CN102968543A - 一种扬声器音圈及磁路的温度特性数值模拟方法 - Google Patents

一种扬声器音圈及磁路的温度特性数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种扬声器音圈及磁路温度特性的数值模拟方法。该方法首先建立包括音圈、磁路、磁路中空气的平面几何模型。定义单元类型、材料属性，并将定义的单元类型和材料属性关联到代表不同结构的面。其次，进行网格划分得到有限元模型。然后再施加生热率载荷以及对流换热边界条件，同时，在音圈表面以及靠近音圈的磁路内表面设置辐射环境。最后，经过稳态分析求解得到扬声器音圈及磁路中任意点的温度值、热流密度矢量等。

Description

一种扬声器音圈及磁路的温度特性数值模拟方法
技术领域
本发明属于扬声器领域，涉及扬声器音圈及磁路在工作过程中由热效应引起的温度分布特性、热流分布特性等的数值模拟方法。采用该方法可模拟实际工作中扬声器的音圈及磁路稳态温度特性分布，继而根据稳态分析得到的温度值模拟扬声器任意点在任意时刻的温度。该模拟方法可以用于扬声器的热效应分析、传热理论的检验、为标定额定功率以及研究非线性失真随温度变化的影响提供参考。
背景技术
扬声器的温度过高不仅通过影响各项线性和非线性参数来影响听音质量，还会带来音圈及音圈骨架的变形、脱胶、音圈漆包线老化进而降低扬声器的使用寿命，甚至直接造成扬声器音圈的烧毁。传统扬声器基于对扬声器音圈直流电阻进行测量的方法间接计算音圈实时温度。这就需要对设计的样品进行试做，通过硬件产生一个模拟激励信号来仿真音圈及磁路的温度，再通过改进磁路的散热结构来降低音圈的温度。这种方法只能在样品制作出来以后才能发现扬声器磁路、音圈存在的问题，而反复制样则会耗费大量的人力、物力和时间。基于数值模拟方法来预估扬声器音圈及磁路在特定激励下的温度特性不需要试制扬声器就可以预估扬声器音圈及磁路的温度，继而了解温度的变化过程、热流分布的情况，获取整个磁路的传热情况。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于扬声器音圈及磁路的温度特性的数值模拟方法。
本发明要解决的主要问题是：（1）以往预测方法存在的依赖专用硬件设备通过施加特殊激励信号来预估温度带来的成本高的问题；（2）以往预测方法需要对扬声器进行试制后以后再通入激励信号的硬件仿真手段带来的开发周期长的问题；（3）改变传统预测方法中只能预测磁路及音圈的温度，新的数值仿真方法可以预测除音圈及磁路以外的部分的温度分布情况,并可以做到模拟热流的分布，从而了解热量的传递过程。
本发明中所提及的一种扬声器音圈及磁路温度特性的数值模拟方法，该方法至少包括以下步骤：
（1）建立几何模型：建立扬声器的半剖2D模型，为了更加精确地模拟气流对传热的影响，在扬声器内部需填充空气模型；
（2）建立扬声器的有限元模型,具体步骤如下：
A.定义单元类型：定义自由度为温度的2D热分析单元，该单元是拥有四节点的四边形单元，每个节点有一个温度自由度，可模拟传导、对流和辐射；
B.定义材料属性：定义材料参数，包括热传导率、质量、比热容；
C.划分网格：利用定义的单元对扬声器2D模型连同空气模型划分网格；同时，分配材料属性和单元类型；划分网格时需要细化音圈附近网格，使温度结果有较为明显的梯度变化，最终生成的有限元模型；
（3）施加载荷和边界条件，包括以下步骤：
    A.在代表音圈的面中施加热生成率载荷，用以模拟电流生热；热生成率根据扬声器的额定电压、音圈直流电阻和音圈的体积计算得到，其计算方法依据公式                                                
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE001
，其中为热生成率，
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE003
为额定电流，为直流电阻，
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE005
为额定电压，
Figure 929936DEST_PATH_IMAGE006
为音圈的体积；
B.施加对流换热边界条件：对流换热因输入信号频率不同从而引起的振动幅度不同分为强迫对流换热和自然对流换热；强迫对流是指由于外力作用所引起的被迫对流，是指由于音圈、音圈骨架、定心支片及防尘帽的外表面在低频输入信号下所引起的较大幅度的振动，强迫对流施加在音圈、音圈骨架、定心支片及防尘帽的外表面，低频输入信号是指小于三倍谐振频率的输入信号；自然对流是指空气在重力作用或者分子热运动等非强加条件下引起的对流换热，自然对流边界条件施加在扬声器几何模型轮廓线上；
C.定义初始条件：将室温作为初始条件施加给要分析的模型；
D.在音圈的外表面、磁钢及T铁构成的磁路内壁添加辐射热流：辐射热流依据公式
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE007
计算；其中，
Figure 27205DEST_PATH_IMAGE008
为辐射热流量，
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE009
周围介质温度，
Figure 860032DEST_PATH_IMAGE010
为辐射系统黑度，
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE011
为音圈外壁表面积，
Figure 220606DEST_PATH_IMAGE012
为黑体辐射系数，其值为；
（4）求解：基于有限元法应用步骤（3）中的载荷和边界条件对步骤（2）所建立的有限元模型进行数值分析，其基于的理论方程如下：
        
Figure 138883DEST_PATH_IMAGE014
          公式（1）
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE015
——温度，单位℃；
Figure 508685DEST_PATH_IMAGE016
——密度，单位
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 930439DEST_PATH_IMAGE018
——比热容，单位
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure 760117DEST_PATH_IMAGE020
——沿x、y、z方向的热传导系数，单位；
Figure 368953DEST_PATH_IMAGE022
——结构内部热源的生热密度，单位
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 73604DEST_PATH_IMAGE024
——时间，单位s，
公式（1）左端表示微分体单位时间升温需要的热量，右端的第1~第3项是沿x、y、z三个方向单位时间内传入微分体的热量，右端最后一项是微分体内热源单位时间产生的热量；方程表明：微分体温升需要的热量应与传入微分体的热量和内热源产生的热量相平衡；在公式（1）所表示的热传递过程中，微分体内每一个点都有一个温度值，它们构成具有物体形状的温度场，场变量就是温度T；温度可以随时间变化，称为瞬态温度场，这时；当微分体的传热过程进入平衡时，温度不再随时间而变化，从这时起所研究的结构就进入了稳态；由于假设扬声器各个部件材料特性是各向同性的，因而在几何模型所示的平面结构中，当扬声器音圈及磁路系统进入稳态以后，有
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE027
Figure 583399DEST_PATH_IMAGE028
这样，公式（1）表达的传热方程简化为
                        
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE029
                        公式（2）
在音圈及磁路边界上，传热方式与音圈及磁路的内部有所不同，每一个微分体的边界由于直接与外界接触，导致传热方式同时伴有热流的传导、对流和辐射；考虑音圈表面辐射的热流全部进入磁路系统，且近似认为音圈和磁路辐射表面是封闭的，根据能量守恒定律，建立边界上的热流平衡方程作为边界条件，形式如下：
                     公式（3）
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE031
——对流换热系数；
Figure 922294DEST_PATH_IMAGE032
——周围介质温度；
Figure 2012105358803100002DEST_PATH_IMAGE033
——边界上沿外法线方向的温度梯度；
Figure 318640DEST_PATH_IMAGE010
——辐射系统黑度；
Figure 457497DEST_PATH_IMAGE011
——音圈外壁表面积；
——黑体辐射系数，其值为
Figure 821800DEST_PATH_IMAGE013
，
这样，扬声器音圈稳态温度可通过求解公式（2）和公式（3）得出；
（5）结果后处理：后处理就是对计算机求取微分方程的结果进行图像化处理与列表显示；经过对结果的后处理，可将温度分布用等值线图的形式显示出来，也可以将个别节点的温度值列表显示出来，并得到热流密度矢量。
所建立的几何模型包括音圈、音圈骨架、导磁前片、T铁、磁钢、盆架、定心支片、防尘帽以及扬声器磁路中的空气；T铁底部安有磁钢，上部设有设有音圈骨架，音圈骨架上套有音圈，导磁前片设于磁钢上部，盆架底部设于导磁前片上，盆架上部设有定心支片，盆架与定心支片之间为空气，音圈骨架上盖有防尘帽。
本发明的方法针对动圈式扬声器。本发明的数值模拟的条件是已知扬声器各部件的结构及尺寸、不同零部件材料的材料属性、音圈直流电阻值、单频输入信号的频率或噪声信号的等效频率、不同频率下强迫对流换热系数以及与频率无关的自然对流换热系数。
本发明的优点是：本发明将有限元分析方法运用到扬声器的热分析中，可以有效地克服传统法中对专用硬件设备的依赖，改用数值分析的方法对扬声器的发热情况进行模拟，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为圆形汽车扬声器的3D几何模型。
图3为图2经过简化的且包含空气模型在内的2D几何模型的一半。
图4为用于平面热分析的单元结构示意图。
图5为用图4单元对图3进行网格划分后得到的有限元模型。
图6为图3旋转后生成的3D图。
图7为求解后得到的稳态温度场图。
图8为求解后得到的热流密度矢量图。
图9为各材料的热参数表格。
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。
本发明以一款轴对称圆形汽车扬声器为例，分析并不限于圆形扬声器，也不限于汽车扬声器。用数值模拟方法分析其温度特性。如图1所示，本发明步骤如下：
步骤1：对几何模型进行简化。图2是一款轴对称圆形扬声器。对扬声器进行模型的简化处理，同时为简化后的模型添加空气模型，以正确模拟空气对导热、对流和辐射的影响。
图3是图2经过简化后的几何模型图，由于是轴对称的，只需要建立模型的一半。图中，1为防尘帽，2为音圈骨架，3为定心支片，4为空气，5为盆架，6为导磁前片，7为磁钢，8为T铁，9为音圈。
步骤2：建立扬声器的有限元模型。具体步骤如下：
[025]（1）定义单元类型。定义平面热分析单元PLANE55，并设置单元属性为轴对称。PLANE55单元具有四个节点，分别为a、b、c、d节点。每个节点有一个温度自由度，可以用来分析热传导、热对流以及热辐射问题，其结构如图4所示。
（2）定义材料属性。在扬声器热分析过程中，设各个材料是各向同性的，且材料特性不随温度变化。利用各种材料的热参数定义具有不同热特性的材料类型，如图2表所示。
（3）指定材料属性和单元类型。将步骤（1）、（2）中定义的单元类型和材料属性关联到相应结构的面单元中。
(4) 用四边形自由网格对步骤1中的几何模型划分网格，并对音圈及音圈骨架处的单元网格进行加密处理，最终形成的有限元模型如图5所示。
（5）保存有限元模型文件。
步骤3：定义生热率载荷。在音圈所在的面上施加生热率载荷
Figure 807073DEST_PATH_IMAGE034
,I为扬声器额定电流的有效值，U为扬声器额定电压的有效值，R为扬声器音圈的直流电阻值，V为音圈的体积。
步骤4：定义强迫对流边界。扬声器在低频激励信号下振动时，其定心支片、音圈骨架、音圈及防尘帽振动幅度剧烈，由此将发生强迫对流冷却过程。在定心支片、音圈骨架、音圈、防尘帽的表面线上施加强迫对流边界条件。
步骤5：定义自然对流边界。在扬声器的外表面轮廓施加自然对流边界条件，其值与激励信号频率无关。
步骤6：在音圈的外侧表面线和磁路内侧表面线上施加辐射载荷。
步骤7：对有限元模型求解。在有限元软件中选择求解模块，定义分析类型为热稳态分析，然后进行求解计算。
步骤8：结果后处理。通过对求解所得原始数据进行处理，可得到模型中任意点的温度值，描绘出的温度分布云图扩展到3D空间，其效果如图7。图7中音圈周围温度颜色最亮，表示温度最高，其次为磁路部分，磁路部分呈现内表面温度高外表面温度低的趋势，这与事实是相符合的。定心支片上的颜色最暗，表示温度最低，约等于室温。从音圈到定心支片之间的空气区域有较为明显的温度梯度变化，表现在图中为从音圈上端到定心支片之间的空气区域温度渐变层次分明。图8是热流密度矢量图，热流密度是指两物体或同一物体两侧存在温差时，单位时间单位面积内由导热、对流、辐射方式通过该物体所传递的热量。热流密度的大小和方向可以表征热量转移的程度和方向。由图8可知，音圈处热量流动最为集中，同时，由于磁路内外表面温度差的存在，有较多的热流集中在由导磁前片（结构6）、T铁（结构8）构成的磁路中。
以上实施实例及实施步骤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 (4)

1.一种扬声器音圈及磁路温度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）建立几何模型：建立扬声器的半剖2D模型，为了更加精确地模拟气流对传热的影响，在扬声器内部需填充空气模型；
（2）建立扬声器的有限元模型,具体步骤如下：
A.定义单元类型：定义自由度为温度的2D热分析单元，该单元是拥有四节点的四边形单元，每个节点有一个温度自由度，可模拟传导、对流和辐射；
B.定义材料属性：定义材料参数，包括热传导率、质量、比热容；
C.划分网格：利用定义的单元对扬声器2D模型连同空气模型划分网格；同时，分配材料属性和单元类型；划分网格时需要细化音圈附近网格，使温度结果有较为明显的梯度变化，最终生成的有限元模型；
（3）施加载荷和边界条件，包括以下步骤：
    A.在代表音圈的面中施加热生成率载荷，用以模拟电流生热；热生成率根据扬声器的额定电压、音圈直流电阻和音圈的体积计算得到，其计算方法依据公式                                                
Figure 95195DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 165919DEST_PATH_IMAGE002
为热生成率，
Figure 812801DEST_PATH_IMAGE003
为额定电流，
Figure 652581DEST_PATH_IMAGE004
为直流电阻，
Figure 133241DEST_PATH_IMAGE005
为额定电压，
Figure 894524DEST_PATH_IMAGE006
为音圈的体积；
B.施加对流换热边界条件：对流换热因输入信号频率不同从而引起的振动幅度不同分为强迫对流换热和自然对流换热；强迫对流是指由于外力作用所引起的被迫对流，是指由于音圈、音圈骨架、定心支片及防尘帽的外表面在低频输入信号下所引起的较大幅度的振动，强迫对流施加在音圈、音圈骨架、定心支片及防尘帽的外表面，低频输入信号是指小于三倍谐振频率的输入信号；自然对流是指空气在重力作用或者分子热运动等非强加条件下引起的对流换热，自然对流边界条件施加在扬声器几何模型轮廓线上；
C.定义初始条件：将室温作为初始条件施加给要分析的模型；
D.在音圈的外表面、磁钢及T铁构成的磁路内壁添加辐射热流：辐射热流依据公式
Figure 751621DEST_PATH_IMAGE007
计算；其中，
Figure 445908DEST_PATH_IMAGE008
为辐射热流量，
Figure 97469DEST_PATH_IMAGE009
周围介质温度，
Figure 237726DEST_PATH_IMAGE010
为辐射系统黑度，
Figure 632935DEST_PATH_IMAGE011
为音圈外壁表面积，
Figure 650569DEST_PATH_IMAGE012
为黑体辐射系数，其值为；
（4）求解：基于有限元法应用步骤（3）中的载荷和边界条件对步骤（2）所建立的有限元模型进行数值分析，其基于的理论方程如下：
        
Figure 599120DEST_PATH_IMAGE014
          公式（1）
Figure 798020DEST_PATH_IMAGE015
——温度，单位℃；
Figure 201319DEST_PATH_IMAGE016
——密度，单位
Figure 460262DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 683433DEST_PATH_IMAGE018
——比热容，单位
Figure 420445DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure 943830DEST_PATH_IMAGE020
——沿x、y、z方向的热传导系数，单位
Figure 967150DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 943196DEST_PATH_IMAGE022
——结构内部热源的生热密度，单位；
Figure 127370DEST_PATH_IMAGE024
——时间，单位s，
公式（1）左端表示微分体单位时间升温需要的热量，右端的第1~第3项是沿x、y、z三个方向单位时间内传入微分体的热量，右端最后一项是微分体内热源单位时间产生的热量；方程表明：微分体温升需要的热量应与传入微分体的热量和内热源产生的热量相平衡；在公式（1）所表示的热传递过程中，微分体内每一个点都有一个温度值，它们构成具有物体形状的温度场，场变量就是温度T；温度可以随时间变化，称为瞬态温度场，这时
Figure 931378DEST_PATH_IMAGE025
；当微分体的传热过程进入平衡时，温度不再随时间而变化，从这时起所研究的结构就进入了稳态；由于假设扬声器各个部件材料特性是各向同性的，因而在几何模型所示的平面结构中，当扬声器音圈及磁路系统进入稳态以后，有
Figure 660300DEST_PATH_IMAGE026
Figure 739114DEST_PATH_IMAGE027
Figure 830567DEST_PATH_IMAGE028
这样，公式（1）表达的传热方程简化为
                        
Figure 336635DEST_PATH_IMAGE029
                        公式（2）
在音圈及磁路边界上，传热方式与音圈及磁路的内部有所不同，每一个微分体的边界由于直接与外界接触，导致传热方式同时伴有热流的传导、对流和辐射；考虑音圈表面辐射的热流全部进入磁路系统，且近似认为音圈和磁路辐射表面是封闭的，根据能量守恒定律，建立边界上的热流平衡方程作为边界条件，形式如下：
             
Figure 21694DEST_PATH_IMAGE030
        公式（3）
Figure 904199DEST_PATH_IMAGE031
——对流换热系数；
Figure 256683DEST_PATH_IMAGE032
——周围介质温度；
Figure 199231DEST_PATH_IMAGE033
——边界上沿外法线方向的温度梯度；
Figure 740895DEST_PATH_IMAGE010
——辐射系统黑度；
Figure 161512DEST_PATH_IMAGE011
——音圈外壁表面积；
Figure 634082DEST_PATH_IMAGE012
——黑体辐射系数，其值为
Figure 950794DEST_PATH_IMAGE013
，
这样，扬声器音圈稳态温度可通过求解公式（2）和公式（3）得出；
（5）结果后处理：后处理就是对计算机求取微分方程的结果进行图像化处理与列表显示；经过对结果的后处理，可将温度分布用等值线图的形式显示出来，也可以将个别节点的温度值列表显示出来，并得到热流密度矢量。
2. 根据权利要求1所述的扬声器音圈及磁路温度特性的数值模拟方法，其特征在于所建立的几何模型包括音圈、音圈骨架、导磁前片、T铁、磁钢、盆架、定心支片、防尘帽以及扬声器磁路中的空气；T铁底部安有磁钢，上部设有设有音圈骨架，音圈骨架上套有音圈，导磁前片设于磁钢上部，盆架底部设于导磁前片上，盆架上部设有定心支片，盆架与定心支片之间为空气，音圈骨架上盖有防尘帽。
3. 根据权利要求1所述的扬声器音圈及磁路温度特性的数值模拟方法，其特征在于该方法针对动圈式扬声器。
4.  根据权利要求1所述的扬声器音圈及磁路温度特性的数值模拟方法，其特征在于数值模拟的条件是已知扬声器各部件的结构及尺寸、不同零部件材料的材料属性、音圈直流电阻值、单频输入信号的频率或噪声信号的等效频率、不同频率下强迫对流换热系数以及与频率无关的自然对流换热系数。
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