CN109684683A - 一种扬声器振动系统的运动过程分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扬声器振动系统的运动过程分析方法，采用数值仿真分析方法对扬声器振动系统运动状态进行分析，计算得到动圈式扬声器在不同音圈位移处振动系统的变形情况，以修改仿真模型代替反复制样，能节省较多的资源和时间。一种扬声器振动系统的运动过程分析方法，提供扬声器振动系统的几何模型，根据所述几何模型建立扬声器振动系统的有限元模型，所述有限元模型进行求解，通过后处理得到扬声器振动系统的运动过程参数。

Description

一种扬声器振动系统的运动过程分析方法

技术领域

本发明属于扬声器领域，涉及一种扬声器振动系统的运动过程分析方法。

背景技术

动圈式扬声器，又称电动式扬声器，其原理是：变化的电流流过线圈产生变化的磁场，线圈在外加磁场中受力带动扬声器振膜振动，从而发出声音。扬声器工作过程中，振动系统随着音圈往复运动，纸盆折环、定位支片、防尘圈(尤其是同轴扬声器的防尘圈)等软性部件发生周期性的变形，这种变形通常是弹性形变。在扬声器开发阶段，有时受到结构的限制，需要控制折环、防尘圈或是定位支片的变形量，从而避免软性部件变形后与其他部件发生碰撞产生异音。纯音检听是检测扬声器异音的常见方式之一，由于纯音检听只能在制作出扬声器样品后进行，所以在整个产品的研发周期中需要反复制样。因此，目前的纯音检听的方式存在以下缺陷：1)纯音检听必须要在制作出扬声器样品后才能进行，研发过程中需要反复制样，存在的耗时长、成本高的问题；2)试制样品需要专业的开模机器，对研发环境的硬件要求较高的问题；3)纯音检听只能检测扬声器工作时是否存在异音，不能准确分析得到振动系统的形变及其上应力、应变的空间分布情况。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种扬声器振动系统的运动过程分析方法，采用数值仿真分析方法对扬声器振动系统运动状态进行分析，通过建立有限元仿真分析模型，可计算得到动圈式扬声器在不同音圈位移处振动系统的变形情况，进而确定振动系统变形后是否会与其他部件发生碰撞产生异音；在研发周期内，以修改仿真模型代替反复制样，能节省较多的资源和时间。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种扬声器振动系统的运动过程分析方法，提供扬声器振动系统的几何模型，根据所述几何模型建立扬声器振动系统的有限元模型，对所述有限元模型进行求解，通过后处理得到扬声器振动系统的运动过程参数；其中，采用稳态分析方法对所述有限元模型进行求解，求解的理论方程如下：

其中，[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。

优选地，所述扬声器振动系统的运动过程参数包括振动系统的形变及应力、应变的空间分布。

更优选地，通过后处理得到的所述运动过程参数以图像显示或列表显示，所述运动过程参数包括：不同音圈位移处振动系统的部件的形状；不同音圈位移处扬声器振动系统上应力大小或应力分布图；不同音圈位移处扬声器振动系统上弹性应变量或弹性应变量分布图。

优选地，根据所述几何模型建立扬声器振动系统的有限元模型包括如下步骤：

S21、将扬声器振动系统及与其连接的几何模型导入有限元分析软件；

S22、设置物理场及材料模型；

S23、定义固定边界条件和指定位移；

S24、定义材料属性；

S25、划分网格。

更优选地，步骤21中，所述几何模型为三维几何模型或二位轴对称模型，将所述几何模型导入有限元分析软件后，清除多余的点、线、面或体。

更优选地，步骤S22中，选择固体力学物理场仿真扬声器振动系统的变形情况，将材料模型设置为线弹性模型。

更优选地，步骤S23中，将振动系统中不参与运动的面设置为固定约束，在音圈或振动系统的其他部件上沿音圈运动方向添加指定位移。

更优选地，步骤S24中，材料属性包括杨氏模量、密度、泊松比、各向同性切线模量。

优选地，所述扬声器振动系统的几何模型包括：振动系统部分部件的模型，或振动系统全部部件的模型，或振动系统部分部件及与其连接的部件的模型，或振动系统全部部件及与其连接的部件的模型。

优选地，所述运动过程分析方法还包括对所述几何模型进行简化的步骤，采用三维绘图软件对所述几何模型简化后导入有限元分析软件中，或采用有限元软件(如COMSOLMultiphysics)的“几何”相关功能来实现对所述几何模型进行简化。

根据本发明的一个优选方面，所述运动过程分析方法的主要步骤包括：

(1)建立有限元模型

1)建立扬声器振动系统运动过程仿真的几何模型。该模型包括扬声器振动系统部分或全部零件及其相关连接部件，具体建模步骤如下：

A.扬声器振动系统几何模型导入：将扬声器振动系统部分或全部零件及其相关连接部件的三维几何模型或者二维轴对称模型导入有限元分析软件；

B.几何清理：导入几何模型后，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，以避免在有限元模型构建过程中，几何模型中多余的点、线、面和体对网格质量造成的影响；

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振动系统的变形情况；

B.设置材料模型：因为振动系统在扬声器工作过程中仅发生弹性形变，故设置为线弹性模型；

3)定义固定边界条件和指定位移，详细步骤如下：

A.固定边界条件：按照扬声器振动系统各零部件实际装配关系，将振动系统中不参与运动的面设置为固定约束；

B.指定位移：在音圈上沿音圈运动方向添加指定位移。在简化模型中，若音圈未建模，也可在纸盆椎体或者定位支片等运动部件上沿音圈运动方向添加指定位移；

4)定义材料属性：需设置的材料参数包括杨氏模量、密度、泊松比、各向同性切线模量；

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；

(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：

其中，[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；针对指定位移进行参数化扫描，对模型进行稳态分析求解。

2)后处理：通过后处理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，可得到的结果主要包括：1)不同音圈位移处，扬声器振动系统的各部件的形状；2)不同音圈位移处，扬声器振动系统上应力大小及分布图；3)不同音圈位移处，扬声器振动系统上弹性应变量及分布图。

所述的有限元分析软件优选为COMSOL Multiphysics，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。

本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：

将有限元法运用于分析在不同音圈位移处振动系统的运动情况，克服传统扬声器设计时对样品的依赖，减少研发过程中的扬声器样品的制样次数，降低对研发硬件的要求，提高设计效率，节约研发成本。

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为本发明的运动过程分析方法的流程图；

图2为一款同轴扬声器的三维几何模型；

图3为图2中同轴扬声器的振动系统简化几何模型剖面图；

图4为振动系统形变的仿真模型；

图5为固定约束设置示意图；

图6为指定位移添加示意图；

图7为振动系统形变仿真有限元网格模型；

图8为振动系统在音圈向上运动至位移最大时，防尘圈截面形状及应力分布图(2D)；

图9为振动系统在音圈向上运动至位移最大时，其结构上的应力分布图(3D)；

图10为振动系统在音圈向上运动至位移最大时，其结构上的应变分布图(3D)；

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。

本发明以一款同轴扬声器为例，用数值仿真方法分析其防尘圈运动情况。图1示出了根据本发明的运送过程分析方法的流程图，具体步骤如下：

(1)准备

图2是一款同轴扬声器的三维几何模型图。图3为由纸盆椎体1、防尘圈2、座舱3组成的简化三维几何模型剖面图。该同轴扬声器的具体结构参见中国专利申请CN2018208056189。

(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“二维轴对称”，选择物理场接口为“固体力学”，选择研究类型为“稳态”。

2)建立振动系统几何模型。本实施例中主要研究防尘圈的变形情况，几何模型仅包括纸盆椎体1、防尘2和座舱3，如图4所示。建模过程如下：

A.导入几何模型：采用“几何”相关的操作，导入简化二维几何模型。

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、线和面。

3)设置材料模型。本实施例中分析对象在扬声器工作过程中仅发生弹性形变，故在“固体力学”物理场下将纸盆椎体1、防尘圈2和座舱3设置为线弹性材料。

4)设置边界条件和指定位移。在“固体力学”物理场下分别设置固定约束和指定位移，详细设置步骤如下：

A.固定约束：将防尘圈2与座舱3胶合处设置为固定约束，如图5所示。

B.指定位移：因为音圈未建模，故在纸盆椎体1上沿音圈运动方向添加指定位移，如图6所示。

5)定义材料属性。采用“材料”相关的操作可分别对各模型域的材料参数进行设置，本例中定义的扬声器各部件材料参数如表1所示。

表1

	纸盆椎体	防尘圈	座舱
				密度(kg/m<sup>3</sup>)	750	1150	1220
杨氏模量(pa)	3.7e9	8e7	2.2e9
				泊松比	0.33	0.47	0.33

6)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：

指定网格类型为自由三角形网格，设置网格尺寸为“极细化”。

(3)求解及后处理

1)稳态研究。

A.对指定位移添加参数化扫描，位移设置参考实际扬声器工作时的振幅大小，本实施例中位移设置从-9mm到9mm，步长1mm。

B.计算。基于如下理论方程：配置求解器后求解计算该有限元模型。

2)后处理。通过后处理可查看的结果如下：

A.添加“二维绘图组”，采用“表面”绘图，输入表达式solid.mises，添加“变形”，“比例因子”设置为1，绘制可得振动系统在音圈向上运动至位移最大时，防尘圈截面形状及应力分布图(2D)如图8所示。由图8可知，当音圈向上移动到位移最大处，防尘圈变形后未与座舱、纸盆椎体发生接触，也未因变形产生自我接触。

B.添加“三维绘图组”，采用“表面”绘图，输入表达式solid.mises，添加“变形”，“比例因子”设置为1，绘制可得在音圈向上运动至位移最大时，其结构上的应力分布图(3D)如图9所示。

C.添加“三维绘图组”，采用“表面”绘图，输入表达式solid.evol，添加“变形”，“比例因子”设置为1，绘制可得在音圈向上运动至位移最大时，其结构上的应变分布图(3D)如图10所示。

D.在“导出”模块添加“动画”，场景使用上述应力绘图，还可以导出振动系统随音圈上下运动的动画。

上述结果用于为扬声器设计和制造提供参考。

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 (10)

1.一种扬声器振动系统的运动过程分析方法，其特征在于，提供扬声器振动系统的几何模型，根据所述几何模型建立扬声器振动系统的有限元模型，对所述有限元模型进行求解，通过后处理得到扬声器振动系统的运动过程参数；其中，采用稳态分析方法对所述有限元模型进行求解，求解的理论方程如下：

其中，[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。

2.根据权利要求1所述的运动过程分析方法，其特征在于，所述扬声器振动系统的运动过程参数包括振动系统的形变及应力、应变的空间分布。

3.根据权利要求2所述的运动过程分析方法，其特征在于，通过后处理得到的所述运动过程参数以图像显示或列表显示，所述运动过程参数包括：不同音圈位移处振动系统的部件的形状；不同音圈位移处扬声器振动系统上应力大小或应力分布图；不同音圈位移处扬声器振动系统上弹性应变量或弹性应变量分布图。

4.根据权利要求1所述的运动过程分析方法，其特征在于，根据所述几何模型建立扬声器振动系统的有限元模型包括如下步骤：

S21、将扬声器振动系统及与其连接的几何模型导入有限元分析软件；

S22、设置物理场及材料模型；

S23、定义固定边界条件和指定位移；

S24、定义材料属性；

S25、划分网格。

5.根据权利要求4所述的运动过程分析方法，其特征在于，步骤21中，所述几何模型为三维几何模型或二位轴对称模型，将所述几何模型导入有限元分析软件后，清除多余的点、线、面或体。

6.根据权利要求4所述的运动过程分析方法，其特征在于，步骤S22中，选择固体力学物理场仿真扬声器振动系统的变形情况，将材料模型设置为线弹性模型。

7.根据权利要求4所述的运动过程分析方法，其特征在于，步骤S23中，将振动系统中不参与运动的面设置为固定约束，在音圈或振动系统的其他部件上沿音圈运动方向添加指定位移。

8.根据权利要求4所述的运动过程分析方法，其特征在于，步骤S24中，材料属性包括杨氏模量、密度、泊松比、各向同性切线模量。

9.根据权利要求1所述的运动过程分析方法，其特征在于，所述扬声器振动系统的几何模型包括：振动系统部分部件的模型，或振动系统全部部件的模型，或振动系统部分部件及与其连接的部件的模型，或振动系统全部部件及与其连接的部件的模型。

10.根据权利要求1所述的运动过程分析方法，其特征在于，所述运动过程分析方法还包括对所述几何模型进行简化的步骤，采用三维绘图软件对所述几何模型简化后导入有限元分析软件中，或采用有限元软件对所述几何模型进行简化。