一种扬声器多场耦合的数值仿真分析方法
【专利摘要】本发明提出了一种扬声器多场耦合的数值仿真分析方法。该方法要求：1、建立有限元模型，具体来说：（1）建立物理模型，即根据扬声器不同结构和不同工作阶段涉及的物理原理的不同添加相应的物理场并添加求解步；（2）建立几何模型；（3）定义材料属性、修改物理场并定义边界条件和载荷等，（4）对模型进行网格划分。在建立有限元模型的过程中，定义1）随温度变化的材料属性；2）特殊边界条件及载荷的方式，以此将不同的物理场耦合起来；2、求解及后处理。用有限元法对上述建立的模型进行求解，并对结果进行后处理最终可得到不同物理场之间相互影响下的扬声器特性参数，包括：（1）Bl（x）、Z（f）等扬声器的电磁特性；（2）f0、K（x）等扬声器振动系统的结构力学特性；（3）SPL、指向性曲线等扬声器声学特性；（4）扬声器的温度场特性等。
【专利说明】一种扬声器多场耦合的数值仿真分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于扬声器领域，涉及扬声器多场耦合的数值仿真分析方法，特别是涉及 一种扬声器磁场、 结构力学、声场和温度场耦合的数值仿真分析方法。采用该方法分析扬声器，最终可全 面得到不同物理场之间相互影响下的扬声器特性参数，包括：1、B1 (x)、z (f)等扬声器的 电磁特性；2、/。、K (X)等扬声器振动系统的结构力学特性；3、SPL、指向性曲线等扬声器声 学特性；4、扬声器的温度场特性等。该方法可使扬声器的仿真分析结果更加全面和准确，并 广泛应用于动圈式扬声器设计。
【背景技术】
[0002]耦合最初是指两个或两个以上的电路元件或电网络的输入与输出之间存在紧密 配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象。概括地说，耦合就是 指两个或两个以上的实体相互依赖于对方的一个量度。对于扬声器这一完整的电磁-振 动-声系统，其工作过程涉及多个物理场，重要的特性参数也是多物理场相互耦合得到的 结果。
[0003] 现有的扬声器仿真分析方法多针对单个物理场，比如1、只考虑了振动系统对声压 的影响而没有考虑声压对振动系统的影响；2、只考虑了电磁场发热对温度场的影响而没有 考虑温度场对其他物理场的影响。但是，当扬声器的振膜较软的时候，声压对振动系统的影 响往往变得不可忽略，很多材料属性都表现出热敏特性，比如当温升较明显时，空气材料属 性随温度的变化就会变得尤其明显。对于以上这类问题，若只考虑单个物理场，则很难真实 地反映扬声器的工作过程，自然也无法准确评估扬声器的仿真设计结果。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是设计一种扬声器多场耦合的数值仿真分析方法。
[0005] 本发明要解决的主要问题是：现有数值仿真分析方法无法全面准确评估扬声器的 仿真设计结果。
[0006] 本发明中提及的一种扬声器多场耦合的数值仿真分析方法，其具体内容为： (1)建立有限元模型。具体包括： 1)建立物理模型 A. 确定扬声器空间维度，根据要分析的扬声器选择相应的空间维度； B. 确定物理场和物理过程.物理场包括磁场、声固耦合、固体传热物理场；物理过程包 括电磁作用过程，结构振动和声传播过程，传热过程；所述的磁场包含扬声器的电磁作用过 程；声固耦合包含扬声器的结构振动和声传播过程；固体传热包含扬声器传热过程。
[0007] 2)设置求解模式，定义稳态求解模式求解永磁体作用下的磁作用过程；定义频 域-扰动求解模式求解通电线圈作用下的电磁作用过程、结构振动和声传播过程；定义稳 态求解模式求解稳态传热过程； 3)建立几何模型，非轴对称扬声器需要建立其3D全模型或部分模型（1/4模型、1/8模 型)，轴对称扬声器将其模型简化为2D ; ' 4 )定义材料属性，定义求解所需的材料参数，并将热敏材料定义成随温度变化的函数， 如空气的密度、比热容、导热率定义成随温度变化的函数； ' 5) 修改物理模型 A. 电磁作用过程发生在全部几何区域； B. 软铁部分的磁感应强度和磁场强度呈现出非线性，需通过定义非线性的册曲线来 确定软铁部分的磁本构关系； C. 磁钢作为永磁体，因其内部含有剩磁，需在磁本构关系中添加剩余磁感应强度； D. 将首圈所在的矩形平面等效成多距线圈，并指定多阻线圈的距数、线径参数； E·结构振动过程作用于振动系统，包括音圈、骨架、定心支片、锥体、折环、防尘帽； F. 定义振动系统的材料模型全部为线弹性，其中的定心支片、锥体、折环以及防尘帽含 有阻尼； G. 声传播过程作用于内外层空气； H·定义外层空气区域为"完美匹配层"，用于模拟开放边界； I. 固体传热模型作用于除空气以外的所有区域； J. 定义流体传热模型，并指定其作用于空气区域； 6) 定义边界条件及载荷 电磁作用与结构振动作用的关系主要表现在： A. 永磁体为磁路提供稳态磁场，音圈受到激励后在稳态磁场中由于受洛伦兹力作用而 发生运动； B. 由法拉弟电磁感应定律知，由于穿过闭合音圈的磁通量发生变化导致其内部产生感 应电动势，致使音圈的激励发生变化； 八 1 结构振动与声传播的关系主要表现在： A. 运动的音圈带动振动系统，包括音圈、骨架、定心支片、锥体、防尘帽、折环，及周围的 空气振动，其相当于声波的速度源； B. 空气振动反作用于振动系统的表面，相当于施加了额外的面加载力，阻碍振动系统 的振动； 整个扬声器系统与传热过程的关系表现在： A. 音圈中的电流和磁路中的感应涡电流在焦耳定律作用下都将产生热量，此执量将促 使扬声器升温； B. 温度的变化将在一定程度上改变扬声器的材料属性和结构力学特性，继而改变扬声 器的特性参数； C·当振动系统振动较明显时，快速运动的气流将促使扬声器降温，其作用过程相当于 气体的强制对流冷却； 基于以上认识，定义如下边界条件及载荷： A·在音圈上施加体积力，其数值等于该位置径向磁感应强度与周向电流密度大小的乘 积； B.在首圈上施加电压载荷，该载荷的数值等于外部电压与音圈运动产生的感应电动势 的代数和，其中，感应电动势的方向与外部激励电压方向相反，其数值等于单位音圈半径方 向的磁感应强度乘以音圈速度，再对结果沿首圈绕线方向进行积分； C.利用有限元法求解结构振动位移，对位移求导得到速度，将该速度施加在振动系统 和声场的边界上，该载荷作为声场分析的激励源。
[0008] D.在振动系统和声传播区域的交界上施加压强，其数值为声场分析得到的声压， 该力作为结构分析的载荷之一。
[0009] E.指定音圈及磁路为热源，并对其施加单位体积的热功率，其数值等于电磁场中 的电阻损耗； F.将声计算得到的速度赋给参与对流冷却过程的空气； 除此以外，还需定义如下边界条件： F. 在折环和定心支片外沿施加固定约束； G. 为内层空气边界指定固定温度以及自然对流换热系数值； H. 指定振膜前方的内层空气边界为声压远场边界； 7)网格划分 A. 定义外层空气为映射网格； B. 定义剩余区域为三角型网格； C. 当频率较高时，感应涡电流主要集中在导体表面，因此需要对导体(主要是软铁区 域）的部分表面网格进行细化； (2)求解及后处理 1)求解用有限元法对上述模型进行求解，求解过程分为三步： A. 求解稳态磁场得到永磁体作用下的扬声器磁场强度分布以及磁感应强度分布，同 时也为下一个求解过程，即磁场、结构力学、声场的耦合分析提供必要的参数； B. 求解扰动磁场、结构力学和声场完成磁路、振动系统和声场的耦合分析，并得到扬 声器在指定点处产生的频域声压信号、扬声器的阻抗曲线、电阻损耗、指定点的振动速度、 /〇； C. 求解稳态温度场得到整个扬声器的温度场。
[0010] 2)后处理部分结果包括磁矢量势A，由于是物理场中的因变量，直接计算并查看， 另有一部分结果需要后处理才能查看，包括沿着音圈导线对径向磁感应强度积分可得某特 定位置的驱动力系数B1，只需移动音圈的位置就得到驱动力系数随音圈位置的特性Bl(x); 用外部激励电压除以总的激励在音圈上产生的电流可得到阻抗特性Z (f);用指定点的声 压除以参考声压，将得到的结果取以10为底的对数再乘以20就得到了该点的声压级(如防 尘帽正前方lm处)。 本发明的优点是：通过耦合多个物理场，使扬声器的仿真分析结果更加准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是一款6. 5英寸汽车扬声器的3D几何模型。
[0012] 图2是本发明实施方法流程图。
[0013] 图3是一款6. 5英寸汽车扬声器的2D轴对称几何模型及空气域模型。
[0014] 图4是上夹板和导磁碗的BH (或HB)值。
[0015] 图5是所用磁钢的电磁参数。
[0016] 图6是振动系统的结构参数。
[0017] 图7是扬声器主要部件的热参数。
[0018] 图8是该扬声器多阻线圈区域的设置参数。
[0019] 图9是利用多场耦合数值仿真分析方法得到的该扬声器的磁通线。
[0020] 图10是利用多场耦合数值仿真分析方法得到的该扬声器的阻抗曲线。
[0021] 图11是利用多场耦合数值仿真分析方法得到的该扬声器的振动位移。
[0022] 图12是利用多场耦合数值仿真分析方法得到的该扬声器的声压分布。
[0023] 图13是利用多场耦合数值仿真分析方法得到的该扬声器的声压级-频率响应。
[0024] 图14是利用多场耦合数值仿真分析方法得到的该扬声器的稳态温度场。
[0025] 图15是扬声器多场耦合原理框图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0027] 本发明以一款6. 5英寸汽车扬声器（图1)为例，通过数值仿真分析软件C0MS0L阐 述多场耦合数值仿真分析的方法和流程。图2是本发明实施方法流程图，具体步骤如下： (1)准备。打开C0MS0L软件，进入软件界面。
[0028] (2)建立有限元模型。详细如下： 1)确定空间维度。由于本例所述扬声器为轴对称，故可在2D空间中分析。
[0029] 2)添加物理场。在C0MS0L软件中，依次单击"磁场"、"声固耦合"物理场以及"固 体传热"物理场，其中，"磁场"模块包含了描述扬声器的电磁作用过程的基本方程；"声固耦 合"模块包含了扬声器的结构振动和声传播过程的基本方程；"固体传热"模块包含了描述 扬声器传热过程的基本方程。3)添加求解步。
[0030] A.单击"稳态"求解步，在C0MS0L软件中创建一个"稳态"求解模式； B. 单击"频域-扰动"求解步，在C0MS0L软件中创建一个"频域-扰动"求解模式； C. 单击"稳态"求解步，在C0MS0L软件中创建第二个"稳态"求解模式； 4)建立几何模型。导入经简化后的扬声器和空气域的2D轴对称几何模型，如图3所 示，完整的几何模型包括：1--导磁碗，2--磁钢，3--上夹板，4--音圈，5--骨架， 6--防尘帽，7--定心支片，8--锥体，9--折环，10--内层空气，11--外层空气， 其中，广 3组成了磁路系统，4?9组成了振动系统，1〇?11组成了声场作用区域。
[0031] 5)定义材料属性。对于本例的扬声器，上夹板和导磁碗的材料为软铁，需要手动输 入其BH值，如图4所示；磁钢材料的磁特性根据磁钢对应的型号单独定义，本例所用参数如 图5 ;音圈的材料为铜，定义振动系统各部件的结构力学材料参数，如图6所示；定义温度场 分析的材料参数，如图7所示，特别地,相对其他材料，空气的密度rh〇、比热容Cp、导热率k 等材料参数均随温度的变化有较为明显的变化，将这些参数用温度变量T的四次多项式表 达如下： rho=l〇47_ 63657-0· 3725892651^+9. 45304214E-4T2-6· 02409443E-7T3+1. 2858961E-10 T4, Cp=l〇47_ 63657-0. 3725892651^+9. 45304214Ε-4Τ2-6. 02409443Ε-7Τ3+1· 2858961E-10T4, -0_ 00227583562+1. 15480022E-90252856Ε-8Τ2+4· 11702505E-1 IT3-7· 43864331E- 15T4。
[0032] 6)定义参数及变量。设兹钢的剩余磁通密度B〇为L 29τ，音圈距数c〇ilNs 53 匝，外部激励电压的最大幅值U。为1.2V。
[0033] 7)修改物麵;，2)巾添加膽麵|都是賴_省设置，针对糊巾的具体问题， 为了得到与实际物理过程一致的求解结果，需要对物理场做如下修改。
[0034] A·指定上夹板和导磁碗的本构关系为冊曲线； B.指定磁钢的磁本构关系为剩余磁通密度； C·定义音圈所在面为多阻线圈区域，具体参数输入如图8所示； D. 指定外层空气为完美匹配层； ' E. 指定声固耦合物理场作用于振动系统(音圈、骨架、定心支片、锥体、折环、防尘帽）以 及空气区域； F. 指定线弹性材料模型作用于振动系统； G. 指定阻尼模型作用于振动系统中的定心支片、锥体、折环和防尘帽； H. 指定固体传热作用于除空气以外的区域； I. 在固体传热节点中增加流体传热子节点，并指定流体传热作用于空气区域。
[0035] 8 )定义边界条件及载荷。
[0036] A.在首圈上施加大小为-mf. Br*mf. Jphi的体积力，其中-mf. Br是径向磁感应强 度，mf. Jphi是周向电流密度； B. 在音圈上施加大小为 linperOJj+coilavbcsl.i^tZHnnf. Br*2*pi*r)*CoilN 的电 压，其中U。为外部激励电压的最大幅值，coil_av(acsl. u_tZ*mf. Br*2*pi*r)*CoilN为反 向电动势，coil_av为平均计算符号，acsl. u_tZ为声场中计算得到的沿着Z方向的速度项， r是音圈所在位置的平均半径，CoΠΝ是音圈匝数； C. 指定振动系统与空气的共用边界为声固耦合边界，默认边界上的法向加速度相同。
[0037] D.在音圈及磁路中施加大小为mf. Qrh的生热量，其中mf. Qrh为电磁场中的电阻 损耗； E.在流体传热区域的速度项中写入表达式"acsl. u_tZ"。
[0038] F.在折环和定心支片外沿施加固定约束； G.为内层空气边界指定固定温度为20°C，换热系数值为15W/m2 ; Η.指定振膜前方的内层空气边界为声压远场边界，并选择全积分算法； 9)网格划分。
[0039] Α.将外空气层的网格类型设置为映射单元； Β.将剩余区域的网格类型设置为自由三角单元，单元尺寸都设为Extra fine; C.给上夹板和导磁碗添加边界层，层数为3，第一层厚度设为〇· 2_。
[0040] ( 3 )求解及后处理。
[0041] 1)求解。用有限元法对上述建立的有限兀模型进行求解，求解过程利用C0MS0L实 现， 单击"求解"，则软件自动顺序求解以下物理过程： A.磁场。
[0042]
【权利要求】
1. 一种扬声器多场耦合的数值仿真分析方法，其特征在于该方法至少包括以下步骤： (1)建立有限元模型，具体包括： 1) 建立物理模型 A. 确定扬声器空间维度，根据要分析的扬声器选择相应的空间维度； B. 确定物理场和物理过程.物理场包括磁场、声固稱合、固体传热物理场；物理过程包 括电磁作用过程，结构振动和声传播过程，传热过程；磁场包含扬声器的电磁作用过程；声 固奉禹合包含扬声器的结构振动和声传播过程；固体传热包含扬声器传热过程； 2) 设置求解模式，定义稳态求解模式求解永磁体作用下的磁作用过程；定义频域-扰 动求解模式求解通电线圈作用下的电磁作用过程、结构振动和声传播过程；定义稳态求解 模式求解稳态传热过程； 3) 建立几何模型，非轴对称扬声器需要建立其3D全模型或部分模型（1/4模型、1/8模 型)，轴对称扬声器将其模型简化为2D ; 4) 定义材料属性，定义求解所需的材料参数，并将热敏材料定义成随温度变化的函数， 如空气的密度、比热容、导热率定义成随温度变化的函数； 5) 修改物理模型 A. 电磁作用过程发生在全部几何区域； B. 软铁部分的磁感应强度和磁场强度呈现出非线性，需通过定义非线性的HB曲线来 确定软铁部分的磁本构关系； C. 磁钢作为永磁体，因其内部含有剩磁，需在磁本构关系中添加剩余磁感应强度； D. 将音圈所在的矩形平面等效成多匝线圈，并指定多匝线圈的匝数、线径参数； E. 结构振动过程作用于振动系统，包括音圈、骨架、定心支片、锥体、折环、防尘帽； F. 定义振动系统的材料模型全部为线弹性，其中的定心支片、锥体、折环以及防尘帽含 有阻尼； G. 声传播过程作用于内外层空气； H. 定义外层空气区域为"完美匹配层"，用于模拟开放边界； I. 固体传热模型作用于除空气以外的所有区域； J. 定义流体传热模型，并指定其作用于空气区域； 6) 定义边界条件及载荷 电磁作用与结构振动作用的关系主要表现在： A. 永磁体为磁路提供稳态磁场，音圈受到激励后在稳态磁场中由于受洛伦兹力作用而 发生运动； B. 由法拉第电磁感应定律知，由于穿过闭合音圈的磁通量发生变化导致其内部产生感 应电动势，致使音圈的激励发生变化； 结构振动与声传播的关系主要表现在： A. 运动的音圈带动振动系统，包括音圈、骨架、定心支片、锥体、防尘帽、折环，及周围的 空气振动，其相当于声波的速度源； B. 空气振动反作用于振动系统的表面，相当于施加了额外的面加载力，阻碍振动系统 的振动； 整个扬声器系统与传热过程的关系表现在： A. 音圈中的电流和磁路中的感应涡电流在焦耳定律作用下都将产生热量，此热量将促 使扬声器升温； B. 温度的变化将在一定程度上改变扬声器的材料属性和结构力学特性，继而改变扬声 器的特性参数； C. 当振动系统振动较明显时，快速运动的气流将促使扬声器降温，其作用过程相当于 气体的强制对流冷却； 基于以上认识，定义如下边界条件及载荷： A. 在音圈上施加体积力，其数值等于该位置径向磁感应强度与周向电流密度大小的乘 积； B. 在音圈上施加电压载荷，该载荷的数值等于外部电压与音圈运动产生的感应电动势 的代数和，其中，感应电动势的方向与外部激励电压方向相反，其数值等于单位音圈半径方 向的磁感应强度乘以音圈速度，再对结果沿音圈绕线方向进行积分； C. 利用有限元法求解结构振动位移，对位移求导得到速度，将该速度施加在振动系统 和声场的边界上，该载荷作为声场分析的激励源； D. 在振动系统和声传播区域的交界上施加压强，其数值为声场分析得到的声压，该力 作为结构分析的载荷之一； E. 指定音圈及磁路为热源，并对其施加单位体积的热功率，其数值等于电磁场中的电 阻损耗； F. 将声计算得到的速度赋给参与对流冷却过程的空气； 除此以外，还需定义如下边界条件： F. 在折环和定心支片外沿施加固定约束； G. 为内层空气边界指定固定温度以及自然对流换热系数值； H. 指定振膜前方的内层空气边界为声压远场边界； 7)网格划分 A. 定义外层空气为映射网格； B. 定义剩余区域为三角型网格； C. 当频率较高时，感应涡电流主要集中在导体表面，因此需要对导体(主要是软铁区 域）的部分表面网格进行细化； (2)求解及后处理 1)求解用有限元法对上述模型进行求解，求解过程分为三步： A. 求解稳态磁场得到永磁体作用下的扬声器磁场强度分布以及磁感应强度分布，同 时也为下一个求解过程，即磁场、结构力学、声场的耦合分析提供必要的参数； B. 求解扰动磁场、结构力学和声场完成磁路、振动系统和声场的稱合分析，并得到扬 声器在指定点处产生的频域声压信号、扬声器的阻抗曲线、电阻损耗、指定点的振动速度、 f〇 ； C. 求解稳态温度场得到整个扬声器的温度场后处理部分结果包括磁矢量势A，由于 是物理场中的因变量，直接计算并查看，另有一部分结果需要后处理才能查看，包括沿着音 圈导线对径向磁感应强度积分可得某特定位置的驱动力系数B1，只需移动音圈的位置就得 到驱动力系数随音圈位置的特性B1 (x);用外部激励电压除以总的激励在音圈上产生的电 流可得到阻抗特性Z (f);用指定点的声压除以参考声压，将得到的结果取以10为底的对 数再乘以20就得到了该点的声压级(如防尘帽正前方lm处)。
2.权利要求1所述的扬声器多场耦合的数值仿真分析方法，其特征在于仿真分析用的 扬声器包括各种动圈式电动扬声器。
【文档编号】G06F17/50GK104252559SQ201410434574
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】温周斌, 陆晓, 滕越, 徐楚林 申请人:浙江中科电声研发中心, 嘉善恩益迪电声技术服务有限公司