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在 20 世纪 70 至 80 年代，音乐爱好者们会在他们的房间中都安装立体声系统。大体积的方形扬声器是这些立体声系统的基本设备。如今，扬声器设计出现了一个新的趋势：消费者希望扬声器的功能既强大又便于携带，并且能够连接到家中和移动中的设备。要设计复杂但重量轻的扬声器，可以通过优化扬声器组件的拓扑结构来实现，例如扬声器驱动器中的磁路。 扬声器设计中便携性的优势目前的扬声器具可以兼容各种音频输入和更广阔的频率范围，这使他们能够与虚拟助手进行交互；能够无线播放音乐；并能够连接到其他部件，例如超重低音扬声器（低音炮）。这些技术进步创造了新的设计需求。例如，一些扬声器是防水的，因此可以在淋浴时或游泳池旁使用。或许是消费者更加关心的问题：希望扬声器设计能够经久耐用，方便他们可以随时使用该产品（随取随用）。 左:大约 1980 年代，一个去除了外框格栅的扬声器。图片来自 PT35 自己的作品。过Wikimedia Commons 获得 CC BY-SA 3.0许可。右图：采用蓝牙®无线技术的现代便携式扬声器示例。图片来自 TAKKA@PPRS 自己的作品。通过 Flickr Creative Commons CC BY-SA 2.0 获得许可。随着消费者偏好的变化，便携性几乎成为一个设计要求。工程师需要设计更小、更轻的扬声器，以保持音质和性能标准。为了最大限度地提高扬声器的性能，同时使其总质量最小，我们可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件及其附加的组件优化模块对其进行拓扑优化。 使用 COMSOL Multiphysics® 优化磁路设计在扬声器驱动器中，磁路将磁通量集中到气隙中。垂直于磁力线缠绕的线圈被放置在气隙中，并被直接连接到扬声器的振膜上。当电流流过线圈时，电磁力引起运动。振膜接收这种运动，并与空气相互作用，产生声波。 磁路由一个铁轭构成，它执行两个重要功能： 在这个示例中，电路的几何形状类似于扬声器驱动器模型中的几何形状。由原 B-H 曲线推导出铁的非线性相对磁导率，可以很方便地表示铁的本构关系。 这为拓扑优化奠定了基础，在拓扑优化中，渗透率将很容易与控制变量场结合，以驱动优化过程。 要确定磁路铁轭的最佳形状，可以使用拓扑优化。磁路性能的典型灵敏值是 BL 参数或力因子，它是气隙中磁通量和线圈长度的乘积。BL 参数越大，磁路的性能越高。对于多目标研究，我们可以将 BL 参数和铁轭的重量看作目标参数，将组件的扫描形状作为控制变量和参数，建立函数关系。 找到拓扑优化解决方案后，我们可以提取优化的几何图形并对其进行重构，以便进行进一步分析。 磁路的性能评估和设计原始几何形状包括一个体积为 37cm3 的铁域，特别是铁轭的下臂。在前两项研究中，我们分析了初始(次优)电路配置的磁场，并通过将磁场与标准 B-H 公式进行比较来验证非线性相对磁导率方法。 左：原始几何形状(红色:铁，蓝色:空气)。右图：初始配置的磁通量密度范数和线。 磁路的拓扑优化通过添加优化 接口，我们可以进一步减小铁轭的体积，同时保持高磁性能。 第三项研究从两步拓扑优化开始，始终寻求最高可能的 BL 并从铁体积大约为 52cm3 的“完整”圆柱形环开始。前一个条件作为线圈 域上的一个整体目标来实现；后者作为积分不等式约束，要求轭的体积尽可能接近目标体积。 研究3 的目标是将体积减小到 37cm3，结果与原始几何形状非常相似，证实原始几何形状确实已经接近最优。研究4寻求以更小几何形状获得最佳性能，表示为整个体积的 50% 填充系数；即 26cm3。 左图：优化的几何形状，其中铁轭下臂的体积为 26cm3。右图：优化配置的磁通密度范数和线。 两项研究的结果具有可比性。尽管具有优化拓扑的几何体更小，但性能没有任何降低。 磁通量密度范数的三维旋转图，显示最终优化的几何形状。 以上这些研究表明，拓扑优化可用于为扬声器组件找到可能最佳的形状和约束参数。 在准备对优化配置进行进一步分析时，优化分析的最终形状可以作为独立的几何图形导出。 左图：定义了最佳铁/空气阈值的等高线图。右图:作为几何对象导入的优化几何形状。
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