CN110188428B - 一种基于有限元法的扬声器联合仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及扬声器仿真设计技术，具体涉及一种基于有限元法的扬声器联合仿真方法，选取适宜参数下的D类功率放大器，利用OrCAD Capture搭建其电路模型，画出功放电路的原理图；在Cadence中Pspice A/D中进行参数设置，进行时域参数分析，检验仿真结果；将Cadence中获得的仿真结果在Matlab中进行采样转化，可以得到能够输入到Comsol中的采样信号；最终在Comsol中建立扬声器模型，输入采样信号，观察与检测在声音传递的过程中线圈的各项参数以及驱动器永磁体和相邻磁域中产生的输出磁力。该方法高度模拟实际扬声器应用情形，能够根据不同的激励信号有效检测扬声器线圈的振动情况及各项参数，对工业扬声器性能测试具有很高的指导和参考价值。

Description

一种基于有限元法的扬声器联合仿真方法

技术领域

本发明属于扬声器仿真设计技术领域，尤其涉及一种基于有限元法的扬声器联合仿真方法。

背景技术

近两年随着人机交互中音频设备的异军突起，人们对音频设备的需求和要求也就越来越高。这就需要音频设备的设计和制造不断地发展以满足人们的需求。而音频设备的设计与发展离不开多物理场仿真的帮助。首先仿真是通过建模复现实际系统中的本质过程。由于受限于计算机软硬件和数值计算理论，早期的仿真分析主要关注于某个专业领域中的单一物理场，比如电场，磁场，热能等。但是事物之间都是普遍联系的，任何物理现象都不可能单独存在，都或多或少与其他物理场之前有着不可忽视的联系。而多物理场就是同时存在两个及两个以上的物理场，并且其互相影响，所以体现在仿真研究方面就是描述各自场之间的偏微分方程中存在的某些变量的耦合。

多物理场耦合仿真分析在近几年被大众广为认知且广泛使用，是一种非常有效的有限元仿真分析方法。其能够压缩产品的研发时间，提高科研效率，并且能够实时更改设计，进行数值仿真，获得交互式的直观的分析结果。而音频设备换能器中的主体结构就是扬声器。扬声器作为最基本的电声转化器件，结构虽然简单却涉及到多种物理原理。其发声过程不仅涉及到电磁学，声学，也涉及到了压力力学，结构力学，发声原理颇为复杂。因此，对于扬声器的仿真必须在多物理场耦合的前提下进行分析综合，绝不是简单的电磁学，声学能够概括的。因此本发明需要通过多物理场仿真软件来进行关于扬声器的耦合仿真实验。

目前扬声器仿真设计主要依托于COMSOL，ANSYS等电磁仿真软件进行建模设计，能够有效检测出扬声器的振动模式和声学特性。但是其输入响应一般为设定的电磁波正弦或余弦谐波信号，较为模式化，且与实际电声传播状态有所差距。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用多软件的扬声器联合仿真方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于有限元法的扬声器联合仿真方法，利用Cadence中OrCAD Capture和Pspice A/D进行电路设计和仿真实验，得到功放电路，产生交流正弦波信号，利用MATLAB对正弦波信号进行采样后输入到COMSOL，作为进入COMSOL扬声器模型中的激励信号；最后进行扬声器的声学，固体力学和电磁学的仿真实验；包括以下步骤：

步骤1、选取与当前实验所用扬声器相匹配的D类功率放大器；

步骤2、根据所选的D类功率放大器，利用OrCAD Capture中搭建其电路模型，绘制功率放大器电路的原理图；

步骤3、利用Cadence中Pspice A/D基于原理图进行仿真实验；

步骤4、将Cadence中获得的仿真结果，进行Pspice与MATLAB的综合电路仿真与分析；

步骤5、进行MATLAB与COMSOL的联合仿真；

步骤6、在COMSOL中建立扬声器模型，进行扬声器各项参数测试。

在上述的基于有限元法的扬声器联合仿真方法中，步骤1所述D类功率放大器满足以下条件：

A、功率放大器的不失真输出功率应不小于扬声器额定功率的总和；

B、功率放大器的阻抗与扬声器阻抗相等；

C、功率放大器的电频率的频带宽度应当远大于扬声器的声频率响应宽度；

D、功率放大器与扬声器的阻尼系数应当匹配。

在上述的基于有限元法的扬声器联合仿真方法中，步骤2所述在OrCAD Capture中搭建电路模型输出稳定的谐波电压信号。

在上述的基于有限元法的扬声器联合仿真方法中，步骤S3所述仿真实验包括在Cadence的Pspice A/D中进行参数设置、时域参数分析，以及检验仿真结果。

在上述的基于有限元法的扬声器联合仿真方法中，步骤4的实现包括在MATLAB中建立新的电路模型，调用其中的slps模块，得到进一步采样转化后的谐波电压信号。

在上述的基于有限元法的扬声器联合仿真方法中，步骤5所述进行

MATLAB与COMSOL的联合仿真包括将Cadence中获得的仿真结果导入MATLAB中进行采样转化，得到输入COMSOL的采样信号；从而实现MATLAB与COMSOL的数据传递。

在上述的基于有限元法的扬声器联合仿真方法中，步骤6的实现包括从MATLAB中调用函数到COMSOL中建立模型，设置边界条件，求解各项参数；或直接将MATLAB采样转化后的谐波信号传入到COMSOL中，作为其扬声器仿真的激励源，对扬声器绕圈的参数有效磁导率，线圈瞬时电压，感应电流密度，封闭线圈电感，声压级，灵敏度，总阻抗进行测试。

本发明的有益效果是：通过利用多软件进行联合仿真，极大的还原了扬声器在实际生活中的应用情况，为利用电磁仿真软件提供了一种新的思路，扩大了电磁仿真软件如COMSOL，ANSYS的应用范围，同时利用了MATLAB与COMSOL数据间的相互调用，有效的将CADENCE中无法直接传入到COMSOL的输出结果进行了转化，为之后的扬声器多软件仿真提供了可靠的辅助与参考。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于Cadence，MATLAB和COMSOL多软件联合的扬声器仿真方法流程图；

图2为本发明实施例提供的基于D类功放TPA3116D2绘制的原理图；

图3为本发明实施例提供的Cadence与MATLAB基于slps模块仿真图；

图4为本发明实施例提供的MATLAB调用COMSOL示意图；

图5为本发明实施例提供的COSMOL调用MATLAB传入的激励信号进行扬声器仿真的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

为了更加贴近实际应用中的扬声器响应情形，本实施例提出了利用EDA软件cadence中Orcad Capture和Pspice A/D进行电路设计和仿真实验，设计出一种功放电路，产生交流正弦波，作为进入COMSOL扬声器模型中的激励信号。由于Cadence中Pspice产生的正弦波信号无法直接传入到COMSOL中，本发明继而利用MATLAB对正弦波信号进行采样后输入到COMSOL，最终进行扬声器的声学，固体力学和电磁学的仿真实验。

本实施例通过以下技术方案来实现，一种基于有限元法的扬声器联合仿真方法，包括以下步骤：：

步骤S1、选取一种和当前实验所用扬声器相匹配的D类功率放大器；

D类功率放大器的选择依据以下条件：

条件一：与扬声器的功率要相匹配，功率放大器的不失真输出功率应不小于扬声器额定功率的总和；

条件二：与扬声器的阻抗要相匹配，功率放大器阻抗与扬声器阻抗相等的情况最为理想。此时功率放大器与扬声器均处于良好的工作状态；

条件三：与扬声器的频带要相匹配，功率放大器的电频率响应要求平直，其频带宽度应当远大于扬声器的声频率响应宽度。

条件四：与扬声器的阻尼系数要相匹配。

步骤S2、基于所选的D类功率放大器，在OrCAD Capture中搭建其电路模型，画出功率放大器电路的原理图；

步骤S3、在Pspice A/D基于原理图进行仿真实验；

步骤S4、检验在Cadence中获取的仿真结果，进行Pspice与MATLAB的综合电路仿真与分析；

步骤S5、进行MATLAB与COMSOL的联合仿真；

步骤S6、在COMSOL中建立扬声器模型，进行扬声器各项参数测试；

而且，步骤S2中依据所选功率放大器建立的电路模型能够输出稳定的谐波电压信号。

而且，步骤S3中在Pspice A/D中进行参数设置，创建仿真描述文件，最后进行时域参数分析。

而且，步骤S4中在MATLAB中建立新的电路模型，调用其中的slps模块，得到进一步采样转化后的谐波电压信号。

而且，步骤S5中利用COMSOL Multiphysics with MATLAB模块，可以实现二者之间的相互调用，从而实现了MATLAB与COMSOL的数据传递。

而且，步骤S6中既可以在MATLAB中调用函数来在COMSOL中建立模型，设置边界条件，求解各项参数；也可以直接将MATLAB采样转化后的谐波信号传入到COMSOL中，作为其扬声器仿真的激励源，从而进行扬声器的参数测试，其参数指标包扬声器振动时的有效磁导率，线圈瞬时电压，感应电流密度，封闭线圈电感，声压级，灵敏度，总电阻抗等。

具体实施时，如图1所示。

一、选取和当前实验所用扬声器相匹配的D类功率放大器；

在COMSOL中建立的扬声器模型选用额定阻抗为8Ω，参考功率为10W的动圈式扬声器。

而与扬声器匹配的功率放大器应满足以下原则：

①功率匹配，功率放大器的不失真输出功率应不小于扬声器额定功率的总和。若采用小功率功率放大器去驱动大功率的扬声器，则功率放大器动态范围不够，当扬声器尚未达到所需输出声压时，功放已限幅失真；若扬声器的输入功率过大，则在所需输出声压级状态连续工作，极易被烧坏。

因此一般要求功率放大器的额定输出功率要大于喇叭的额定输入功率，最优的为功率放大器额定输出功率为扬声器系统额定功率的1.5～2倍。

②阻抗匹配，功率放大器的输出阻抗应与扬声器的额定输入阻抗相一致，二者才能获得最佳匹配。此时传输效率较高，失真较小。若扬声器额定阻抗大于功率放大器的额定输出阻抗，功率放大器的输出电压将升高，电路工作点偏离设计的最佳工作点，引起轻载失配；若扬声器额定阻抗小于功率放大器的额定输出阻抗，则会导致输出电压降低，输出电流增大，加重了功率放大器的负担，引起重载失真。

③频带匹配，为了获得较快速的动态响应与较好的高频特性，功率放大器的频带应相当宽。通常功率放大器的电频率响应要求平直，其频带宽度应远大于扬声器的声频率响应宽度，扬声器的声频率响应宽度最多只能达到20Hz-20kHz，而功率放大器的电频率响应宽度可达10Hz-100kHz。具体需要根据选择的器件进行实际测试调整，达到最佳输出状态。

④阻尼系数匹配，阻尼系数是指功率放大器的输出阻抗与输出内阻的比值，代表了功率放大器输出内阻给予扬声器电阻尼状况。具体表现在对扬声器阻抗曲线低频部分影响，从而改变了扬声器输出声学特性，同时它还与瞬态失真，非线性失真有关，也影响扬声器的高频特性，最终是影响扬声器整体的声音质量。通常功率放大器的阻尼系数较大时，可以减少失真，并减小频率响应对输出的影响，而且选配扬声器的阻抗范围也较大。但是过大的阻尼系数，则会导致较大的负反馈，影响和破坏电路的瞬态特性并减小增益。因此应根据实际实验情况选择相应的阻尼系数。

通过对功率放大器与扬声器匹配原则的综合考虑，本实施例选用D类功率放大器TPA3116D2，其支持多个输出配置，且在15V电压、8ΩBTL负载条件下的功率为2×15W(TPA3130D2)，具有高效的运行效率。在-40°至80°环境范围内都可工作，稳定性较高，较为完美的符合匹配原则。

二、基于所选的D类功率放大器，在OrCAD Capture中搭建其电路模型，画出功放电路的原理图；

如图2所示，此电路一共有6个输入电压源，其中V1，V2，V3，V4，V5均为稳定恒流电压源，且输入电压分别为12V，0V，2V，0V，0V，V6为交流电压源，峰值为1V，频率为1000HZ，且可以有4个输出，即Vout2R,Vout1R,Vout2L,Vout2L。

三、在Pspice A/D基于原理图进行仿真实验；

绘制完原理图后，接着进行参数设置，重新创建新的仿真描述文件后，接下来选择Time Domain进行时域参数分析，并设定运行时间为1ms，在Vout4R处添加电压观察指针后运行仿真，得到稳定的谐波输出信号。

四、检验在Cadence中获取的仿真结果，进行Pspice与MATLAB的综合电路仿真与分析；

如图3所示，首先预先在MATLAB中simulink下新建一个model，同时调用其中的slps模块，基于slps模块来搭建新的电路模型。将已经搭建好的原理图导入slps模块中，设置好相应输入，输出和其他参数模块，在simulink的新model中搭建好其外围电路，利用scope来观察其输出情况。

五、进行MATLAB与COMSOL的联合仿真；

在MATLAB中要正确安装LiveLink for MATLAB，其可以用来连接COMSOL与MATLAB，使MATLAB可以调用COMSOL中的模型与COMSOL API进行计算分析，同时也能在COMSOL中嵌入MATLAB函数，实现双向调用。

通过COMSOL Multiphysics with MATLAB启动MATLAB后，MATLAB便可以调用COMSOL API。如图4所示，主要分为模型加载(Load)、参数设置(Update Setting)、求解(Solve)、数据处理(Extra data)，各步骤通过调用COMSOL API实现。

六、在COMSOL中建立扬声器模型，进行扬声器各项参数测试；

如图5所示，MATLAB中的时谐信号传入COMSOL中，作为激励信号，继而在COMSOL中建立实验所需的扬声器模型。

扬声器模型振动发声原理如下，扬声器主要包含磁体与振动系统两部分。磁体部分主要指其中的磁体以及软铁材质的部分，振动系统则包括纸盆，音圈，定心支片等部分。当交变电流通过磁场中的线圈时，会产生交变的磁场，与此同时扬声器内部磁体也会产生一个大小与方向不变的恒定磁场，这样两个磁场会相互作用，进而影响到音圈，使其受到磁场力的作用而发生运动，且运动过程中必定会切割磁感线，进而产生感应电动势。且纸盆与音圈相连，也会随之相应振动，进而引起空气的振动发声。当进入音圈的交变电流幅值越大时，其产生的交变磁场也会越大，两个磁场的相互作用力也会随之变大，音圈与纸盆的振动幅度也会变大，进而发出音调更高的声音。

模型的建立需根据实际应用需求，本实施例所建立的是简易的动圈式扬声器模型，扬声器磁铁产生的磁场由铁极片与顶板支撑并聚焦到音圈所在的窄间隙内，音圈在就会产生感应电动势，继而产生感应电流。音圈在通过正弦电流时，在磁隙中就会产生交变磁场，与原本存在于磁隙中的恒定磁场发生相互作用，使线圈受到磁场力的作用而上下运动，从而带动与线圈相连的纸盆发生振动。

在完成扬声器的模型建立后，我们需要进行扬声器的基础参数设置，如音圈缠绕的匝数，永磁体中的剩余磁通密度，线圈导线的电导率等。材料属性的设置也极为重要，设定好空气域，音圈，悬边，锥盆等各部分材料。每一个部分的参数设置必须十分细致，不然在Comsol仿真过程中极易出现报错。

在一切前置设置准备完毕之后，就要对扬声器所处的多物理场进行添加设置，扬声器仿真涉及到磁场域，压力声学域与固体力学域，分别在各个域场中建立扬声器相关作用方程，添加时域或频域研究步骤，即可在求解器中求解线圈瞬时电压，感应电流密度，封闭线圈电感，声压级，灵敏度，总电阻抗等相应参数，并进行测试结果的数据存储，完成了利用多软件拟合扬声器仿真过程。

本实施例基于多软件联合仿真，实现了模拟扬声器的实际发声过程中。利用全链路仿真，有利于技术人员剖析分解扬声器在工作状态下的各种振动形式，通过在COMSOL中对扬声器的各项指标参数进行仿真验证，对工业扬声器性能测试具有很高的指导和参考价值。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种基于有限元法的扬声器联合仿真方法，其特征是，利用Cadence中OrCADCapture和Pspice A/D进行电路设计和仿真实验，得到功放电路，产生交流正弦波信号，利用MATLAB对正弦波信号进行采样后输入到COMSOL，作为进入COMSOL扬声器模型中的激励信号；最后进行扬声器的声学，固体力学和电磁学的仿真实验；包括以下步骤：

步骤1、选取与当前实验所用扬声器相匹配的D类功率放大器；

步骤2、根据所选的D类功率放大器，利用OrCAD Capture搭建电路模型，绘制功率放大器电路的原理图；

步骤3、利用Cadence中Pspice A/D基于原理图进行仿真实验；

步骤4、将Cadence中获得的仿真结果，进行Pspice与MATLAB的综合电路仿真与分析；

步骤5、进行MATLAB与COMSOL的联合仿真；

步骤6、在COMSOL中建立扬声器模型，进行扬声器各项参数测试；

步骤1所述D类功率放大器满足以下条件：

A、功率放大器的不失真输出功率应不小于扬声器额定功率的总和；

B、功率放大器的阻抗与扬声器阻抗相等；

C、功率放大器的电频率的频带宽度应当远大于扬声器的声频率响应宽度；

D、功率放大器与扬声器的阻尼系数应当匹配；

步骤3所述仿真实验包括在Pspice A/D中进行参数设置、时域参数分析，以及检验仿真结果；

步骤4的实现包括在MATLAB中建立新的电路模型，调用其中的slps模块，得到进一步采样转化后的谐波电压信号；

步骤5所述进行MATLAB与COMSOL的联合仿真包括将Cadence中获得的仿真结果导入MATLAB中进行采样转化，得到输入COMSOL的采样信号；从而实现MATLAB与COMSOL的数据传递；

步骤6的实现包括从MATLAB中调用函数到COMSOL中建立模型，设置边界条件，求解各项参数；或直接将MATLAB采样转化后的谐波信号传入到COMSOL中，作为其扬声器仿真的激励源，对扬声器振动时的有效磁导率，线圈瞬时电压，感应电流密度，封闭线圈电感，声压级，灵敏度，总阻抗进行测试。

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