CN109362020B - 一种扬声器盆架动刚度的数值仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种扬声器盆架动刚度的数值仿真分析方法，该方法首先建立有限元仿真模型，它包括如下步骤：1)添加物理场和研究类型；2)建立扬声器盆架的几何模型；3)设置物理场。在“固体力学”物理场中设置弹性材料模型、阻尼、约束条件和载荷力；3)设定材料参数；4)设置网格类型和尺寸，划分网格生成有限元模型。然后，采用频域分析方法对该有限元模型进行求解。最后，通过后处理可以得到扬声器盆架的动刚度随频率的变化关系。还可以得到在任意频率的正弦载荷作用下，盆架上的应力、应变和位移的分布图，以及盆架上任意点的位移幅值、速度幅值和加速度幅值的频率响应。

Description

一种扬声器盆架动刚度的数值仿真分析方法

技术领域

本发明属于扬声器领域，涉及扬声器结构力学和动力学的仿真分析方法。采用该方法可以仿真扬声器盆架的动刚度，通过频域分析得到扬声器盆架的动刚度值，以及其结构上任意点在任意频率激励下的应力、应变、位移、速度和加速度的大小和分布情况。

背景技术

扬声器具有足够的结构稳定性是保证其正常工作的前提。扬声器盆架是维持扬声器结构稳定的重要部件，起着支撑和保护振膜、音圈等其他部件的作用。扬声器盆架动刚度是评估扬声器结构稳定性的重要参数之一。当扬声器在不同激励频率的动载荷的作用下，盆架的动刚度会表现出不同于静刚度的特性，一般情况下，它的动刚度会随着激励频率的变化而改变，并且，其数值总小于静刚度。

以往都是通过试验法来测试扬声器盆架的动刚度。但是它存在一系列问题：第一，必须在制作出扬声器样品之后才能进行；第二，在扬声器研发过程中，为了得到一个合格的盆架，往往需要进行反复试样和多次试验，非常耗时费力；第三，制作盆架需要开模，费用比较昂贵；第四，测量动刚度，也需要专业的测试设备，投入也较大；第五，动刚度测试试验只能得到被测物体的结构整体的动刚度值，对准确分析和判断盆架结构不同位置点的强度特性、寻找出盆架上易于损坏的位置点作用甚微。

发明内容

本发明公开一种扬声器盆架动刚度的数值仿真方法，它解决了传统的试验法存在的必需事先做出盆架样品、研制盆架样品耗时费力、费用贵和投资大并且对查找易损点作用甚微等问题。

本发明通过建立扬声器盆架的有限元仿真分析模型，可计算得到扬声器在不同频率的正弦载荷作用下，扬声器盆架上任意点所受应力、应变、位移、速度和加速度分别随频率的变化关系，并通过后处理计算得到盆架的动刚度随频率的变化关系，进而判断该盆架的结构强度是否满足需求。

本发明所提出的一种扬声器盆架动刚度的数值仿真分析方法的主要步骤包括：

(1)建立有限元模型

1)建立扬声器盆架动刚度仿真分析的几何模型。具体建模步骤如下：

A.扬声器盆架几何模型导入：将扬声器盆架的三维几何模型导入有限元分析软件。

B.几何清理：在有限元模型构建过程中，由于几何模型中多余的点、线、面和体均会对网格质量造成较大的影响，故导入几何模型后，需采用几何清理功能清除模型中多余的点、线、面和体，提高网格质量；

2)设置物理场及材料模型，详细步骤如下：

A.设置物理场：选择“固体力学”物理场来仿真分析扬声器盆架的动刚度；“固体力学”是有限元软件内置的物理场之一，主要用于仿真分析结构力学相关的问题；

B.设置材料模型：将扬声器的盆架设置为线弹性材料模型，并根据实际情况设置材料阻尼；

3)定义边界条件和载荷，详细步骤如下：

A.边界固定约束：设置扬声器盆架安装孔的边界为固定约束边界；

B.边界载荷：在扬声器盆架的底部面上加载垂直于面的总力；

4)定义材料属性：有限元仿真模型的材料属性与物理场、材料模型及边界条件有关，这里需设置的材料参数包括杨氏模量、密度、泊松比、阻尼；

5)划分网格：指定网格单元类型及网格大小生成有限元网格单元，扬声器盆架采用自由四面体网格类型；这里需要自定义网格尺寸，并进行适当的网格细化，使计算结果更精确；

(2)求解及后处理

1)求解：采用有限元法对上述步骤所建立的有限元模型进行求解，其基于的理论方程如下：

式中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为静刚度矩阵，

为节点加速度向量，

为节点速度向量，{X}为节点位移向量，{F}为激励载荷向量。在扬声器盆架动刚度的仿真分析中采用了“频域”方法求解。

2)后处理：通过后处理可得到盆架动刚度随频率的变化关系。这里，动刚度矩阵[K_D]与激励载荷的角频率ω满足方程：

此外，通过后处理还可对求解有限元模型得到的结果进行图像化处理或列表显示。

扬声器动刚度的仿真分析可得到的结果主要包括：1)扬声器盆架的动刚度随频率的变化关系；2)在任意频率的正弦载荷激励下,扬声器盆架上的应力、应变、位移的分布情况。3)扬声器盆架上任意点的位移幅值、速度幅值和加速度幅值的频率响应；

所述扬声器盆架几何模型为合理简化后的几何模型。模型的简化方法很多，既可以采用专业的三维绘图软件完成简化，也可以采用有限元软件(如COMSOL Multiphysics)的“几何”相关功能来实现。

所述的有限元分析软件为COMSOLMultiphysics，它是一款多物理场仿真分析软件，主要功能包括建立几何模型、网格划分、多物理场设置与求解、结果图像化显示等。

本发明的优点是不需要事先制作扬声器盆架样品，采用数值仿真分析方法通过分析该盆架设计模型即可计算得到该盆架上任意点所受应力、应变、位移、速度和加速度随频率的变化关系，并通过后处理计算得到盆架的动刚度随频率的变化关系，进而判断该盆架的结构强度是否满足需求。从而大幅度提高产品设计效率，节约研发成本和时间。

附图说明

图1为本发明的实施流程图。

图2为一款扬声器盆架的三维几何模型。

图3为扬声器盆架动刚度的仿真几何模型。

图4为盆架上的固定约束面。

图5为盆架上的边界载荷面。

图6为扬声器盆架的材料参数。

图7为扬声器盆架动刚度仿真有限元网格模型。

图8为扬声器盆架上应力分布图。

图9为扬声器盆架上应变分布图。

图10为扬声器盆架上位移大小分布和变形量。

图11为盆架上一点的位移幅值随频率的变化关系。

图12为盆架上一点的速度幅值随频率的变化关系。

图13为盆架上一点的加速度幅值随频率的变化关系。

图14为扬声器盆架的动刚度随频率的变化关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明以一款扬声器盆架为例，用数值仿真方法分析该盆架的动刚度。图1为本发明实施流程图，具体步骤如下：

(1)准备

图2是一款扬声器盆架的三维几何模型图。该模型采用专业的三维绘图软件绘制完成。

(2)建立有限元模型

1)添加空间维度、物理场接口和研究类型。打开COMSOL Multiphysics软件，设置空间维度为“三维”，选择物理场为“固体力学”，选择研究类型为“频域”。

2)建立扬声器盆架动刚度仿真几何模型。如图3所示。建模过程如下：

A.导入扬声器几何模型：采用“几何”相关的操作，导入扬声器盆架的三维几何模型。

B.几何清理：在“几何”操作下采用几何清理功能，清理模型中多余的点、线、面和体。

3)设置物理场。在“固体力学”的设置窗口，设置“固体力学”适用于盆架的几何域。

4)设置材料模型。在“固体力学”物理场下设置盆架的材料模型为“线弹性材料”，并为该线弹性材料添加“阻尼”功能接口，并使“阻尼”应用于盆架的几何域。

5)设置边界条件和载荷。在“固体力学”物理场下分别设置边界固定约束、边界载荷，详细设置步骤如下：

A.边界固定约束：设置图4所示的盆架上安装孔对应的面为“固定约束”。

B.边界载荷：在图5所示的面上，加载F＝1N的作用力，力的方向沿+Z方向。

6)定义材料属性。采用“材料”相关的操作，对模型中盆架几何域的材料参数进行设置。本例中定义的扬声器盆架的材料参数如图6所示。

7)划分网格。图7为本例中采用的有限元网格模型，该网格划分步骤如下：

A.指定扬声器盆架几何域的网格类型为“自由四面体网格”，“定制”自由四面体网格尺寸：最大单元大小为5mm。最后“全部构建”生成有限元网格如图7所示。

(3)求解及后处理

1)频域研究。

A.设置求解器：设置“频域”研究的频率范围：10^{range(log10(1),1/20,log10(2000))}。

B.计算：设置完成后求解该有限元模型，计算过程采用COMSOL软件内置算法来实现。

2)后处理。通过后处理可查看的结果如下：

A.添加“三维绘图组”，采用“体”绘图，输入表达式solid.mises，修改查看频率点为794.33Hz，绘制可得794.33Hz时扬声器盆架上应力分布图如图8所示。由图可知，盆架安装孔附近受到的应力较其他位置大。

B.添加“三维绘图组”，采用“体”绘图，输入表达式abs(solid.evol)，修改查看频率点为794.33Hz，绘制可得794.33Hz时扬声器盆架上应变分布图如图9所示。

C.添加“三维绘图组”，采用“体”绘图，输入表达式solid.disp，在“体”绘图下添加“变形”，输入X分量、Y分量、Z分量表达式分别为u、v、w，设置缩放比例因子为1250，修改查看频率点为794.33Hz，绘制可得794.33Hz时扬声器盆架上位移分布图和变形量(已缩放)如图10所示。由图可知，盆架变形主要集中在安装孔之间的横梁和支架上，且不同位置变形的大小和方向不同。

D.添加“一维绘图组”，采用“点图”绘图，选择边界载荷面上的点(点编号：292)，输入表达式：solid.uAmpZ，绘制得到位移幅值Z分量随频率的变化关系如图11所示。

E.添加“一维绘图组”，采用“点图”绘图，选择边界载荷面上的点(点编号：292)，输入表达式：solid.uAmp_tZ，绘制得到速度幅值Z分量随频率的变化关系如图12所示。

F.添加“一维绘图组”，采用“点图”绘图，选择边界载荷面上的点(点编号：292)，输入表达式：solid.uAmp_ttZ，绘制得到加速度幅值Z分量随频率的变化关系如图13所示。

G.添加“一维绘图组”，采用“点图”绘图，选择边界载荷面上的点(点编号：292)，输入表达式：F/solid.uAmpZ，绘制得到盆架动刚度随频率的变化关系如图14所示。

以上实施案例仅用于说明本发明的实现过程而非限制本发明所描述的技术方案。尽管本说明书参照上述的各个实施步骤对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术成员应该理解，仍然可以对本发明进行修改或等效替换，而一切不脱离本发明精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖于本发明的权利保护范围内。

Claims (3)

1.一种扬声器盆架动刚度的数值仿真分析方法，其特征在于：

所述的扬声器盆架的分析方法是基于有限元软件对扬声器盆架动刚度的分析，来得到盆架动刚度数值，所述采用有限元软件仿真分析扬声器盆架动刚度至少要满足如下条件：

在盆架动刚度的仿真分析中，几何模型中多余的点、线、面和体均会对网格质量和计算精度造成较大的影响，故需要采用几何清理功能清除盆架几何中多余的点、线、面和体；

根据盆架材质选择合适的材料模型，并根据实际情况设置阻尼；

设置扬声器盆架安装孔的边界为固定约束边界；

在扬声器盆架的底部面上加载垂直于该面的总力；

所述的扬声器盆架动刚度的仿真分析可得到的结果主要包括：1）扬声器盆架的动刚度随频率的变化关系；2)在任意频率的正弦载荷激励下, 扬声器盆架上的应力、应变、位移的分布情况；3) 扬声器盆架上任意点的位移幅值、速度幅值和加速度幅值的频率响应；

所述的基于有限元软件对扬声器盆架动刚度的分析该方法具体包括如下步骤：

（1）建立有限元模型

1）建立扬声器盆架动刚度仿真分析的几何模型；具体建模步骤如下：

A．扬声器盆架几何模型导入：将扬声器盆架的三维几何模型导入有限元分析软件；

B．几何清理：在有限元模型构建过程中，由于几何模型中多余的点、线、面和体均会对网格质量造成较大的影响，故导入几何模型后，需采用几何清理功能清除模型中多余的点、线、面和体，提高网格质量；

2）设置物理场及材料模型，详细步骤如下：

A．设置物理场：选择“固体力学”物理场来仿真分析扬声器盆架的动刚度；“固体力学”是有限元软件内置的物理场之一，主要用于仿真分析结构力学相关的问题；

B．设置材料模型：将扬声器的盆架设置为线弹性材料模型，并根据实际情况设置材料阻尼；

3）定义边界条件和载荷，详细步骤如下：

A．边界固定约束：设置扬声器盆架安装孔的边界为固定约束边界；

B．边界载荷：在扬声器盆架的底部面上加载垂直于面的总力；

4）定义材料属性：有限元仿真模型的材料属性与物理场、材料模型及边界条件有关，这里需设置的材料参数包括杨氏模量、密度、泊松比、阻尼；

5）划分网格：指定网格单元类型及网格大小生成有限元网格单元，扬声器盆架采用自由四面体网格类型；

（2）求解及后处理

1）求解：采用有限元法对上述步骤所建立的有限元模型进行求解，其基于的理论方程如下：

式中，

为质量矩阵，

为阻尼矩阵，

为静刚度矩阵，

为节点加速度向量，

为节点速度向量，

为节点位移向量，

为激励载荷向量；在扬声器盆架动刚度的仿真分析中采用了“频域”方法求解；

2）后处理：通过后处理可得到盆架动刚度随频率的变化关系，这里，动刚度矩阵

与激励载荷的角频率

满足方程：

。

2.根据权利要求1所述的扬声器盆架动刚度的数值仿真分析方法，其特征在于所述的所述扬声器盆架几何模型为合理简化后的几何模型；所述的有限元分析软件为COMSOLMultiphysics。

3.根据权利要求1所述的扬声器盆架动刚度的数值仿真分析方法，其特征在于，该方法适用于不同材料、不同结构的扬声器盆架。

Images