CN109063343B - 一种基于有限元法的扬声器网罩设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有限元法的扬声器网罩设计方法，通过有限元法对扬声器网罩进行仿真设计，能够在设计前期优化网罩外形以调整扬声器的性能，加快扬声器设计开发的进度，减少开发成本。一种基于有限元法的扬声器网罩设计方法，包括如下步骤：S1、制作带网罩扬声器的三维模型；S2、根据所述三维模型建立所述带网罩扬声器的有限元模型；S3、向所述有限元模型赋予扬声器激励；S4、设定网罩的参数；S5、通过控制变量法以及参数化扫描模型，对所述有限元模型求解，计算出不同参数的网罩所对应的频响曲线，并对比选出最优解。
Description
技术领域
本发明涉及扬声器领域，具体涉及一种基于有限元法的扬声器网罩设计方法。
背景技术
随着人们的生活水平在不断的提高，音乐已成为人们的生活中不可或缺的一部分。扬声器的音质与外观成为了当前市场关注的两大焦点。当前，普遍设计扬声器网罩的方案为样品试做、测试、改良样品、再重复循环该过程，这种方案开发周期长，成本高。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于有限元法的扬声器网罩设计方法，通过有限元法对扬声器网罩进行仿真设计，能够在设计前期优化网罩外形以调整扬声器的性能，加快扬声器设计开发的进度，减少开发成本。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于有限元法的扬声器网罩设计方法，包括如下步骤：
S1、制作带网罩扬声器的三维模型；
S2、根据所述三维模型建立所述带网罩扬声器的有限元模型；
S3、向所述有限元模型赋予扬声器激励；
S4、设定网罩的参数；
S5、通过控制变量法以及参数化扫描模型，对所述有限元模型求解，计算出不同参数的网罩所对应的频响曲线，并对比选出最优解。
在一实施例中，所述步骤S1中，使用三维绘图软件绘制所述带网罩扬声器的三维模型。
在一实施例中，所述步骤S2中，通过有限元软件中建立所述带网罩扬声器的有限元模型。
优选地，所述步骤S2具体包括：
S21、将所述三维模型导入有限元软件中进行网格划分，并加入空气模型进行网格划分；
S22、定义扬声器网罩的材料参数以及空气的材料参数；
S23、定义扬声器的有效辐射面积。
更优选地，所述步骤S22中，所述扬声器网罩的材料参数包括动力粘度、密度及声速；所述空气的材料参数包括声速、密度。
更优选地，所述步骤S23包括定义纸盆椎体、防尘帽以及纸盆折环。
在一实施例中，所述步骤S3中，将扬声器纸盆的振动速度或振动位移或振动加速度输入有限元软件声学模块所对应的内部法向速度或内部法向位移或内部方向加速度。
在一实施例中，所述步骤S4中，通过有限元软件声学模块的内部多孔板来设定网罩参数。
具体地，所述网罩参数包括孔径、透孔率以及厚度。
具体地，所述有限元软件为COMSOL软件。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
将有限元法应用于扬声器网罩分析，能够在设计前期优化网罩外形以及调整扬声器的性能，从而加快扬声器设计开发的进度，减少开发成本。由于扬声器网罩对于频响曲线的影响是线性的，即任意形态声波经过同一网罩受到的影响都是一致的，本发明的扬声器网罩的仿真设计方法能够快速便捷的设计扬声器网罩。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于有限元的扬声器网罩设计方法的流程图；
图2为一款带网罩扬声器的剖面示意图；
图3为带网罩扬声器的有限元模型的示意图；
图4为扬声器的等效电路模型；
图5为带网罩扬声器的频响曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
本发明旨在提供一种基于有限元法的扬声器网罩设计方法，用于对扬声器网罩进行仿真设计，根据得到的带网罩扬声器的频响曲线，筛选出最优的网罩参数，从而为扬声器设计出最优的网罩。该仿真设计方法具体包括以下步骤：
（1）使用三维绘图软件绘制带网罩扬声器的三维（壳）模型。
（2）建立带网罩扬声器有限元模型。具体步骤如下：
A、将带网罩扬声器三维（壳）模型图导入有限元软件，对其进行网格划分，得到有限元分析所需的面单元。若需考虑空气对扬声器振动的影响，还要再模型中加入空气模型并将空气网格划分为体单元。
B、定义材料参数。定义扬声器网罩的材料参数，包括动力粘度、密度以及声速。有限元模型中包含空气，还需要定义空气的材料参数，包括声速、密度以及吸声系数。
C、定义有效辐射面。定义扬声器的有效辐射面积，包括纸盆椎体、防尘帽（高音杯）以及纸盆折环。
（3）赋予扬声器激励。将纸盆的振动速度、振动位移或者振动加速度输入给有限元软件声学模块对应的内部法向速度、内部法向位移或者内部法向加速度，三者取其一即可。
（4）定义网罩参数。通过声学模块的内部多孔板来设定网罩参数，参数包括孔径、透孔率以及厚度。
（5）通过控制变量法以及参数化扫描模型，对有限元模型求解，可以计算出不同透孔率、孔径和厚度的网罩所相对应的频响曲线，将各个频响曲线对比从而选出最优解。
示例
本发明以6.5英寸带网罩汽车扬声器为示例，对该汽车扬声器的频响曲线进行模拟分析筛选出最优网罩参数。参照图1所示的流程图，具体步骤如下。
步骤1：使用三维绘图软件Solid Edge ST7创建带网罩扬声器的三维（壳）模型，图2为该带网罩扬声器的剖面示意图，由于本发明主要涉及扬声器网罩的仿真设计，在本发明中扬声器仅提供激励，故只保留了扬声器的有效辐射面。
步骤2：建立扬声器有限元模型（如图3所示），具体步骤如下：
（1）、将带网罩扬声器的三维（壳）模型导入COMSOL软件中，进行网格划分。对带网罩扬声器的三维（壳）模型进行面网格划分；对空气模型进行体网格划分。网格划分遵循最小波长必须包含6个网格的原则，即例如扬声器高频截止频率为10KHz，该扬声器的最小波长即为0.034m，那么最大网格不能大于0.0057m。
（2）、定义材料参数。对于本示例的扬声器网罩，扬声器网罩所选用的材料为聚丙烯（PP），网罩网孔为通孔。定义网罩的动力粘度、密度以及声速。然后定义空气的材料参数，包括声速、密度。
（3）、定义有效辐射面。扬声器的有效辐射面包括，扬声器的纸盆、防尘帽以及折环。
步骤3：通过等效电路法来赋予激励，通过声学测量设备，测得扬声器的小信号参数，包括输入电压u，直流电阻Re，线圈电感Le，电感分量（寄生电感）L2，涡流损失产的电阻R2，振动系统的力顺Cms，机械质量Mms，机械力阻Rms，驱动力系数BL。通过如图3所示的等效电路模型，得到如下方程：
式中i代表了扬声器线圈电流，v代表了扬声器振膜的振动速度，j为虚数单位，为角速度。
求解上述方程可以得到扬声器纸盆的振动速度v，通过对速度v求导得到纸盆的位加速度a。将此加速度a提交给压力声学模板的内部法向加速度中，此加速度a施加在有效辐射面上。
步骤4：定义网罩参数。通过声学模块的内部多孔板来设定网罩参数，参数包括网孔孔径、网罩透孔率以及网罩厚度。
步骤5：进行有限元求解，即可得到带网罩扬声器的频响曲线。图5为仿真计算的频响曲线。运用控制变量法以及参数化扫描。在步骤4中先固定网孔孔径以及网罩透孔率，逐一扫描网罩厚度（1mm，1.5mm，2mm…），即可得到不同网罩厚度对频响曲线的影响，同理可以得到网孔孔径与网罩透孔率对频响曲线的影响。最终可以选出最优解，获得最优的网罩参数。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于有限元法的扬声器网罩设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制作带网罩扬声器的三维模型；
S2、根据所述三维模型建立所述带网罩扬声器的有限元模型，其中在定义材料参数步骤中仅定义扬声器网罩的材料参数以及空气的材料参数；之后定义扬声器的有效辐射面；
S3、通过等效电路法向所述有限元模型赋予扬声器激励，等效电路模型的方程如下：
对上述方程求解得到纸盆的振动速度，通过对振动速度求导得到纸盆的加速度，将其施加到有效辐射面上；
上述方程中，u代表输入电压，Re代表直流电阻，Le代表线圈电感，L2代表电感分量，R2代表涡流损失产生的电阻，Cms代表振动系统的力顺，Mms代表机械质量，Rms代表机械力阻，BL代表驱动力系数，i代表了扬声器线圈电流，v代表了扬声器振膜的振动速度，j为虚数单位，ω为角速度；
S4、设定网罩的参数，参数包括网孔孔径、网罩透孔率以及网罩厚度；
S5、通过控制变量法以及参数化扫描模型，对所述有限元模型求解，计算出不同参数的网罩所对应的频响曲线，并对比选出最优解。
2.根据权利要求1所述的扬声器网罩设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，使用三维绘图软件绘制所述带网罩扬声器的三维模型。
3.根据权利要求1所述的扬声器网罩设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过有限元软件中建立所述带网罩扬声器的有限元模型。
4.根据权利要求3所述的扬声器网罩设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21、将所述三维模型导入有限元软件中进行网格划分，并加入空气模型进行网格划分；
S22、定义扬声器网罩的材料参数以及空气的材料参数；
S23、定义扬声器的有效辐射面积。
5.根据权利要求4所述的扬声器网罩设计方法，其特征在于，所述步骤S22中，所述扬声器网罩的材料参数包括动力粘度、密度及声速；所述空气的材料参数包括声速、密度。
6.根据权利要求4所述的扬声器网罩设计方法，其特征在于，所述步骤S23包括定义纸盆椎体、防尘帽以及纸盆折环。
7.根据权利要求3所述的扬声器网罩设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，将扬声器纸盆的振动速度或振动位移或振动加速度输入有限元软件声学模块所对应的内部法向速度或内部法向位移或内部方向加速度。
8.根据权利要求3所述的扬声器网罩设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过有限元软件声学模块的内部多孔板来设定网罩参数。
9.根据权利要求3所述的扬声器网罩设计方法，其特征在于，所述有限元软件为COMSOL软件。
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Families Citing this family (5)
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|---|---|---|---|---|
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| CN110083979B (zh) * | 2019-05-15 | 2021-02-05 | 重庆大学 | 一种重型直升机主减速器分扭传动均载设计方法 |
| CN112616108B (zh) * | 2020-12-14 | 2023-12-22 | Oppo广东移动通信有限公司 | 音频输出方法及装置、系统、存储介质和电子设备 |
| CN112924012A (zh) * | 2021-01-25 | 2021-06-08 | 中航华东光电（上海）有限公司 | 一种密闭小空间声学参数测量方法 |
| CN113821954A (zh) * | 2021-09-23 | 2021-12-21 | 广东省科学院智能制造研究所 | 一种声学屏蔽箱的设计方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| CN205336509U (zh) * | 2016-01-25 | 2016-06-22 | 嘉善圣通电子有限公司 | 一种新型户外音箱 |
| CN106951628A (zh) * | 2017-03-16 | 2017-07-14 | 吉林航盛电子有限公司 | 基于comsol软件的扬声器频率曲线分析方法及装置 |
| CN108353220A (zh) * | 2016-08-31 | 2018-07-31 | 索尼公司 | 扬声器网罩和扬声器设备 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN104408227A (zh) * | 2014-10-28 | 2015-03-11 | 浙江中科电声研发中心 | 一种扬声器失真特性的数值仿真分析方法 |
| CN109063343B (zh) * | 2018-08-08 | 2023-08-22 | 苏州上声电子股份有限公司 | 一种基于有限元法的扬声器网罩设计方法 |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| CN205336509U (zh) * | 2016-01-25 | 2016-06-22 | 嘉善圣通电子有限公司 | 一种新型户外音箱 |
| CN108353220A (zh) * | 2016-08-31 | 2018-07-31 | 索尼公司 | 扬声器网罩和扬声器设备 |
| CN106951628A (zh) * | 2017-03-16 | 2017-07-14 | 吉林航盛电子有限公司 | 基于comsol软件的扬声器频率曲线分析方法及装置 |
Non-Patent Citations (1)
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