动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法与流程

本发明属于动铁式扬声器领域，是一种涉及电磁学、结构力学和声学的数值仿真分析方法。采用本发明公开的数值仿真分析方法，可以得到动铁式扬声器的声压级频响曲线、阻抗曲线、声压和声压级分布等结果。这些仿真分析结果可以用于指导动铁式扬声器的结构设计和改良，以提升其性能。

背景技术：

动铁式扬声器也称为平衡电枢式(balancedarmature)扬声器，它具有尺寸小、电声转换效率高和灵敏度高的优点。相比传统的动圈式扬声器，动铁式扬声器还具有高解析力，可以很真实地还原出原始信号的细节；此外，得益于其体积小的优势，在耳机中可以放置多个发声单元，并让它们分别负责不同音域的声还原，从而达到低、中、高频的均衡，带来更高的灵敏度、优异的瞬态响应和声音的密度感。动铁式扬声器已被证明是小体积产品中实现高品质音频还原的理想方案之一。

企业里设计和改良动铁式扬声器的方法仍为传统的经验法，由于设计理论还不完善，采用“试制样品-测试-改善样品-再测试”的开发过程，其开发成本较高，开发周期较长。

随着计算机技术的发展，数值仿真分析方法进行辅助设计变得越来越广泛，将数值仿真分析方法应用于动铁式扬声器设计可以在样品试做前期预估产品的性能，这样，既弥补了设计理论的不足，还可以加快动铁式扬声器的开发进度，降低开发成本。

技术实现要素：

本发明的目的是设计出一动铁式扬声器基本特性的数值仿真方法，本发明解决了目前动铁式扬声器产品设计理论不完善、设计和改良动铁式扬声器的方法仍为传统的经验法、开发成本高等问题。本发明通过建立动铁式扬声器的有限元仿真分析模型，可计算得到该动铁式扬声器的声压级频响曲线、阻抗曲线、声压和声压级分布图等，通过仿真分析结果可预估该动铁式扬声器的基本特性，并将结果用于指导该动铁式扬声器的结构设计和改良。

本发明公开的动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法共分为两个部分：第一部分仿真分析平衡衔铁的位移对电动势和电磁力的影响；第二部分是在第一部分的基础上，仿真分析动铁式扬声器的声压级频响曲线和阻抗曲线等基本特性。下文将对这两个部分分别进行介绍。

动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法中，第一部分的仿真分析方法使用了“固体力学”和“磁场”两个物理场，该部分仿真分析方法主要包括以下步骤：

(1)建立有限元模型

1)建立几何模型：将动铁式扬声器几何模型导入有限元分析软件，所述的几何模型采用三维绘图软件绘制或是采用有限元分析软件自带的几何建模功能建立。建立几何模型之后，还需清理多余的点、线、面和体，以提高几何模型的质量；

2)设置物理场和边界条件，具体步骤如下：

a.选择“磁场”物理场对应域，它包括动铁式扬声器的各个部件对应的域和空气域；

b.在“磁场”下，设置磁钢的材料本构关系为“剩余磁通密度”，并设置剩余磁通密度参数值；所述的本构关系是指反映物质性质的数学模型。

c.在“磁场”下，设置磁轭的材料本构关系均为“b-h曲线”，并在材料参数下导入磁轭的b-h曲线值。这里b-h曲线由测试获得；

d.在“磁场”下，设置音圈、平衡衔铁和空气部分的材料本构关系为“相对磁导率”；

e.选择“固体力学”物理场对应域，即平衡衔铁域；

f.在“固体力学”下，设置平衡衔铁的材料本构关系为“线弹性材料”；

g.在“固体力学”下，将平衡衔铁的固定位置处设置“固定约束”面；

h.在“固体力学”下,将处于磁隙中的平衡衔铁的上表面设置为参数化的“边界力载荷”，所述的参

数化的边界力载荷记作ff；

i.在“固体力学”下，将平衡衔铁的对称面设置为“对称”边界；

j.选择“动网格”物理场对应域，它包括平衡衔铁域和空气域；

k.在“动网格”下，设置空气域为“自由变形”；

l.在“动网格”下，设置平衡衔铁为“指定变形”，指定网格在x、y和z方向的位移分别为u、v和w；

m.在“动网格”下，设置平衡衔铁外表面(除固定面和对称面)为“指定网格位移”，指定网格在x、y和z方向的位移分别为u、v和w；

n.在“动网格”下，设置空气域和平衡衔铁的对称面为“指定网格位移”，指定其法向上的位移为0；

3)定义材料参数：这里需要分别设置该动铁式扬声器的材料参数，包括平衡衔铁、振膜、软铁的材料参数，所述的材料参数包括杨氏模量、密度、泊松比、阻尼；

4)划分网格：指定网格单元类型和尺寸，并划分网格，这里需通过设置网格单元的尺寸，适当的进行局部网格细化，使计算结果更精确；

(2)求解及后处理；

1)求解：采用“稳态”研究，计算平衡衔铁在不同位移时，线圈内磁通量和衔铁表面麦克斯韦应力张量随衔铁位移的变化；该“稳态”研究为有限元软件内置研究方法，其求解计算过程由软件内置算法完成。

2)结果后处理：求解完成后采用后处理操作可得：1)根据线圈内磁通量的变化，计算得到线圈内感应电动势随衔铁位移的变化关系,记为u(x)；2)根据衔铁的表面麦克斯韦应力张量，计算得到衔铁上的电磁力随衔铁位移的变化关系,记为f(x)；

动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法中，第二部分的仿真分析方法使用了“压力声学，频域”、“磁场”、“固体力学”物理场和“声-结构边界”多物理场接口，该部分仿真分析方法主要包括以下步骤：

(1)建立有限元模型

1)建立几何模型，具体步骤如下：

a.建立扬声器几何模型：将动铁式扬声器几何模型导入有限元分析软件(可以采用三维绘图软件绘制该扬声器的几何模型)，也可采用有限元分析软件自带的几何建模功能建立该扬声器的几何模型。建立几何模型之后，还需清理模型中的多余的点、线、面和体，以提高几何模型的质量；

b.建立711耦合器声腔等效模型：动铁式扬声器的声压级频响曲线通常在711耦合器中测试；为使仿真分析方法更具通用性，建立711耦合器的声腔等效模型(含连接管)，并使之与扬声器正确连接。所述的711耦合器是指人耳模拟器；

2)设置物理场和边界条件，具体步骤如下：

a.选择“磁场”物理场对应域，它包括动铁式扬声器的各个部件对应的域和空气域；

b.在“磁场”下，设置磁钢的材料本构关系为“剩余磁通密度”，并设置剩余磁通密度等参数值；所述的本构关系是指反映物质性质的数学模型；

c.在“磁场”下，设置磁轭的材料本构关系为“b-h曲线”，并在材料参数下导入磁轭的b-h曲线值；这里b-h曲线由测试获得；

d.在“磁场”下，设置音圈、平衡衔铁和空气部分的材料本构关系为“相对磁导率”；

e.在“磁场”下，添加“线圈”域，并输入匝数和线径，并设置线圈“扰波扰动电压值”和“几何分析”；所述的线圈谐波扰动电压值为u0-u(x),u0为外部加载电压，u(x)是衔铁运动在线圈内产生的感应电动势；

f.在“磁场”下，在平衡衔铁上设置“外部电流密度”，即平衡衔铁切割磁感线而产生的感应电流；

g.在“磁场”下，为平衡衔铁域设置“力计算”，计算该衔铁在磁场中的麦克斯韦表面应力张量；

h.选择“固体力学”物理场对应域，它包括平衡衔铁、振膜和连动杆；

i.在“固体力学”下，设置平衡衔铁、振膜和连杆的材料本构关系为“线弹性材料”，并设置这些材料的阻尼类型和阻尼值；

j.在“固体力学”下，将平衡衔铁和振膜的固定位置处设置“固定约束”面；

k.在“固体力学”下，设置平衡衔铁表面的“边界载荷”，载荷类型设为“单位面积上的麦克斯韦表面应力张量”；

l.在“固体力学”下，为处于磁隙中的平衡衔铁的上表面设置“边界载荷”，载荷大小为f(x),即考虑衔铁表面麦克斯韦应力张量(磁力)随衔铁位移的变化关系；

m.在“固体力学”下，设置平衡衔铁、连杆和振膜的对称面为“对称”边界；

n.选择“压力声学，频域”物理场对应域，它包括扬声器内空气域和711耦合器声腔内空气域；

o.在“压力声学，频域”下，设置压力平衡孔、前腔和711耦合器的狭缝中为“狭窄区域声学”；

p.在“压力声学，频域”下，设置711耦合器的麦克风端面为“串联耦合rcl”的“阻抗”边界，这里r为当量声阻,c为等效声顺,l为当量声惯量；

q.在“压力声学，频域”下，设置压力平衡孔外端面为“带法兰的波导末端”的“阻抗”边界；

r.在“多物理场”接口下，设置“声-结构边界”，用于耦合“固体力学”和“声场”；

3)定义材料参数：设置该动铁式扬声器的平衡衔铁、振膜、软铁、磁钢等部件及空气的材料参数值，主要包括杨氏模量、密度、泊松比、阻尼、动力粘度、电导率和介电常数等。

4)划分网格：指定网格单元类型，得到有限元网格模型，在压力平衡孔、前后腔空气域、平衡衔铁、磁隙和711耦合器狭窄空气域中应适当加密网格，使计算结果更精确。

(2)求解及后处理

1)求解：在该动铁式扬声器仿真分析中，采用“线圈几何分析+小信号频域扰动”研究对上述有限元模型进行求解。这里，“线圈几何分析”主要用于求解动铁式扬声器的线圈的特性；“线圈几何分析+小信号频域扰动”研究为软件内置研究方法，计算过程由软件内置的算法完成；

2)结果后处理：求解完成后采用后处理操作，可得到该动铁式扬声器的基本特性，它们主要包括：a.该动铁式扬声器的声压级频响曲线；b.该动铁式扬声器的阻抗曲线；c.声腔中的声压和声压级分布。

所述动铁式扬声器仿真分析的几何模型为合理简化后的模型。模型的简化方法很多，既可以采用专业的三维绘图软件(如solidworks、proe等)完成简化，也可以采用有限元软件中“几何”相关功能来实现模型简化。

所述的有限元分析软件为comsolmultiphysics(简称comsol)，它是一款多物理场仿真分析软件，主要功能包括建立几何模型、网格划分、物理场设置与求解、结果图像化显示等。

本发明的优点：1)本发明方法全面考虑了动铁式扬声器磁路系统、振动系统和声场的相互耦合关系，通过三场耦合仿真计算得到动铁式扬声器的声压级频响曲线和阻抗曲线等基本特性；2)本发明可以快速、低成本且准确地预估动铁式扬声器的基本特性，从而缩短动铁式扬声器的研发周期，提高产品性能。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为第一部分仿真分析的几何模型。

图3为第一部分仿真分析的物理场设置。

图4为第一部分仿真分析的材料参数(a)和软铁bh曲线(b)。

图5为第一部分仿真分析的有限元网格模型。

图6为第二部分仿真分析的几何模型。

图7为第二部分仿真分析的物理场设置。

图8为711耦合器中麦克风所在面的声阻抗边界。

图9为压力平衡孔端面的声阻抗边界。

图10为第二部分仿真分析的材料参数。

图11为第二部分仿真分析的有限元网格模型。

图12为该动铁式扬声器的声压级频响曲线。

图13为该动铁式扬声器的阻抗曲线。

图14为该动铁式扬声器和711耦合器声腔内的声压分布图。

图15为该动铁式扬声器和711耦合器声腔内的声压级分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。

以一款动铁式扬声器为例，用本发明公开的数值仿真方法分析该扬声器在磁场、结构力学和声场中的基本特性。

图1为本发明的实施流程图，该实施案例的仿真分析过程共分为两个部分：第一部分仿真平衡衔铁的位移对线圈上电动势和衔铁上电磁力的影响；第二部分是在第一部分的基础上，仿真分析动铁式扬声器的声压级频响、阻抗曲线等基本特性。下文将对这两个部分的具体实施步骤分别进行介绍，具体如下：

1.动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法中，第一部分仿真分析方法具体步骤如下：

(1)准备

绘制动铁式扬声器的三维结构图。该扬声器结构图可以采用solidworks等专业三维绘图软件绘制，也可以采用comsol软件中“几何”功能绘制完成，

(2)建立有限元模型

1)添加空间维度、物理场接口和研究类型。打开comsol软件，设置空间维度为“三维”，依次选择并添加“固体力学”、“磁场”、和“动网格”三个物理场，选择研究类型为“稳态”。

2)建立几何模型，如图2所示。具体建模步骤如下：

a.建立扬声器几何模型：将动铁式扬声器数模导入有限元分析软件(扬声器数模采用三维绘图软件绘制得到)，或采用有限元分析软件自带的几何建模功能，建立该动铁式扬声器的几何模型；

b.几何清理：在有限元模型构建过程中，由于几何模型中多余的点、线、面和体均会对网格质量造成较大的影响，故导入几何模型后，采用几何清理功能清除模型中多余的点、线、面和体。

3)设置物理场和边界条件。详细设置步骤如下：

a.选择“磁场”物理场对应域(1)。它们包括动铁式扬声器的各个部件对应的域和空气域，见图3；

b.在“磁场”下，设置磁钢的材料本构关系为“剩余磁通密度”，并输入剩余磁通密度1.2[t]，设置相对磁导率和电导率均“来自材料”；

c.在“磁场”下，设置磁轭的材料本构关系均为“b-h曲线”，设置磁场模(即b-h曲线)来自材料；

d.在“磁场”下，设置音圈、平衡衔铁和空气部分的材料本构关系为“相对磁导率”，并设置相对磁导率、电导率和相对介电常数“来自材料”；

e.选择“固体力学”物理场对应域(2)，即平衡衔铁域，见图3；

f.在“固体力学”下，设置平衡衔铁的材料本构关系为“线弹性材料”；

g.在“固体力学”下，将平衡衔铁的固定位置处设置“固定约束”面；

h.在“固体力学”下,将处于磁隙中的平衡衔铁的上表面设置为参数化的“边界力载荷”，参数化边界力载荷记为ff，且ff定义为全局参数；

i.在“固体力学”下，将平衡衔铁的对称面设置为“对称”边界；

j.选择“动网格”物理场对应域(3)，它们包括平衡衔铁域和空气域；

k.在“动网格”下，设置空气域为“自由变形”；

l.在“动网格”下，设置平衡衔铁为“指定变形”，指定网格在x、y和z方向位移分别为u、v和w；

m.在“动网格”下，设置平衡衔铁外表面(除固定面和对称面)为“指定网格位移”，指定网格在x、y和z方向位移分别为u、v和w；

n.在“动网格”下，设置空气域和平衡衔铁的对称面为“指定网格位移”，指定其法向上的位移为0。

4)定义材料参数：仿真分析时各部件需要设定的参数值与其物理场设置密切相关。这里需要分别设置该动铁式扬声器平衡衔铁、振膜、软铁等结构的材料参数，主要包括杨氏模量、密度、泊松比、阻尼等，详见图4(a)；还需要导入软磁材料(磁轭)的bh值，详见图4(b)。

5)划分网格：本例生成的有限元网格模型如图5所示。划分时指定网格单元类型为“自由四面体网格”，并通过“大小”控制，对局部网格适当的进行了细化，使计算结果更精确。

(3)求解及数据处理

1)求解

采用“稳态”研究，计算平衡衔铁在不同位移时，线圈内磁通量和衔铁表面麦克斯韦应力张量随衔铁位移的变化；

2)数据处理

a.根据线圈内磁通量的变化，计算得到线圈内感应电动势随衔铁位移的变化关系,记为u(x)；

b.根据衔铁的表面麦克斯韦应力张量，计算得到衔铁上的电磁力随衔铁位移的变化关系,记为f(x)。2.动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法中，第二部分仿真分析方法具体步骤如下：

(1)准备

动铁式扬声器的声压级频响曲线通常在711耦合器中测试，为使仿真分析方法更具通用性，除了建立动铁式扬声器的数模外，还需要建立711耦合器等效声腔和连接管的数模。

(2)建立有限元模型

1)建立几何模型，如图6所示，具体步骤如下：

a.建立扬声器几何模型：将动铁式扬声器数模导入comsol软件(扬声器数模采用三维绘图软件绘制得到)，或采用有限元分析软件自带的几何建模功能，建立该动铁式扬声器的几何模型；

b.建立711耦合器声腔等效模型：将711耦合器的声腔等效模型(含连接管)的数模导入comsol软件，并使之与扬声器正确连接。这里，为减小计算量，动铁式扬声器和声腔都采用了1/2对称结构。

c.几何清理：在有限元模型构建过程中，由于几何模型中多余的点、线、面和体均会对网格质量造成较大的影响，故导入几何模型后，采用几何清理功能清除模型中多余的点、线、面和体。

2)设置物理场和边界条件，具体步骤如下：

a.选择“磁场”物理场对应域，它们包括动铁式扬声器的各个部件对应的域和空气域；

b.在“磁场”下，设置磁钢的材料本构关系为“剩余磁通密度”，并输入剩余磁通密度1.2[t]，设置相对磁导率和电导率均“来自材料”；

c.在“磁场”下，设置磁轭的材料本构关系为“b-h曲线”，设置磁场模(即b-h曲线)来自材料；

d.在“磁场”下，设置平衡衔铁和空气部分的材料本构关系为“相对磁导率”，并设置相对磁导率、电导率和相对介电常数“来自材料”；

e.在“磁场”下，添加“线圈”域，设置线圈导线模型为“均匀多匝”，并输入匝数n＝450、导线截面面积a＝1.96e-9[m²]和线圈电压等参量，并设置“几何分析”，定义线圈内电流方向；这里，考虑到线圈内磁通量的变化会对线圈内电势产生影响，故将线圈扰动电压设置为u0-u(x),u0为外加扰动电压，u(x)是衔铁运动在线圈内产生的感应电动势；

f.在“磁场”下，在平衡衔铁上设置“外部电流密度”，即平衡衔铁切割磁感线而产生的感应电流；

g.在“磁场”下，为平衡衔铁域设置“力计算”，用于计算该衔铁在磁场中的麦克斯韦表面应力张量；

h.选择“固体力学”物理场对应域，它们包括平衡衔铁、振膜和连动杆；

i.在“固体力学”下，设置平衡衔铁、振膜和连杆的材料本构关系为“线弹性材料”，并设置这些材料的阻尼类型为“各向同性损耗”，阻尼值为“来自材料”；

j.在“固体力学”下，将平衡衔铁和振膜的固定位置处设置为“固定约束”边界；

k.在“固体力学”下，设置平衡衔铁的表面为“边界载荷”，载荷类型设为“单位面积上的麦克斯韦表面应力张量”；

l.在“固体力学”下，为处于磁隙中的平衡衔铁的上表面设置“边界载荷”，载荷大小为f(x),即考虑衔铁表面麦克斯韦应力张量(磁力)随衔铁位移的变化关系；

m.在“固体力学”下，设置平衡衔铁、连杆和振膜的对称面为“对称”边界；

n.选择“压力声学，频域”物理场对应域(4)，它们包括扬声器内空气域和711耦合器声腔内空气域，见图7；

o.在“压力声学，频域”下，设置“狭窄区域声学”对应域(5)，即711耦合器声腔内狭窄区空气域，见图7。设置相应导管类型和几何尺寸参数；

p.在“压力声学，频域”下，设置711耦合器的麦克风所在面(6)为“串联耦合rcl”的“阻抗”边界，见图8，设置当量声阻r＝119e6[n·s/m⁵]、等效声顺c＝0.62e-13[m⁵/n]和当量声惯量l＝710[kg/m⁴]。

q.在“压力声学，频域”下，设置压力平衡孔外端面(7)为“波导末端带法兰管圆形”的“阻抗”边界，见图9；

r.在“多物理场”接口下，设置“声-结构边界”，并选择扬声器振动部件与空气的接触面。“声-结构边界”在“固体力学”和“压力声学，频域”之间建立耦合关系。

3)定义材料参数：设置该动铁式扬声器的平衡衔铁、振膜、软铁、磁钢等部件及空气的材料参数值，主要包括杨氏模量、密度、泊松比、阻尼、动力粘度、电导率和介电常数等，详见图10。其中，空气材料参数来至于comsol材料库，其动力粘度等材料参数随温度变化关系为comsol内置。

4)划分网格：指定网格单元类型为“自由四面体网格”，得到有限元网格模型如图11所示。在压力平衡孔、前后腔空气域、平衡衔铁、磁隙和711耦合器狭窄空气域中应适当加密网格，使计算结果更精确。(2)求解及后处理

1)添加“线圈几何分析+小信号频域扰动”研究对上述有限元模型进行求解。这里，“线圈几何分析”主要用于求解动铁式扬声器的线圈特性；该研究为comsol软件内置的研究方法；

2)设置完成后求解该有限元模型，计算过程由comsol软件内置的算法完成；

3)后处理：通过后处理可得到仿真分析结果如下：

a.声压级频响曲线：首先，在“数据集”下添加“三维截点”，输入麦克风表面中点位置的坐标，并设置“数据集”为研究1的数据集；然后，添加“一维绘图组>点图”，设置“数据集”为“三维截点”，输入声压级的表达式“acpr.lp”，绘制得到该动铁式扬声器的声压级频响曲线如图12所示；

b.阻抗曲线：添加“一维绘图组>全局”，选择数据集并输入阻抗表达式，绘制得到该动铁式扬声器的阻抗曲线如图13所示；这里扬声器阻抗z(f)满足的关系式为

z0(f)为不考虑感应电动势(衔铁位置变化引起音圈内磁通变化，产生该感应电动势)时的阻抗，u0为外部加载电压，u(x)为衔铁运动在线圈内产生的感应电动势；

c.声压分布：添加“三维绘图组>体1”，添加“选择”，设置要查看的域为动铁式扬声器声腔，设置数据集和查看的频率点，输入声压表达式acpr.p_t,绘制得到声压分布如图14所示；

d.声压级分布：添加“三维绘图组>体1”，选择研究1的数据集和查看的频率点，输入声压级表达式acpr.lp,绘制得到声压级分布如图15所示。

以上实施案例仅用于说明本发明的实现过程而非限制本发明所描述的技术方案。尽管本说明书参照上述的各个实施步骤对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术成员应该理解，仍然可以对本发明进行修改或等效替换，而一切不脱离本发明精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖于本发明的权利保护范围内。