CN102368281A - 一种扬声器磁路系统的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种扬声器磁路系统的数值模拟方法。该方法首先用三维绘图软件绘制扬声器磁路系统的三维（或二维）几何模型，然后将几何模型导入网格划分软件进行网格划分得到体单元（或面单元），定义单元类型、材料属性并关联到相应的体单元（或面单元），得到磁路系统的有限元模型，把有限元模型保存为有单元软件可识别的文件类型。然后把有限元模型导入有限元软件中，添加音圈标，标定吸收边界，最后定义静态分析进行求解并经后处理得到扬声器磁路系统的磁场分布情况、音圈Bl值及某些点上的B值等结果，并将其以图像形式显示出来。

Description

一种扬声器磁路系统的数值模拟方法

技术领域

 本发明属于扬声器领域，涉及扬声器磁路特性的模拟方法，特别是涉及一种扬声器磁路分析的数值模拟方法。采用该方法分析扬声器的磁路，可以得到扬声器磁路的磁场特性，包括磁通密度(又称感应强度，符号B)的分布情况及音圈相应位置上的Bl值，可以用磁感线图、B或磁场强度(符号H)的云图、矢量图的方式来描绘磁场分布状况。可以广泛用于动圈式扬声器磁路的设计。

背景技术

传统扬声器分析设计方法主要是经验法。一般为样品设计、试做、测试、再修改设计、再测试的反复循环过程，这种方法只能在样品制作出来以后才能发现扬声器磁路存在的问题，而反复制样则会耗费大量的人力、物力和时间。磁路设计的目标在于寻找B与磁路结构之间的确切关系，但实际磁路中B的大小不仅与结构有关而且受所用胶水、充磁方法等工艺问题的影响，难以确定B值的变化仅缘于结构的改变。

 丹麦LoudSoft公司开发了FINEMotor、FINECone等扬声器设计软件，可以对扬声器磁路进行分析，但此两款软件所分析扬声器模型必须为轴对称模型，不能设计分析非轴对称的跑道形扬声器或受话器等。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于扬声器磁路系统的数值模拟方法。

本发明要解决的主要问题是：（1）经验法存在的必须反复制样且在磁路样品制作出来以后才能发现扬声器磁路缺陷的问题；（2）反复制样时开发周期长、成本高的问题；（3）难以确定改进后的样品中磁场变化是缘于磁路结构本身还是缘于工艺的问题；（4）其它软件难以对非对称结构的磁路进行数值模拟的问题。

 本发明的一种扬声器磁路系统数值模拟方法，具体步骤为：

（1）使用三维（以下简称3D）绘图软件绘制扬声器磁路的3D几何图形。为了更加精确地模拟磁路周围空间的漏磁情况和空气对磁场分布的影响，需要在模型中建立一个包围磁路几何体的3D空气模型。如果扬声器磁路具有轴对称的结构特性，则3D磁场分析可简化为针对旋转面的二维(以下简称2D)分析，只需建立磁路的旋转面模型，然后建立包围磁路的平面空气模型；

（2）建立扬声器磁路的有限元模型。具体步骤如下：

A、划分网格。将扬声器磁路3D几何模型连同空气模型导入网格划分软件，对其划分网格，得到体单元。如果是2D分析则对面划分网格得到面单元；

B、定义单元类型。有限元分析中，按照分析所需要的自由度数目和节点数目设计了多种单元类型。定义单元类型即为A步骤中所得体单元或面单元列出相匹配的单元类型。空气最外层单元定义为远场单元；

 C、定义材料属性。定义模型各部分的材料参数，包括B-H曲线、磁导率、矫顽磁力等材料参数；

D、指定单元类型和材料属性。将B、C步骤中定义的单元类型和材料属性关联到A步骤中所得相应单元；

E、保存有限元模型。将以上步骤中得到的有限元模型保存为有限元软件可识别的文件格式；

（3）将E步骤保存的有限元模型导入有限元求解软件；

（4）创建音圈。扬声器中音圈是带动振膜一起振动而使扬声器发声的结构件。音圈受力是因为其处在磁场中且其中通有与磁感线垂直的电流。音圈在仿真分析中是一个特殊的组成部分，需要在有限元软件中创建，其单元类型为SOURCE36。在2D分析中，将电流密度以载荷的形式加载到音圈截面上；

（5）标定边界。对使用远场单元的空气模型外表面进行边界标定。在2D分析中，对空气模型的边界线上进行边界标定；

（6）对有限元模型求解。在有限元软件中选择求解模块，定义分析类型为静态分析，然后进行求解计算；

 静态磁场是电磁场中的一种特殊情形。而电磁场分析的基本方程为Maxwell方程，即：

其中

、

分别为旋度计算和散度计算，、

、

和

分别为总电流密度、电通量密度（又称电位移）、电场强度和磁通量密度（又称磁感强度，B）的矢量。上述场方程的求解必需结合磁场的本构关系进行；

对于非磁材料而言，磁场的本构关系为：

 其中

为磁导率矩阵。如果材料为各向异性，则

可简化为一对角矩阵；

其中

为真空中的绝对磁导率，

、

、

分别为x、y、z三个方向上的相对磁导率。如果

只是与磁场大小有关的函数，材料导磁特性为各向同性，则

可简化为：

 

其中

为B与H的比值；

对于铁磁材料而言，当外界提供一个原磁场时，铁磁材料内部会被磁化而产生一个与原磁场相比不可忽略的附加磁场，总磁场是外部提供的原磁场

和介质内的附加磁场

之和，则磁场的本构关系变为：

 

其中

为磁化强度矢量，

为磁化率。上式还可以简写成总磁感强度与原磁场间的关系式：

其中

为相对磁导率。铁磁质中相对磁导率

的值随H的变化而变化，

对应于某H值的大小可由材料属性中B与H的非线性曲线(即B-H曲线)得到；

 在介质的交界面上还存在以下的边界条件：

，

其中

为介面的法向单位矢量，而B ₁，H ₁和B ₂，H ₂则分别为介面两端的磁通密度和磁场强度。当仅由永磁体为磁介质提供一外加磁场时，在材料属性中定义了磁介质的磁导率或B-H曲线及永磁体中的矫顽磁力和剩磁的情况下，可结合以上方程根据已知H计算得到B值，亦可根据已知的B求得H值，进而得到B或H的分布情况。将通有电流

的长为的导线放入已知磁场中，当B与

相互垂直时，安培力F的大小为B、

和

三者的乘积，即；

（7）结果后处理。对模型进行有限元分析后，需要检查求解结果，这种检查称为后处理。经过对有限元求解结果进行处理，可将B和H分布及音圈的Bl值等显示出来。其中B和H的分布情况可以云图或矢量图的形式显示出来。

所述的三维建模软件为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、虚拟装配及工程图出图。

所述的网格划分软件为HyperMesh，用它可方便地对2D和3D几何模型进行网格划分，并为相应的单元定义属性。

所述的有限元求解软件为ANSYS，它可用来求解结构、流体、热、电磁和耦合场等问题。

本发明的特点是：本发明将有限元分析方法运用到扬声器的磁路设计，可以有效地克服传统法中样品制作出来后才能发现磁路缺限的问题，加快扬声器设计进度，降低设计成本。

附图说明

图1为本发明的实施流程图。

图2为一款跑道形微型扬声器磁路的3D几何模型图。

图3为图2的剖面示意图。

图4为包含空气的跑道形微型扬声器磁路结构的3D几何模型剖视图。

图5为跑道形微型扬声器磁路的有限元模型图。

图6为包含空气的跑道形微型扬声器磁路结构的3D有限元模型剖视图。

图7为3D分析时用B的云图表示的磁路中磁场分布图。

图8为3D分析时用B的矢量图表示磁场分布图。

图9为2D磁路分析时用磁感线描绘的磁场分布图。

图10为2D磁路分析时磁感强度矢量描绘的磁场分布图。

图11为2D磁路分析时磁场强度矢量描绘的磁场分布图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

本发明以一款跑道形扬声器为例，用数值模拟方法分析其磁场特性。如图1所示，本发明步骤如下：

步骤1：使用3D绘图软件绘制扬声器磁路的3D几何模型；

图2是一款扬声器磁路系统的3D几何模型图，图3是该扬声器磁路长轴方向的垂直剖面示意图，由图可知该扬声器磁路系统由四部分组成：前夹板1、磁钢2、铁碗3和音圈4，铁碗与磁体之间的空隙为磁隙5，音圈4处在磁隙之中。为了更加精确地模拟磁路在周围空间的漏磁情况，需要建立一个包含空气的磁路结构3D模型，其剖视图如图4所示，其中空气6是用于模拟磁路周围的空气，空气7用于模拟无限远处空气；

步骤2：建立扬声器磁路的有限元模型。具体步骤如下：

（1）将步骤1中的3D几何模型导入HyperMesh软件中，进行网格划分得到扬声器磁路各部分的体单元。扬声器磁路系统主要利用的是它在磁隙中产生的均强磁场部分，即使通电后的音圈在其中受安培力作用上下运动，并带动扬声器的振膜振动发声。为了使模拟结果能达到足够的计算精度，磁路的磁隙部分要有足够的网格密度。图5为磁路的3D有限元模型，图6为包含空气的磁路结构的3D有限元模型剖视图；

（2）定义单元类型。步骤（1）所得扬声器磁路各部分的体单元需要使用与之相适应的含磁自由度的单元类型，扬声器磁路各部分所用到的单元类型名称如表格1所示。其中远场单元是用于模拟磁路外围空气的无限边界；

当磁路结构具有轴对称特性时，3D磁场分析可简化为对其旋转面的2D磁场分析，在定义单元类型时轴对称面的各部分单元类型可统一使用4节点的平面单元PLANE13或8节点的平面单元PLANE53，但都必须对单元类型设置轴对称属性；

（3）定义材料属性。在扬声器磁路结构中，磁钢为永磁体，前夹板和铁碗为铁磁材料，而音圈和空材料则为具有固定磁导率的导磁介质。利用各种材料参数定义具有不同导磁特性的材料类型，如表格2所示；

（4）指定材料属性和单元类型。将步骤（2）、（3）中定义的单元类型和材料属性关联到相应结构的体单元。图4中空气6使用SOLID98，空气7使用远场单元SOLID111；

（5）保存有限元模型文件。将以上步骤得到的有限元模型保存为有限软件可以识别的cdb格式的文件；

步骤3：将保存的cdb文件导入有限元软件ANSYS中；

步骤4：创建音圈。在ANSYS中用创建音圈的功能建立音圈；

步骤5：标定边界。在应用无限单元的空气模型外表面上进行标定边界的操作；

步骤6：对有限元模型求解。在有限元软件中选择求解模块，定义分析类型为静态分析，然后进行求解计算；

步骤7：结果后处理。通过对求解所得原始数据进行处理，可得到B和H分布的数据及音圈的Bl值等；

其中B和H的分布情况可用云图或矢量图的形式显示出来。图7为以云图形式表示的B分布图，图中不同的灰度代表不同大小的B值。图8为3D分析时磁感强度的矢量分布图，其中位置8处为磁隙与上夹板中磁感强度的矢量在长轴方向垂直平面上的投影，在打印图中难以区分，但是在计算机中以3D图像显示时可以清楚的区分。鉴于打印出来的3D矢量图的视觉效果不佳，另提供了2D磁场分析所得图像以示说明，图9为2D分析时用磁感线描绘的磁场分布图，图中磁感线的疏密代表B的大小，磁感线某点的切线方向为该点B矢量的方向。图10为用B矢量描绘的磁场分布，图中箭头的方向代表某点上磁感强度的方向，箭头的长短代表磁感度的大小。图11为用H矢量描绘的磁场分布，图中以带箭头的短线表示H，箭头的方向代表某点上H的方向，箭头的长短代表H的大小。音圈中电流方向皆在垂直于音圈截面的方向上，由图9、图10、图11看出磁隙中的磁场几乎为均强磁场，磁场方向与音圈电流垂直，表明该设计方法正确，设计结果满足要求。

以上实施实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。尽管本说明书参照上述各个实施实例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离以下所附权利要求的所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖于本发明的权利保护范围中。 

Claims (8)

1.一种扬声器磁路分析的数值模拟方法，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磁路的3D几何图形；为了更加精确地模拟磁路周围空间的漏磁情况和空气对磁场分布的影响，需要在模型中建立一个包围磁路几何体的3D空气模型；如果扬声器磁路具有轴对称的结构特性，则3D磁场分析简化为针对旋转面的二维分析，只需建立磁路的旋转面模型，然后建立包围磁路的空气模型；

（2）建立扬声器磁路的有限元模型，具体步骤如下：

A、划分网格：将扬声器磁路3D几何模型连同空气模型导入网格划分软件，对其划分网格，得到体单元；如果是2D分析则对面划分网格得到面单元；

B、定义单元类型：有限元分析中，按照各种分析的需要的自由度数目和节点数目设计了多种单元类型；定义单元类型即为A步骤中所得体单元或面单元定义相匹配的单元类型；空气最外层单元定义为远场单元；

C、定义材料属性：定义模型各部分的材料参数，包括B-H曲线、磁导率、矫顽磁力材料参数；

D、指定单元类型和材料属性：将B、C步骤中定义的单元类型和材料属性关联到A步骤中所得相应单元；

E、保存有限元模型：将以上步骤中得到的有限元模型保存为有限元软件可识别的文件格式；

（3）将E步骤保存的有限元模型导入有限元求解软件；

（4）创建音圈：在有限元软件中创建音圈，在2D分析中，将电流密度以载荷的形式加载到音圈截面上；

（5）标定边界：对使用远场单元的空气模型外表面进行边界标定；在2D分析中，对空气模型的边界线上进行边界标定；

（6）对有限元模型求解：在有限元软件中选择求解模块，定义分析类型为静态分析，然后进行求解计算。

2.根据权利要求1所述的扬声器磁路的数值模拟方法，其特征在于扬声器中音圈是带动振膜一起振动而使扬声器发声的结构件，音圈受力是因为其处在磁场中且其中通有与磁感线垂直的电流，音圈在仿真分析中是一个特殊的组成部分，需要在有限元软件中创建，其单元类型为SOURCE36。

3.根据权利要求1所述的扬声器磁路的数值模拟方法，其特征在于有限元模型求解为：

定义分析类型为静态分析，静态磁场是电磁场中的一种特殊情形，而电磁场分析的基本方程为Maxwell方程，即：

其中

、

分别为旋度计算和散度计算，

、

、和分别为总电流密度、电通量密度（又称电位移）、电场强度和磁通量密度（又称磁感强度,B）的矢量；上述场方程的求解必需结合磁场的本构关系进行；

对于非磁材料而言，磁场的本构关系为：

其中

为磁导率矩阵；

如果材料为各向异性，则

可简化为一对角矩阵；

其中

为真空中的绝对磁导率，

、

、分别为x、y、z三个方向上的相对磁导率；如果只是与磁场大小有关的函数，材料导磁特性为各向同性，则可简化为：

其中

为B与H的比值；

对于铁磁材料而言，当外界提供一个原磁场时，铁磁材料内部会被磁化而产生一个与原磁场相比不可忽略的附加磁场，总磁场是外部提供的原磁场和介质内的附加磁场

之和，则磁场的本构关系变为：

其中为磁化强度矢量，

为磁化率；

上式还可以简写成总磁感强度与原磁场间的关系式：

其中

为相对磁导率；

铁磁质中相对磁导率

的值随H的变化而变化，对应于某H值的大小可由材料属性中B与H的非线性曲线(即B-H曲线)得到；

在介质的交界面上还存在以下的边界条件：

，

其中为介面的法向单位矢量，而B ₁，H ₁和B ₂，H ₂则分别为介面两端的磁通密度和磁场强度；当仅由永磁体为磁介质提供一外加磁场时，在材料属性中定义了磁介质的磁导率或B-H曲线及永磁体中的矫顽磁力和剩磁的情况下，结合以上方程根据已知H计算得到B值，或根据已知的B求得H值，进而得到B或H的分布情况；将通有电流

的长为

的导线放入已知磁场中，当B与

相互垂直时，安培力F的大小为

、

和

三者的乘积，即

；

（7）结果后处理：对模型进行有限元分析后，需要检查求解结果，这种检查称为后处理；经过对有限元求解结果进行处理，将B和H分布及音圈的Bl值等显示出来；

其中B和H的分布情况可以云图或矢量图的形式显示出来。

4.根据权利要求1所述的扬声器磁路的数值模拟方法，其特征在于动圈式扬声器磁路。

5.根据权利要求1所述的扬声器磁路分析的数值模拟方法，其特征在于通过扬声器磁路的有限元模型的分析，分析扬声器磁路中的磁场分布情况和音圈所受到的安培力情况，并考虑到了空气中漏磁延伸至无限远处时无反射的情形。

6.根据权利要求1所述的扬声器磁路的数值模拟方法，其在于三维绘图软件为Pro/E,用它绘制扬声器磁路的二维或三维几何模型图，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。

7.根据权利要求1所述的扬声器磁路数值模拟方法，其特征在于网格划分软件为Hypermesh，用它可以对扬声器磁路部分的3D或2D几何模型划分网格，并对单元体指定单元类型和材料属性，从而建立扬声器磁路的有限元模型。

8.根据权利要求1所述的扬声器磁路数值模拟方法，其特征在于有限求解器为有限元软件ANSYS，用来求解结构、热、流体、电磁、耦合场问题。

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