CN108460204B - 一种通过扬声器振动部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法 - Google Patents

一种通过扬声器振动部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法 Download PDF

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Abstract

本发明专利提出一种通过扬声器振动部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法，属于扬声器设计和制造及材料参数测量领域。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；然后采用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，该仿真分析方法包括建立几何模型、建立仿真分析模型和频域分析等步骤；最后通过比对仿真结果和测量结果，反推得到被测部件材料的动态力学参数(杨氏模量和损耗因子)。采用本方法可以准确地获得扬声器振动部件(包括折环、定心支片等)材料的动态力学参数，可广泛应用于扬声器的设计、研发和制造。

Description

一种通过扬声器振动部件的受力和位移反推其材料动态力学 参数的方法
技术领域
本发明属于电声技术应用领域。涉及一种通过扬声器振动部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法。采用本方法可以准确地获得扬声器振动部件(包括折环、定心支片等)材料的动态力学参数，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具有粘弹性特性，测量其动态力学参数的意义在于：
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，它的动态力学参数相较于静态力学参数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粘弹性特性的重要动态力学参数。准确测量扬声器振动部件的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：
测量粘弹性材料的动态力学参数的方法主要分为两类：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；
本发明提出一种通过扬声器振动部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法，由于扬声器振动部件的受力和位移便于被准确地测量得到，故采用本方法可从而更加方便、更加准确地获得扬声器振动部件材料的动态力学参数。
发明内容
本发明提出的一种通过扬声器振动部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法，它能够利用测量得到的扬声器振动部件的受力和位移，反推得到扬声器振动部件材料的动态力学参数，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：
Figure GDA0003450264040000021
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：
Figure GDA0003450264040000022
其中
Figure GDA0003450264040000023
(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：
Figure GDA0003450264040000024
Figure GDA0003450264040000025
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；
本发明的优点：本发明专利提出了一种通过扬声器振动部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法，它能够利用测量得到的扬声器振动部件的受力和位移，反推得到扬声器振动部件材料的动态力学参数。
附图说明
图1为本发明实施方法流程图；
图2为被测振动部件的2D轴对称几何模型；
图3为仿真分析模型中的固定约束边界；
图4为仿真分析模型中的载荷边界；
图5为仿真分析模型中的网格划分结果；
图6为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7为仿真分析模型中的杨氏模量优化收敛表格；
图8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9为仿真分析模型中的损耗因子优化收敛表格。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明；
本发明提出的一种通过扬声器振动部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法，它能够利用测量得到的扬声器振动部件的受力和位移，反推得到扬声器振动部件材料的动态力学参数，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：
Figure GDA0003450264040000031
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：
Figure GDA0003450264040000032
其中
Figure GDA0003450264040000033
(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：
Figure GDA0003450264040000034
Figure GDA0003450264040000035
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；
所述的扬声器振动部件包括锥体、折环和定心支片；
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-s～10-12。
现以一款6.5英寸扬声器的折环为例，使用COMSOL Multiphysics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COMSOLMultiphysics的“几何”中导入被测振动部件的2D轴对称几何模型，如图2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3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4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5；
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6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7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8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9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；
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。

Claims (3)

1.一种通过扬声器振动部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法，其特征在于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；
为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：
Figure FDA0003450264030000011
其中,Mm为系统的有效振动质量，通过测量得到；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，通过上述微分方程求解出位移X的表达式：
Figure FDA0003450264030000012
其中Xm为振动位移幅值，
Figure FDA0003450264030000013
(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：
Figure FDA0003450264030000021
Figure FDA0003450264030000022
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，需要更新振动部件材料的杨氏模量和损耗因子，并再次进行频域求解，求解结束后需再次比对仿真结果和测量结果，直到δ和ε小于设定的容差，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；
有两种方法更新振动部件材料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。
2.根据权利要求1所述的一种通过扬声器振动部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法，其特征在于所述的扬声器振动部件包括锥体、折环和定心支片。
3.根据权利要求1所述的一种通过扬声器振动部件的受力和位移反推其材料动态力学参数的方法，其特征在于所述的数值仿真分析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。
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