förränn vid 25 mm rundning.

/Anton

Användarvisningsbild
paa
Sökaren
 
Inlägg: 35947
Blev medlem: 2005-01-10

Inläggav paa » 2014-02-04 22:55

I den tyska testen så gav ju 45 graders fas resultat vid mindre mått än rundad fas, så sådana är ju intressanta att se också. Speciellt eftersom det är enklare att tillverka.
Men det blev ju som jag sa att vindlingarna i frekvensgången från den ogynnsamma högtalarplaceringen i centrum på runda baffeln gör att det blir svårt att se och tolka resultatet. Blir mer spännande att se rätblockssimuleringarna.
Medlem på forumet för hifi; Faktiskt.se, numera Faktiskt.io sedan jan 10, 2005
Numera pensionär.
Vi har sålt Sonic Design till Winn Scandinavia, vilka driver bl.a Ljudfokus och BRL.

Användarvisningsbild
Svante
Audiot!
 
Inlägg: 37552
Blev medlem: 2004-03-03
Ort: oakustisk

Inläggav Svante » 2014-02-04 23:24

Kuligt! Och jag kan ju inte låta bli att tycka att det är kul att det blev så likt The Edge med det kantiga kanterna och att rundningen måste vara ganska rejäl för att den ska märkas.

Hur lång tid tar det att få fram en sån där tonkurva?
Så länge har jag längat efter att loudness war skulle vara över. Nu börjar jag tro att vi faktiskt är där. Kruxet är att vi förlorade.

Användarvisningsbild
onni
 
Inlägg: 107
Blev medlem: 2007-03-01

Inläggav onni » 2014-02-04 23:45

paa skrev:I den tyska testen så gav ju 45 graders fas resultat vid mindre mått än rundad fas, så sådana är ju intressanta att se också. Speciellt eftersom det är enklare att tillverka.
Men det blev ju som jag sa att vindlingarna i frekvensgången från den ogynnsamma högtalarplaceringen i centrum på runda baffeln gör att det blir svårt att se och tolka resultatet. Blir mer spännande att se rätblockssimuleringarna.

Jag kör 45 graders fasningarna samtidigt som jag bygger rätblocksmodellen, så resultat kommer :)

Största problemet just nu verkar vara beräkningstid för 3D-modellerna samt minnesåtgång (16 GB verkar inte riktigt tillräckligt). Speciellt när man vill komma upp i höga frekvenser så krävs en tätare mesh = fler ekvationer att lösa.

Svante skrev:Kuligt! Och jag kan ju inte låta bli att tycka att det är kul att det blev så likt The Edge med det kantiga kanterna och att rundningen måste vara ganska rejäl för att den ska märkas.

Hur lång tid tar det att få fram en sån där tonkurva?

Beräkningen för de axi-symmetriska 2D-modellerna är ca 10 minuter. Om jag skulle vilja få vettiga resultat upp till 20 kHz skulle det krävas runt 30 minuter. Bearbetningen av data efteråt är snabb (går på några sekunder). Jag har för övrigt en Core i5 3570K.

/Anton

Användarvisningsbild
onni
 
Inlägg: 107
Blev medlem: 2007-03-01

45 graders fasningar 5-25 mm, cylindrisk högtalare

Inläggav onni » 2014-02-05 00:22

Nu har jag kört några simuleringar med 45 graders fasningar. Först en bild utan fasning för jämförelse (samma som tidigare).

Bild
Utan fasning

Bild
5 mm fasning

Bild
12.5 mm fasning

Bild
25 mm fasning

Bild
50 mm fasning


Här har jag överlagrat figuren för 25 mm fasning på en svartvit variant av figuren för 25 mm rundning:
Bild

Och likadant för 50 mm fasning och rundning:
Bild

Det man kan se är att fasning ger effekt för lägre frekvenser vis samma storlek, men sämre effekt för högre frekvenser.

Nu ger jag mig för idag. Återkommer när jag förhoppningsvis fått ordning på rätblocksmodellen.

/Anton

Edit1: La till 50 mm fasning.
Senast redigerad av onni 2014-02-05 23:30, redigerad totalt 1 gång.

Användarvisningsbild
Elfsberg
 
Inlägg: 2272
Blev medlem: 2012-01-12

Inläggav Elfsberg » 2014-02-05 00:23

Hoppsan. Jag satt just och svor över Basta!.. :-)

Jag trodde det gick betydligt snabbare för en modern dator att lösa lite ekvationer.
Guru QM60 & Ino bs60, Anaview AMS1000, Topping E30 & CamillaDSP / Guru QM10 mk 1, Anaview ALA0080
Hifiman Sundara, Sennheiser PXC-550 II, Hidisz S9 Pro (Schiit Audio Magni 2)

Användarvisningsbild
Adhoc
 
Inlägg: 3723
Blev medlem: 2005-06-29
Ort: Göteborg

Inläggav Adhoc » 2014-02-05 00:25

Elfsberg skrev:
onni skrev:
Vilka typer ska jag testa?
/Anton


Jag har några förslag:

olika storlekar/längder på avfasningar, i olika grader placerade på olika breda bafflar som är utstrålade av några olika stora element/boomers. :-)

Typ

30 cm bred baffel, 45 graders fasad kant om 3 cm, 8" boomer


Jag tror det är intressantare för många med resultatet av en mindre avfräsning. Dom flesta DIY-nissarna kör med skaftfräsar för 6 eller 8 mm chuck. Ett fräsverktyg för 3 cm avfräsning kräver troligen 12 mm-chuck och en riktigt kraftig överhandsfräs (= ovanligt) och fräsverktyget blir vääääldigt dyrt. För "engångsjobb" och med 6 eller 8 mm skaft är det lätt och billigt att hitta anrundningsfräsar med r = 12 mm samt 45 gr fasfräsar med fräsdjup 12 mm (hypotenusan ca 17 mm).

Användarvisningsbild
Elfsberg
 
Inlägg: 2272
Blev medlem: 2012-01-12

Inläggav Elfsberg » 2014-02-05 00:40

Suveränt med lite mer konkreta förslag.
Guru QM60 & Ino bs60, Anaview AMS1000, Topping E30 & CamillaDSP / Guru QM10 mk 1, Anaview ALA0080
Hifiman Sundara, Sennheiser PXC-550 II, Hidisz S9 Pro (Schiit Audio Magni 2)

Användarvisningsbild
Svante
Audiot!
 
Inlägg: 37552
Blev medlem: 2004-03-03
Ort: oakustisk

Inläggav Svante » 2014-02-05 00:45

Elfsberg skrev:Hoppsan. Jag satt just och svor över Basta!.. :-)

Jag trodde det gick betydligt snabbare för en modern dator att lösa lite ekvationer.


Mja en typisk FEM-simulering har ju tiotusentals noder och lika många ekvationer, så det är naturligt att det behövs lite tid.
Så länge har jag längat efter att loudness war skulle vara över. Nu börjar jag tro att vi faktiskt är där. Kruxet är att vi förlorade.

Användarvisningsbild
Nissep
 
Inlägg: 246
Blev medlem: 2011-11-07

Inläggav Nissep » 2014-02-05 09:23

Jag väntar bara på att någon skall göra en tutorial på denna programvara http://www.randteam.de/ABEC3/Index.html

Onni kan inte du ta på dig det ansvaret?

Och kanske även detta program till alla som vill designa waveguider till sina diskanter http://www.randteam.de/AxiDriver/Index.html

Användarvisningsbild
onni
 
Inlägg: 107
Blev medlem: 2007-03-01

Inläggav onni » 2014-02-05 11:02

Svante skrev:
Elfsberg skrev:Hoppsan. Jag satt just och svor över Basta!.. :-)

Jag trodde det gick betydligt snabbare för en modern dator att lösa lite ekvationer.


Mja en typisk FEM-simulering har ju tiotusentals noder och lika många ekvationer, så det är naturligt att det behövs lite tid.

Lite ekvationer i det här fallet är i storleksordningen 100 000-tal för 2D och tiotals miljoner för 3D :) De behöver lösas för varje frekvens som vi vill få ut resultat för, vilket innebär några miljarder ekvationer att lösa för att få ut ett frekvenssvep.

Fördelen blir att man behöver göra väldigt få antaganden och kan därmed testa lite vad som helst.

/Anton

sala_silver
 
Inlägg: 73
Blev medlem: 2013-01-23

Inläggav sala_silver » 2014-02-05 16:22

Hej.
Suverän tråd! Följer med spänning.

Mycket intresant med de runda bafflarna.
Simulerar du en sfär, eller ett stående rör...?

Mvh Jonny
Om det faktiskt va så att Bästa sättet att göra saker å ting, redan va uppfunnet..
-Skulle vi fortfarande springa runt på savannen å jaga buffel med knölpåkar...

.

Användarvisningsbild
onni
 
Inlägg: 107
Blev medlem: 2007-03-01

Inläggav onni » 2014-02-05 20:34

sala_silver skrev:Hej.
Suverän tråd! Följer med spänning.

Mycket intresant med de runda bafflarna.
Simulerar du en sfär, eller ett stående rör...?

Mvh Jonny

Jag har simulerat både och, men mest cylindrar (stående rör). De senaste resultaten med rundning är beräknade med cylindrar (diameter på 400 mm, längd 500 mm) som har ett element centrerat i ena änden (diameter på 80 mm).

/Anton

Användarvisningsbild
Aerob
 
Inlägg: 5478
Blev medlem: 2008-09-03

Inläggav Aerob » 2014-02-05 20:45

Något som jag personligen hade tyckt varit spännande är att se skillnaden mellan en SEOS-15 på baffel och utan baffel. Baffeln kan tänkas sticka ut 10mm på tre sidor av waveguiden, fjärde sidan 10mm till ett 15" element.

http://www.diysoundgroup.com/plastic-se ... eos15.html

:D


Summer Passing


sala_silver
 
Inlägg: 73
Blev medlem: 2013-01-23

Inläggav sala_silver » 2014-02-05 23:07

Får man önska sig en simulering..? :-)

Jag har ett 80mm bredbandselement (kon 60mm diameter. 75mm med upphängning. +korg) sittande i änden på ett 88mm (yd) rör.
Utsidan på högtalarkorgen är alltså kant i kant med rörets utsida (som är klädd med nålfiltsmatta)
Röret är ca75cm långt och står upp med elementet riktat uppåt...

För att göra saken ytterligare tillkrånglad, så är det ett dubbelkonelement.. 35mm ytterkant mittenkonen...

kanske kan va nått om du får tråkigt nån gång... ;-) hehe.

Mvh Jonny
.
Senast redigerad av sala_silver 2014-02-06 00:19, redigerad totalt 1 gång.
Om det faktiskt va så att Bästa sättet att göra saker å ting, redan va uppfunnet..
-Skulle vi fortfarande springa runt på savannen å jaga buffel med knölpåkar...

.

Användarvisningsbild
onni
 
Inlägg: 107
Blev medlem: 2007-03-01

Inläggav onni » 2014-02-05 23:22

sala_silver skrev:Får man önska sig en simulering..? :-)

Jag har ett 80mm bredbandselement (kon 60mm diameter. 75mm med upphängning +korg) sittande i änden på ett 88mm (yd) rör.
Utsidan på högtalarkorgen är alltså kant i kant med rörets utsida (som är klädd med nålfiltsmatta)
Röret är ca75cm långt och står upp med elementet riktat uppåt...

För att göra saken ytterligare tillkrånglad, så är det ett dubbelkonelement.. 35mm ytterkant mittenkonen...

kanske kan va nått om du får tråkigt nån gång... ;-) hehe.

Mvh Jonny
.

Har du lite foton så kan jag göra ett utlåtande. Om det är så att geometrin går att förenkla till axi-symmetrisk (2D) så går simuleringen ganska fort.


PS: Nu har jag lagt till 50 mm fasning för cylinderfallet i posten med resultaten. Intressant tycker jag :)

/Anton

Användarvisningsbild
Dartman
 
Inlägg: 7193
Blev medlem: 2009-01-15
Ort: ofon OM 30

Inläggav Dartman » 2014-02-05 23:54

Det här är riktigt intressant läsning, onni. Keep up the good work!

:)


/Jonas
Ignorance may be bliss. I wouldn't know.

Användarvisningsbild
onni
 
Inlägg: 107
Blev medlem: 2007-03-01

Inläggav onni » 2014-02-06 00:02

Dartman skrev:Det här är riktigt intressant läsning, onni. Keep up the good work!

:)


/Jonas

Tack! Det är kule att räkna/posta när folk är intresserade.

Här kommer en gif som visar spridningen från cylindern (D=400mm, d= 80) med en 25 mm fasning, svept från 20 Hz till 10 kHz.

Bild

Eftersom att lådans innanmäte är med i modellen (20 mm väggtjocklek) så kan man se hur ljudtrycket är och hur de stående vågorna ser ut. Helt klart en möjlig applikation att titta på sådant :)

Jag ska nu köra igång en model av en Golden Ratio låda som får gå över natten. Återkommer förhoppningsvis med resultat imorgon.

/Anton

sala_silver
 
Inlägg: 73
Blev medlem: 2013-01-23

Inläggav sala_silver » 2014-02-06 00:23

onni skrev:
sala_silver skrev:Får man önska sig en simulering..? :-)

Jag har ett 80mm bredbandselement (kon 60mm diameter. 75mm med upphängning +korg) sittande i änden på ett 88mm (yd) rör.
Utsidan på högtalarkorgen är alltså kant i kant med rörets utsida (som är klädd med nålfiltsmatta)
Röret är ca75cm långt och står upp med elementet riktat uppåt...

För att göra saken ytterligare tillkrånglad, så är det ett dubbelkonelement.. 35mm ytterkant mittenkonen...

kanske kan va nått om du får tråkigt nån gång... ;-) hehe.

Mvh Jonny
.

Har du lite foton så kan jag göra ett utlåtande. Om det är så att geometrin går att förenkla till axi-symmetrisk (2D) så går simuleringen ganska fort.


Ska försöka fixa d i morrn :-)
.
Om det faktiskt va så att Bästa sättet att göra saker å ting, redan va uppfunnet..
-Skulle vi fortfarande springa runt på savannen å jaga buffel med knölpåkar...

.

Användarvisningsbild
PontusEriksson
 
Inlägg: 1698
Blev medlem: 2008-04-01
Ort: Eskilstuna

Inläggav PontusEriksson » 2014-02-06 22:39

Vore intressant att se jämförelser mellan diskant och midbas kring delningsfrekvensen, säg 25 mm diskant och 180 mm midbas vid typ 2.5 kHz :)

Och som Martin sa, diskant i waveguide vore intressant!

Nästa

Återgå till Teknikforum


Vilka är online

Användare som besöker denna kategori: Google [Bot] och 4 gäster