شبیه سازی ترموآکوستیک برای تجزیه و تحلیل میکروفون قوی تر

هنگام انجام آنالیز بر روی تجهیزات صوتی در مقیاس کوچک، مانند سمعک، تلفن همراه و میکروفون، پدیده فیزیکی آشکاری که مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد آکوستیک فشار است . با این حال، فعل و انفعالات فیزیک دیگری وجود دارد که به طور قابل توجهی بر این دستگاه های کوچک تأثیر می گذارد، از جمله برهمکنش های الکترومکانیکی و تلفات ویسکوترمال. مهم‌تر از همه، ترموآکوستیک (مدل‌سازی دقیق آکوستیک شامل هدایت حرارتی و تلفات ویسکوز) اثری است که اغلب نادیده گرفته می‌شود و می‌تواند نتایج یک مدل را تغییر دهد. این افکت ها در همه دستگاه هایی با مقیاس های طول کوچک مهم هستند. مدل میکروفون خازنی Brüel و Kjær 4134 نمونه کاملی از این برهمکنش های چندفیزیکی با چهار رابط فیزیکی مختلف است ( ترموآکوستیک ،غشاء ، الکترواستاتیک و مش متحرک ) برای مدل‌سازی سطح حساسیت، تغییر شکل غشا، فشار، سرعت و میدان الکتریکی یک میکروفون خازنی استفاده می‌شود.

Brüel & Kjær، تولید کننده پیشرو در تجزیه و تحلیل میکروفون خازنی

Brüel and Kjær یک تامین کننده پیشرو در راه حل های اندازه گیری صدا و ارتعاش برای صنایع مختلف در سراسر جهان است. بخشی از چشم انداز آنها ارائه “راه حل های فنی نوآورانه [که] ارزش پایدار ایجاد می کند” برای مشتریان خود است. Brüel & Kjær به خود می بالد که استاندارد صنعتی در زمینه میکروفون های درجه اندازه گیری است که اندازه گیری های صوتی دقیق و دقیق را ارائه می دهد. حفظ کیفیت خروجی محصولات آنها شامل استفاده از COMSOL Multiphysics برای اصلاح و بهبود دستگاه های تجزیه و تحلیل میکروفون خود است. اخیراً آنها مدلی از میکروفون خازنی 4134 برای شبیه سازی نتایج پارامترهای مختلف ساخته اند.

تصویر میکروفون Brüel و Kjær 4134 شامل
شبکه حفاظتی نصب شده روی محفظه. تصویر توسط
Brüel and Kjær Sound & Vibration Measurement A/S.

ترموآکوستیک، شبیه سازی چندفیزیکی واقعی

بسیاری از مطالعات مدلسازی بر روی میکروفون Brüel و Kjær 4134 انجام شده است که تمام اثرات فیزیکی روی میکروفون را شامل نمی شود. با این حال، در شبیه‌سازی COMSOL Multiphysics، از چهار رابط فیزیکی مختلف برای ارائه یک مدل دقیق‌تر استفاده شد. رابط Thermoacoustics آکوستیک را به روشی دقیق با گنجاندن ضریب هدایت حرارتی و تلفات ویسکوز حل می کند (این آکوستیک ویسکوترمال یا ترموویسکوس نیز شناخته می شود و تداوم خطی شده، ناویر-استوکس و معادلات انرژی را حل می کند) . رابط الکترواستاتیک تغییر میدان الکتریکی و نیروهای الکترواستاتیکی را در میکروفون اندازه گیری می کند. رابط Membrane یک فیزیک پیش تنیده برای دیافراگم داخل پوشش ایجاد می کند. ورابط مش متحرک تغییر شکل غشای دیافراگم را در هنگام پیش قطبی کردن میکروفون مدل می کند.

میکروفون در اصل یک مبدل الکترومکانیکی است که حرکات دیافراگم ناشی از فشار صدا را به یک سیگنال الکتریکی با اندازه گیری ولت تبدیل می کند. رابطه بین میدان فشار ورودی (آکوستیک).و ولتاژ خروجیسطح حساسیت است، که تعریف میشود:

نمودار حساسیت (در زیر نشان داده شده است) دو نتیجه مدل متفاوت را با مقادیر اندازه گیری پایین، بالا و متوسط ​​مقایسه می کند. همانطور که می بینید، نتایج مدل، که هیچ پارامتر تنظیم آزاد ندارند، به طور مطلوب با نتایج اندازه گیری های تجربی مقایسه می شوند. هنگام تصمیم گیری بین مدل های مختلف میکروفون، حساسیت میکروفون یک ویژگی مهم است. نتایج بیشتر از جمله تغییر شکل غشا، سرعت، سطح فشار صوت، دما و پتانسیل الکتریکی را می‌توان در مستندات مدل به همراه دستورالعمل‌های کامل در مورد راه‌اندازی و اجرای مدل یافت .

Microphone sensitivity curve from the model with exposed (blue) and unexposed (pink) vent. Three measurement
curves are also added (green, red, and cyan) to illustrate the variability in the microphone sensitivity.

An Upcoming Webinar on the Simulation of Acoustics Devices

هدایت حرارتی و تلفات ویسکوز به طور قابل توجهی بر دستگاه های صوتی تأثیر می گذارد و باید در همه شبیه سازی ها با هندسه های مقیاس کوچک گنجانده شود. با توجه به ماهیت پیچیده این کوپلینگ فیزیک، تمامی معادلات لازم به طور خودکار توسط نرم افزار کوپل شده و حل می شوند تا کار را برای کاربر آسانتر کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد ترموآکوستیک و نحوه مدل‌سازی دستگاه‌های کوچک آکوستیک، در وبینار آینده با موضوع « شبیه‌سازی آکوستیک در میکروفون‌ها، دستگاه‌های موبایل و سمعک‌ها » شرکت کنید. مدل میکروفون خازنی Brüel و Kjær 4134 نشان داده خواهد شد تا فیزیک های مختلف توضیح داده شده در این پست را نمایش دهد و نشان دهد که چگونه می توان آنها را در شبیه سازی های خود گنجاند.