几个扬声器设计软件的评价

(转贴)针对现代扬声器的研究和开发工作,本文对LEAP5(电声开发软件),LSPCAD(扬声器设计/模型化软件),FINEBOX(非线性大功率箱体模拟),FINEMotor(扬声器单元的磁路和音圈的设计软件)和FINECone(纸盆和球顶形振膜的有限元法的声学效果的模似程序)等正在实用中的软件作简单的评介,指出它们的运用将会提高扬声器工厂的产品的研发水平,同时作者也强调设计软件的应用需要和传统的试探式开发方法紧密结合。

  设计人员要更好地使用设计软件,除了计算机使用的基本技能外,尚应加强电声学基本知识的学习乃至加强扬声器音质的鉴别能力。

  1.简况:

  珠三角一带已经成为中国扬声器行业的重要基地之一,其起始可追溯到二十世纪九十年代。各种经营体制的扬声器单元的制造厂在技术上逐步形成了一个共同点,那就是建立在计算机系统上的各种电声特性测试系统的应用,例如:LMS、CLIO、MLSSA和DAAS等命名的电声测试系统已在十多年中得到了广泛的使用,甚至连SiSiD那样的相对比较贵的系统,因它的多频猝发信号所带来的能测量扬声器谐波失真的功能,也被某些厂家购制并使用。计算机测试系统,因其简便及价格低廉的优点而广泛使用,与传统的(比如使用BK)系统必需使用消声室而形成有趣的反差。

  在许多厂家采用多种计算机测试系统之际,一些有关扬声器系统的设计软件逐渐地引起有关厂家的重视,从二十世纪九十年代中期开始,LEAP、LSPCAD和南京大学声学所的音箱设计软件已为一些设计人员掌握,近年来FINEMotor磁路音圈设计软件和FINECone振膜设计软件也已在某些厂家得到使用。
计算机辅助设计软件在扬声器作业中的应用标志着珠三角的扬声器工业的产品开发已进入一个较高的开发水平,本文在此列出部分软件的有关简况如表1所示。


2.简评:

1) LEAP5

  它是美国Linearx公司(亦即出售LMS测试系统的同一公司)的产品,LEAP5是LEAP4的后继产品,厂方说他们们用了三年时间作开发,原代码行已超过100万行,LEAP5不仅仅是从DOS界面发展到Windows界面那样简单。对于高级音箱可消耗2GB地位空间,比较简单的50-250MB空间。

    LEAP5包括扬声器箱及分频器设计两大部分,是一个扬声器系统的设计软件,箱设计程序的核心极其有效,专有的衍射分析工具,基于箱体形状和箱体上所有发声单元的空间座标,该工具产生了令人惊讶的准确的频率响应的预计(公司网页语)另外,它备有一个三维编辑器,可显示箱体形状并对扬声器单元的位置,开口位置、箱体位置及分析点给出准确结果,显然在频率响应曲线的准确预计上是极为重要的,关于扬声器单元,其参数已增加到53个,比如:驱动电平、温度、振幅和参数与频率的相关性都已有涉及,使单元模型比理论化的TS参数模型更为接近真实情况。

  分频器设计程序的核心是计算程序,优化工具和用户界面,采用了一个新的工具叫"直接综合"生成电路,将由菜单方式作选择的传输函数出发而生成无源、有源乃至数字电路所构成的分频器。而且在分频器的设计中,已计及扬声器单元的几何位置、指向性、双音圈特性以及偏离轴线的分析和优化,这样使得该软件成为最为准确的分频器设计软件。

  鉴于LEAP5比LEAP4强大得多的功能,它对计算机系统的要求提高了许多,该公司对计算机系统的要求如下:

Minimum System Requirements:
• Mouse and Keyboard
• LPT port or USB port
• Windows® 95, 98, SE, ME, NT4, 2000, XP
• 250MB free Hard Drive space
• 64MB RAM Memory
• Pentium® II / 350 or equivalent
• Video 800 x 600 Resolution / 64K Colors
• OpenGL® 3D graphics support
• TrueType® or Adobe® Fonts
Recommended System Requirements:
• Windows® 2000 or Windows® XP
• 300MB free Hard Drive space
• 256MB RAM Memory or more
• Pentium® III / 1GHz or equivalent
• Video 1024 x 768 Res / 24 or 32 bit Color
• Nvidia® OpenGL® version 1.2 drivers
• Adobe® Fonts with Adobe Type Manager®
  作者迄今尚未能亲手试用LEAP5,究竟它的实际效果如何,还有待实践。而LEAP4早已得到若干扬声器设计师的好评,甚至有系统设计软件中排位第一的评价,另一方面,在使用LEAP4的时候,化费的时间要多一点,对某些电声知识不够扎实的设计师,初步使用过程中的困难会比较多,如果在设计要求一般的又比较简单的音箱时,使用LEAP会有杀鸡动用牛刀之感。

2)LSPCAD5.25

  LSPCAD乃是扬声器计算机辅助设计(Loudspeaker Computer Aided Design)的简称,是作者
I.Johansson先生(瑞典)在1990年开始进行的软件开发项目,作者当时认为LEAP和CALSOD太贵而难于让大学生们接受,他想开发大众能接受的软件。现在已为市场接受的LSPCAD有两个正式版本,一个是标准版,包括了箱模型和分频器模型(有源和无源)。

    另一个是专业版,在标准版的基础上,它包含了一个独特的可以试听的分频器的模拟器,该模拟器可实时地模拟分频器的声效果。LSPCAD的价格与LEAP相比低得很多,标准版的价格如表1所示,而专业版的价格也差不多仅是LEAP5的1/3。

  LSPCAD软件的效果怎么样呢?根据我在几个工厂的观察及个人的实践证明,LSPCAD是个價廉物美的好软件,其使用比LEAP来得简便,调整扬声器参数和音箱参数,改变参数所造成的声学效果的差异显得比较直接,也有更直接的可比性。它可以满足扬声器系统设计的一般要求。也许可以这样说,在设计高价位音箱时,我会使用LEAP5,在设计通用型音箱时,我会使用LSPCAD,对于许多尚未使用过扬声器系统设计软件的厂家,我的第一推荐将是LSPCAD,在他们获得足够利润以后,我将接着推荐LEAP。

3) FINECone、FINEMotor和FINEBOX

  该三个软件近几年来受到美国"Voice Coil"杂志的关注,FINEBOX是今年刚进行推广的,属于扬声器箱体的设计软件,而FINECone和FINEMotor均为涉及扬声器单元的设计软件,值得扬声器单元的开发工程师们注意。这三个软件是丹麦的"Loudsoft"公司的产品,其业主为Peter Larsen先生,按其网页介绍,他在1974年开始在Seas,后在 Vifa(总工程师),Dynaudio和JBL工作至1993年,从1993年以后他成为独立的技术顾问,涉及Audax、KEF等公司,其中有中国工厂,在这段时期公司开发出这几个独特的软件。

  公正地讲,扬声器单元的设计软件比起扬声器系统软件要更难一些的,关键自然还是在扬声器单元有关数学模型的建立,从这一意义上讲,Larsen先生的努力显然应该得到关注。

  FINECone的核心是把锥体、折环、弹波及音圈骨架分割成单元,各单元可输入材料的力学特性,程序运行后的结果是频率响应曲线(轴线以及偏离轴线某角度)和阻抗曲线,三维振动图象(可观察到节线节园的位置)。数据输入和结果显示均为轴对称,具有Autocad(DXF)图形输入功能。计算出的曲线(频响和阻抗)可以用MLSSA测试系统所测得结果输入而作比较,并进而作修正,以获得更好的近似,Loudsoft公司认为使用这一软件可节省75%的开发时间,并节省材料和模具费用,并能开发出更好的产品。

  我个人亲自试用过这一软件,也许这一软件尚在不断完善的过程中,然而对于开发高档产品的扬声器单元来说,这实在是一个很好的可以指导实际开发工作的好工具。

  FINEMotor是一个磁路音圈设计软件,它针对内磁、外磁再加上锥体和球形振膜对单元作出几种基本分类,对选定的某种单元输入必要的几何和物理参数,磁路(磁铁、T铁、上板)的尺寸以及音圈的电阻及材料种种,计算程序将会给出SPL、Qts和BL与音圈绕阻宽度之间的关系曲线,而一旦确定音圈绕阻宽度,就会在一个数据窗口给出扬声器单元的TS参数和音圈的种种数据,这一软件是很实用的。由于说明磁体特性的数据库的数据比较有限,这就使计算所得的SPL、Qts和BL的绝对值不很令人信服,但在作相对比较时已具有指导意义,用户可以配上FEMM32磁体软件并可将较为准确的磁路数据送入FINEMotor程序即可得到更为准确的结果。

  FINEBOX软件的类文名称为非线性大功率音箱模拟(Non---Linear High Power Enclosure Simulation),其细节情况尚未在网上披露,估计这一软件不仅会给出声输出的模拟,而且将会包含箱板在大功率驱动条件下对声输出的影响,在这一点上它似乎要比LSPCAD强。

  该公司对这三个软件作捆绑销售,总价会达5000美元以上,但在一个合同中,允许用户可在三台计算机上注册使用。贵不贵呢?对于新工厂来说,有限的资金应将计算机测试系统放在首位,而对于有一定规模及较长历史的扬声器单元的制造厂来说,这三个软件应该是物有所值的,我记得时在1983年,我在北方某国营厂确立"有限元法计算纸盆扬声器的声输出"的计算机CAD项目时,第一次投资就确定了五万元,后来还投入了不少人力和物力,所完成的软件只能作FINECone的一小部分计算。

4)AkAbak

  AkAbak是英国公司开发的软件,它是一个电机声网络的专业模拟软件,该软件特别适合于扬声器系统的设计,比如,它可以从扬声器单元的集总参数的设定开始,而取得一个扬声器单元的模型,然后将其与音箱那样的设置结合,加上分频网络,即可计算出在某种电信号输入条件下所产生的声输出的结果,AkAbak可以把扬声器振膜的辐射、箱体的反射、散射等要素包括进来,并可计及加入号筒等声学装置的影响。

    软件可计算出自由场辐射的声压、自由场辐射的指向性,软件中设计了声环境的反射和散射上的影响,声环境对声压频响的作用也可显示出来。软件在Windows界面上运行,易于观察改变某一参数在声输出上所造成的影响。

  AkAbak由一个模块系统来模拟电声网络,藉助于AkAbak的Script驱动的输入系统,你可以将非常复杂的声学模型描述和文档化,AkAbak包含理论滤波器和反馈单元,电声驱动器,以及电和声的装置(即倒相管、箱体、号筒等),模拟结果显示了系统声压和声功率的脉冲响应,指向性以及网络所表达的类比电压和类比电流。AkAbak根据膜片和号筒的辐射球面的数值积分解决了辐射问题,这就使得高性能分析甚至在极高频域上得以实检,AkAbak的工具包括:高到30阶的无源网络的综合,包括了音圈的损耗,倒相箱的设计工具,电动式和压电式扬声器音头的参数的确定。

  AkAbak进入中国市场已有四、五年以上的历史,尚未看到中国厂商对它的评价文章,我在与欧洲及东南来的一些厂商的交往中,知道很有一些厂家在使用该软件,而且好的评价。从它的工作界面看,它与LEAP5是很不一样的,似乎在设计上有更大的自由度,但因而新的使用人在开始阶段会感到列困难一些。

  3.讨论

  a)在扬声器开发工作中,采用计算机辅助设计来加快产品开发是明智之举。这将缩短产品开发周期,在一定程度上降低开发成本。特别在中国加入WTO以后,扬声器工厂将面临提高竞争力,珠三角许多扬声器工厂在近年来对CAD软件的重视的趋向有重大的意义。

  b)CAD软件的正确使用是当前的一个实际问题,许多扬声器开发人员有很多很好的实际经验,但往往缺乏一定的电声学理论基础,有些人员还缺乏计算机使用的基本技能,那么为了要使用好软件,技术培训成为一个关键问题,而在珠三角轻培训重使用的倾向有比较深刻的原因,短期内不容易得到解决。

  c)将CAD软件使用,制造样品,试听产品测试,听取用户意见等几个环节紧密结合,实践证明是行之有效的,在这儿要强调CAD软件的使用只是其中的一个关键环节。

  d)本文所评述的软件的数量有限,相信还会有更多的合适使用的软件,作者对于国产软件更是寄于原望,我国早在二十世纪八十年代初就有有关单位开发出有意义的软件,南京大学声学研究所在九十年代已将他们的音箱设计软件推向市场,本文不在此赘述。

  另外,作者根据互联网上的网页,知道在一些欧、美国家有号筒设计软件和专门的超低音扬声
器设计软件,它们的重要性显而易见,作者也期望能有机会来使用和验证这些软件。

  e)本文对有关软件的概述,仅是一家之言,还希望同行业的技术人员一道来研讨它们的使用。

杨定军 天津电视技术研究所







[本日志由 大牛 于 2006-04-03 01:22 PM 编辑]
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回复回复Quinton[2021-10-17 03:52 AM | del]
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