CN108337621A - 扬声器振动部件材料粘弹性测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种扬声器振动部件材料粘弹性测量方法及系统。本发明所提出的测量系统包括一个测量装置和一个数据采集分析处理器，测量装置又包括测量支架、激振器、激光位移传感器、直线导轨、丝杆和组合式夹具等。激振器安装在测量支架的一端，丝杆安装在激振器上；在测量支架的另一端设有直线导轨，直线导轨上安装有激光位移传感器。在激振器和激光位移传感器之间安装有固定板、组合式圆环和被测部件。激光位移传感器、激振器均与数据采集分析处理器相连。该系统测量扬声器振动部件材料粘弹性的方法主要包括4个步骤：1)测量被测部件的受力和位移；2)通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数；3)从高温到低温、在不同温度下测量动态力学参数，即重复前面步骤1和2；4)利用温频等效原理计算较宽频率范围内的材料粘弹性参数。
Description
技术领域
本发明属于电声技术应用领域。涉及一种扬声器振动部件材料粘弹性测量方法及系统。采用本系统可测量扬声器振动部件(包括折环和定心支片等)材料的粘弹性参数，可广泛应用于扬声器的设计、研发和制造。
背景技术
扬声器振动部件材料粘弹性测量的意义：
扬声器振动部件材料的粘弹性与扬声器的特性和性能密切相关，它的动态力学特性相较于静态力学特性可以更好地反映扬声器工作时振动部件材料内部的特性，而杨氏模量和损耗因子是表征上述振动部件材料动态性能的重要参数。准确测量扬声器振动部件材料粘弹性对深入研究和掌握其材料特性，进而设计和制作高档次、高品质扬声器具有非常重要的意义和作用。
现有的技术和方法：
粘弹性材料动态力学性能的测量方法主要分为两类：一类是通过测量被测样品振动响应来计算其动态力学参数，通常有强迫共振法、强迫非共振法、自由衰减法和波速法；另一类是通过建立被测材料声学参数和动态力学参数之间的理论模型，通过对其声学参数的准确测量，最终反演得到被测材料的动态力学参数。
关于测试材料动态力学性能，ISO国际标准化组织制定了ISO6721-1994的测试标准，国内也已制定了 GJB981-1990《粘弹阻尼材料强迫非共振型动态测试方法》、GB/T16406-1996《声学声学材料阻尼性能测试方法》和GB/T18258-2000《阻尼材料阻尼性能测试方法》等。
目前已有可以测量材料粘弹性参数的测量系统，但它对被测样条要求非常严苛，即要求被测样条必须是平整的、具有一定规则几何形状的样条，而扬声器振动部件一般具有圆弧、弯曲形状的几何形状，难以从其上面裁剪获得符合测量要求的被测样条。因此，现有的粘弹性测量系统难以准确地测量扬声器振动部件材料的粘弹性参数。
为了解决上述技术问题，本发明提出扬声器振动部件材料粘弹性测量方法及系统，采用该方法及系统不需要从被测部件上裁剪测试样条，而是直接测量扬声器振动部件，从而更加方便、更为准确地获得扬声器振动部件材料的粘弹性参数。
发明内容
本发明专利提出了一种新的扬声器振动部件材料粘弹性测量方法及系统，它能够直接地测量扬声器振动部件，从而准确地获得扬声器振动部件材料的粘弹性参数。
本发明解决技术问题所采用的技术方案为：
提出的一种扬声器振动部件材料粘弹性测量系统，包括数据采集分析处理器和测量装置。
所述的测量装置包括测量支架、激振器、激光位移传感器、直线导轨、丝杆、固定板、组合式圆环和金属圆片等。激振器安装在测量支架的一端，丝杆安装在激振器上；在测量支架的另一端设有直线导轨，直线导轨上安装有激光位移传感器。在激振器和激光位移传感器之间安装有固定板、组合式圆环和被测部件。被测部件的外边由组合式圆环夹持住，组合式圆环由固定板固定在测量支架上；被测部件的内边粘接在一个中心位置开有圆孔的金属圆片上，丝杆垂直穿过金属圆片中心的圆孔，金属圆片由一组紧固螺母安装在丝杆上。
所述的测量支架包括一个立方体框架结构、一根用于安装直线导轨的竖梁、一组用于放置和固定激振器的横梁，以及一组用于安装固定板的竖梁；安装直线导轨的竖梁位于测量支架的前面，放置和安装激振器的横梁位于测量支架的后面，而安装固定板的竖梁则位于测量支架的中后部。
所述的激振器安装在测量支架的一组横梁上，并由橡胶带固定；所述的橡胶带既可很好地固定住激振器，又可在一定程度上起到减振和保护激振器的作用。
所述的被测部件的外边由组合式圆环夹持住，组合式圆环安装在固定板上；被测部件的内边粘接在一个中心位置开有圆孔的金属圆片上，丝杆垂直穿过金属圆片中心的圆孔，金属圆片由一组紧固螺母安装在丝杆上。
所述的丝杆安装在激振器上，丝杆上安装有被测部件，激振器输出的力通过安装在激振器上的丝杆作用于被测部件。
所述的直线导轨安装在测量支架的一根竖梁上，直线导轨可沿着竖梁上下移动。而竖梁的水平位置也可调整，这样，可使得安装在直线导轨上的激光位移传感器发出的激光光束准确地对准安装在激振器上的丝杆的中心位置。还可以调节直线导轨旋钮，使得激光位移传感器沿直线导轨前后移动，以满足不同距离的对焦要求。
所述的组合式夹具是由多个不同直径的内圆环和外圆环组成，用于固定不同直径的被测扬声器部件的外边，采用规格合适的组合式圆环可以有效地夹持住被测扬声器部件的外边。
所述的数据采集分析处理器与激振器和激光位移传感器相连。数据采集分析处理器控制激振器工作，使其在激励信号激振下输出的力推动丝杆作前后运动，并使得安装在丝杆上的被测部件产生振动；与此同时，数据采集分析处理器采集激光位移传感器测得的被测部件振动的位移信号，测量流经激振器的电流，并计算得到被测部件上被测点的受力；通过被测部件上被测点的受力和位移反推材料粘弹性参数；数据采集分析处理器还负责温频等效计算，得到扬声器振动部件材料在较宽频率范围内的粘弹性参数。
基于所述的扬声器振动部件材料粘弹性测量系统的扬声器振动部件材料粘弹性测量方法，主要包括4 个步骤：
1.测量被测部件的受力和位移；
2.通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数；
3.从高温到低温(或从低温到高温)、在不同温度下测量动态力学参数，即重复步骤1和2；
4.利用温频等效原理计算较宽频率范围内的粘弹性参数。
所述的测量被测部件上被测点的受力和位移的方法：首先，在丝杆上不安装被测部件，用单频信号激励激振器工作；激光位移传感器测量得到被测部件上被测点的位移信号x0，并同时测量流经激振器的电流 I0；然后，在丝杆上安装被测部件，用n组幅度线性阶梯连续变化的单频信号激励激振器工作，单频信号的频率范围、频率间隔和频率点数与前面不安装被测部件的情况完全一致。激光位移传感器测量被测部件上被测点的位移信号xn，并同时测量与上述激励信号对应的流经激振器的电流in。
在丝杆安装被测部件状态下，将流经激振器的电流I表示成关于被测部件被测点表面位移X的m阶多项式，即
I＝K0+K1*X+K2*X2+...+Km-1*Xm-1+Km*Xm
其中K0、K1、K2…Km-1和Km是拟合函数的系数。这样，就可计算得到对应上述位移x0时的流经激振器的电流I1。
当流经激振器的电流为I，激振器输出的力F＝Bl*I，其中系数B是激振器内部平均磁感应强度，系数 l为激振器线圈的有效长度，对于激振器来说，B和l均为常数，可以从激振器的技术规格书中查到。
这样，在被测部件的被测点上的受力F可由以下公式计算：
F＝(I1-I0)*Bl
所述的拟合流经激振器的电流I与被测部件被测点表面位移信号X的函数关系的方法：首先输入两组流经激振器的电流I与被测部件被测点表面位移信号X的测量数据，然后设定目标函数
和收敛极限L1，式中I′(xi)表示拟合多项式函数I′在xi点的拟合值，I(xi)表示为I在xi点的测量值；多项式拟合阶数m从1开始不断递增，并对目标函数进行迭代寻优；直到目标函数Δ1小于收敛极限L1为止，则此时的多项式拟合阶数m为拟合函数的最佳拟合阶数，并确定拟合函数的系数。
所述的x0、I0、xn、in、I、X和F，均为单频正弦信号，以丝杆上不加被测部件时测量得到被测部件被测点表面振动的位移信号x0为例进行说明，x0可表示为
式中A0为位移信号x0的幅度，f为位移信号x0的频率，为位移信号x0的相位。
所述的通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数(杨氏模量和损耗因子)的方法是：首先提取测量得到的扬声器振动部件上某点的受力和位移；通过仿真分析方法得到该振动部件上和被测点相同位置处的受力和位移；比对仿真结果和测量结果，并进行容差判断，当仿真分析结果和测量结果的小于设定的容差，则此时的杨氏模量和损耗因子即为被测部件材料的动态力学参数，否则更新仿真分析中被测部件材料参数(杨氏模量、损耗因子)的设定值，直到仿真分析结果和测量结果的小于设定的容差，输出此时的杨氏模量和损耗因子。
所述的通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数，该方法至少包含以下步骤：
(1)提取测量得到的扬声器振动部件上某点P的受力和位移；
(2)通过数值仿真分析方法得到该振动部件上对应P点处的受力和位移：
1)建立几何模型；
有两种方式建立振动部件的几何模型：a)通过振动部件的设计图纸，得到其几何模型；b)使用3D 几何轮廓扫描仪或坐标仪设备，测量振动部件的几何模型，并在测量软件中转化为STL格式的CAD文件；
若希望获得更高的几何精度，采用方式b)所述的方法测量振动部件的几何模型；
2)建立仿真分析模型；
a)导入几何模型：在数值计算软件中导入振动部件的几何模型；
b)设置物理场环境：选择固体力学物理场接口；
c)定义边界条件：固定边界条件，参考测量过程中的固定方式，在振动部件几何模型的相应部位定义固定边界条件；载荷边界条件，参考测量过程中的加载方式，在振动部件几何模型的相应部位定义载荷边界条件；
d)划分网格：将振动部件的几何模型划分成若干网格单元；若是2D模型，选择面单元，若是3D模型，则选择体单元；
e)定义材料参数：定义振动部件材料的杨氏模量、损耗因子、泊松比和密度；
3)频域求解；
在数值计算软件中，选择频域求解器，仿真得到振动部件上对应P点处的位移X。当振动系统工作在所关注的低频段时，可以建立系统的运动微分方程：
其中，Mm为系统的有效振动质量，可以测量得到；Rm为系统的阻力系数，与动态力学参数中的损耗因子η成正比；Km为系统的刚度，与动态力学参数中的杨氏模量E成正比；F为测量得到的振动部件上 P点处的受力幅值；ω为载荷角频率；
当系统进入稳定振动阶段后，可通过上述微分方程求解出位移X的表达式：
其中
(3)比对仿真结果和测量结果；
设测量得到的振动部件上P点的位移为Y，且仿真结果和测量结果中位移幅值的差值为δ，位移相位的差值为ε：
其中，abs表示取复数的模值，arg表示取复数的幅角；
(4)容差判断；
当δ和ε小于设定的容差时，则此时的杨氏模量E和损耗因子η即为频率freq＝2π/ω下的动态力学参数；
当δ和ε大于设定的容差时，需要更新上述步骤：(2)>2)>e)中的杨氏模量和损耗因子，并重复上述步骤：(2)>3)，直到δ和ε小于设定的设定的容差，则更新到最后的杨氏模量E和损耗因子η即为频率freq＝2π/ω下的动态力学参数；
有两种方法更新上述步骤：(2)>2)>e)中的杨氏模量和损耗因子：a)穷举法，在软件中不断手动调整被测部件的杨氏模量和损耗因子；b)优化算法，直接采用BOBYQA等优化算法自动调整被测部件的杨氏模量和损耗因子。
所述的从高温到低温(或从低温到高温)、在不同温度下测量被测部件的动态力学的方法，是将测量装置放置于高低温试验箱中，从高温到低温(或从低温到高温)设定不同的温度值。设定高低温试验箱箱内温度后，需等待箱内温度稳定于设定温度一段时间后方可开始测量。
所述的利用温频等效原理计算得到被测部件材料较宽频率范围内粘弹性参数的方法，是将从高温到低温(或从低温到高温)多个不同温度条件下测得的较小频率范围内的动态力学参数的频率响应曲线进行拼接，从而得到从低频到高频、较宽频率范围内、较为完整的被测部件材料的粘弹性参数(频响曲线)。
所述的温频等效原理，对于大多数的高分子聚合物而言，同一个力学松弛现象可以在较高的温度下于较短的时间内观察到，也可以在较低的温度下于较长的时间内观察到，即温度和频率之间存在着一定的等效关系：温度不变而频率增加的时候，材料的动态力学性能的变化与频率不变而温度降低时具有相同的效果；也即在一定的温度范围内低温的影响与高频的影响等效，高温的影响与低频的影响等效。如果仪器设备无法测量较高频的材料粘弹性参数时，但可以在较低温下测量时，则可利用温频等效原理估算该材料在较高频率范围的粘弹性参数。
对于密度为ρ的被测材料，在指定频率f和试验温度T下测量得到的杨氏模量M′(f，T)和损耗模量M″ (f，T)可以转换为参考温度T0、折算频率fr和相关密度ρ0下被测材料的杨氏模量M′(fr，T0)和损耗模量M″(fr，T0)，可计算得到在参考温度T0、折算频率fr的损耗因子δ(fr，T0)。
其中fr为折环频率。
fr＝f*aT
其中aT称为转换因子，也称为平移因子、位移因子等，它能将某个测量温度下测得的一组频率数据转换为不同温度下对应的另一组数据。aT可用WLF(Williams-Landel-Ferry)方程式表示：
式中：C1和C2为常数，与参考温度T0、高分子聚合物的种类有关，它们的乘积约为900，T为试验温度，Tr为参考温度。
简单归纳总结，本发明所述的扬声器振动部件材料粘弹性测量过程为：首先，在高温条件下，测得被测部件的受力和位移，并通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数；然后，逐步降低测量温度，在不同温度条件下，测得被测部件的受力和位移，并通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数；最后，利用温频等效原理，将从高温到低温、多个不同温度条件下测得的较小频率范围的被测部件材料动态力学参数，转换和拼接形成从低频到高频、较宽频率范围内的被测部件材料粘弹性参数(频率响应曲线)。本发明的优点：本发明专利提出了一种新的扬声器振动部件材料粘弹性测量方法及系统，它能够直接地测量扬声器振动部件，从而准确地获得扬声器振动部件材料的粘弹性参数，可满足扬声器设计和制作工程师准确测量扬声器振动部件材料粘弹性的需求。
附图说明
图1测量系统方框图。
图2测量装置剖视图。
图3测量装置主二视图。
图4测量装置后二视图。
图5测量装置俯视图。
图6被测部件及夹具剖视图。
图7被测部件及夹具拆分结构图。
图8拟合流经激振器的电流I与折环被测点的位移X流程图。
图9通过被测部件上被测点的受力和位移反推材料粘弹性参数流程图。
图10被测振动部件的2D轴对称几何模型。
图11仿真分析模型中的固定约束边界。
图12仿真分析模型中的载荷边界。
图13仿真分析模型中的网格划分结果。
图14仿真分析模型中的用于杨氏模量反推的优化求解器设置界面。
图15仿真分析模型中的杨氏模量优化收敛表格。
图16为仿真分析模型中的用于损耗因子反推的优化求解器设置界面。
图17仿真分析模型中的损耗因子优化收敛表格。
图18 15℃、0℃和-15℃下被测折环杨氏模量的频响曲线。
图19经温频等效后被测折环的杨氏模量的频响曲线1。
图20被测折环载20℃～-20℃各测量温度下杨氏模量的频响曲线。
图21经温频等效后被测折环的杨氏模量的频响曲线2。
表1流经激振器的电流I与折环被测点的位移X测量表格。
表2各阶数的多项式拟合后目标函数计算表格。
表3 9阶多项式拟合函数的系数表格。
表4被测折环在15℃、0℃和-15℃下杨氏模量的测量表格。
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。
如图1及图2、图3和图4所示，本发明提出的扬声器振动部件材料粘弹性测量系统包括测量装置和数据采集分析处理器。测量装置包括测量支架(1)、激振器(2)、激光位移传感器(3)、直线导轨(4)、丝杆(5)、固定板(6)、组合式圆环(7)和金属圆片(8)等。激振器(2)安装在测量支架(1)的一端，金属圆片(8)安装在丝杆(5)上，丝杆(5)安装在激振器(2)上；在测量支架(1)的另一端设有直线导轨(4)，直线导轨(4)上安装有激光位移传感器(3)。在激振器(2)和激光位移传感器(3) 之间安装有固定板(6)和组合式圆环(7)。
激振器(2)、激光位移传感器(3)均与数据采集分析处理器(10)相连。
所述扬声器振动部件材料粘弹性测量系统是用来测量扬声器振动部件(被测部件(9))的材料的粘弹性特性的。被测部件(9)的外边由组合式圆环(7)夹持住，组合式圆环(7)由固定板(6)固定在测量支架(1)上；被测部件(9)的内边粘接在金属圆片(8)上，丝杆(5)穿过金属圆片(8)中心的圆孔，并与金属圆片(8)固定在一起。
所述的测量支架(1)包括一个立方体框架结构、一根用于安装直线导轨(4)的竖梁(11)、一组于放置和固定激振器(2)的横梁(12)，以及一组用于安装固定板(6)的竖梁(14)；安装直线导轨的竖梁位于测量支架的前面，放置和安装激振器的横梁位于测量支架的后面，而安装固定板的竖梁则位于测量支架的中后部。
所述的直线导轨(4)安装在测量支架(1)的一根竖梁(11)上，直线导轨(4)可沿着竖梁(11) 上下移动。而竖梁(11)的水平位置也可调整，这样，可使得安装在直线导轨(4)上的激光位移传感器 (3)发出的激光光束准确地对准安装在激振器(2)上的丝杆(5)的中心位置。还可以调节直线导轨旋钮(15)，使得激光位移传感器(3)沿直线导轨(4)前后移动，以满足不同距离的对焦要求。
如图5、图6和图7所示，所述的被测部件(9)的内边粘接在一个中心位置开有圆孔的金属圆片(8) 上，丝杆(5)垂直穿过金属圆片(8)中心的圆孔，金属圆片(8)由一组紧固螺母(16)安装在丝杆(5) 上。被测部件(9)的外边则由组合式圆环(7)夹持在固定板上。
所述组合式圆环(7)由多个不同直径的内圆环(17)和外圆环(18)组成，用于固定不同直径的被测扬声器部件的外边，采用规格合适的组合式圆环(7)可以有效地夹持住被测扬声器部件的外边。
所述的内圆环(17)和外圆环(18)通过固定板(6)安装在测量支架(1)上，调节测量支架(1) 两侧的固定板调节旋钮(19)，可调节固定板(6)左右移动的位置。利用圆环固定件(20)可固定住组合式圆环(7)的外圆环(18)。
所述的激振器(2)安装在测量支架(1)上，并由橡胶带(21)固定；所述的橡胶带(21)既可很好地固定住激振器(2)，又可在一定程度上起到减振和保护激振器(2)的作用。
基于所述的扬声器振动部件材料粘弹性测量系统的扬声器振动部件材料粘弹性测量方法包括4个主要步骤：
1.测量被测部件的受力和位移；
2.通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数；
3.从高温到低温(或从低温到高温)、在不同温度下测量动态力学参数，即重复步骤1和2；
4.利用温频等效原理计算较宽频率范围内的粘弹性参数。
所述的测量被测部件上被测点的受力和位移的方法是：首先，在丝杆上不安装被测部件，用单频信号激励激振器工作；激光位移传感器测量得到被测部件被测点表面位移信号x0，并同时测量流经激振器的电流I0；然后，在丝杆上安装被测部件，用n组幅度线性阶梯连续变化的单频信号激励激振器工作，单频信号的频率范围、频率间隔和频率点数与前面不安装被测部件的情况完全一致。激光位移传感器测量被测部件被测点表面振动的位移信号xn，并同时测量与上述激励信号对应的流经激振器的电流in。
在丝杆安装被测部件状态下，将流经激振器的电流I表示成关于被测部件被测点表面位移X的m阶多项式，即
I＝K0+K1*X+K2*X2+...+Km-1*Xm-1+Km*Xm
其中K0、K1、K2…Km-1和Km是拟合函数的系数。这样，就可计算得到对应上述位移x0时的流经激振器的电流I1。
当流经激振器的电流为I，激振器输出的力F＝Bl*I，其中系数B是激振器内部平均磁感应强度，系数 l为激振器线圈的有效长度，对于激振器来说，B和l均为常数，可以从激振器的技术规格书中查到。
这样，在被测部件的被测点上的受力F可由以下公式计算：
F＝(I1-I0)*Bl
所述的拟合流经激振器的电流I与被测部件被测点表面位移信号X的函数关系的方法，其工作流程图如图8所示，输入两组流经激振器的电流I与被测部件被测点表面位移信号X的测量数据，设定目标函数
和收敛极限L1，式中I′(xi)表示拟合多项式函数I′在xi点的拟合值，I(xi)表示为I在xi点的测量值，多项式拟合阶数m从1开始不断递增，对目标函数进行迭代寻优，直到目标函数Δ1小于收敛极限L1为止，则此时的多项式拟合阶数m为拟合函数的最佳拟合阶数，并确定拟合函数的系数。
现以一款6.5英寸扬声器的折环为例，对拟合流经激振器的电流I与被测部件被测点表面位移X的函数关系的方法拟合进行说明，所述方法主要有如下几个步骤：
1.输入拟合数据
输入流经激振器的电流I与折环上被测点的位移X，如表1所示；
2.设定目标函数判决式
设定目标函数Δ1为
式中I′(xi)表示拟合多项式函数I′在xi点的拟合值，I(ai)表示为I在xi点的测量值，设定收敛极限L1为 1*10-6，并设定多项式拟合的初始阶数m为1；
3.进行多项式拟合
4.做出判决
当目标函数Δ1大于收敛极限L1，则多项式拟合的阶数m增加1，并重复步骤3和步骤4；当目标函数Δ1小于收敛极限L1，则输出此时多项式拟合函数的阶数m和多项式拟合函数的系数。
本案例中进行各阶数的多项式拟合的结果如表2所示，当拟合阶数为9时，目标函数Δ1为1.6262*10-15，小于收敛极限L1(L1为1*10-6)，则此时的多项式拟合阶数即为拟合函数的最佳拟合阶数，该9阶多项式拟合函数的系数如表3所示。
所述的x0、I0、xn、in、I、X和F，均为单频正弦信号，以丝杆上不加被测部件时测量得到被测部件被测点表面振动的位移信号x0为例进行说明，x0可表示为
式中A0为位移信号x0的幅度，f为位移信号x0的频率，为位移信号x0的相位。
所述的通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数(杨氏模量和损耗因子)的方法是：首先提取测量得到的扬声器振动部件上某点的受力和位移；通过仿真分析方法得到该振动部件上和被测点相同位置处的受力和位移；比对仿真结果和测量结果，并进行容差判断，当仿真分析结果和测量结果的小于设定的容差，则此时的杨氏模量和损耗因子即为被测部件材料的动态力学参数，否则更新仿真分析中被测部件材料参数(杨氏模量、损耗因子)的设定值，直到仿真分析结果和测量结果的小于设定的容差，输出此时的杨氏模量和损耗因子。
所述的通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法，其流程图如图9所示，具体步骤为：
(1)提取测量得到的扬声器振动部件上某点P的受力和位移；
(2)通过数值仿真分析方法得到该振动部件上对应P点处的受力和位移：
1)建立几何模型；
有两种方式建立振动部件的几何模型：a)通过振动部件的设计图纸，得到其几何模型；b)使用3D 几何轮廓扫描仪或坐标仪设备，测量振动部件的几何模型，并在测量软件中转化为STL格式的CAD文件；
若希望获得更高的几何精度，采用方式b)所述的方法测量振动部件的几何模型；
2)建立仿真分析模型；
a)导入几何模型：在数值计算软件中导入振动部件的几何模型；
b)设置物理场环境：选择固体力学物理场接口；
c)定义边界条件：固定边界条件，参考测量过程中的固定方式，在振动部件几何模型的相应部位定义固定边界条件；载荷边界条件，参考测量过程中的加载方式，在振动部件几何模型的相应部位定义载荷边界条件；
d)划分网格：将振动部件的几何模型划分成若干网格单元；若是2D模型，选择面单元，若是3D模型，则选择体单元；
e)定义材料参数：定义振动部件材料的杨氏模量、损耗因子、泊松比和密度；
3)频域求解；
在数值计算软件中，选择频域求解器，仿真得到振动部件上对应P点处的位移X。当振动系统工作在所关注的低频段时，可以建立系统的运动微分方程：
其中，Mm为系统的有效振动质量，可以测量得到；Rm为系统的阻力系数，与动态力学参数中的损耗因子η成正比；Km为系统的刚度，与动态力学参数中的杨氏模量E成正比；F为测量得到的振动部件上 P点处的受力幅值；ω为载荷角频率；
当系统进入稳定振动阶段后，可通过上述微分方程求解出位移X的表达式：
其中
(3)比对仿真结果和测量结果；
设测量得到的振动部件上P点的位移为Y，且仿真结果和测量结果中位移幅值的差值为δ，位移相位的差值为ε：
其中，abs表示取复数的模值，arg表示取复数的幅角；
(4)容差判断；
当δ和ε小于设定的容差时，则此时的杨氏模量E和损耗因子η即为频率freq＝2π/ω下的动态力学参数；
当δ和ε大于设定的容差时，需要更新上述步骤：(2)>2)>e)中的杨氏模量和损耗因子，并重复上述步骤：(2)>3)，直到δ和ε小于设定的设定的容差，则更新到最后的杨氏模量E和损耗因子η即为频率freq＝2π/ω下的动态力学参数；
有两种方法更新上述步骤：(2)>2)>e)中的杨氏模量和损耗因子：a)穷举法，在软件中不断手动调整被测部件的杨氏模量和损耗因子；b)优化算法，直接采用BOBYQA等优化算法自动调整被测部件的杨氏模量和损耗因子。
所述的数值仿真分析可借助于数值计算软件(包括一切基于有限元或边界元理论的软件，包括 COMSOL Multiphysics、ANSYS和ABAQUS等)进行计算。
本发明所述的容差即允许误差，在本发明中是指仿真结果与测量结果的位移幅值差值(或相位差值) 的允许误差。本发明中仿真结果与测量结果的位移幅值差值的容差的取值范围约为10-18～10-22；本发明中仿真结果与测量结果的位移相位差值(弧度制)的容差的取值范围为10-8～10-12。
现以一款6.5英寸扬声器的折环为例，使用COMSOLMultiphysics仿真反推折环的材料动态力学参数，从而对本发明的方法进行说明，所述方法主要有如下几个步骤：
1.通过折环的设计图纸，画出被测振动部件的2D轴对称几何模型，被测振动部件中还包括一个外径为 100mm、内径为10mm，厚度为1mm的铝片，该铝片可假设为线弹性材料，用于支撑折环；
2.因为被测振动部件为轴对称结构，所以为了减少计算量，在COMSOLMultiphysics中首先选择2D轴对称分析环境，然后选择固体力学物理场接口，最后选择频域分析模式；
3.在COMSOL Multiphysics的“几何”中导入被测振动部件的2D轴对称几何模型，如图10所示；
4.建立仿真分析模型，具体步骤如下；
(1)定义材料参数：设置折环的密度为418kg/m3、泊松比为0.33、杨氏模量为5MPa、损耗因子为0.1；设置铝片的密度为2571kg/m3、泊松比为0.33、杨氏模量为70GPa、损耗因子为0；
(2)定义边界条件：因为在测量折环上某点处的受力和位移时，其外边缘是被夹具固定住的，所以在几何模型外边缘的对应位置处定义固定约束，如图11中的蓝色线条所示；由于载荷是施加在铝片内边缘上的，所以在几何模型内边缘的对应位置处定义边界载荷，如图12中的蓝色线条所示；
(3)网格划分：设置网格类型为自由三角形网格，单元尺寸设为Extra fine，点击Build all，结果见图13；
5.在“频域”求解器中输入激振器的激振频率为10Hz，然后左击Study 1中的“计算”按钮，开始进行频域分析；
6.计算结束后，在仿真分析模型中添加“频域”研究，同上输入10Hz，然后右击Study 2，选择“优化”，并按照图14设置“优化求解器”；
7.左击Study2中的“计算”按钮，开始进行参数优化求解，在软件界面右下角查看目标函数的收敛情况，计算结束后的收敛表格如图15所示；
8.将折环的杨氏模量更新为该表格中的杨氏模量6.1841[MPa]；
9.按照图16修改“优化求解器”，并左击Study 2中的“计算”按钮，开始进行参数优化求解，计算结束后的收敛表格如图17所示；
10.将折环的损耗因子更新为该表格中的损耗因子0.13779；
11.则认为杨氏模量6.1841[MPa]和损耗因子0.13779为10Hz下折环的动态力学参数。
所述的从高温到低温、在不同温度下测量被测部件的粘弹性参数的方法，是将测量装置放置于高低温试验箱中，从高温到低温设定不同的温度值，如高温为20℃，低温为-20℃，温度间隔为5℃，共九个温度点。设定高低温试验箱箱内温度后，需等待箱内温度稳定于设定温度一段时间后方可开始测量。
所述的利用温频等效原理计算得到被测部件材料较宽频率范围内粘弹性参数的方法，是将从高温到低温多个不同温度条件下测得的较小频率范围内的动态力学参数的频率响应曲线进行等效计算，得到同一参考温度下的动态力学参数的频响曲线，再将它们拼接起来，从而得到从低频到高频、较宽频率范围内、较为完整的被测部件材料粘弹性参数(频响曲线)。
所述的温频等效原理，对于大多数的高分子聚合物而言，同一个力学松弛现象可以在较高的温度下于较短的时间内观察到，也可以在较低的温度下于较长的时间内观察到，即温度和频率之间存在着一定的等效关系：温度不变而频率增加的时候，材料的动态力学性能的变化与频率不变而降低温度时具有相同的效果；也即在一定的温度范围内低温的影响与高频的影响等效，高温的影响与低频的影响等效。如果仪器无法实现对于被测部件材料粘弹性参数的高频测量，却可以对其在低温下进行测量，利用温频等效原理可以估算被测材料在可测量频率范围以外的粘弹性参数。
对于密度为ρ的被测材料，在指定频率f和试验温度T下测量得到的杨氏模量M′(f，T)和损耗模量M″ (f，T)可以转换为参考温度T0、折算频率fr和相关密度ρ0下被测材料的杨氏模量M′(fr，T0)和损耗模量M″(fr，T0)，可计算得到在参考温度T0、折算频率fr的损耗因子δ(fr，T0)。
其中fr为折环频率。
fr＝f*aT
其中aT称为转换因子，也称为平移因子、位移因子等，它能将某个测量温度下测得的一组频率数据转换为不同温度下对应的另一组数据。aT可用WLF(Williams-Landel-Ferry)方程式表示：
式中：C1和C2为常数，与参考温度T0、高分子聚合物的种类有关，它们的乘积约为900，T为试验温度，Tr为参考温度。
现以一款6.5英寸扬声器的折环为例，在15℃、0℃和-15℃三个温度测量折环材料10Hz至17Hz频率范围内的杨氏模量，并通过温频等效得到低频段、中频段和高频段的杨氏模量，对利用温频等效原理计算得到被测部件材料较宽频率范围内粘弹性参数的方法进行说明，具体步骤如下：
1.输入测量温度T、测量频率f和杨氏模量E，各参数如表4所示，被测部件杨氏模量E在各温度点随频率变化曲线如图18所示；
2.设定WLF方程中C1为7.15、C2为125.8、Tr为25℃，计算测量温度T分别为15℃、0℃和-15℃的log aT，从而计算折算频率fr；
3.由计算被测部件材料在参考温度T0、折算频率fr下的杨氏模量E。由于被测部件温度变化范围不大，故假设被测部件材料密度不变，即测量温度T和参考温度Tr的被测部件密度ρ＝ρ0；
4.最终得到折环材料的杨氏模量随折算频率fr变化的频响曲线1，如图19所示。
通过温频等效得到低频段、中频段和高频段的损耗因子方法同理，由δ(fr，T0)＝δ(f，T)计算被测部件材料在参考温度T0、折算频率fr下的损耗因子，可得到被测部件材料的损耗因子随折算频率fr变化的曲线。
现以一款6.5英寸扬声器的折环为例，对基于所述的扬声器振动部件材料粘弹性测量系统的扬声器振动部件材料粘弹性测量方法进行说明：
1.测量折环上被测点的受力和位移：
首先，在丝杆上不安装折环，用单频信号激励激振器工作，单频信号的频率范围为10Hz～17Hz，频率间隔为1Hz，工8个频率点，激光位移传感器测量得到折环上被测点的位移信号x0，便得到在各激励信号频率下被测部件上被测点的位移X，并同时测量流经激振器的电流I0；然后，在丝杆上安装折环，用50组幅度线性阶梯连续变化的单频信号激励激振器工作，单频信号的频率范围、频率间隔和频率点数与前面不安装折环的情况完全一致。激光位移传感器测量被测部件上被测点的位移信号xn，并同时测量与上述激励信号对应的流经激振器的电流in；通过多项式拟合方式计算得到对应上述位移x0时的流经激振器的电流I1，并通过公式F＝(I1-I0)*Bl计算得到在各激励信号频率下被测部件上被测点的受力F。
2.通过被测部件上被测点的受力和位移反推其材料动态力学参数(杨氏模量和损耗因子)：
首先提取测量得到的扬声器振动部件上某点的受力和位移；通过仿真分析方法得到该振动部件上和被测点相同位置处的受力和位移；比对仿真结果和测量结果，并进行容差判断，当仿真分析结果和测量结果的小于设定的容差，则此时的杨氏模量和损耗因子即为被测部件材料的动态力学参数，否则更新仿真分析中被测部件材料参数(杨氏模量、损耗因子)的设定值，直到仿真分析结果和测量结果的小于设定的容差，输出此时的杨氏模量和损耗因子。
3.在20℃、15℃…0℃…-10℃和-20℃10个温度下测量折环10Hz～17Hz频率范围内的动态力学参数，即重复步骤1和2；
4.利用温频等效原理计算得到折环从10Hz到160kHz宽频带范围的粘弹性参数：
将在20℃、15℃…0℃…-10℃和-20℃10个温度下测得的10Hz～17Hz频率范围内折环的动态力学参数分别进行温频等效，得到同一参考温度下的动态力学参数的频响曲线，再将它们绘制在一张图纸上，即拼接得到从低频到高频、较宽频率范围内、较为完整的折环材料粘弹性频响曲线。
以折环的杨氏模量为例进行说明，在20℃、15℃…0℃…-10℃和-20℃等九个不同温度点下测得的 10Hz～17Hz频率范围内折环的杨氏模量频响曲线如图20所示。利用温频等效原理，将上述九个不同温度点下测量得到的折环的杨氏模量频响曲线等效到同一参考温度下的杨氏模量频响曲线，从而得到从10Hz 到160kHz较为完整的折环材料的杨氏模量的频响曲线2,如图21所示。
最后，应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而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实施例对本发明做了详细的说明，但是，本领域的技术人员应当理解，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当中。
表1
| m | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Δ1 | 0.0051 | 0.0036 | 0.0031 | 0.0030 | 0.0029 | 0.0029 | 0.0029 | 0.0027 | 1.6262e-15 |
表2
表3
表4
Claims (10)
1.一种扬声器振动部件材料粘弹性测量系统，其特征在于该系统包括数据采集分析处理器和测量装置，所述的测量装置又包括测量支架、激振器、激光位移传感器、直线导轨、丝杆、固定板、组合式圆环和金属圆片；所述的激振器安装在测量支架的一端，丝杆安装在激振器上；在测量支架的另一端设有直线导轨，直线导轨上安装有激光位移传感器；所述的激振器和激光位移传感器之间安装有固定板、组合式圆环和被测部件；被测部件的外边由组合式圆环夹持住，组合式圆环由固定板固定在测量支架上；被测部件的内边粘接在一个中心位置开有圆孔的金属圆片上，丝杆垂直穿过金属圆片中心的圆孔，金属圆片由一组紧固螺母安装在丝杆上。
所述的数据采集分析处理器与激振器和激光位移传感器相连，所述的数据采集分析处理器控制激振器工作，使其在激励信号激振下输出的力推动丝杆作前后运动，并使得安装在丝杆上的被测部件产生振动；与此同时，数据采集分析处理器采集激光位移传感器测得的被测部件振动的位移信号，测量流经激振器的电流，并计算得到被测部件上被测点的受力；通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数；数据采集分析处理器还负责温频等效计算，得到扬声器振动部件材料在较宽频率范围内粘弹性参数。
2.根据权利要求1所述的扬声器振动部件材料粘弹性测量系统，其特征在于所述的测量支架包括一个立方体框架结构、一根用于安装直线导轨的竖梁、一组用于放置和固定激振器的横梁，以及一组用于安装固定板的竖梁；安装直线导轨的竖梁位于测量支架的前面，放置和安装激振器的横梁位于测量支架的后面，而安装固定板的竖梁则位于测量支架的中后部；所述的激振器安装在测量支架的一组横梁上，并由橡胶带固定；所述的橡胶带既可很好地固定住激振器，又可在一定程度上起到减振和保护激振器的作用。
3.根据权利要求1所述的扬声器振动部件材料粘弹性测量系统，其特征在于所述的被测部件的外边由组合式圆环夹持住，组合式圆环安装在固定板上；被测部件的内边粘接在一个中心开有圆孔的金属圆片上，丝杆穿过该圆孔，金属圆片由一组紧固螺母安装在丝杆上；所述的丝杆安装在激振器上，丝杆上安装有被测部件，激振器输出的力通过安装在激振器上的丝杆作用于被测部件。
4.根据权利要求1所述的扬声器振动部件材料粘弹性测量系统，其特征在于所述的直线导轨安装在测量支架的一根竖梁上，直线导轨可沿着竖梁上下移动；而竖梁的水平位置也可调整，这样，使得安装在直线导轨上的激光位移传感器发出的激光光束准确地对准安装在激振器上的丝杆的中心位置；还能调节直线导轨旋钮，使得激光位移传感器沿直线导轨前后移动，以满足不同距离的对焦要求。
5.根据权利要求1所述的扬声器振动部件材料粘弹性测量系统，其特征在于所述的组合式夹具是由多个不同直径的内圆环和外圆环组成，用于固定不同直径的被测扬声器部件的外边，采用规格合适的组合式圆环有效地夹持住被测扬声器部件的外边。
6.一种基于权利要求1所述的扬声器振动部件材料粘弹性测量系统的扬声器部件材料粘弹性测量方法，主要包括4个步骤：1)测量被测部件的位移和受力；2)通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数；3)从高温到低温或从低温到高温、在不同温度下测量动态力学参数，即重复前面步骤1和2；4)利用温频等效原理计算较宽频率范围内的材料粘弹性参数。
7.根据权利要求6所述的扬声器部件材料粘弹性测量方法，其特征在于所述的测量被测部件的受力和位移的方法为：首先，在丝杆上不安装被测部件，用单频信号激励激振器工作；激光位移传感器测量得到被测部件上被测点的位移信号x0，并同时测量流经激振器的电流I0；然后，在丝杆上安装被测部件，用n组幅度线性阶梯连续变化的单频信号激励激振器工作，单频信号的频率范围、频率间隔和频率点数与前面不安装被测部件的情况完全一致；激光位移传感器测量被测部件上被测点的位移信号xn，并同时测量与上述激励信号对应的流经激振器的电流in；通过多项式拟合方式计算得到对应上述位移x0时的流经激振器的电流I1，并通过公式F＝(I1-I0)*Bl计算得到被测部件上被测点的受力F。
8.根据权利要求6的所述的扬声器部件材料粘弹性测量方法，其特征在于所述的通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法为：所述的通过被测部件的受力和位移反推其材料动态力学参数(杨氏模量和损耗因子)的方法是：首先提取测量得到的扬声器振动部件上某点的受力和位移；通过仿真分析方法得到该振动部件上和被测点相同位置处的受力和位移；比对仿真结果和测量结果，并进行容差判断，当仿真分析结果和测量结果的小于设定的容差，则此时的杨氏模量和损耗因子即为被测部件材料的动态力学参数，否则更新仿真分析中被测部件材料参数杨氏模量、损耗因子的设定值，直到仿真分析结果和测量结果的小于设定的容差，输出此时的杨氏模量和损耗因子。
9.根据权利要求6所述的扬声器部件材料粘弹性测量方法，其特征在于所述的从高温到低温或从低温到高温、在不同温度下测量粘弹性参数的方法是：将测量装置放置于高低温试验箱中，从高温到低温或从低温到高温设定不同的温度值。设定高低温试验箱箱内温度后，需等待箱内温度稳定于设定温度一段时间后方可开始测量。
10.根据权利要求6所述的扬声器部件材料粘弹性测量方法，其特征在于所述的利用温频等效原理计算较宽频带范围内的材料粘弹性参数的方法是：利用温频等效，将低温下测得的粘弹性参数转换成高频下的粘弹性参数；将高温下测得的粘弹性参数转换成低频下的粘弹性参数；将从高温到低温或从低温到高温、测量多个不同温度下的粘弹性参数拼接起来，最后得到从低频到高频、较宽频率范围内的粘弹性参数。
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