CN105069252A

CN105069252A - 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

Info

Publication number: CN105069252A
Application number: CN201510529889.7A
Authority: CN
Inventors: 徐楚林; 温周斌; 陆晓; 岳磊; 计敏君
Original assignee: Jiashan Yiendi Electroacoustic Technology Service Co Ltd; ZHEJIANG ELECTRO-ACOUSTIC R&D CENTER CAS
Current assignee: Jiashan Yiendi Electroacoustic Technology Service Co Ltd; ZHEJIANG ELECTRO-ACOUSTIC R&D CENTER CAS
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2035-08-26
Also published as: CN105069252B

Abstract

本发明公开了一种在轴对称扬声器仿真分析中，对于该扬声器安装在有限大障板下的声压级的近似计算方法，属于数值仿真计算和扬声器设计领域。为了采用2D轴对称仿真计算方法计算安装在有限大障板上的扬声器的声压级，首先，将障板划分成许多近似扇形的小块，再将这些小块按半径长度标准近似归并为较少的几类，之后可以采用2D轴对称仿真分析方法计算这几类扇形障板对声场的影响，最终得到在整个障板影响下的声压级结果。本方法利用计算量很小的2D轴对称仿真方法计算得到安装在非轴对称障板下的扬声器的声压级，在极大地提升计算效率的同时，使仿真计算条件与实际测试条件相一致，显著减小了仿真计算结果与实测结果的差异。

Description

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

技术领域

本发明属于数值仿真计算和扬声器设计领域，特别中涉及在2D轴对称扬声器仿真分析中，对于该扬声器安装在有限大障板条件下，在该扬声器辐射声场中的指定点处的声压级的近似计算方法。

背景技术

随着扬声器应用场合的日益扩大和其重要性的不断提升，近年来扬声器仿真计算方法也在迅速发展。多数扬声器都是轴对称的（旋转体），在仿真中可以采用2D轴对称模型描述，但实际扬声器产品的测量一般却是安装在矩形的标准声障板上，而这样的矩形障板是无法用2D轴对称模型描述的。要通过仿真分析方法准确分析这种声场条件下的扬声器声压级，则只能采用3D模型分析，但其计算量远大于采用2D模型的计算量，且因内存占用量极大，只有采用昂贵的专业计算服务器才能够支持这样的计算。并且，即使是采用这样的服务器，计算时间仍需要十几甚至几十小时。如此昂贵的投入和漫长的计算时间，一般电声企业都是难以接受的。另一方面，若扬声器仿真计算选择采用无限大障板，所得到的仿真计算结果又不便与实际扬声器产品的测量结果做直接比较，也不符合电声工程师的习惯。因此，这一问题成为扬声器仿真分析方法广泛应用的重要障碍之一。

障板一方面在正面方向起到声反射作用，另一方面是在背面方向会影响声绕射距离。业界有一些研究分析了这两种因素，给出一些障板影响的近似结果，但是这些分析都将扬声器简化为点声源计算，也不考虑扬声器磁路等部件对声场的影响，因此，当所分析的频率较高、扬声器较大，或所设计的扬声器的磁路部分对声传播会产生显著影响的时候，这些近似结果存在较大的误差，不适合在较高精度要求的仿真分析工作中应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种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。针对2D轴对称扬声器安装于标准障板，或其它尺寸的矩形障板甚至其他形状的有限大障板，所述的该方法用于扬声器仿真分析中扬声器声压级的近似计算。它的主要原理是将一块大障板近似看成是由许多块扇形小障板拼接而成的，利用2D轴对称仿真分析方法可以得到各个扇形障板影响下的声压级，再组合得到在所需分析的障板条件下的声压级结果。

本发明所提及的有限大障板下声压级的近似计算方法，具体步骤是：

1)确定一个数值较大的N，N表示障板被切分的数量，N一般大于1000；

2)将障板绕扬声器安装中心等角度地切分成N个三角形，在障板四角处可能不呈三角形，但当N较大时将它们当做三角形也几乎没有影响；

3)由于N较大，将每个三角形近似为半径，圆心角的扇形，其中是第个三角形两条长边长度的平均值；

4)半径为、圆心角为的扇形障板，就是半径为的圆形障板的1/N；

5)确定一个大于2且远小于N的正整数M，M越大近似误差越小，但计算时间与M成正比；

6)将N个半径分成M组，使得用每组的半径均值近似代替同组内的所有成员的半径所产生的误差的平方和最小，采用基因算法求解此非线性全局优化问题；

7)经6）分组后，假设第组中包含个扇形，其半径均值为（）；在这M组扇形中，每一组所包含的扇形数量是不同的；

8)采用扬声器多场耦合的2D轴对称扬声器仿真计算方法，仿真分析计算扬声器安装在半径分别为的圆形障板上的该扬声器正前方指定点的声压有效值（）。所述仿真分析计算方法的具体步骤为：（1）建立扬声器仿真分析物理模型；（2）建立扬声器的2D半剖几何模型，并加入半径为的圆形障板模型，同时确保外围空气域完整包围该障板模型；（3）定义材料属性；（4）对几何模型进行网格划分；（5）定义边界条件和载荷方式；（6）模型求解及后处理；

9)利用公式：，得到该扬声器安装在该大障板上工作时形成的声场在指定点处的声压级；

10)N一般数值较大，比如N=1000，而M比N小很多，比如M=10；

上述障板是任意形状、尺寸和厚度。所述的扬声器包含任何轴对称扬声器。

本发明将N个半径数据分为M组，使得用每组的半径均值近似代替同组内的所有成员的半径所产生的误差的平方和最小，采用基因算法求解这一非线性全局优化问题。

所述的扬声器多场耦合的2D轴对称扬声器仿真计算方法包含任何能够仿真计算得出轴对称扬声器在指定点处声压的方法，具体为：（1）建立扬声器仿真分析物理模型；（2）建立包含圆形障板的扬声器的2D半剖几何模型；（3）定义材料属性；（4）对模型进行网格划分；（5）定义边界条件和载荷方式；（6）模型求解及后处理。

本发明所述方法的主要优势是：1、充分利用计算量很小的2D轴对称方阵方法，避免进行3D分析，极大地减小了计算量和内存需求；2、近似精度高；3、对扬声器的尺寸、结构和指向性等没有限制；4、对障板尺寸和形状没有限制。由于有这些特点，采用本方法可以快速准确地计算各种扬声器安装在各种障板上的声压级结果。

附图说明

图1为标准声障板尺寸图。

图2为标准障板切分成2048个扇形的半径分布图。

图3为半径分为10组的近似障板与标准障板对比图。

具体实施方式

下面以计算某款轴对称扬声器安装在标准障板上声压级的过程为例说明本发明的具体实施方式：

1）设定N=2048；

2）将障板绕扬声器安装中心等角度地切分成2048个三角形，并近似当做2048个扇形，每个扇形顶角360/2048度，扇形半径分布情况如图2所示；

3）设定M=10；

4）先将半径按长度排序，这样每一组成员都是相邻的。然后将前9组各自包含的成员数量作为未知量（最后一组包含剩余成员）。在每种分组情况下可以计算当前近似误差平方的均值，因此这是一个9元单值函数。将这个函数作为目标函数，就可以用约束的整数基因算法寻找最佳分组方式。分组后每一组内成员数量分别记为n₁,n₂,…n₁₀，计算每一组内半径长度的平均值，记为r₁,r₂,…,r₁₀，并用这些平均值近似代替同组内所有成员的半径长度。分为10组所对应的近似障板及其与标准障板的比对图如图3所示；

5）采用扬声器多场耦合的2D轴对称扬声器仿真计算方法，仿真分析计算扬声器安装在半径分别为的圆形障板上的该扬声器正前方指定点的声压有效值（）。具体步骤为：（1）建立扬声器仿真分析物理模型；（2）建立扬声器的2D半剖几何模型，并加入半径为的圆形障板模型，，同时确保外围空气域完整包围该障板模型；（3）定义材料属性，（4）对几何模型进行网格划分；（5）定义边界条件和载荷的方式；（6）模型求解及后处理；

6）得到10组仿真结果后，对每一组结果取扬声器正前方1米处声压值，共10组声压结果，分别记为（j=1,2,…10）。在每个频率点处标准障板下的声压级结果为：

。

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

1.一种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，其特征在于所述的该方法包含以下步骤：

1）确定一个数值较大的N，N表示障板被切分的数量；

2）将障板绕扬声器安装中心等角度地切分成N个三角形，在障板四角处可能不呈三角形，但当N较大时将它们当作三角形也几乎没有影响；

3）由于N较大，将每个三角形近似为半径，圆心角的扇形，其中是第个三角形两条长边长度的平均值；

4）半径为、圆心角为的扇形障板，就是半径为的圆形障板的1/N；

5）确定一个大于2且远小于N的正整数M；M越大近似误差越小，但计算时间与M成正比；

6）将N个半径分成M组，使得用每组的均值近似代替同组内的所有成员的半径所产生的误差的平方和最小；采用全局优化方法或聚类算法求解此非线性全局化问题；

7）经6）分组后，假设第组中包含个扇形，其半径均值为（）采用扬声器多场耦合的2D轴对称扬声器仿真计算方法，仿真分析计算扬声器安装在半径分别为的圆形障板上的该扬声器正前方指定点的声压有效值；

8）利用公式：，计算得到该扬声器安装在该障板上时指定点处的声压级。

2.权利要求1所述的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，其特征在于N一般数值较大，比如N=1000，而M比N小很多，比如M=10。

3.权利要求1所述的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，其特征在于障板是任意形状、尺寸和厚度。

4.权利要求1所述的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，其特征在于所述的扬声器包含任何轴对称扬声器。

5.权利要求1所述的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，其特征在于将N个半径数据分为M组，使得用每组的半径均值近似代替同组内的所有成员的半径所产生的误差的平方和最小，采用基因算法求解这一非线性全局优化问题。

6.权利要求1所述的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，其特征在于所述的扬声器多场耦合的2D轴对称扬声器仿真计算方法包含任何能够仿真计算得出轴对称扬声器在指定点处声压的方法，具体为：（1）建立扬声器仿真分析物理模型；（2）建立包含圆形障板的扬声器的2D半剖几何模型；（3）定义材料属性；（4）对模型进行网格划分；（5）定义边界条件和载荷方式；（6）模型求解及后处理。