Loudspeaker motor : design and non-ideality analysis

Finite element method (FEM) is becoming an increasingly powerful tool in transducer design process. The design of a high quality loudspeaker is not an easy task and requires to take into account many different factors. A trial and error approach is not an appropriate method for time and cost reasons. In this work i present different 2D FEM models suitable for design, optimization and analysis of moving-coil loudspeaker motors. In particular, it is given a more in depth look at the main non-linear distortion causes related to the electro-mechanical transduction and electro-magnetic features. Furthermore, the influence of the magnetic circuit geometrical tolerances on the loudspeaker performances is investigated. I used COMSOL Multiphysics® to set up the numerical models which are processed in MATLAB®. Simulations have been then validated with the aid of different measurement setups. A novel measurement technique have been introduced for evaluating the current harmonic distortion in the blocked voice coil. Models result fully validated, but, in some cases, models have room for improvement in order to find a better agreement with measurements, i.e. the THD prediction of the blocked voice coil. A better hysteresis model for the polar plates steel or a 3D approach should be taken, but would further increase computational times making these model not suitable for quick evaluations during pre-design phase.

Gli strumenti FEM (metodo degli elementi finiti) stanno assumendo sempre più importanza nella progettazione degli altoparlanti. Nella progettazione e realizzazione di altoparlanti di alta qualità devono essere tenuti in conto numerosi fattori ed approcci esclusivamente empirici a 'tentativi ed errori' non sono appropriati per motivi di tempo e costi. In questa tesi, presento vari modelli FEM 2D adatti alla progettazione, ottimizzazione e analisi degli altoparlanti a bobina mobile. In particolare, le principali cause di distorsione non-lineare legata alla trasduzione elettro-meccanica e alle caratteristiche elettromagnetiche del dispositivo sono viste nel dettaglio. Inoltre, è investigata l’influenza delle tolleranze del circuito magnetico sulle prestazioni dell’altoparlante. I modelli numerici sono stati implementati in COMSOL Multiphysics® e processati in MATLAB®. Le simulazioni sono state poi validate con l’aiuto di diversi sistemi di misura. Al fine di valutare la distorsione armonica della corrente nella bobina bloccata, è stata introdotta una nuova tecnica di misura. I modelli sono stati tutti validati, ma per alcuni c’è ancora margine di miglioramento, come per la predizione della THD nella bobina bloccata. Sarebbe necessario un modello di isteresi migliore per le piastre polari o anche un approccio tridimensionale al problema, ma questo potrebbe complicare eccessivamente il calcolo rendendo il modello non adatto a studi veloci di pre-design.