在 20 世紀 70 至 80 年代，音樂愛好者們會在他們的房間中都安裝立體聲系統。大體積的方形揚聲器是這些立體聲系統的基本設備。如今，揚聲器設計出現了一個新的趨勢：消費者希望揚聲器的功能既強大又便于攜帶，并且能夠連接到家中和移動中的設備。要設計復雜但重量輕的揚聲器，可以通過優化揚聲器組件的拓撲結構來實現，例如揚聲器驅動器中的磁路。
揚聲器設計中便攜性的優勢
目前的揚聲器具可以兼容各種音頻輸入和更廣闊的頻率范圍，這使他們能夠與虛擬助手進行交互；能夠無線播放音樂；并能夠連接到其他部件，例如超重低音揚聲器（低音炮）。這些技術進步創造了新的設計需求。例如，一些揚聲器是防水的，因此可以在淋浴時或游泳池旁使用。或許是消費者更加關心的問題：希望揚聲器設計能夠經久耐用，方便他們可以隨時使用該產品（隨取隨用）。
左:大約 1980 年代，一個去除了外框格柵的揚聲器。圖片來自 PT35 自己的作品。過Wikimedia Commons 獲得 CC BY-SA 3.0許可。右圖：采用藍牙®無線技術的現代便攜式揚聲器示例。圖片來自 TAKKA@PPRS 自己的作品。通過 Flickr Creative Commons CC BY-SA 2.0 獲得許可。
隨著消費者偏好的變化，便攜性幾乎成為一個設計要求。工程師需要設計更小、更輕的揚聲器，以保持音質和性能標準。為了最大限度地提高揚聲器的性能，同時使其總質量最小，我們可以使用 COMSOL Multiphysics® 軟件及其附加的組件優化模塊對其進行拓撲優化。
使用 COMSOL Multiphysics® 優化磁路設計
在揚聲器驅動器中，磁路將磁通量集中到氣隙中。垂直于磁力線纏繞的線圈被放置在氣隙中，并被直接連接到揚聲器的振膜上。當電流流過線圈時，電磁力引起運動。振膜接收這種運動，并與空氣相互作用，產生聲波。
磁路由一個鐵軛構成，它執行兩個重要功能：
最大化集中在線圈上的磁通量
在線圈上提供均勻的磁場
在這個示例中，電路的幾何形狀類似于揚聲器驅動器模型中的幾何形狀。由原 B-H 曲線推導出鐵的非線性相對磁導率，可以很方便地表示鐵的本構關系。
這為拓撲優化奠定了基礎，在拓撲優化中，滲透率將很容易與控制變量場結合，以驅動優化過程。
要確定磁路鐵軛的最佳形狀，可以使用拓撲優化。
磁路性能的典型靈敏值是 BL 參數或力因子，它是氣隙中磁通量和線圈長度的乘積。BL 參數越大，磁路的性能越高。對于多目標研究，我們可以將 BL 參數和鐵軛的重量看作目標參數，將組件的掃描形狀作為控制變量和參數，建立函數關系。
找到拓撲優化解決方案后，我們可以提取優化的幾何圖形并對其進行重構，以便進行進一步分析。
磁路的性能評估和設計
原始幾何形狀包括一個體積為 37cm³ 的鐵域，特別是鐵軛的下臂。在前兩項研究中，我們分析了初始(次優)電路配置的磁場，并通過將磁場與標準 B-H 公式進行比較來驗證非線性相對磁導率方法。
左：原始幾何形狀(紅色:鐵，藍色:空氣)。右圖：初始配置的磁通量密度范數和線。
磁路的拓撲優化
通過添加優化 接口，我們可以進一步減小鐵軛的體積，同時保持高磁性能。
第三項研究從兩步拓撲優化開始，始終尋求最高可能的 BL 并從鐵體積大約為 52cm³ 的“完整”圓柱形環開始。前一個條件作為線圈 域上的一個整體目標來實現；后者作為積分不等式約束，要求軛的體積盡可能接近目標體積。
研究3 的目標是將體積減小到 37cm³，結果與原始幾何形狀非常相似，證實原始幾何形狀確實已經接近最優。研究4尋求以更小幾何形狀獲得最佳性能，表示為整個體積的 50% 填充系數；即 26cm³。
左圖：優化的幾何形狀，其中鐵軛下臂的體積為 26cm³。右圖：優化配置的磁通密度范數和線。
兩項研究的結果具有可比性。盡管具有優化拓撲的幾何體更小，但性能沒有任何降低。
磁通量密度范數的三維旋轉圖，顯示最終優化的幾何形狀。
以上這些研究表明，拓撲優化可用于為揚聲器組件找到可能最佳的形狀和約束參數。
在準備對優化配置進行進一步分析時，優化分析的最終形狀可以作為獨立的幾何圖形導出。
左圖：定義了最佳鐵/空氣閾值的等高線圖。右圖:作為幾何對象導入的優化幾何形狀。
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