CN103294871A - 一种扬声器音圈电感非线性特性的数值仿真分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种扬声器音圈电感非线性特性的数值仿真分析方法，该方法首先使用绘图软件绘制扬声器磁路几何模型，然后，对磁路几何模型进行网格划分，再定义单元类型、材料、边界条件并施加载荷，得到有限元模型。通过求解有限元模型最终得到音圈电感-非线性特性Le(x)。

Description

一种扬声器音圈电感非线性特性的数值仿真分析方法
技术领域
本发明属于扬声器领域，涉及扬声器音圈电感的非线性特性的仿真分析方法，特别是涉及一种扬声器音圈电感非线性特性的数值仿真分析方法。采用该方法分析扬声器的磁路，可得到扬声器音圈的电感随位移的非线性特性曲线。该方法可广泛应用于动圈式扬声器的磁路设计。
背景技术
扬声器音圈兼有电阻和电感的特性，电感的存在会抵制电流的变化，对电流和电流产生的磁场进行调制，且电感对中高频阻抗特性影响比较显著，这抑制了扬声器的中高频输出，不仅如此，电感还会随音圈在磁隙中的位置变化而变化，其随音圈位移产生的非线性变化是扬声器的主要非线性特性之一，也是造成扬声器非线性失真的原因之一。综上所述，扬声器音圈电感的大小以及电感随位移变化产生的非线性特性是评估扬声器设计的一项重要指标。目前获取电感-位移特性的方法之一是基于集总参数下扬声器非线性等效电路模型，为此，Klippel公司还专门开发了扬声器大信号参数测量系统--Klippel R&D系统。该测量系统价格昂贵，一般的中小型企业无力购买。
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。
现有的一些专门用于扬声器磁路分析的有限元仿真软件如FINECone、FINEMotor只能仿真某一时刻或某一个特定位置的电感，无法仿真音圈运动产生的电感-位移非线性特性。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于扬声器音圈电感非线性特性的数值仿真分析方法。
本发明要解决的主要问题是：1、经验法需要等到制成以后才能通过测量得到电感非线性特性的问
题；2、由于无法在制作之前预估电感非线性特性造成的产品开发周期长的问题；3、专用测量设备带来
的扬声器设计成本高的问题；4、现有的有限元仿真软件如FINECone、FINEmotor只能对指定位置下的
音圈电感进行仿真的问题。
本发明中提及的一种扬声器音圈电感非线性特性的数值仿真分析方法，其具体步骤为：
步骤1：建立扬声器磁路几何模型。使用三维绘图软件（如Solidworks、Pro/E等）或直接在有限元
分析软件中绘制该扬声器磁路的三维（3D）几何模型图。
步骤2：建立有限元模型。
步骤3：定义音圈单元组件。
步骤4：定义边界及载荷。选择不同位置的音圈单元组，并对其施加电流密度载荷。电流密度的计
算公式为                                               
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE002
，其中为电流密度，
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE006
为音圈的驱动电流，
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE008
为音圈匝数，为音圈所在面的面
积；在对称轴上施加磁力线平行边界条件；在外层空气的边界线上施加远场吸收边界条件，减小无限远处对磁路中磁场造成的影响。
步骤5：求解。
利用有限元法求解如下电磁场微分方程。
                             公式（1）
定义矢量磁位
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE014
      公式（2）
公式（1）中的
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE018
分别为介质的磁导率和介电常数，为拉普拉斯算子：
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE022
         公式（3）
步骤6：后处理。由步骤5可得到磁矢量位，由此经过后处理可得到电磁场的其它物理量，如
磁感应强度、磁场强度、磁能增量
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE030
等，其中，磁能增量定义为
    
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE032
         公式（4）
     式中
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE034
和表示由于电流增量
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE038
而引起的磁场和磁通密度的增量。电感系数与磁能增量
的关系为
 
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE040
          公式(5)
因而
Figure 2013102306303100002DEST_PATH_IMAGE042
          公式(6)
这样，在得到
Figure 831726DEST_PATH_IMAGE030
以后，即可求出特定位置下线圈的电感。
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电磁场分析中，为了模拟音圈的位移
非线性特性，按照移动范围和移动步长的要求将音圈单元进行扩展，逐次选择不同位置的音圈单元将其
定义成组，并对各个位置的音圈单元组进行求解、分析，得到了一组不同位置下的音圈的电感值，解决
了以往无法仿真电感-位移特性的难题，同时，使扬声器在生产前就能得到电感-位移非线性特性，降低
了扬声器的设计和制作成本。
附图说明
图1为本发明的实施流程图。
图2为本发明一款圆形汽车扬声器磁路3D几何模型图。
图3为简化后的2D磁路几何模型图。
图4为扩展音圈单元以后的2D磁路几何模型图。
图5为音圈移动过程的效果图。
图6为图4中软铁材料Q235的B-H特性曲线。
图7为图4对应的有限元模型示意图。
图8为求解电磁场微分方程后得到的磁感线分布效果图。
图9为最终得到的电感-位移非线性特性曲线。
     图10为仿真所用磁特性参数。
 
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。
     本发明所述的一种扬声器音圈电感非线性特性的数值仿真分析方法，以6.5in汽车扬声器为例，结合图1所示流程将，其具体实施步骤阐述如下：
步骤1：建立扬声器磁路几何模型（1）。
使用三维绘图软件（如Solidworks、Pro/E等）或直接在有限元分析软件中绘制该扬声器磁路的三
维（3D）几何模型图（图2）（101）。
步骤2：建立有限元模型（2），具体步骤为：
1）为叙述方便，以下以圆形磁路为例说明本发明。当磁路为圆形轴对称时，则其3D几何模型可简化为2D几何模型（图3）（若磁路为非轴对称，则不能简化，须建立3D几何模型进行分析）。
2）对图3所示的模型划分单元（201）。
3)定义单元类型（202）。
4)定义材料属性（203）。图3中不同结构对应的磁特性参数如图10和图6。
5)指定单元属性和材料属性并扩展音圈移动单元（图4），并用四边形自由网格对图4中的几何模
型进行网格划分，生成如图7所示的有限元模型（204）。
步骤3：定义音圈单元组件。将不同位置的音圈单元定义成组进行整体求解，音圈移动效果图如图
5所示（3）。
步骤4：定义边界及载荷。选择不同位置的音圈单元组，并对其施加电流密度载荷。电流密度的计
算公式为
Figure 836591DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 274525DEST_PATH_IMAGE004
为电流密度，
Figure 695143DEST_PATH_IMAGE006
为音圈的驱动电流，
Figure 980761DEST_PATH_IMAGE008
为音圈匝数，
Figure 828632DEST_PATH_IMAGE010
为音圈所在面的面
积；在对称轴上施加磁力线平行边界条件；在外层空气的边界线上施加远场吸收边界条件，减小无限远处对磁路中磁场造成的影响（4）。
步骤5：求解。在有限元软件中设置静态磁场求解模块，求解得到如图8所示的磁感线分布图，图8中音圈处在磁间隙位置的磁感线较为密集，向上或向下远离磁隙位置磁感线都有所减少，其中，音圈沿轴向远离磁路移动的方向上磁感线减少得尤为明显（5）。
步骤6：后处理（6）。
1)定义两个数组，其中一个为整型数组，用来存储音圈的电流，另外一个为字符型数组，用来存储
音圈单元的组件名称；数组的维数由线圈的个数来确定，由于本例扬声器中只有一个线圈，因此定义的
数组都是一维数组；定义完数组之后为数组赋值，分别将电流和音圈单元组名作为数组中的元素赋给对
应的数组（601）。
2）计算电感。选择之前定义好的不同位置的音圈单元组，分别计算各个音圈的电感，得到电感随位移变化的曲线如图9.由图9可知，随着音圈向磁路内部的移动，电感逐渐增大，直到音圈移动到某一个临界位置电感不再增加，相反，电感值出现了下降的趋势，电感随位移的变化表现出非线性特性（602）。
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 (3)

1.一种扬声器音圈电感非线性特性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：
步骤1：建立扬声器磁路几何模型；
步骤2：建立有限元模型；
步骤3：定义音圈单元组件；
步骤4：定义边界及载荷：选择不同位置的音圈单元组，并对其施加电流密度载荷；电
流密度的计算公式为                                                
Figure 574757DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 269043DEST_PATH_IMAGE002
为电流密度，
Figure 982921DEST_PATH_IMAGE003
为音圈的驱动电流，
Figure 28238DEST_PATH_IMAGE004
为音圈匝数，为音圈所在面的面积；在对称轴上施加磁力线平行边界条件；在外层空气的边界线上施加远场吸收边界条件，减小无限远处对磁路中磁场造成的影响；
    步骤5：求解
            
Figure 785289DEST_PATH_IMAGE006
                 公式（1）
定义矢量磁位
             
Figure 935648DEST_PATH_IMAGE007
                            公式（2）
公式（1）中的和
Figure 401581DEST_PATH_IMAGE009
分别为介质的磁导率和介电常数，
Figure 638438DEST_PATH_IMAGE010
为拉普拉斯算子：
          
Figure 897381DEST_PATH_IMAGE011
                   公式（3）
步骤6：后处理；
由步骤5可得到磁矢量位
Figure 714027DEST_PATH_IMAGE012
，由此经过后处理可得到电磁场的其它物
理量，如磁感应强度
Figure 451039DEST_PATH_IMAGE013
、磁场强度
Figure 974424DEST_PATH_IMAGE014
、磁能增量等，其中，磁能增量定义为
                                公式（4）
     式中
Figure 439855DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 775021DEST_PATH_IMAGE018
表示由于电流增量
Figure 316992DEST_PATH_IMAGE019
而引起的磁场和磁通密度的增量；
电感系数
与磁能增量的关系为
                   
Figure 395807DEST_PATH_IMAGE020
                     公式(5)
因而
                
Figure 893784DEST_PATH_IMAGE021
                     公式(6)
这样，在得到
Figure 462169DEST_PATH_IMAGE015
以后，即可求出特定位置下线圈的电感
Figure 678386DEST_PATH_IMAGE022
。
2.  根据权利要求1所述的一种扬声器音圈电感非线性特性的数值仿真分析方法，其特征在于所述的扬声器音圈采用动圈式扬声器音圈。
3.  根据权利要求1所述的一种扬声器音圈电感非线性特性的数值仿真分析方法，其特征在于仿真过程采用有限元法，仿真过程不局限于某一款有限元软件。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104252559A (zh) * 2014-08-29 2014-12-31 浙江中科电声研发中心 一种扬声器多场耦合的数值仿真分析方法
CN105069252A (zh) * 2015-08-26 2015-11-18 浙江中科电声研发中心 轴对称扬声器仿真分析中有限大障板下声压级的近似计算方法
CN110427650A (zh) * 2019-07-02 2019-11-08 浙江中科电声研发中心 动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6768977B1 (en) * 1999-11-30 2004-07-27 Texas Instruments Incorporated Method and circuit for modeling a voice coil actuator of a mass data storage device
CN102004823A (zh) * 2010-11-11 2011-04-06 浙江中科电声研发中心 一种扬声器振动和声学特性的数值模拟方法
CN102368281A (zh) * 2011-11-14 2012-03-07 浙江中科电声研发中心 一种扬声器磁路系统的数值模拟方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6768977B1 (en) * 1999-11-30 2004-07-27 Texas Instruments Incorporated Method and circuit for modeling a voice coil actuator of a mass data storage device
CN102004823A (zh) * 2010-11-11 2011-04-06 浙江中科电声研发中心 一种扬声器振动和声学特性的数值模拟方法
CN102368281A (zh) * 2011-11-14 2012-03-07 浙江中科电声研发中心 一种扬声器磁路系统的数值模拟方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104252559A (zh) * 2014-08-29 2014-12-31 浙江中科电声研发中心 一种扬声器多场耦合的数值仿真分析方法
CN104252559B (zh) * 2014-08-29 2018-04-17 浙江中科电声研发中心 一种扬声器多场耦合的数值仿真分析方法
CN105069252A (zh) * 2015-08-26 2015-11-18 浙江中科电声研发中心 轴对称扬声器仿真分析中有限大障板下声压级的近似计算方法
CN105069252B (zh) * 2015-08-26 2018-10-23 浙江中科电声研发中心 轴对称扬声器仿真分析中有限大障板下声压级的计算方法
CN110427650A (zh) * 2019-07-02 2019-11-08 浙江中科电声研发中心 动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法
CN110427650B (zh) * 2019-07-02 2023-04-14 浙江中科电声研发中心 动铁式扬声器基本特性的数值仿真分析方法

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