Loudspeaker Spider: Mechanical characterization and topology optimization

Finite Element Method (FEM) simulations play a key role in the pre-design stage of loudspeaker development, allowing for efficient and predictive optimization of its performance. Among the mechanical components, the spider suspension can significantly influence the system’s behavior, making accurate choices in both geometry and material important to ensure high acoustic performance. This thesis presents a combined experimental and numerical approach to both mechanically characterize the spider suspension and to develop a FEM model able to optimize its geometry during the pre-design stage. A focused measurement campaign was conducted on a carefully selected set of samples, specifically designed to isolate the material influence from geometrical effects in the mechanical response. Two of the most common materials for spiders were analyzed, Cotton and Meta-aramid (NOMEX®), while keeping a constant geometry across all samples. This approach proved effective in evaluating how material choice impacts the behavior of the spider suspensions, showing the difference in viscoelastic contribution between the two tested materials. From the experimental results, a parametric FEM model was developed to optimize the spider geometry, aiming to obtain a symmetric stiffness curve using linear elastic material behavior (stationary conditions). A time-dependent extension of the model was then implemented to evaluate the effect of viscoelastic behavior on the optimized geometry response. Significant conclusions were obtained from this comparison, proving the validity and efficiency of using linear elastic simulations for early-stage optimization. Future works may expand the dataset of measurement to enable statistical validation, other than investigating different materials and geometries to obtain a broader understanding of the mechanical behavior of the spider suspension. Improvements on the FEM model could be applied by introducing greater flexibility in the geometry and different rheological models, allowing for wider design variety and materials representation.

Le simulazioni basate sul Metodo degli Elementi Finiti (FEM) rivestono un ruolo cruciale nella fase di progettazione degli altoparlanti, consentendo un’ottimizzazione efficiente e predittiva delle loro prestazioni. Lo spider può influenzare significativamente il comportamento del loudspeaker, rendendo fondamentali le scelte in termini di geometria e materiali per garantirne elevate prestazioni acustiche. Questa tesi propone un approccio sperimentale e numerico volto sia a caratterizzare meccanicamente il centratore sia a sviluppare un modello FEM in grado di ottimizzarne la geometria durante la fase di progettazione. È stata condotta una campagna di misurazioni ad hoc su un set selezionato di campioni, progettati specificamente per isolare l’influenza del materiale dagli effetti geometrici nella risposta meccanica. Sono stati analizzati due tra i materiali più comuni per la realizzazione dei centratori, Cotone e Meta-Aramide (NOMEX®), mantenendo costante la geometria in tutti i campioni. Tale approccio si è rivelato efficace nel valutare l’impatto della scelta del materiale sul comportamento dello spider. Si è in seguito sviluppato un modello FEM parametrico finalizzato all’ottimizzazione della geometria dello spider con l’obiettivo di ottenere una curva di rigidezza simmetrica utilizzando un comportamento del materiale come elastico lineare (condizioni stazionarie). È stata poi implementata un’estensione tempo dipendente del modello per valutare l’effetto del comportamento viscoelastico sulla risposta della geometria ottimizzata. Dal confronto si è attestata la validità e l’efficacia dell’uso di simulazioni elastico lineari per l’ottimizzazione della geometria nella fase di pre-design. Sviluppi futuri potrebbero ampliare il dataset delle misurazioni per consentire una validazione statistica, oltre ad investigare materiali e geometrie differenti per ottenere una comprensione più approfondita del comportamento meccanico del centratore. Ulteriori miglioramenti al modello FEM potrebbero essere introdotti consentendo una maggiore flessibilità geometrica e l’adozione di differenti modelli reologici, permettendo così una più ampia varietà di progettazione e rappresentazione dei materiali.