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1、10申请公布号CN102004823A43申请公布日20110406CN102004823ACN102004823A21申请号201010538802X22申请日20101111G06F17/5020060171申请人浙江中科电声研发中心地址314100浙江省嘉兴市嘉善县晋阳东路568号科创中心1号楼1层72发明人温周斌李军金向锋徐楚林74专利代理机构杭州求是专利事务所有限公司33200代理人沈志良54发明名称一种扬声器振动和声学特性的数值模拟方法57摘要本发明提出了一种扬声器振动和声学特性的数值模拟方法，该方法首先使用三维绘图软件绘制扬声器三维3D几何模型图，然后，将扬声器三维3D几何模型图。
2、导入网格划分软件，把其划分为体单元，定义单元类型、材料、边界条件并施加载荷，得到有限元模型，再建立与有限元模型相匹配的边界元模型。最后，通过有限元求解器对有限元模型求解得到扬声器的振动特性，包括固有频率、振动模态振型、位移、应变及应力，再通过边界元求解器对边界元模型求解得到扬声器的声学特性，包括频响曲线和指向性曲线。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书4页附图6页CN102004836A1/2页21一种扬声器振动和声学特性的数值模拟方法，其特征在于该方法至少包括以下步骤1使用三维绘图软件绘制扬声器的三维几何模型图；2建立扬声器有限元模型，具体步骤如。
3、下A、将扬声器三维几何模型图导入网格划分软件，对其进行网格划分，得到有限元分析所用的体单元；若需考虑空气对扬声器振动的影响，还要在模型中加入空气并将其网格划分为体单元；B、定义单元类型为A步骤中各部分单元定义相匹配的单元类型；C、定义材料参数定义模型各部件的材料参数，包括杨氏模量、泊松比、密度及材料阻尼；若模型中包含空气，还需定义空气的材料参数，包括声速、密度及吸声系数；D、定义边界条件扬声器有限元模型的边界条件如下1固定边界条件由于扬声器振膜边缘是固定在盆架上的，需在其边缘定义固定边界条件，若扬声器还包含有定位支片，它与盆架接触的边缘也应定义固定边界条件；2流固耦合边界条件若分析扬声器的振动。
4、特性时考虑空气的影响，在扬声器和空气的接触面两者会发生耦合作用，需在扬声器和空气的分界面定义流固耦合边界条件；E、给有限元模型施加载荷在模型的音圈部位施加驱动力；F、将上述模型保存为有限元模型文件；3建立扬声器边界元模型提取扬声器有限元模型的表面得到与有限元模型体单元匹配的面网格，由于障板对扬声器的声学特性有很大的影响，还要建立障板的面网格，定义上述面网格的单元类型，将上述模型保存为边界元模型文件；4用有限元求解器对有限元模型文件进行求解将有限元模型文件导入有限元求解器并进行模态分析，可以得到扬声器的固有频率和振动模态，再进行谐波分析，得到扬声器的位移响应、应变响应及应力响应；A、对有限元模型。
5、进行模态分析动力学分析的基本方程如下上式中，M为系统质量矩阵，C为系统阻尼矩阵，K为系统刚度矩阵，为节点加速度向量，为节点速度向量，U为节点位移向量，F为施加的载荷向量，与时间相关；假设扬声器做无阻尼的自由振动，方程为对于线性系统，假定系统做简谐运动，UUICOSIT上述运动方程变为KI2MUI0求解上述方程可得到I和UI，I为第I阶固有圆周频率，UI为特征向量，即第I阶固有圆周频率对应的振动模态；为第I阶固有频率。权利要求书CN102004823ACN102004836A2/2页3B、对有限元模型进行谐波分析在谐波分析中，F、U是简谐的，有FF1IF2EITUU1IU2EITK2MICU1I。
6、U2F1IF2上式中，U1、U2分别为位移的实部及虚部，F1、F2分别为加载力的实部及虚部，为加载力的角频率；求解上述方程可以得到位移的实部U1和虚部U2，进一步由位移可推导出应变及应力。5将有限元求解器求解得到的位移和边界元模型文件提交到边界元求解器，可求解得到扬声器的频响曲线和指向性曲线。在各向同性的理想流体介质中，对于简谐变化的声波，声压满足亥姆霍兹方程2PRK2PR0根据散度定理，可以将上述方程变成边界上的积分方程式中，K为声波的波数，PR为扬声器外声场中任意一点的声压，RQ为边界上一点，GR，RQ为格林函数，NQ为边界的单位法向矢量；声压级式中，P02105PA为基准声压；求解出扬声。
7、器在特定位置不同频率下的声压级即可得到频响曲线，求解出扬声器在某一特定频率下空间不同位置的声压级即得到指向性曲线。2根据权利要求1所述的扬声器振动和声学特性的数值模拟方法，其特征在于扬声器包括各种电动扬声器。3根据权利要求1所述的扬声器振动和声学特性的数值模拟方法，其特征在于通过求解扬声器有限元模型的无阻尼自由振动特征方程分析，分析扬声器的多种振动模态，包括塞振动、摇摆振动、弯曲振动、扭转振动及其复合振动。4根据权利要求1所述的扬声器振动和声学特性的数值模拟方法，其特征在于三维绘图软件为PRO/E，用它绘制扬声器的三维几何模型图，PRO/E是一款CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，功能包括。
8、零件设计、模具设计、钣金件设计、虚拟装配及工程出图。5根据权利要求1所述的扬声器振动和声学特性的数值模拟方法，其特征在于网格划分软件为HYPERMESH，用它可以对扬声器3D几何模型划分网格。6根据权利要求1所述的扬声器振动和声学特性的数值模拟方法，其特征在于有限元求解器为有限元软件ANSYS，用来求解结构、流体、热、电磁问题。7根据权利要求1所述的扬声器振动和声学特性的数值模拟方法，其特征在于边界元求解器为LMSVIRTUALLAB，模拟分析振动噪声特性。权利要求书CN102004823ACN102004836A1/4页4一种扬声器振动和声学特性的数值模拟方法技术领域0001本发明属于扬声器。
9、领域，涉及扬声器振动和声学特性的模拟方法，特别是涉及一种扬声器振动和声学特性的数值模拟方法。采用该方法分析扬声器的振动和声学特性，能够得到扬声器的固有频率、振动模态振型、位移、应变、应力、频响曲线、指向性曲线。可广泛应用于扬声器的设计开发。背景技术0002传统的扬声器分析设计方法有两种1经验法。一般为样品试做、测试、再改善样品、再测试的反复循环过程，这种方式必须等到设计后期才能发现扬声器问题，而且开发周期长、成本高；2等效电路法。当扬声器工作在低频时，扬声器振膜做整体的活塞运动，这时扬声器可看作是集中参数系统，根据电力声类比，各部件等效为集中参数的电路元件，可快速准确地得到分析结果，但当频率较。
10、高时，由于扬声器振膜会产生分割振动，扬声器成为分布参数系统，无法用等效电路分析扬声器特性。0003丹麦LOUDSOFT公司开发了FINEMOTOR、FINECONE等扬声器设计软件，可以对扬声器磁路、音圈、振膜进行分析，得到T/S参数、阻抗曲线、频响曲线及指向性曲线等参数，但是此两款软件所分析扬声器模型必须为轴对称模型，对于跑道型扬声器及振膜表面有加强筋的扬声器，它的局限性很大。发明内容0004本发明的目的是设计出一种扬声器振动和声学特性的数值模拟方法。0005本发明要解决的是经验法存在的须等到设计后期才能发现扬声器问题且开发周期长、成本高的问题和等效电路法存在的在频率较高时无法用等效电路分析。
11、扬声器特性的问题。0006本发明的一种扬声器的振动和声学特性的数值模拟方法，具体步骤为00071使用三维绘图软件绘制扬声器的三维3D几何模型图。00082建立扬声器有限元模型。具体步骤如下0009A、将扬声器3D几何模型图导入网格划分软件，对其进行网格划分，得到有限元分析所用的体单元。若需考虑空气对扬声器振动的影响，还要在模型中加入空气并将其网格划分为体单元。0010B、定义单元类型。为A步骤中各部分单元定义相匹配的单元类型。0011C、定义材料参数。定义模型各部件的材料参数，包括杨氏模量、泊松比、密度及材料阻尼。若模型中包含空气，还需定义空气的材料参数，包括声速、密度及吸声系数。0012D、。
12、定义边界条件。扬声器有限元模型的边界条件如下1固定边界条件。由于扬声器振膜边缘是固定在盆架上的，需在其边缘定义固定边界条件，若扬声器还包含有定位支片，它与盆架接触的边缘也应定义固定边界条件；2流固耦合边界条件。若分析扬声器的振动特性时考虑空气的影响，在扬声器和空气的接触面两者会发生耦合作用，需在扬声说明书CN102004823ACN102004836A2/4页5器和空气的分界面定义流固耦合边界条件。0013E、给有限元模型施加载荷，在模型的音圈部位施加驱动力。0014F、将上述模型保存为有限元模型文件。00153建立扬声器边界元模型。提取扬声器有限元模型的表面得到与有限元模型体单元匹配的面网格。
13、，由于障板对扬声器的声学特性有很大的影响，还要建立障板的面网格，定义上述面网格的单元类型，将上述模型保存为边界元模型文件。00164用有限元求解器对有限元模型文件进行求解。将有限元模型文件导入有限元求解器并进行模态分析，可以得到扬声器的固有频率和振动模态振型，再进行谐波分析，可以得到扬声器的位移响应、应变响应及应力响应。0017A、对有限元模型进行模态分析0018动力学分析的基本方程如下00190020上式中，M为系统质量矩阵，C为系统阻尼矩阵，K为系统刚度矩阵，为节点加速度向量，为节点速度向量，U为节点位移向量，F为施加的载荷向量，与时间相关。0021假设扬声器做无阻尼的自由振动，方程为00。
14、220023对于线性系统，假定系统做简谐运动0024UUICOSIT0025上述运动方程变为0026KI2MUI00027求解上述方程可得到I和UI，I为第I阶固有圆周频率，UI为特征向量，即第I阶固有圆周频率对应的振动模态振型。0028为第I阶固有频率。0029B、对有限元模型进行谐波分析0030在谐波分析中，F、U是简谐的。有0031FF1IF2EIT0032UU1IU2EIT0033K2MICU1IU2F1IF20034上式中，U1、U2分别为位移的实部及虚部，F1、F2分别为加载力的实部及虚部，为加载力的角频率。0035求解上述方程可以得到位移的实部U1和虚部U2，进一步由位移可推导出。
15、应变及应力。00365将有限元求解器求解得到的位移和边界元模型文件提交到边界元求解器，可求解得到扬声器的频响曲线和指向性曲线。0037在各向同性的理想流体介质中，对于简谐变化的声波，声压满足亥姆霍兹方程00382PRK2PR00039根据散度定理，可以将上述方程变成边界上的积分方程说明书CN102004823ACN102004836A3/4页600400041式中，K为声波的波数，PR为扬声器外声场中任意一点的声压，RQ为边界上一点，GR，RQ为格林函数，NQ为边界的单位法向矢量。0042声压级0043式中，P02105PA为基准声压。0044求解出扬声器在特定位置一般指沿声轴线方向距扬声器声。
16、中心1M的位置不同频率下的声压级即可得到频响曲线，求解出扬声器在某一特定频率下空间不同位置的声压级即可得到指向性曲线。0045所用的扬声器包括各种电动扬声器。0046所述的通过求解扬声器有限元模型的无阻尼自由振动特征方程分析，分析扬声器的多种振动模态，包括塞振动、摇摆振动、弯曲振动、扭转振动及其复合振动。0047所述的三维绘图软件为PRO/E，用它绘制扬声器的三维几何模型图，PRO/E是一款CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，功能包括零件设计、模具设计、钣金件设计、虚拟装配及工程出图。0048所述的网格划分软件为HYPERMESH，用它可以对扬声器3D几何模型划分网格。0049所述的有限元。
17、求解器为有限元软件ANSYS，用来求解结构、流体、热、电磁问题。边界元求解器为LMSVIRTUALLAB，模拟分析振动噪声特性。0050本发明的优点是本发明将有限元法及边界元法应用于扬声器分析设计，有效地克服等效电路法局限于低频的缺点，而且可以在样品试做前期预估扬声器的性能，从而加快扬声器设计进度，减少开发成本。附图说明0051图1为本发明实施方法流程图。0052图2为一款65英寸汽车扬声器的3D几何模型图。0053图3为图2的剖面示意图。0054图4为65英寸汽车扬声器的有限元模型。0055图5为65英寸汽车扬声器的边界元模型。0056图6A为65英寸汽车扬声器的典型振动模态之一。0057图。
18、6B为65英寸汽车扬声器的典型振动模态之二。0058图6C为65英寸汽车扬声器的典型振动模态之三。0059图7为65英寸汽车扬声器的位移响应曲线。0060图8为65英寸汽车扬声器的声压频响曲线。0061图9为65英寸汽车扬声器指向性极图频率为1KHZ。具体实施方式0062下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。0063本发明以65英寸汽车扬声器为例，模拟分析其振动及声学特性。如图1所示，本说明书CN102004823ACN102004836A4/4页7发明步骤如下0064步骤1使用三维绘图软件PRO/E创建扬声器3D几何模型图。0065图2是该扬声器1的3D几何模型图，图3是该扬声器1的剖。
19、面示意图，由图可知，该扬声器1由三部分组成1磁路系统，包括T铁11、磁钢10及上夹板9，主要产生磁场，会对通电音圈产生驱动力；2振动系统，包括纸锥6、防尘帽2、折环3、定位支片弹波7、骨架8及音圈81，在驱动力下振动并辐射声音；3辅助系统，包括盆架5及压边4，支撑及固定振动系统。0066步骤2建立扬声器有限元模型见图4。具体步骤如下00671将扬声器三维模型导入HYPERMESH软件中，由于扬声器磁路系统主要产生均匀的磁场，给扬声器振动系统提供驱动力，在数值模拟过程中相当于载荷的作用。扬声器辅助系统主要的作用是固定振动系统，在数值模拟过程中可代替为固定边界条件。这样，只需在HYPERMESH中。
20、对纸锥6、折环3、防尘帽2、音圈81及骨架8进行网格划分得到各部分的体单元。00682定义单元类型。单元类型选用SOLID45单元。00693定义材料参数。对于本例的扬声器1，振膜及防尘帽2所选用材料为聚丙烯PP，折环3材料为橡胶，定位支片弹波7材料为棉布，骨架8材料为聚酰亚胺KAPTON，音圈81材料为铜，定义上述材料的材料属性，包括杨氏模量、泊松比、密度及材料阻尼。00704定义边界条件。由于扬声器折环3和定位支片7边缘是固定在盆架5上的，在扬声器折环3和定位支片7的边缘定义固定边界条件沿坐标系X，Y，Z轴的平动及转动位移为0。00715施加载荷。在音圈81上施加大小为BIL的力，方向平行。
21、于音圈81运动方向，其中B是磁通量密度，I为流经音圈81的电流，L为音圈81导线的长度。00726保存有限元模型文件。0073步骤3建立边界元模型见图5。从纸锥6、折环3、防尘帽2的体单元表面提取与体单元相匹配的面网格，再建立障板面网格。面网格选用SHELL63单元，保存边界元模型文件。0074步骤4将有限元模型文件导入ANSYS，进行模态分析，得到扬声器的固有频率及振动模态，几种典型的振动模态见图6A图6C；进行谐响应分析，计算出扬声器在一系列频率下的响应并得到位移、应力、应变随频率变化的曲线。图7是模拟计算的位移曲线。0075步骤5将边界元模型文件和步骤4的位移结果导入LMSVIRTUAL。
22、LAB，进行求解得到扬声器的频响曲线和指向性曲线。图8是模拟计算的频响曲线。图9是模拟计算的1KHZ的指向性极图。0076以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案。因此，尽管本说明书参照上述的各个实施对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。说明书CN102004823ACN102004836A1/6页8图1图2说明书附图CN102004823ACN102004836A2/6页9图3图4说明书附图CN102004823ACN102004836A3/6页10图5图6A说明书附图CN102004823ACN102004836A4/6页11图6B图6C说明书附图CN102004823ACN102004836A5/6页12图7图8说明书附图CN102004823ACN102004836A6/6页13图9说明书附图CN102004823A。